Drehsteife Wellenkupplungen

Wellenkupplungen für winkelsynchrone Anwendungen

Diese Kupplungen gleichen Fluchtungsfehler zwischen den Wellenenden, die infolge von Toleranzen auftreten oder die Wellenenden aus Platzgründen oder Funktionsgründen nicht fluchtend montiert werden können, aus. Die Übertragung der rotativen Bewegung erfolgt winkelsynchron. Diese Kupplungen werden zur Anbindung von Drehgebern, Encoder und dergleichen, wie auch zur Übertragung von winkelgenauen Antriebsbewegungen von einem Servomotor zu einer Maschine eingesetzt.

Axialversatz

Radialversatz

Winkelversatz

Es gibt Wellenkupplungen mit einem oder zwei kardanischen Systemen. Kupplungen mit zwei kardanischen Systemen können Radialversatz (achsparallelen) Versatz ausgleichen. Es gibt Kupplungen die in beiden Bauarten hergestellt werden. Als Beispiel sind hier auf dieser Seite für eine einfach kardanische Kupplung die Federscheibenkupplung genannt. Für eine doppelkardanische Kupplung ist auf dieser Seite die Lamellenkupplung aufgeführt. Jede dieser beiden Wellenkupplung gibt es auch in der jeweils anderen Bauform.

Die Welle-Naben-Verbindungen an den gezeigten Wellenkupplungen sind Beispiele. Die aufgeführten Kupplungen gibt es meist in mehreren Ausführungen was die Anbindung an die Wellen betrifft. Es geht hier hauptsächlich um die Funktion der Wellenkupplung.

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Metallbalgkupplung

Die Metallbalgkupplung ist eine drehsteife Kupplung. Sie gleicht die Differenz der Wellenenden mit einem elastischen Metallbalg (blau) aus. Für die Befestigung stehen viele unterschiedlich Welle-Nabe-Verbindungen zur Verfügung.

• spielfrei
• bis 300º C je nach Befestigung des Metallbalges
• winkelgenaue steckbare Ausführungen erhältlich
• kleines Massenträgheitsmoment
• Drehzahlen von 20.000 1/min bis 7500 1/min (kleine bis große Baugröße)
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: ja
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: 2 - 2500 Nm

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C-Flex Gitterkupplung (Stahlausführung)

Bei dieser C-Flexkupplung wird ein Gitter aus gehärtetem Federblech, ähnlich einer Wellfeder, als ausgleichendes Element verwendet. Durch dieses flexible Federelement kann die Kupplung im Verhältnis zur Baugröße einen große Wellen- und Winkelversatz ausgleichen. Die Wellenfixierung erfolgt über zwei Gewindestifte im Winkel von 90° Grad. Als alternative werden Backenklemmringe eingesetzt die eine höhere Klemmwirkung erzielen und Beschädigungen der Welle vermeiden.

• bei axialem Wellenversatz winkelsynchron
• leichte Montage
• kleines Massenträgheitsmoment
• Material Edelstahl
• Drehzahlen max. 10.000 bis 3750 1/min
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: ja
• max. Winkelversatz: bis 7°
• Nenndrehmoment: 1,4 - 34 Nm

Produktionformationen

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Gitterkupplung (Polyamid)

Zum Ausgleich der Differenzen der beiden zu verbinden Wellenenden, wird bei dieser Kupplung ein drehsteifes Gitter aus Polyamid verwendet. Diese Kupplung lässt einen axialen Versatz von bis zu 10,51mm zu. Das Gitter aus Polyamid ist elektrisch und thermisch isolierend.

• bei axialem Wellenversatz winkelsynchron
• leichte Montage
• kleines Massenträgheitsmoment
• Gittermaterial Polyamid
• Drehzahlen max. 10.000 bis 3750 1/min
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: 10,51 - 0,2 mm
• max. Winkelversatz: bis 7° Servoausführung bis 5°
• Nenndrehmoment: 0,6 - 22,6 Nm

Produktionformationen

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Kreuzscheibenkupplung (System Oldham)

Zwischen den beiden Naben befindet sich eine Scheibe, die auf beiden Seiten eine um 90 Grad versetzte Nut besitzt. Die Scheibe kann sich frei zwischen den Naben bewegen, sie wird nur von den Stegen auf den Naben gehalten. Daher kann die Kupplung keinerlei axiale Kräfte aufnehmen. Diese Kupplung ist besonders bei einer axialen Verlagerung der Wellen geeignet. Das Verschleißteil, die Kreuzscheibe, kann leicht ausgetauscht werden. Daher eignet sich die Kupplung zur Überlastsicherung.

• bei axialem Wellenversatz winkelsynchron
• leichte Montage
• kleines Massenträgheitsmoment
• bei Kunststoffkreuzscheibe elektrisch isolierend
• Drehzahlen max. 4500 1/min
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: nein
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: 0,8 - 1200 Nm
• Kupplung besitzt eine Unwucht

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Ausgleichskupplung (System Oldham)

Die Ausgleichskupplung besteht aus zwei gleichen Scheiben. Auf jeder Scheibe der Ausgleichskupplung befinden sich gegenüberliegend mehrere Mitnehmerfinger die in die Nut einer Ausgleichsscheibe greifen. Die beiden Scheiben greifen um 90 Grad verdreht in die Ausgleichsscheibe ein. Damit die Ausgleichsscheibe in Position gehalten wird befinden sich noch Stütznocken auf den Scheiben.

• winkelsynchron
• leichte Montage
• Paralelversatz von 0,5 bis 7 mm
• Kunststoffkreuzscheibe elektrisch isolierend
• Drehzahlen 13.000 bis 1050 1/min
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: nein
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: 2 - 8000 Nm

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Kreuzwellenkupplung

Diese Kupplung ist ähnlich der Kreuzscheibenkupplung. Die Kupplung hat eine Scheibe mit aufgesetzten Wellen die in den Naben in einer seitlich offenen Nut geführt werden. Die Scheibe kann sich frei zwischen den Naben bewegen. Die Kreuzwellenkupplung kann auch axiale Kräfte aufnehmen. Diese Kupplung ist besonders bei einer axialen Verlagerung der Wellen geeignet.

• bei axialem Wellenversatz winkelsynchron
• auf Zug und Druck belastbar
• max. Beugungswinkel 3° Grad
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: nein
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: 6 - 13.000 Nm

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Loewe-GK® Kupplung

Diese Kupplung besitzt als Ausgleichselement ein Kardangelenk welches radial in den Führungen verschiebbar ist. Die Loewe-GK Kupplung kann dadurch axiale Kräfte aufnehmen. Diese Kupplung ist besonders bei einer axialen Verlagerung der Wellen geeignet die auch axiale Kräfte aufnehmen muss.

• bei axialem Wellenversatz winkelsynchron
• auf Zug und Druck von 800 N bis 13.000 N belastbar
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: nein
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: 4 - 220 Nm

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Drehgeberkupplung

Diese Kupplung besitzt, als Ausgleichselement, ein speziell geformtes Kunststoffteil, dass auf jeder Nabe mit zwei Stiften gehalten wird. Zur Erhöhung des Drehmomentes gibt es Ausführungen mit zwei Übertragungselementen. Vorwiegend wird diese Kupplung zur Kopplung von Encoder, Drehgebern, Tachogeneratoren etc. verwendet.

• winkelsynchron
• elektrisch isolierend
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: ja
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: klein

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Countex®

Diese Kupplung besteht aus zwei Naben die an den Wellen befestigt werden und einem Mittelteil aus PEEK das lose zwischen den beiden Naben das Drehmoment spielfrei überträgt. Diese Kupplung ist axial steckbar und wird vornehmlich in der Messtechnik zum Anbau von Drehgebern, Winkelmessgeräte oder ähnliches verwendet. Durch die sehr kurze Bauweise lässt sich die Kupplung leicht integrieren.

• winkelsynchron
• elektrisch isolierend
• kleine Drehmomente
• max. axialer Versatz 1mm
• max. radialer Versatz 0,12mm
• max. Winkelversatz 0,57° Grad
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: ja
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: 0,3 - 1 Nm

® COUNTEX ist eine Marke der Fa. KTR Kupplungstechnik GmbH

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Federstegkupplung

Die Federstegkupplung besteht aus einem Zylinder, Alu, Edelstahl oder Kunststoff, der an den Enden eine Wellenaufnahme besitzt. Die Eigenschaft des Ausgleiches von unterschiedlichen Wellenlagen bekommt die Kupplung durch die versetzt radial eingefrästen schmalen Nuten. Dadurch, dass die Federstegkupplung intern keine Verbindungs- oder Übertragungselemente besitzt, ist sie spielfrei und wartungsarm. Es sind auch längere Ausführungen lieferbar, die die Funktion einer Ausgleichswelle übernehmen.
Sind nicht mehrere Nuten radial versetzt, sondern eine Nut spiralförmig eingebracht, handelt es sich um eine Wendelkupplung.

• winkelsynchron
• max. axialer Wellenversatz 0,3 mm 0,5 mm (kleine bis große Baugröße)
• max. lateraler Wellenversatz 0,2 mm bis 0,3 mm (kleine bis große Baugröße)
• max.Winkelversatz 1°
• Äußerer Durchmesser 16 mm bis 100 mm
• max Drehzahlen von 10.000 1/min bis 5.000 1/min (kleine bis große Baugröße)
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: ja
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: 2 - 300 Nm

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Federscheibenkupplung

Zwischen den beiden Naben der Federscheibenkupplung befindet sich eine (hier blau dargestellt) oder zwei Scheiben aus Federblech. Die Naben sind an jeweils zwei Punkten um 90° Grad versetzt mit den Scheiben verbunden. Bei der Variante mit zwei Scheiben ist ein Mittelteil mit den Scheiben kardanisch mit den Naben verbunden und nur diese Variante kann einen lateralen Wellenversatz ausgleichen. Die Einscheibenausführung kann nur axiale und angulare Toleranzen ausgleichen. Bei sehr kurz bauenden Varianten liegen die Federscheiben außen und die Wellenbefestigung ist zwischen den Federscheiben.
Zwei Federscheibenkupplungen mit einem Rohr verbunden werden als Zwischenwellen eingesetzt.

• winkelsynchron
• max. axialer Wellenversatz 0,2 mm bis 0,5 mm
• max. lateraler Wellenversatz 0,3 mm bis 0,4 mm
• max.Winkelversatz 3° bis 1º
• äußerer Durchmesser 20 mm bis 100 mm
• max Drehzahlen von 10.000 1/min bis 5.000
• Ausgleich radial: nein/ (ja)
• Ausgleich axial: ja
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: 0,8 - 500 Nm

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Lamellenkupplung

Als Ausgleichselement werden bei der Lamellenkupplung Federpakete aus Federblech eingesetzt die entweder mit Passschrauben oder Konusverschraubungen mit den Naben verbunden werden. Die Federpakete werden in Vierloch-, Sechsloch- und Achtlochausführung hergestellt. Die Lamellenkupplung gibt es in der einfach und zweifach kardanischen Ausführung. Auf dem Bild ist eine doppelkardanische Kupplung mit zwei Naben und einem Mittelteil dargestellt. In Ganzstahlausführung kann die Lamellenkupplung auch bei größeren Umgebungstemperaturen eingesetzt werden.
Die Lamellenkupplung hat den gleichen Aufbau wie die Federscheibenkupplung. Als Unterscheidungsmerkmal sehe ich die Anzahl Federscheiben.
Eine Federscheibe: Federscheibenkupplung
Mehrere Federscheiben(Paket): Lamellenkupplung
Diese Lamellenkupplung ist nicht zu verwechseln mit der schaltbaren Lamellenkupplung.

• winkelsynchron
• max. axialer Wellenversatz 1 mm bis 5 mm
• max. lateraler Wellenversatz 0,5 mm bis 2 mm (je nach länge des Mittelteiles auch größer)
• max.Winkelversatz 1° bis 0,5º
• äußerer Durchmesser 56 mm bis 660 mm
• max Drehzahlen von 20.000 1/min bis 1.800 1/min
• Ausgleich radial: nein/ (ja)
• Ausgleich axial: ja
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: 15 - 280.000 Nm

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Kupplung mit bogenförmig verzahnter Hülse und Nabe

Diese Kupplung besteht aus zwei Zahnrädern und einer Hülse, alle Teile sind mit einer bogenförmigen Verzahnung versehen. Die Hülse wird aus Kunststoff oder Stahl gefertigt. Zur Montage muss ein Zahnrad axial aus der Hülse gezogen werden. Es sind auch Varianten mit einer in der Mitte radial geteilten Hülse lieferbar. Bei dieser Variante kann die Kupplung bei seitlich verschobener Wellen montiert werden.
Die bogenförmig verzahnte Kupplung in Ganzstahlausführung muss geschmiert werden. Um das Fett in der Verzahnung zu halten ist die Hülse zu den Naben der Zahnräder abgedichtet. Die maximale Umgebungstemperatur beträgt bei diesen Wellenkupplungen 80° Grad. Die Kupplungen mit Kunststoffhülse können bis 100° Grad eingesetzt werden.

• winkelsynchron
• max. axialer Wellenversatz ±1 mm bis ±2 mm
• max. lateraler Wellenversatz 0,1 mm bis 5,5 mm
• max.Winkelversatz 1° bis 0,4º
• äußerer Durchmesser 36 mm bis 825 mm
• max Drehzahlen von 14.000 1/min bis 1.800 1/min
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: ja
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: 5 - 1.050.000 Nm

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Parallelkurbelkupplung

Diese Kupplung arbeitet nach dem Prinzip eines Paralellkurbelgetriebes. Drei Koppelstangen übertragen das Drehmoment auf eine Mittelscheibe von der wiederum drei weitere Koppelstangen das Drehmoment auf die Abtriebsseite übertragen. Zu beachten ist, dass die Kupplung in keinem undefinierten Zustand eingesetzt wird. Befindet sich die Parallelkurbelkupplung in Strecklage, können die Lenker gedehnt oder die Lager beschädigt werden. Die Mittelscheibe kann beim wieder Zusammenschieben zur anderen Seite schwenken. Auch darf der laterale Versatz nie Null werden, da sonst die Mittelscheibe in einen undefinierten Zustand gerät.

• winkelsynchron
• max. lateraler Wellenversatz 23 mm bis 304 mm
• äußerer Durchmesser 50 mm bis 680 mm
• max Drehzahlen max. 1.500 1/min
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: nein
• Ausgleich Winkelversatz: nein
• Nenndrehmoment: 34 - 450.000 Nm

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Hier wird eine Animation von einer Parallelkurbelkupplung gezeigt.

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Kardangelenkwelle

Eine Kardangelenkwelle besteht aus zwei Kardangelenken die durch eine Welle, mit oder ohne Längenausgleich (grün in Abb.) verbunden sind. Ein Kardangelenk besteht aus zwei u-förmigen Hälften die ineinander greifen und durch ein Kreuzgelenk (blau in Abb.) verbunden sind. Diese Gelenke bzw. Wellen werden daher auch oft als Kreuzgelenke bzw. Kreuzgelenkwellen bezeichnet. Die Lagerung in den Gelenkwellen bilden bei einfachen Wellen Gleitlager und bei höheren Anforderungen Nadellager. Durch die beiden Gelenke braucht die Kardangelenkwelle eine relativ große Mindesteinbaulänge verglichen mit den anderen drehsteifen Wellenkupplungen auf dieser Seite.

Die Verbindungswelle besitzt keine konstante Drehzahl, sie schwingt. Ein Kreuzgelenk kann, bedingt durch die Kinematik, eine eingeleitete Drehbewegung nicht winkelsynchron weiterleiten wenn das Gelenk gebeugt ist. Bei zwei Kardankelenken in Reihe geschaltet hebt das zweite Gelenk die durch das erste Gelenk eingeleiteten Schwankungen in der Drehbewegung wieder auf. Bedingung ist, dass die beiden Gelenke spiegelbildlich montiert sind (siehe Abb.), die Beugungswinkel der beiden Gelenke gleich sind und Antriebs- und Abtriebswelle in einer Ebene liegen. Durch die Drehschwingungen des Mittelteiles ist die maximale Drehzahl begrenzt um eine optimale Laufruhe eines Antriebes zu gewährleisten. Um die Schwingungen in dem System Gelenkwelle gering zu halten sollte die Mittelwelle möglichst Massearm ausgeführt werden, daher gibt es heute bei Bedarf Mittelwellen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen. Auch sollte beim Entwurf auf möglichst kleine Beugungswinkel geachtet werden.
Bei Verbindungswellen mit Längenausgleich ist nach einer Demontage darauf zu achten, dass die Gelenke an den beiden Enden der Gelenkwelle spiegelbildlich zueinander stehen.
Die biegekritische Drehzahl muss beim Einsatz einer Kardangelenkwelle beachtet und beim Hersteller nachgefragt werden.

• winkelsynchron solange die zu verbindenden Wellen parallel, in einer Ebene und die Beugungswinkel gleiche sind.
• max. lateraler Wellenversatz hängt von der Länge der Welle und max. Winkel der Gelenke ab
• Beugungswinkel bis 20° max 42° Grad
• äußerer Durchmesser 16 mm bis 1200 mm
• max Drehzahlen 4000 1/min bis 950 1/min (hängt von dem Beugungswinkel ab)
• Ausgleich radial: ja
• Ausgleich axial: ja
• Ausgleich Winkelversatz: ja
• Nenndrehmoment: 6 - 13.000.000 Nm

Weitere Produktinformationen

Formelsammlung Gelenkwelle

Anmerkung:

Die in den Tabellen angegebenen Grenzwerte dienen zur Orientierung um einen Überblick zu bekommen. Die entgültigen Werte sind beim Hersteller zu erfragen bzw. bei Eigenkonstruktionen selber zu bestimmen. Es kann auch sein, dass es Hersteller gibt die andere Baureihen mit einem anderen Leistungsspektrum liefern.

Bereichsangaben beziehen sich von der kleinsten zur größten Baugröße.

Autor: Uwe Koerbitz

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