AUF DER SICHEREN SEITE: MECHANISCHE VS. ELEKTRISCHE SICHERHEITSEINRICHTUNG

Zum Verhindern von Maschinenschäden setzt die Industrie diverse Sicherungseinrichtungen im Maschinen- und Anlagenbau ein. Neben rein mechanisch funktionierenden Elementen gibt es eine Vielzahl von elektrischen Varianten. Sie reichen vom stromabhängigen Überlastschutz über Spannungs- und Leistungsüberwachungsbauteile bis hin zu Drehmomentsteuergeräten. 


Schnelle Reaktionszeit spricht für mechanische Sicherheitskupplungen

Bei der objektiven und umfänglichen Bewertung beider Funktionsprinzipien stellt man fest, dass elektronische Steuerungen gegenüber mechanischen Bauteilen gravierende Nachteile aufweisen. Besonders wird dies bei der Reaktionszeit beider Varianten deutlich: Schließlich ist Schnelligkeit der entscheidende Faktor bei Sicherheitseinrichtungen. Je schneller die Steuerung abschaltet oder das Bauteil die Drehmomentübertragung unterbricht, desto geringer sind Folgeschäden an den Bauteilen oder sogar der gesamten Maschine.

In der Praxis ist folgendes Szenario denkbar: Infolge einer Blockade tritt in einer Maschine eine Überlast auf. Jetzt muss das Signal des Überwachungskreises die Information über einen starken Drehmomentanstieg durch die Überlast an die Motorsteuerung liefern. Dabei vergehen im Schnitt fünf bis sieben Millisekunden. In dieser Zeitspanne versucht die Steuerung das Drehmoment weiter zu erhöhen, um den Drehzahlsollwert zu erreichen. Im optimalen Fall vergehen zwischen Signalankunft an der Motorsteuerung bis zur Motorabschaltung weitere zehn Millisekunden. Also dauert es insgesamt mindestens 15 bis 17 Millisekunden zwischen Blockade der Maschine bis zur Abschaltung des Motors. 

Die mechanische Sicherheitskupplung trennt die An- und Abtriebseite innerhalb von drei bis fünf Millisekunden voneinander, also in einem Drittel der Zeit einer elektronischen

Abschaltung. Die 10 bis 15 Millisekunden, die eine mechanische  Absicherung schneller reagiert, tragen entscheidend dazu bei, Maschinen- oder Werkzeugschäden zu verhindern.


Vorteil: weniger Fehlerquellen

Ein weiterer Vorteil der mechanischen Variante ist die Anzahl möglicher Fehlerquellen. Um die Anlagen mit elektronischen Steuerungen ausrüsten zu können, ist eine Vielzahl an Sensoren notwendig, um optimalen Schutz zu gewährleisten. Zusätzlich zu den Sensoren werden Drehmomentmessgeräte an wichtigen Positionen innerhalb der Anlage angebracht. Dieser Aufbau von mehreren Sicherheitseinrichtungen birgt Fehlerquellen. Das System muss regelmäßig gewartet werden. Zudem bieten Sensoren keine absolute Sicherheit, denn beispielsweise durch Schmutz, Ablenkung von Infrarotstrahlen oder Verdeckung der Sensoren ist eine einwandfreie Funktionsweise nicht gewährleistet.


Maximale Sicherheit in Kombination mit elektronischer Strombegrenzung

Mit einer elektronischen Strombegrenzung kann man präventiv gegen eine Drehmomentüberlast vorgehen. Allerdings ist eine Begrenzung des Stromflusses nur bis zu einem gewissen Grad effektiv, da nur der Motor in seinem Drehmoment begrenzt wird. 

Alle Komponenten, die zwischen Werkzeug und Motor liegen, tragen zu einer möglichen Drehmomentüberlast bei. So kann es beispielsweise durch Massenträgheit oder Aufschwingen weiterer Bauteile im Antriebsstrang trotz der Drehmomentbegrenzung im Servomotor zu einer Überlast kommen. Diese Überlast wird von der motorseitigen Drehmomentbegrenzung nicht verhindert, da das am Motor vorhandene Drehmoment trotzdem noch im Toleranzbereich liegen kann. Abhilfe schafft eine mechanische Sicherheitskupplung im Antriebsstrang. Diese trennt die Verbindung zwischen Motor und Werkzeug innerhalb von Millisekunden, falls es durch Massenträgheit oder Aufschwingen der Bauteile zu Überlasten kommen sollte. So können Schäden an den Bauteilen, im schlimmsten Fall sogar ein Maschinencrash, verhindert werden. Folglich sollte die elektronische Strombegrenzung am Motor durch eine mechanische Sicherheitskupplung ergänzt werden, um einerseits einen Motorschaden zu verhindern und, um andererseits den gesamten Antriebsstrang gegen Schäden durch Drehmomentüberlast abzusichern.


Einfache Handhabung

Ein weiterer Vorteil besteht in der einfachen Handhabung und problemlosen Verstellmöglichkeit der mechanischen Sicherheitskupplung. Sind beispielsweise  zu hohe Massenträgheitsmomente im gesamten Antriebsstrang vorhanden, sodass die Sicherheitskupplung beim Abbremsen und Beschleunigen des Antriebsstrangs regelmäßig auslösen würde, kann das Ausrückmoment durch den großen Einstellbereich problemlos an die Gegebenheiten angepasst werden. Durch die variablen Einbaumöglichkeiten kann die Kupplung genau dort im Antriebsstrang eingesetzt werden, wo die Wahrscheinlichkeit einer Überlast am größten ist. 


Für vielfältige Einsatzgebiete die passende mechanische Sicherheitskupplung

Der Kupplungshersteller R+W bietet verschiedene Lösungen für präzise Sicherheitskupplungen an, unter anderem die klassische Modellreihe SK (Bild 1), die sich für Drehmomente zwischen 0,1 und 2.800 Nm eignet. Diese Baureihe ist für direkte und indirekte Anbindung mittels Klemmnaben-, Konusklemmring- oder Passfederverbindung und in torsionssteifer Metallbalgausführung sowie in einer schwingungsdämpfenden Elastomerausführung (ES) (Bild 2) erhältlich. Dabei sind die verschiedenen Modelle in unterschiedlichen Funktionsweisen verfügbar: 

Bei der winkelsynchron/durchrastenden Ausführung der SK bzw. ES  wird die Tellerfeder im ausgerasteten Zustand so weit durchgedrückt, bis sie auf einen sehr geringen Wert zurückfällt. Die geringe Restkraft reicht aus, um die Kupplung automatisch wieder zum Einkuppeln zu bringen. Nach Beseitigen der Überlast rastet die Kupplung in der winkelsynchronen Ausführung nach exakt 360° ein und ist wieder betriebsbereit. Die durchrastende Variante versucht in der Standardausführung alle 60° wieder einzurasten. Optional sind auch andere Einrastwinkel möglich. Diese Ausführung wird beispielsweise in Werkzeugmaschinen, Verpackungsmaschinen und Automatisierungssystemen eingebaut.

Die gesperrte Ausführung wird zur Lastsicherung zum Beispiel in Pressen oder Lasthebezeugen verwendet. Hier verdrehen sich An- und Abtriebsseite nur einige Winkelgrade, um den Schaltweg des Schaltrings zu ermöglichen, der wie bei allen anderen Ausführungen abgefragt werden kann.

Bei der Freischaltausführung springt die Tellerfeder komplett um und sorgt für eine Zwangstrennung der An- und Abtriebsseite. Im Anschluss läuft die Kupplung frei durch und wird manuell wieder eingerastet. Nach dem Ausrastvorgang fällt die Federkraft der Tellerfeder auf einen sehr niedrigen Wert. Der Vorgang garantiert Schaltzeiten von 1 bis 3 Millisekunden, geringen Verschleiß und eine sehr niedrige Restreibung von nur 2 bis 5 Prozent. Diese Ausführung ermöglicht besonders hohe Drehzahlen.

Um den sich stetig verändernden Marktanforderungen, wie beispielsweise nach niedrigeren Massenträgheitsmomenten, höheren Betriebsdrehzahlen oder effizienteren Prozessen gerecht zu werden, hat R+W bereits im Jahr 2010 Leichtbau Sicherheitskupplungen, Modellreihe SL TORQLIGHT® (Bild 3), entwickelt. Diese besitzt eine höhere Leistungsdichte, ein geringeres Gewicht und kostet im Vergleich zur Standardbaureihe weniger. R+W erreicht dies durch intelligenten Leichtbau in Kombination mit Hightech-Werkstoffen unter Verwendung der neuesten Fertigungstechniken. Die möglichen Funktionsprinzipien - winkelsynchron, durchrastend und freischaltend - der Baureihe, sind  grundsätzlich identisch mit denen der klassischen Modellreihe SK. 

Die mechanischen Sicherheitskupplungen für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche und Anwendungen sorgen mit schneller Reaktionszeit, einfacher Handhabung und hoher Zuverlässigkeit für Sicherheit. Wenn es um den Schutz von Investitionen und die Vermeidung von Stillstandszeiten geht, sind Sekundenbruchteile entscheidend. Mechanische Sicherheitskupplungen geben den Anwendern einen wertvollen Vorsprung.

Autor: Philipp Bergmann


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