Kupplungen und ihre Entwicklung

Kupplungen findet man in vielen Anwendungen und sie stellen hinsichtlich der Sicherung von Schraubenverbindungen eine echte Herausforderung dar. Und mit ständig zunehmender Größe und Leistung der Maschinen nehmen auch die Anforderungen an Kupplungen immer weiter zu.

Kupplungen sind so alt wie die Industrialisierung selbst, denn auch bei einfachen Maschinen aus der Anfangszeit, etwa in Baumwollspinnereien und Windmühlen, mussten Wellen irgendwie miteinander verbunden werden. Seit der Erfindung der Dampfturbine im Jahr 1884 sind Wellenkupplungen jedoch zu einem absolut unverzichtbaren Bestandteil in der Energieerzeugung und Schifffahrtsindustrie geworden. Nicht nur Turbinen und Schiffe sind größer geworden; auch Leistung und Drehmoment, die übertragen werden müssen, sind ständig gestiegen. Dies wiederum hat zu einer erheblichen Erhöhung der Anforderungen an Wellen und Kupplungen geführt, und bei Schraubenverbindungen auch an die Schrauben selbst.

„In der Energieerzeugung und Schiffsindustrie hat es schon immer Kupplungen gegeben und sie haben sich eigentlich nicht sonderlich weiterentwickelt“, sagt Martin Walsh, der als Ingenieur mehr als 30 Jahre Erfahrung mit großen verschraubten Kupplungen gesammelt hat. „Wenn Sie sich eine Kupplung anschauen, die vor 60 bis 70 Jahren in Gebrauch war, werden Sie sehen, dass sich an der Konstruktion und dem Konzept bis heute nicht viel geändert hat. Aber die zugrundeliegende Technik hat sich deutlich weiterentwickelt. Insbesondere in Hinsicht auf die Schrauben sind Kupplungen viel ausgereifter geworden, was dazu geführt hat, dass kleinere Kupplungen höhere Drehmomente übertragen können.“

Eine der wichtigsten Aufgaben einer verschraubten Kupplung besteht darin, die Wellenausrichtung aufrechtzuerhalten. Bei Schiffen, in denen sich Wellen in der Regel mit niedriger Drehzahl drehen, führt jede Fehlausrichtung zu Schwingungen, die wiederum eine unnötige Belastung der Lager zur Folge haben. In der Stromerzeugung dagegen, wo Drehzahlen bis 3600 U/min nicht ungewöhnlich sind, ist selbst die geringste Vibration oder ungleichmäßige Belastung nicht akzeptabel, da sie den Betrieb einer Turbine bei Volllast erheblich beeinträchtigen würde. Aus diesem Grund werden eine Menge Zeit und Ressourcen in die Optimierung der Wellenausrichtung investiert.

„Sobald die Ausrichtung stimmt, müssen die Schrauben dafür sorgen, dass sie genauso bleibt und sich auch während des Betriebs nicht verändert“, führt Walsh weiter aus. „Irgendwann in der Zukunft werden Sie diese Schrauben ausbauen und die Welle trennen. Und wenn Sie dann alles wieder zusammenbauen, muss alles wieder exakt so sein wie vorher, denn Sie haben ja bereits viel Zeit und Arbeit in die richtige Ausrichtung investiert.“

Viele Jahre lang wurden meist standardmäßig Durchgangsbolzen als Verschraubungslösung eingesetzt, da sie vergleichsweise billig und leicht verfügbar sind. Dabei wird einfach ein Bolzen durch die Bohrung geführt und an beiden Enden mit Muttern festgezogen, um so eine reibschlüssige Verbindung herzustellen. Aber die Größe des Drehmoments, das durch Reibung übertragen werden kann, ist sehr begrenzt und ein übermäßiges Drehmoment kann zu Schlupf und Fehlausrichtung führen. Die daraus resultierenden Mikrobewegungen und die ungleichmäßige Belastung können dann zu einer Beschädigung der Bolzen und Bohrungen führen. In einem solchen Fall muss die Kupplung neu aufgebaut und die Wellenausrichtung wieder hergestellt werden. Theoretisch bieten Passbolzen, die die Bohrung vollständig ausfüllen, eine größere Drehmomentkapazität, da das Drehmoment durch direkte Scherung über den gesamten Querschnitt des Bolzens verteilt wird. In der Praxis ist es aber schwierig, einen echten Passbolzen zu erzeugen, da sich der Bolzendurchmesser beim Festziehen verringert. Dadurch entsteht ein Spalt zwischen dem Bolzen und der Bohrung, was wieder zu den gleichen Problemen mit Schlupf und Versagen der Schraubenverbindung führt.

Die Notwendigkeit, eine exakte Ausrichtung der Welle zu erzielen und aufrecht zu erhalten, auch nach dem Aus- und Wiedereinbau einer Kupplung, hat dazu geführt, dass immer häufiger Spreizbolzen verwendet werden. Da sich Spreizbolzen in der Bohrung ausdehnen, können sie die Funktion eines echten Passbolzens wahrnehmen und eine weitaus gleichmäßigere Lastverteilung gewährleisten. Verschiebung und Schlupf werden dadurch beseitigt, so dass die korrekte Wellenausrichtung automatisch wiederhergestellt werden sollte, wenn die Spreizbolzen wieder eingebaut werden.

„Der Spreizbolzen ist wahrscheinlich der größte Einzelfortschritt hinsichtlich der Genauigkeit in den letzten 30 Jahren“, sagt Steve Brown, Global Product Manager – Expansion Bolts, Nord-Lock. „Er bietet viele Vorteile – einfache Installation, Passgenauigkeit, leichter Ausbau, Wiederherstellung der Ausrichtung und – mit korrekt vorbereiteten Bohrungen – Wiederherstellung der Konzentrizität und Wiederverwendbarkeit.“

Ein wesentlicher Faktor, der die Entwicklung von verschraubten Kupplungen vorangetrieben hat, war die Evolution auf dem Gebiet der technischen Analyse. „Vor 70, 80 Jahren wurden Kupplungen und Schrauben noch überdimensioniert und waren damit größer, als sie eigentlich sein müssten, denn die Ingenieure wollten auf Nummer sicher gehen“, erläutert Walsh. „Diese Situation war in vielen Industriezweigen normal, weil es noch keine Möglichkeit gab, ausgeklügelte Berechnungen und Simulationen durchzuführen.“

Heute sind viele OEMs in der Lage, die Auswirkungen von Temperatur, unterschiedlichen Werkstoffen und verschiedenen Betriebsbedingungen anhand von Computermodellen und Simulationen zu untersuchen. Aufgrund der Komplexität rotierender Kupplungen wird immer häufiger die Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Identifizierung von Schwachstellen und Drehmomenttoleranzen bestimmter Anlagen eingesetzt. Auch Scherversuche haben sich als sehr nützlich erwiesen, um die physikalischen Grenzen verschiedener Verschraubungslösungen aufzuzeigen.

„Es gibt durchaus noch Spielraum für weitere Analysen und es wäre hilfreich, genau zu sehen, wie sich die neu konstruierten Spreizbolzen im Vergleich zu den älteren Bolzen verhalten, wenn es um die Übertragung höherer Drehmomente geht“, fügt Walsh hinzu. „Eine vollständige FE-Analyse könnte sich als erheblicher Vorteil erweisen, da sie Möglichkeiten aufzeigt, die Anzahl der Bolzen und die Größe der Kupplung zu reduzieren, vor allem in Bereichen wie z. B. bei Windkraftanlagen, wo dazu tendiert wird, verschraubte Kupplungen aufgrund von Platzmangel zu vermeiden.“

Die Entwicklung intelligenterer und kleinerer Kupplungen wird auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen, denn Größe und Leistung von Turbinen und Schiffen werden weiter zunehmen, ebenso wie das zu übertragende Drehmoment.

C.A. PARSONS „TURBINIA“

1884 erfand der britische Ingenieur Sir Charles Algernon Parsons die Dampfturbine.

Sein erstes Modell erzeugte nur 7,5 kW Strom, aber es zeigte enormes Potenzial für die Stromerzeugung und den Antrieb von Schiffen. 1893 wurde die Parsons Marine Steam Turbine Company gegründet und begann mit der Entwicklung des Experimentalschiffes „Turbinia“, um die Möglichkeiten der neuen Technik zu demonstrieren.

Das Schiff war mit drei axial durchströmten Parsons-Turbinen ausgestattet, die je eine Welle antrieben, auf der drei Schiffsschrauben angeordnet waren. Nach ihrer Fertigstellung im Jahr 1894 war die Turbinia das schnellste Schiff der Welt und erreichte Geschwindigkeiten von bis zu 34 Knoten (63 km/h) – die schnellsten Schiffe der Royal Navy dagegen nur 27 Knoten.

1897 lief Parsons mit seiner Turbinia unangekündigt bei einer Flottenparade anlässlich des Diamantenen Thronjubiläums von Königin Victoria auf. Vor dem versammelten Hochadel und den Lords der Admiralität demonstrierte das Schiff eindrucksvoll seine überlegene Geschwindigkeit und Leistung. Innerhalb von zwei Jahren wurden Parsons-Turbinen von der Royal Navy eingesetzt und trieben kurze Zeit später auch transatlantischen Passagierschiffe an.

Sir Charles Algernon Parsons Entwürfe sahen auch eine schnelle Vergrößerung seiner Dampfturbinen vor, so dass es möglich wurde, billig und reichlich Strom zu erzeugen. 1899 wurde die erste Megawatt-Turbine in einem Kraftwerk in Deutschland gebaut und noch zu Parsons Lebzeiten hielt seine Erfindung Einzug in alle großen Kraftwerke auf der ganzen Welt.

Zusammenhalt ist alles

Die Notwendigkeit, Komponenten in Schraubenverbindungen zu montieren, ist uralt. Lange wurde der Durchgangsbolzen als das Standard-Verbindungselement mit Gewinde eingesetzt. Er wird durch die Bohrung geführt und an beiden Enden mit Muttern festgezogen, um so eine reibschlüssige Verbindung herzustellen. Übermäßiges Drehmoment kann zu Schlupf und Fehlausrichtung führen, was wiederum zu einer Beschädigung der Bolzen und Bohrungen führt.

Der Spreizbolzen ist eine neuere Erfindung, die diese Probleme löst. Er dehnt sich in der Bohrung aus, nimmt so die Funktion eines echten Passbolzens wahr und gewährleistet eine weitaus gleichmäßigere Lastverteilung. Außerdem vereinfacht er die Montage, Demontage und Nachrüstung.

Spreizbolzen nehmen die Funktion eines echten Passbolzens wahr.

Die Wahl der richtigen Bolzen für Wellenstränge von Wasserkraftturbinen kann Spannungskonzentrationen und Mikrobewegungen deutlich reduzieren.