Kupplungsauswahl (Betriebsfaktor)
Legen Sie eine Wellenkupplung nach Nennmoment und Betriebsfaktor aus: Aus Leistung und Drehzahl (oder direkt vorgegebenem Nennmoment) sowie Antriebs- und Lastcharakteristik, Anläufen je Stunde und Umgebungstemperatur ergibt sich das erforderliche Kupplungsmoment - optional mit Ampel-Nachweis gegen Nennmoment und Maximalmoment der gewählten Kupplung.
Berechnung
Temperaturfaktor gilt für drehelastische Kupplungen (Elastomer); bei Ganzmetallkupplungen ist S_T = 1,0 anzusetzen.
Kennwerte
- Nennmoment M_nenn
- 19,76 Nm
- Anwendungsfaktor S_A
- 1,8
- Anlauffaktor S_Z
- 1,2
- Temperaturfaktor S_T
- 1
- Gesamtfaktor S_A·S_Z·S_T
- 2,16
- Erforderliches Kupplungsmoment M_erf
- 42,68 Nm
Auswahlempfehlung: nächstgrößere Katalog-Kupplung mit M_KN >= M_erf wählen.
Skizze: Wellenkupplung (Naben mit angedeutetem elastischem Zahnkranz)
Ihre Eingaben bleiben in Ihrem Browser - die Berechnung läuft lokal, ohne Übertragung an einen Server.
Formeln und Grundlagen
Nennmoment
Aus Leistung P und Drehzahl n folgt das Nennmoment der Welle mit der bekannten Kurzformel:
Alternativ wird das Nennmoment direkt vorgegeben, etwa aus einem Getriebedatenblatt oder als Ergebnis des Antriebsrechners.
Anwendungsfaktor S_A
Der Anwendungsfaktor berücksichtigt das Zusammenspiel von Antriebscharakteristik und Lastcharakteristik (Richtwerte nach Roloff/Matek): Elektromotor gleichförmig 1,0/1,5/2,0, Elektromotor mit erhöhtem Anlaufmoment (Direktanlauf) 1,2/1,8/2,4, Verbrennungsmotor mit 4 bis 6 Zylindern 1,5/2,0/2,5 sowie Verbrennungsmotor mit 1 bis 3 Zylindern 2,0/2,5/3,0 - jeweils für die Lastklassen gleichförmig, mittlere Stöße und starke Stöße.
Anlauf- und Temperaturfaktor
Häufige Anläufe belasten die Kupplung zusätzlich: Der Anlauffaktor S_Z steigt von 1,0 (bis 10 Anläufe je Stunde) über 1,2 (bis 60) und 1,3 (bis 120) auf 1,5 (über 120 Anläufe je Stunde). Bei drehelastischen Kupplungen aus Elastomer sinkt die zulässige Belastbarkeit mit steigender Umgebungstemperatur, der Temperaturfaktor S_T beträgt 1,0 bis 40 °C, 1,2 bis 60 °C und 1,4 bis 80 °C. Bei drehstarren Ganzmetallkupplungen entfällt dieser Einfluss, S_T = 1,0.
Erforderliches Kupplungsmoment
Die drei Faktoren multiplizieren sich zum erforderlichen Kupplungsmoment:
Gewählt wird die nächstgrößere Katalog-Kupplung mit M_KN >= M_erf. Der Rechner zeigt die Ausnutzung M_erf/M_KN als Ampel (bis 80 % io, bis 100 % warn, darüber nio).
Spitzenmoment und weitere Prüfungen
Bei ruckartigen Lastspitzen - insbesondere bei Servoantrieben mit hohem Beschleunigungsmoment - ist zusätzlich das Spitzenmoment M_spitze (z. B. aus dem Antriebsrechner übernommen) gegen das Maximalmoment M_Kmax der Kupplung zu prüfen: M_spitze <= M_Kmax. Verlagerungswerte (radial, axial, winklig) zwischen den Wellenenden und die zulässige Drehzahlgrenze sind zusätzlich katalogseitig zu prüfen; sie sind nicht Teil dieser Berechnung.
Rechenbeispiel
Referenzbeispiel: Ein Elektromotor mit erhöhtem Anlaufmoment (Direktanlauf) treibt mit P = 3 kW bei n = 1450 1/min eine Arbeitsmaschine mit mittleren Stößen an, mit maximal 60 Anläufen je Stunde und einer Umgebungstemperatur bis 40 °C. Das Nennmoment ist M_nenn = 9550·3/1450 = 19,76 Nm.
Der Anwendungsfaktor für Direktanlauf mit mittleren Stößen ist S_A = 1,8, der Anlauffaktor für bis zu 60 Anläufe je Stunde S_Z = 1,2 und der Temperaturfaktor bis 40 °C S_T = 1,0. Der Gesamtfaktor ist damit S_A·S_Z·S_T = 1,8·1,2·1,0 = 2,16, und das erforderliche Kupplungsmoment beträgt M_erf = 19,76·2,16 ≈ 42,7 Nm.
Eine Katalogkupplung mit M_KN = 60 Nm hat damit eine Ausnutzung von 42,7/60 = 71 % (Ampel grün, io). Wird stattdessen eine kleinere Kupplung mit M_KN = 35 Nm gewählt, ergibt sich eine Ausnutzung von 122 % (Ampel rot, nio) - hier ist die nächstgrößere Baugröße zu wählen.
Häufige Fragen
Welchen Betriebsfaktor soll ich für meine Anwendung ansetzen?
Der Anwendungsfaktor S_A ergibt sich aus der Kombination von Antriebscharakteristik (Elektromotor gleichförmig oder mit Direktanlauf, Verbrennungsmotor mit 4 bis 6 bzw. 1 bis 3 Zylindern) und Lastcharakteristik (gleichförmig, mittlere Stöße, starke Stöße). Dazu kommen der Anlauffaktor S_Z je nach Anläufen pro Stunde und - bei drehelastischen Kupplungen - der Temperaturfaktor S_T. Im Zweifel den nächsthöheren Wert der jeweiligen Klasse ansetzen; bei kritischen Anwendungen liefert der Kupplungshersteller anwendungsspezifische Faktoren.
Drehelastische oder drehstarre Kupplung - was ist der Unterschied?
Drehelastische Kupplungen (z. B. mit Elastomer-Zahnkranz oder -Stern) gleichen Stöße, Drehschwingungen und einen Teil der Verlagerung zwischen den Wellen aus, benötigen dafür aber die temperaturabhängige Nachrechnung (Faktor S_T). Drehstarre Kupplungen (Ganzmetall, z. B. Doppelzahnkupplung, Lamellenkupplung) übertragen das Moment praktisch spielfrei und ohne Dämpfung, sind aber empfindlicher gegenüber Stößen und Fluchtungsfehlern. Ausgleichskupplungen (Balgkupplung, Kreuzscheibenkupplung) sind ausschließlich für die Kompensation von Verlagerungen ausgelegt, drehsteif und ohne nennenswerte Dämpfung.
Was ist bei Servoantrieben mit dem Spitzenmoment zu beachten?
Servoantriebe erreichen beim Beschleunigen und Bremsen ein Vielfaches des Nennmoments. Reicht das Nennmoment allein für die Kupplungsauswahl nicht aus, ist zusätzlich das Spitzenmoment M_spitze - meist direkt aus dem Antriebsrechner übernehmbar - gegen das kurzzeitig zulässige Maximalmoment M_Kmax der Kupplung zu prüfen. Wird dieses überschritten, drohen Anrisse im Elastomer oder ein Blockieren/Durchrutschen der Kupplung.
Welche Verlagerungswerte muss ich zusätzlich prüfen?
Neben dem Moment begrenzt jede Kupplung zulässige Verlagerungen zwischen den Wellenenden: radial (Parallelversatz), axial (Längenausgleich, z. B. durch Wärmedehnung) und winklig (Fluchtungsfehler). Diese Werte stehen im Kupplungskatalog und sind unabhängig vom hier berechneten Moment einzuhalten - bei Überschreitung sinkt die Lebensdauer der elastischen Elemente oder der Lagerung deutlich.
Warum wirkt sich die Umgebungstemperatur auf das Kupplungsmoment aus?
Bei drehelastischen Kupplungen mit Elastomer-Zahnkranz sinkt die zulässige Belastbarkeit des Werkstoffs mit steigender Temperatur - der Kranz wird weicher und verschleißt schneller. Der Temperaturfaktor S_T erhöht deshalb rechnerisch das erforderliche Moment, damit bei erhöhter Betriebstemperatur (z. B. in der Nähe von Wärmequellen) ausreichend Reserve bleibt. Bei Ganzmetallkupplungen entfällt dieser Einfluss (S_T = 1,0).
Ist eine größere Kupplung immer die bessere Wahl?
Nicht zwangsläufig: Eine deutlich überdimensionierte Kupplung ist schwerer, größer im Bauraum, teurer und kann bei drehelastischen Bauformen sogar weicher dämpfen als vorgesehen, was die Drehschwingungseigenschaften des Antriebsstrangs verschlechtert. Sinnvoll ist die nächstgrößere Baugröße mit M_KN knapp über M_erf (Ausnutzung möglichst im grünen Bereich bis 80 %), nicht die größtmögliche verfügbare Kupplung.
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