Äußere Einflüsse stören dynamische Stabilität von Wellenkupplungen

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FH Südwestfalen

Bei der Ermittlung der Kupplungssteifigkeit [1 bis 3] für ausgewiesene Arbeitspunkte kommt das mathematische Stabmodell zum Einsatz, das zudem für Kenntnis über die Einflüsse eines breiten Spektrums periodischer Anregungen bezüglich der Belastungsamplitude, Frequenz und Vorlast sorgt.

Bild 1 (siehe Bildergalerie) zeigt die Ringscheibe als Stabmodell unter dem Wellenmoment T, den daraus resultierenden äußeren Kräften F sowie den abwechselnd zug- und druckbeanspruchten Ringscheibenabschnitten. Es werden keine Axial- beziehungsweise Winkelverlagerungen eingeprägt, ebenso wird das Axialschwingungsverhalten der Zwischenwelle bei Drehmoment- und Drehfrequenzanregung vernachlässigt, das sich insbesondere bei viergeteilten Kupplungsformen auswirkt.

Stoßartige wirkende Längskraft beeinflusst die Normalspannung

Mit zunehmender Teilung lässt sich das Ringscheibensegment als gerader Balken modellieren; die Kraftwirkungslinie liegt in Richtung der Verbindungslinie zwischen benachbarten Befestigungsstellen, deren Verformung die Knicklast nach Bild 1 – neben der Zug- und Drucksteifigkeit der Ringscheibe – stark beeinflusst. Bei unnachgiebig angenommener Einspannung ist die Knicklast Fkrit circa 3,5-mal so hoch wie bei frei verformbar gestalteter Befestigung.

Im Folgenden wird das dynamische Verhalten der nicht ausgelenkten Ringscheibe unter äußerer periodischer Anregung untersucht; die stets vorhandenen und teils erheblichen Axialschwingungen der Zwischenwelle, die beispielsweise aufgrund von Fertigungs- und Montageungenauigkeiten entstehen, werden hier nicht betrachtet. Der Ringscheibenabschnitt zwischen benachbarten Befestigungsstellen wird stets als gerader Balken unter der Längskraftkomponente F angenommen.

Veränderliche Drehmomente belasten Wellenkupplung bei spielbehafteten und nichtlinearen Antriebselementen

Beim Einsatz spielbehafteter und nichtlinearer Antriebselemente entstehen während des Anfahrens und im Dauerbetrieb veränderliche Drehmomente; Gleiches gilt für den Betrieb von Kolbenkraft- und Kolbenarbeitsmaschinen bei vorwiegend konstanter Drehzahl mit periodischen Schwankungen des Wellenmomentes.

Eine stoßartig wirkende Längskraft durch äußere Anregung beeinflusst die bezogene Normalspannung und die bezogene Axialverschiebung (Bild 2). Über die Stablänge erreichen Längskraft und größte axiale Auslenkung den doppelten statischen Wert, sodass im Falle einer Sprunglast die kritische Last in erster Näherung halb so groß ist wie die statische Knicklast Fkrit.

Normalkraft aus dem Wellenmoment wirkt sich auf die erste Biegeeigenfrequenz aus

Von Interesse ist ebenso der Nachweis von Biegeschwingungen, also die Ermittlung der Biegeeigenfrequenzen; die Tabelle (siehe Bildergalerie) zeigt Ergebnisse für die erste Eigenform und den ersten Eigenwert [5]. Die Normalkraft aus dem Wellenmoment wirkt sich auf die erste Biegeeigenfrequenz aus – Zugkraft erhöht und Druckkraft verringert die Frequenz.

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