Askoppelingen kunnen machine maken of breken

Elke applicatie zijn specifieke koppeling?

Twee assen met elkaar verbinden vergt iets meer denkwerk dan wat we op het eerste zicht zouden verwachten. Er zijn heel wat diverse types askoppelingen op de markt, het lijkt wel of elke aandrijfconfiguratie zijn eigen koppeling toebedeeld krijgt. De voornaamste keuzefactoren zijn het koppel en de vereiste nauwkeurigheid, maar ook secundaire factoren zoals trillingsdemping en efficiëntie winnen aan belang.

In vele gevallen ziet men bij de engineering de koppelingen over het hoofd, onterecht

Op zoek naar systeemefficiëntie

Er was een tijd - ondertussen gelukkig lang geleden - dat efficiëntie niet belangrijk was. Als de machine maar draaide, dan was het al lang goed. Sinds de jaren ’80 kwam onder invloed van de oliecrisis en de milieubeweging een kentering in het denken, ook in de industrie. Motoren en pompen moesten zuiniger en vooral efficiënter zijn, dat mondde jaren later bijvoorbeeld uit in de IE-wetgeving waarbij elektromotoren aan minimale efficiëntievereisten moeten voldoen. De oude, minder efficiënte motoren verdwijnen zo langzaam maar zeker uit de markt.

Een goede zaak, maar helaas wordt vaak vergeten dat efficiëntie niet stopt aan de uitgangsas van de motor. Wat baat een Super Premium Efficiency motor van klasse IE4 als het koppel vervolgens omgezet wordt via een onaangepaste overbrenging? Het is dus beter om het efficiëntieverhaal meer vanuit een compleet systeem te bekijken: alle onderdelen van de volledige aandrijftrein op elkaar afstemmen. Naast de motor zelf krijgen vooral de reductorkast en de overbrenging hierbij de aandacht, maar vandaag focussen we ons op een vaak over het hoofd gezien component(je): de koppeling met de machine. De selectie van een geschikte koppeling is geen nattevingerwerk, zo blijkt uit de DIN 740, die de correcte selectie van een koppeling toelicht.

In aandrijftreinen zorgen askoppelingen mee voor de totale systeemefficiëntie

Andere koppelingsfactoren

Naast de geschetste efficiëntiefactor, zijn er in de loop der jaren nog andere functies bijgekomen naast de puur mechanische. Denk bijvoorbeeld aan het vermijden van trillingen en de daarbij vaak gepaard gaande geluidsoverlast. Ook is er steeds vaker vraag naar applicatiespecifieke uitvoeringen, zoals voor een bepaalde ATEX-zonering of reeksen met een specifieke temperatuurrange. Verder zijn de eisen naar betrouwbaarheid en levensduur ook stelselmatig verstrengd. Daarnaast is het ook belangrijk om aan te stippen dat een koppeling een belangrijke correctiefactor kan vormen voor uitlijnfouten of terugslagfouten.

In bepaalde gevallen fungeert een askoppeling ook als koppelbeperking of als aanloopkoppeling. In positioneringstoepassingen is er de vraag naar een grotere torsiestijfheid voor de askoppeling. Hoe stijver de koppeling, hoe accurater de beweging van de motor overgezet wordt op de eindeffector.

Let wel dat een stijve koppeling veelal ook veel slijtage veroorzaakt aan de uit- en ingangslagers aan beide zijden. Dat komt omdat de stijfheid er ook toe leidt dat het component star reageert op contact met de lagering. Die laatste kan daarom last krijgen van vroegtijdige slijtage. Heel wat diverse factoren dus, met daarbij nog telkens meerdere uitvoeringen, zoals koppelgrootte (het gebied waarbinnen de koppeling het koppel moet overzetten op de installatie), draaisnelheid, de aard van het koppel (constant of veranderlijk) en materiaalkeuze (staal, rvs, gietijzer …).

Links: de schommelingen in koppel zonder aangepaste koppeling, rechts: het resultaat mét afgestemde koppeling

Verschil couplings & clutches

Beide termen laten zich vertalen als koppelingen, maar het werkingsprincipe is iets anders. Clutches zullen de transmissie onderbreken of verminderen. De beweging om de koppeling uit elkaar te halen dan wel samen te voegen, wordt aangebracht via mechanische, elektrische, pneumatische of hydraulische weg. De couplings daarentegen zorgen voor een vaste verbinding tussen beide, en worden niet geacht om die verbinding op een zeker moment op te heffen. De aard van deze verbinding kan star of flexibel zijn, met in beide groepen nog een onderverdeling in subtypes.

Een verkeerde keuze leidt tot trillingen, overbelasting, slijtage en opwarming

Star of flexibel

Het verschil tussen beide uitvoeringen van couplings ligt in de noodzaak om een uitlijningfout tussen motor en installatie te corrigeren. Als dat van toepassing is, dan worden flexibele koppelingen ingezet.

Starre koppelingen zullen de uitlijnfout niet corrigeren. Zij worden verder nog onderverdeeld in een drietal subtypes:

Flenskoppelingen
Klemkoppelingen
Mechanische koppelingen

We zien vandaag de trend naar verdere specialisering. Hier bijvoorbeeld een specifieke elastische koppeling met verbeterde thermische eigenschappen

Ook bij de flexibele koppelingen vinden we nog een grondige onderverdeling:

Hydrodynamische koppelingen worden vaak ingezet bij toepassingen waar de installatie een zeer grote inertie kent. Die vereisen een groot startkoppel van de aandrijving. Hydrodynamische koppelingen zullen de pieken in het koppel uitvlakken en zo het koppel met een zekere vertraging overzetten op de installatie. Ze worden veelal gecombineerd met een cardanas of riemaandrijving, omdat hydrodynamische koppelingen geen uitlijnfouten compenseren.
Magnetische koppelingen bestaan uit een interne en externe rotor die fysiek niet met elkaar in verbinding staan, de overdracht van het koppel verloopt magnetisch. Het ontbreken van een fysieke koppeling zorgt ervoor dat ze vaak ingezet worden bij toepassingen waar gewerkt wordt met gevaarlijke of schadelijke stoffen.
Bij frictiekoppelingen zullen de schoenen van de koppeling naar buiten bewegen als het toerental toeneemt. Door de wrijving die nu ontstaat tussen de schoenen en het vlak waar ze tegenaan drukken, zal de koppeling de beweging overbrengen.
Torsievaste koppelingen werden ontwikkeld om de beweging van de uitgangsas strikt te volgen, maar tegelijk flexibel te zijn voor de radiale en axiale bewegingen. Er is dus geen faseverschuiving
Torsieflexibele koppelingen bevatten elastomeren. Die maken de koppeling iets minder stijf, waardoor trillingen gedempt worden. Al te stijve componenten zouden kunnen vervormen bij een verkeerde uitlijning.
Hoogflexibele koppelingen bevatten nog veel meer van deze elastomeren. Ze zijn dus nog veel minder stijf uitgevoerd, waardoor het koppel met een zekere verschuiving overgezet wordt op de installatie.
Klauw-en-tandverbindingen kunnen ook gebruikmaken van verbeterd polyurethaan als tussenlaag. Elastomeren hebben bij hoge toerentallen en belastingen de neiging om te vervormen. Het verbeterde polyurethaan is een stuk temperatuurbestendiger en duurzamer dan de standaard elastomeren.
Tandkoppelingen worden vaak aangeduid als boogtandkoppeling. Ze zijn geschikt voor de overdracht van grote koppels, terwijl er ook grote axiale en radiale uitlijningsfouten of afwijkingen kunnen mee worden gecompenseerd. Ze zijn over het algemeen ook een geluids- en trillingsarme uitvoering.
Klauwkoppelingen kunnen enorm spelingsvrij uitgevoerd worden, waardoor ze kunnen ingezet worden voor positioneringstaken. Zelfs bij snel fluctuerende servo-aandrijvingen blijven ze nauwkeurig, waardoor ze vaak gebruikt worden in de automatiseringstechniek.
Bij lamellenkoppelingen worden de twee helften aan elkaar gebout met hoogwaardige passchroeven. Grote uitlijnfouten worden zo gecompenseerd.