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Antriebstechnik

Schrumpfscheiben – Seine Schrumpfscheiben zur reibschlüssigen Verbindung von Welle und Nabe bringt Hersteller und Erfinder Stüwe zu einem Gutteil in Windenergieanlagen unter. Für eine optimale Anpassung sorgt jetzt ein neuer und einmaliger Prüfstand.

06. November 2017

Das breite Feld der Antriebstechnik offenbart immer wieder spezielle Ausprägungen, die in bestimmten Anwendungen ihre ganzen Stärken ausspielen können. Zu denen gehört ganz sicher auch die reibschlüssige Welle-Nabe-Verbindung, auch Schrumpfscheibe genannt.

»Im Jahr 1967 im Hause Stüwe in Hattingen erfunden, sind wir auch heute noch der bestimmende Player, wenn es um Reibschlussverbindungen geht. Im Fachjargon spricht man darum auch gerne von der Stüwe-Scheibe«, freut sich Vertriebsleiter Christof Heßling.

Die Schrumpfscheibe ermöglicht eine einfache mechanische Außenverspannung von Welle und Nabe und wurde seit den Anfängen kontinuierlich weiterentwickelt. Nach der dreiteiligen SD-Schrumpfscheibe folgen das zweiteilige HSD-Modell sowie hydraulisch spannbare Reibschlussverbindungen. Generell besteht das Verbindungssystem aus einem Innen- und einem Außenring mit gegenüber liegenden konischen Flächen. Durch axiales Verschieben des Außenrings gegen den Innenring wird eine Pressung erzeugt. Der Innenring wird nach innen gestaucht und presst die Nabe auf die innenliegende Welle.

Das Optimum

»Kunden in aller Welt setzen unsere Schrumpfscheibe vor allem in schweren Antriebssträngen ein«, erzählt Geschäftsführer Jan Stüwe, der das Unternehmen in dritter Generation zusammen mit seiner Cousine Rena Stüwe führt. »Unsere Produkte sind das Optimum der Welle-Nabe-Verbindung und am Übergang der langsamen Welle in das Getriebe alternativlos.« Stüwe ist besonders stark in Windenergieanlagen vertreten. Angesichts der hohen Dreh- und Biegemomente, die zwischen Rotorwelle und Getriebe auftreten, seien die Schrumpfscheiben das Konstruktionselement der Wahl, denn die erzeugte Reibschlussverbindung arbeitet absolut spielfrei und kerbenlos. So seien auch stärkere Böen kein Problem. Die Stüwe-Ingenieure verfügen darüber hinaus über detaillierte Kenntnisse und Erfahrungen bei der Beurteilung der Betriebslasten.

Jan Stüwe: »Die individuelle Auslegung dieser Welle-Nabe-Verbindungen für sehr unterschiedliche Einsatzfelder gehört zu unseren großen Stärken.«

Ausdruck findet das in der Verkürzung der Montage- beziehungsweise Demontagezeiten. Laut Christof Heßling: »Während Standardschrumpfscheiben zum Beispiel bei einem Wellendurchmesser von 570 Millimetern und einem Drehmoment von 4.700 Kilonewtonmetern mit 30 hochfesten Schrauben verspannt werden, erzeugen wir bei unseren hydraulisch spannbaren Typen ein Gleitpolster.« So wird der Außenring der Schrumpfscheibe reibungsarm und gleichmäßig auf den Innenring aufgeschoben, der benötigte Druck lässt sich mit einer Handpumpe erzeugen.

Um mit dem technischen Fortschritt in Windenergieanlagen standzuhalten, endet die Weiterentwicklung nie. Ziele sind die Reduzierung von Kosten und Montagezeiten. Es ist sehr wichtig zu wissen, wie die Schrumpfscheibe im praktischen Einsatz reagiert.

Mit einen eigenentwickelten Prüfstand, der seit August im Einsatz ist, entspricht Stüwe den wachsenden Anforderungen besonders aus Windkraftindustrie. »Dieser ist einmalig in Europa«, freut sich Jan Stüwe, »und neben unserem speziellen Know-how ist der neue Prüfstand ein entscheidender Optimierungsfaktor bei der Konstruktion der Antriebsstränge für Drehmomente bis 6.000 Kilonewtonmeter und Wellendurchmesser bis 1.000 Millimeter.« Auf diese Weise ließen sich die besonders anspruchsvollen Anforderungen in Windanlagen genau vorhersehen. »Bisher basierten die Auslegungen nur auf Berechnungen und Erfahrungswerten. Jetzt schaffen wir mehr Sicherheit und ermöglichen Kosteneinsparungen.« Neben der reinen Validierung der Berechnungsergebnisse strebt der Hersteller weitere Gewichtsreduzierungen bei gleichbleibendem Sicherheitsprofil an.

Einmaliger Testeinsatz

Darüber hinaus profitiert Stüwe von einem weiteren Umstand: Eine Original-Schrumpfscheibe aus Hattingen ist im riesigen Windanlagen-Forschungszentrum CWD an der RWTH Aachen im Einsatz. Leiter Prof. Ralf Schelenz freut sich über das Engagement von Stüwe, ist er doch gleichzeitig Ausbilder von Jan Stüwe während dessen Studium in Aachen gewesen.

An einem Modell in Originalgröße fährt das Team vom CWD Prüfsequenzen durch. Ein Direktantrieb ist dabei laut Schelenz immer die beste Wahl, weil er dynamischer in der Rotation ist. »Die Tests funktionieren hier sogar noch besser als im Feld, denn wir können reproduzierbar arbeiten und setzen einen Testfeldsimulator ein“, sagt der Institutsleiter. Der Aufwand ist immens, aber die Anwender profitierten unmittelbar: »Ein Prozent mehr Wirkungsgrad des Antriebsstrangs bedeutet zehn Prozent finanzieller Benefit für den Betreiber.«

Schrumpfscheiben sind im Antriebsstrang unterschiedlichster Konstruktionen zu finden. In Rührwerken und Mischern zum Beispiel bieten sie eine hohe Betriebssicherheit und vereinfachen die Montage und Wartung. Bei der Konstruktion des Antriebsstranges muss berücksichtigt werden, dass es zu erheblichen Rückwirkungen auf das Antriebssystem kommen kann, wenn das Rührwerk gegen ein hochviskoses Medium oder das Mischwerkzeug gegen schwer fließende Schüttgüter anfährt. Bei der Verbindung von Wellen und Naben in diesem Antriebsstrang können die klassisch eingesetzten formschlüssigen Passfederverbindungen darum schnell verschleißen.

Deshalb schlägt auch hier die Stunde der Schrumpfscheibe: Da sie außerhalb des Kraftflusses installiert sind, wirken bei hoher Antriebsbelastung keine dynamischen Kräfte auf sie ein. Das erhöht die Lebensdauer und die Sicherheit der Verbindung. Ein weiterer Vorteil ist, dass sie sich jederzeit zerstörungsfrei demontieren lassen. Schrumpfscheiben sind zudem unempfindlich gegenüber Stößen und Schlägen. Meist reichen normale Oberflächengüten aus, in der Pharma- und Lebensmittelindustrie industrie etwa kann aber auch jederzeit Edelstahl als Werkstoff zum Einsatz kommen.

Ein weiteres großes Anwendungsgebiet ist die Verbindung von Flanschen. Dazu hat Stüwe unlängst eine spezielle Flanschkupplung entwickelt, die für harte Einsätze mit hohen Wechselbelastungen wie in Schiffsantrieben, Förderbändern oder Rolltreppen geeignet ist.

Christof Heßling nennt Gründe für den Einsatz: »Unsere Kupplung wirkt sich kostenreduzierend auf die Auslegung der Lager aus, die in ungeteilter Ausführung eingesetzt werden können.« Die standardisierten und zertifizierten Flanschkupplungen sind für Wellendurchmesser von 70 bis 440 Millimeter und übertragbare Drehmomente von 6 bis 2.300 Kilonewtonmeter ausgelegt.

Erschienen in Ausgabe: 08/2017