Kupplung
Eine Kupplung ist ein Maschinenelement zur starren, elastischen, beweglichen oder lösbaren Verbindung zweier Wellen. Eine nicht starre Kupplung kann neben einer formschlüssigen auch eine kraftschlüssige Verbindung sein. Durch die Verbindung wird es möglich, zwischen beiden Wellen Rotation und damit Drehmoment und letztlich mechanische Arbeit zu übertragen.
Bei der in Kraftfahrzeugen meistens verwendeten Einscheiben-Trockenkupplung handelt es sich um eine kraftschlüssige, im Betrieb lösbare Kupplung. Diese dient dazu, den Kraftfluss zwischen Motor und Schaltgetriebe zu unterbrechen, wenn der Gang gewechselt wird oder das Fahrzeug mit laufendem Motor stehen soll. Beim Anfahren wird mit der „schleifenden“ Kupplung die reibschlüssige Verbindung kontinuierlich erhöht, bis der vollständig eingekuppelte Zustand erreicht ist.
Allgemeines
Kupplungen existieren in einer Vielzahl von Bauformen. Die Auswahl der Bauform erfolgt in Abhängigkeit der vorliegenden Randbedingungen. Eine Unterteilung der Kupplungen kann erfolgen in schaltbare Kupplungen und nicht schaltbare Kupplungen.[1] Einer breiten Allgemeinheit sind vor allem die schaltbaren Kupplungen bekannt, beispielsweise durch die Anwendung im Kraftfahrzeug.
Kupplungen können Drehmoment und Drehzahl nur übertragen, nicht aber wandeln. Das bedeutet, dass Drehzahl und Drehmoment an der Kupplungs-Eingangswelle größer oder gleich den Werten an der Ausgangswelle sind. Diese Eigenschaft unterscheidet eine Kupplung von einem Getriebe.
Neben den primären Funktionen einer Kupplung (Drehmoment übertragen sowie bei schaltbaren Kupplungen Schalten und Trennen) existieren weitere Funktionen, die durch eine Kupplung erfüllt werden können:
- Mit einer Kupplung können in begrenztem Maße Fluchtungsfehler wie Versatz oder Winkelfehler der Wellen ausgeglichen werden.
- Eine Kupplung kann elastisch gegenüber Torsion gestaltet werden, wodurch Ungleichförmigkeiten von Drehmoment und Drehgeschwindigkeit gedämpft werden.
- Der in einer Kupplung verwendete Werkstoff (zum Beispiel Elastomer) kann die Ausbreitung von Körperschall dämpfen.
- Eine Kupplung kann einen Überlastschutz herstellen, beispielsweise durch die Verwendung von definiert brechenden oder rutschenden Elementen.
1878/79 entwickelte Carl Benz einen verdichtungslosen Zweitaktmotor und später einen leichten Viertaktmotor. Benz entwickelte hierzu die Riemenverschiebung als Kupplung, den Vergaser, den Wasserkühler und die Gangschaltung.
Kupplungen in Kraftfahrzeugen
hinten: Motor mit Schwungscheibe (mit Zahnkranz für den Anlasser)
Mitte: Kupplungsscheibe
vorn: Deckel (Druckscheibe und Tellerfeder z. T. verdeckt)
A: verbindend (eingekuppelt)
B: gelöst (ausgekuppelt)
1 Motorkurbelwelle
2 Motorschwungscheibe
3 Kupplungsscheibe
4 Druckscheibe
5 Membranfeder
6 Getriebewelle
7 Ausrückring
8 Deckel
9 Stützscheiben
10 Stützbolzen
11 Anschlagbund
Lösbare Kupplung
Die beim PKW fuß-, beim Motorrad handbetätigte lösbare Kupplung zwischen Motor und Schaltgetriebe ist aufgrund der hohen Verbreitung die bekannteste Kupplung überhaupt. Sie ist eine kraftschlüssige Kupplung, die das Anfahren und das Wechseln der Getriebestufen erst ermöglicht.
Zum Wechseln der Getriebestufen („Gänge“) muss die Drehmomentübertragung unterbrochen werden, damit das gewünschte Zahnradpaar (= Gang) in gegenseitigen Eingriff gebracht werden kann. Bei den heutigen Synchrongetrieben erfolgt die dazu notwendige Drehzahlanpassung der beiden Zahnräder mit Hilfe von Synchronringen. Beim Wiederherstellen der Verbindung zwischen Motor und Getriebe wird ein etwaiger Drehzahlunterschied durch kurzzeitigen Schlupf in der Kupplung überbrückt.
Üblicherweise wird eine beidseitig mit ringförmigen Reibbelägen versehene Kupplungsscheibe (3) zwischen zwei an der Motorkurbelwelle (1) befestigten Scheiben eingeklemmt. Die eine Scheibe ist die mit der Kurbelwelle starr verbundene Schwungscheibe (2), die andere ist die mitdrehende sogenannte Topf-/Druckscheibe (4), die mit einer Membranfeder (5) gegen die Schwungscheibe gepresst wird. Die Kupplungsscheibe ist mittels einer Zahnkupplung mit der Getriebewelle (6) drehstarr verbunden.
Zum Lösen wird die Membranfeder, die mit ihrem äußeren Rand über die Topfscheibe auf die Kupplungsscheibe drückt, „abgehoben“, indem sie an ihrem inneren Rand axial verspannt wird. Der Ausrückring (7) wird mit Fußkraft vom Kupplungspedal aus gegen die Membranfeder gedrückt, die sich umstülpt (Verdrehen um die Stützlager (10)/(11)). Die Topfscheibe entfernt sich etwas von der Kupplungs- und der Schwungscheibe.
Drehelastische Kupplung in einer Kupplungsscheibe (nicht lösbar)
Der äußere Teil der Kupplungsscheibe mit den Reibringen ist mit der Nabe mit der Verzahnung für die Verbindung mit der Getriebeeingangswelle drehelastisch verbunden. Die eingebauten Druckfedern fangen Drehmoment- und Drehgeschwindigkeitsstöße ab.
Weitere nicht lösbare Kupplungen in Kraftfahrzeugen
Zur Übertragung der Leistung vom Frontmotor zum Hinterradantrieb dient in der Regel eine Kardanwelle. Diese ist mit der Ausgangswelle des Getriebes mit einem Kardangelenk verbunden. Diese winkelbewegliche Kupplung erlaubt die gefederte Vertikalbewegung der Hinterachse relativ zum im Prinzip fest eingebauten Getriebe. Das oder ein weiteres Kardangelenk kann sich auch in einer geteilten Kardanwelle befinden.
Wenn die angetriebenen Hinterräder nicht mit einer starren Achse verbunden sind, sondern sich einzeln elastisch gegen das Fahrzeug bewegen, werden die zwei Halbachsen auch oft mittels Kardangelenken am Hinterachsdifferential und an den Rädern verbunden.
Bei Vorderradantrieb sind die Räder vertikal gefedert und werden zusätzlich eingelenkt. Weil die Drehübertragung in abgewinkelter Lage über eine Umdrehung zu stark schwankt, werden gleichmäßig übertragende homokinetische Gelenke verwendet.
Die Hardyscheibe ist mit dem Kardangelenk verwandt. Sie enthält eine Gummischeibe, die bei Winkelausschlägen zwischen den beiden Wellen und bei Drehstößen elastisch verformt wird.
Lösen beim Unterschreiten einer Mindestdrehzahl
1 Reibsegment, 2 radiale Koppel, 3 Zugfeder
Besondere lösbare Kupplungen
- Rutschkupplung für Unterbrechung des Kraftschlusses bei Überlastung des Motors bzw. der Welle(n): zum Beispiel in Fahrzeugen, Baumaschinen und Werkzeugmaschinen
- Kupplungen mit Sollbruchstelle als Überlastschutz: zum Beispiel Bolzenkupplung mit Scherstift
- Fliehkraftkupplung: selbsttätiges Lösen oder Trennen bei Über- oder Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl
- Überholkupplung: selbsttätiges Trennen bei Drehrichtungs- oder Drehmomentumkehr, zum Beispiel Freilauf beim Fahrrad
Nicht lösbare nachgiebige Kupplungen
Nicht lösbare Kupplungen können verschiedenartig nachgiebig sein:
- drehstarr, axial beweglich: Zahnkupplung, Klauenkupplung, Federstegkupplung
- drehstarr, gering axial, radial und winklig beweglich: Kreuzschlitzkupplung
- dreh- und querelastisch: Gummikupplung
- drehnachgiebig (mit Schlupf): Magnetpulverkupplung
- „knickbar“: Kardangelenk (Kreuzgelenk), Stahllamellenkupplung
Unterscheidung nach Kraft- beziehungsweise Formschluss
Kraftschlüssige Kupplungen (Reibkupplungen) sind besonders als lösbare Kupplungen und selbstlösende Kupplungen (Rutschkupplungen) bei Überlast (wozu auch Anlauf und Anfahren gehören) geeignet. Sie können mehr als eine oder zwei kraftschlüssige Flächenkontakte haben (zum Beispiel bei Ausrüstung mit mehreren Lamellen). Die Kontaktflächen sind eben oder keglig.
Formschlüssige Kupplungen sind einfacher gebaut. Sie schließen Schlupf in der Übertragung aus, bieten aber keinen Schutz bei Überlast (außer bei zusätzlicher Sollbruchstelle, zum Beispiel mit Scherstift). Ausführungsformen sind zum Beispiel Klauenkupplungen und Zahnkupplungen. Lagefehlern und Stößen nachgebende formschlüssige Kupplungen sind entsprechend aufwändiger, zum Beispiel die Hardyscheibe, die Metallbalgkupplung, das Kreuzgelenk, das homokinetische Gelenk, die Parallelkurbelkupplung und die Oldham-Kupplung.
Eine Besonderheit im Vergleich zu den im Allgemeinen mechanischen Kupplungen sind die Visco-Kupplung und die Strömungskupplung. Sie sind nicht starr, deshalb eher den kraftschlüssigen mechanischen Kupplungen zuzuzählen, haben aber permanent einen Schlupf in der Größenordnung von 10 %.
Ähnlich ist die Wirbelstromkupplung (Prinzip wie Wirbelstrombremse) einzuordnen. Diese Kupplung ist auch nicht starr.
Siehe auch
- Einscheibentrockenkupplung
- Anfahrelement
- Fahrzeuggetriebe
- Torsionssteife Kupplung
- Kupplungsspiel
- Automatisches Kupplungssystem (AKS)
- Doppelkupplungsgetriebe (= 'Direktschaltgetriebe' = DSG)
- andere KFZ-Hersteller benennen diese Technik mit anderen Bezeichnungen
Literatur
- August Schalitz: Kupplungs-Atlas: Bauarten und Auslegung von Kupplungen und Bremsen. 4., geänderte und erweiterte Auflage. A.G.T-Verlag Thum, Ludwigsburg 1975.
- Heinz Peeken, Christoph Troeder: Elastische Kupplungen: Ausführungen, Eigenschaften, Berechnungen. Springer, Berlin 1986, ISBN 3-540-13933-8.
- Siegfried Winkelmann, Harry Harmuth: Schaltbare Reibkupplungen: Grundlagen, Eigenschaften, Konstruktionen. Springer, Berlin 1985, ISBN 3-540-13755-6.
Einzelnachweise
- A. Lohrengel, P. Dietz: Kupplungen und Bremsen. In: Karl-Heinrich Grote, Beate Bender, Dietmar Göhlich (Hrsg.): Dubbel – Taschenbuch für den Maschinenbau. Band 25. Springer, 2018, ISBN 978-3-662-54805-9, S. G65–G79.
