Neue Kupplung dämpft Vibrationen in emissionsarmen Motoren

Um der wachsenden Nachfrage nach einer Reduzierung des CO2-Fußabdrucks von Kränen und anderen Schwerlastgeräten gerecht zu werden, verbauen OEMs schlankere, effizientere Dieselmotoren der Stufe V/Tier 4, die bei niedrigeren Leerlaufdrehzahlen mit hohem Drehmoment laufen und aufgrund ihres geringeren Kraftstoffverbrauchs geringere CO2-Emissionen verursachen. Diese leistungsdichten Motoren sind zwar besser für die Umwelt, erzeugen aber aufgrund der Resonanz der Hauptharmonischen deutlich höhere Vibrationen, insbesondere im Leerlauf.

Dr. Hasan Mahamudul (Dr. Maha), Leiter Forschung und Entwicklung bei Regal Rexnord und Chefingenieur hinter der Idee und dem Design der CENTAFLEX-TIR-Kupplung. (Foto: Eason Photography)

„Stärkere Vibrationen sind immer schlecht, da sie alles andere beeinträchtigen, vom Pumpenantrieb über die Getriebe bis hin zu den Lagern“, sagt Rene Klimach, Ingenieur und Produktmanager bei Regal Rexnord, einem in den USA ansässigen Anbieter von Antriebsstranglösungen.

Kupplungen sind entscheidend, um Torsionsschwingungen von Motoren zu dämpfen und die Zuverlässigkeit der Antriebsstrangkomponenten zu gewährleisten. Laut Regal Rexnord sind die meisten flexiblen Kupplungen jedoch für Motoren der Stufe V/Tier 4 dynamisch zu steif. Daher müssen sie mit höheren Leerlaufdrehzahlen betrieben werden, um Überlastungen zu vermeiden, die Anlage zu schützen und die Betriebszeit zu sichern – was ihre Effizienzvorteile im Wesentlichen zunichtemacht.

Der deutsche Kranhersteller Tadano stand vor einer solchen Herausforderung, als er gemeinsam mit seinem Motorenlieferanten den Antriebsstrang eines großen Gittermast-Raupenkrans neu konstruierte. Die niedrigere Leerlaufdrehzahl (bis zu 600 U/min) und die stärkeren Vibrationen des Stufe-V-Motors führten zu einem beschleunigten Verschleiß wichtiger Antriebskomponenten wie Getriebe und Lager.

Da die meisten Kupplungen nicht für Drehzahlen unter 750 U/min ausgelegt sind, wandte sich Tadano an die Ingenieure von Regal Rexnord, um eine Lösung zu finden.

Verdoppelung der Vibrationskontrolle

Diese Lösung erwies sich als CENTAFLEX-TIR (TIR), eine Rollenkupplung der neuen Generation mit weichen, progressiven Torsionseigenschaften, die laut Regal Rexnord für zahlreiche komplexe Anwendungen in der Landwirtschaft, im Bauwesen, in der Schifffahrt, in Steinbrüchen sowie für Generatorsätze mit variablen Geschwindigkeiten geeignet ist.

„Das CENTAFLEX-TIR fungiert als Dämpfungselement zwischen Motor und angetriebenen Komponenten und absorbiert einen Großteil der Vibrationen“, so Klimach. „Dadurch kann der gesamte Motor bei hohem Drehmomentbedarf mit niedrigerer Leerlaufdrehzahl laufen, was zu geringerem Kraftstoffverbrauch und geringeren CO2-Emissionen führt.“

Die Kupplung verfügt über ein zweistufiges Rollendesign und modifizierte Kammern, die ein sanftes Gleiten der Gummirollen gewährleisten. (Foto: Regal Rexnord)

Oberflächlich betrachtet wirkt die TIR nicht gerade neuartig, da die verfügbaren Größen und verwendeten Materialien weitgehend mit denen früherer Kupplungen übereinstimmen. Im Gegensatz zu herkömmlichen flexiblen Kupplungen verfügt die TIR jedoch über zwei Reihen flexibler Gummirollen statt einer einzigen.

Dr. Hasan Mahamudul (Dr. Maha), Leiter für Forschung und Entwicklung bei Regal Rexnord und Chefingenieur hinter der Idee und dem Design der CENTAFLEX-TIR-Kupplung, sagte, dass dieses zweistufige Rollendesign es der neuen Kupplung ermöglicht, „noch mehr Vibrationen zu absorbieren, ohne zu überhitzen, wodurch der zulässige Leistungsverlust erhöht und die Vibrationen sowie die Lebensdauer der Systemkomponenten verbessert werden.“

Modifizierte Kammern sorgen für ein sanftes Gleiten der Rollen. „Beim Einsatz des Motors mit niedrigerer Drehzahl gleiten diese Gummirollen nur in ihrer Kammer“, erklärte Dr. Maha. „Dadurch entsteht keine Resonanz im Antriebsstrang. Dank seiner Weichheit ist er völlig resonanzfrei und verschiebt den Resonanzpeak höherer Ordnung in den unteren Drehzahlbereich.“

Die Konstruktion ermögliche zudem eine um 80 % verbesserte thermische Belastbarkeit bei höheren Wechseldrehmomenten im Vergleich zum Vorgängermodell, so Regal Rexnord. Eine entsprechend um 80 % höhere zulässige Verlustleistung sorge dafür, dass Schwingungen effektiv absorbiert würden, was Kupplungsüberlastungen und Wechseldrehmomentspitzen im Antriebsstrang verhindere.

Darüber hinaus ist die Fähigkeit der Kupplung, die dynamische Steifigkeit bei Änderungen des mittleren Drehmoments zu variieren, im Vergleich zu herkömmlichen Konstruktionen deutlich sanfter und weicher, so Dr. Maha. „Während herkömmliche Konstruktionen mit steigendem Drehmoment zunehmend steifer werden, behält die CF-TIR-Kupplung auch bei hohem mittleren Drehmoment eine geringere Steifigkeit.“

Dadurch bietet das TIR die nötige Torsionsweichheit, um Leerlaufdrehzahlen von 525 bis 625 U/min standzuhalten, die bei Dieselmotoren der Stufe V/Tier 4 üblich sind.

Kosten- und Emissionsreduzierung

Dr. Maha beschreibt das TIR als „eine äußerst kostengünstige Lösung mit sehr einfachem Design“. Dennoch hat es das Potenzial, zahlreiche Aspekte sowohl des Maschinendesigns als auch der Anwendung zu beeinflussen.

Durch die Implementierung der TIR-Kupplung könnten OEMs laut Unternehmen die Getriebegröße reduzieren. Dr. Maha erklärte, sein Team arbeite derzeit mit einem Kunden an einem Pilotprojekt zur Verlängerung der Getriebelebensdauer. „Das Projekt geht jedoch nur langsam voran, da die Vibrationen mit dieser Kupplung so gering sind, dass über ein kleineres Getriebe nachgedacht wird.“

Das CENTAFLEX-TIR dämpft nachweislich hohe Torsionsschwingungen und ermöglicht so den Betrieb von Motoren der Stufe V/Tier 4 mit niedrigeren Leerlaufdrehzahlen. (Foto: Regal Rexnord)

Ein solcher Schritt würde zu Gewichtseinsparungen und einer höheren Gesamteffizienz führen und somit zu Kosteneinsparungen auf Systemebene führen.

Darüber hinaus ergeben sich weitere Einsparpotenziale. Nach dem Einbau in den Prototyp eines Tadano-Gittermast-Raupenkrans zeigte eine Torsionsschwingungsanalyse, dass die TIR-Kupplung die Systemvibration deutlich reduzierte und die Leerlaufdrehzahl von 750 auf 650 U/min senkte. Dies führte zu einer durchschnittlichen Senkung des Dieselverbrauchs um 0,7 Liter pro Stunde. Mit zwei Motoren am Kran werden dadurch schätzungsweise bis zu 1.092 Liter Diesel pro Jahr eingespart, was einer jährlichen Ersparnis von bis zu 1.750 Euro entspricht.

„Allein durch die Kraftstoffeinsparungen amortisiert sich die Kupplung“, so Klimach. „Innerhalb eines Jahres hat sich die Investition amortisiert. Das ist für den Endverbraucher interessant: Er spart mehr, weil die Leerlaufdrehzahl niedriger ist.“

Hinzu kommen die Vorteile für die Umwelt. Schätzungsweise werden die CO2-Emissionen durch den Kran jährlich um 2,89 kg gesenkt.

„Wenn weniger Kraftstoff im Feld verbraucht wird, sinken die CO2-Emissionen“, so Klimach. „In dieser speziellen Anwendung sprechen wir von 2,8 Tonnen CO2-Emissionen pro Jahr, was für den OEM im Hinblick auf die durchschnittlichen Flottenemissionen sehr interessant ist.“

Zusammenfassend sagte Klimach: „Ich denke, wir haben mit dieser Produktinnovation ein ganz klares Wertversprechen.“

Anmerkung des Herausgebers: Das Tadano-Kranprojekt von Regal Rexnord war Finalist für die Off-Highway-Produktanwendung des Jahres bei den Power Progress Summit Awards 2024.