Nullspiel im Vergleich: Lamellen, Balg, Schlitz und Gummi — und wo Klauenkupplungen genau aufhören

In einer Positionierachse sitzt der Encoder meist am Motor. Spiel in der Kupplung liegt zwischen Encoder und Last, der Regelkreis sieht es also nicht: Der Motor meldet, er sei am Ziel, während die Last noch einige Winkelminuten zurückliegt. Beim Reversieren wechselt der Fehler das Vorzeichen. Keine Verstärkung, keine Vorsteuerung und kein Filter beseitigen ihn, weil die Information den Regler nie erreicht.

Deshalb nennt NBK einen spielfreien Typ für Motion Control zwingend und nicht bloß wünschenswert. Die infrage kommenden Kupplungen haben eines gemeinsam: Das Drehmoment läuft über ein elastisch durchgehendes Element — ein Paket Stahllamellen, einen Metallbalg, einen geschlitzten Zylinder, einen gespritzten Gummikörper — statt über Teile, die sich mit Spiel berühren.

XHS (eine Scheibe) und XHW (zwei Scheiben mit Zwischenstück) haben dasselbe Nenndrehmoment — 0,6 bis 280 N·m über die Größen 15C bis 98C — und kosten etwa gleich viel. Der Unterschied steckt in zwei Spalten.

Die XHS ist steifer: bis 52.000 N·m/rad gegenüber 47.000 bei der XHW. Sie verträgt aber nur 0,01 bis 0,02 mm Radialversatz, während die XHW 0,1 bis 0,5 mm aufnimmt — eine Größenordnung mehr. Auch der Winkelversatz halbiert sich: 0,7–1° statt 1,4–2°.

Die Frage lautet also nicht „welche ist besser“, sondern „wie genau können Sie ausrichten“. Eine Einscheibenkupplung an einem von Hand unterlegten Motorflansch fällt früh durch Radiallast aus. Ist die Aufnahme gefräst und verstiftet, liefert die XHS die höchste Torsionssteifigkeit im Programm. Wird vor Ort geschraubt und justiert, nehmen Sie die XHW — und reicht deren Radialversatz nicht, erhöht die Variante XHW-L ihn nochmals bei gleicher Steifigkeit (eine 39C geht von 0,25 mm auf 0,4 mm, beide bleiben bei 4.700 N·m/rad).

Das klassische Argument für Lamellenkupplungen ist die Torsionssteifigkeit: Eine steife Kupplung hebt die mechanische Resonanz, das erlaubt eine höhere Servoverstärkung, das verkürzt die Ausregelzeit. Richtig — bis zu dem Punkt, an dem die Resonanz, die die Kupplung doch hat, zu schwingen beginnt.

NBK hat es gemessen. An derselben Achse mit steigender Servoverstärkung verhalten sich die High-Gain-Gummikupplung XG2, die ältere XG und eine Lamellenkupplung bei Verstärkung 25 identisch (12 ms Ausregelzeit). Bei Verstärkung 27 beginnt die Lamellenkupplung zu schwingen — sie pendelt um die Zielposition, statt sich zu beruhigen —, während beide Gummitypen weiterhin in 8 ms einschwingen. Bei Verstärkung 32 ist nur noch die XG2 stabil und regelt in 3 ms aus; auch die XG schwingt.

Der Gummikörper dämpft die Resonanz, statt nur steif zu sein — und Dämpfung ist es, die es erlaubt, den Regelkreis aufzudrehen. Das ist die Begründung für NBKs eigene Empfehlung, für moderne Servomotoren High-Gain-Gummi der Lamellenkupplung vorzuziehen.

Nullspiel engt das Feld ein; die Umgebung kürt darin oft den Sieger.

• Encoder und Messachsen — Balgkupplung. NBK: „Auch bei Versatz wird eine Drehung mit konstanter Geschwindigkeit erreicht.“ Das Drehmoment ist gering (MFB 0,3–2 N·m; die Edelstahlvariante MFBS 0,5–3 N·m), denn ein Encoder braucht Treue, keine Kraft.
• Vakuum und Reinraum — die Schlitzkupplung aus SUS316L (XSTS, 2–35 N·m) oder die PEEK-Variante MSXP (0,7–1,5 N·m), die zusätzlich eine elektrische Isolation von 2 MΩ oder mehr bietet.
• Hitze — die Oldham MOHS mit VESPEL-Zwischenstück geht bis 200 °C, aber nur bis 900 min⁻¹; die PEEK-Variante MOP bis 120 °C.
• Elektrische Isolation — die meisten Baureihen bieten 2 MΩ oder mehr zwischen den Naben. Die Ausnahme sollte man kennen: die XGT2 in der größten Baugröße ⌀68 sowie die gesamte HNBR-Familie XGT/XGL/XGS sind mit 10 kΩ bis 1 MΩ angegeben. Wo Isolation gefordert ist, ist das nicht dasselbe Produkt.