Kupplungen

Sensorintegrierte Kupplungen als Datenquelle im Antriebsstrang

R+W erfasst mit der sensorintegrierten Kupplung iPK dynamische Drehmomente in Industriemischern direkt im Kraftfluss – für datenbasierte Auslegung, Monitoring und vorausschauende Wartung

In hochdynamischen Mischprozessen schwankt das Drehmoment oft zwischen moderater Dauerlast und extremen Lastspitzen. Eine sensorintegrierte Kupplung erfasst diese Belastungen direkt im Kraftfluss nahezu in Echtzeit und schafft die Basis für datenbasierte Auslegung, Zustandsüberwachung und vorausschauende Instandhaltung.

Industriemischer zählen zu den mechanisch anspruchsvollsten Aggregaten innerhalb verfahrenstechnischer Anlagen. Insbesondere hochdynamische Mischprozesse erfordern eine präzise Kenntnis der tatsächlich auftretenden Lasten. In der Praxis ist das reale Drehmoment im Antriebsstrang jedoch häufig nur näherungsweise bekannt. Die Auslegung erfolgt auf Basis von Erfahrungswerten, Sicherheitszuschlägen oder theoretischen Annahmen. Wie sich das Drehmoment im laufenden Prozess tatsächlich über die Zeit entwickelt, insbesondere während dynamischer Übergangsphasen, bleibt oftmals intransparent.

Gerade beim Vermischen eines flüssigen Mediums mit Feststoffen verändert sich die Viskosität des Gesamtmediums kontinuierlich. Dieser rheologische Übergang führt zu einem stark variierenden Drehmomentverlauf im Antriebsstrang. Zu Beginn des Mischvorgangs ist der Widerstand meist moderat. Mit zunehmender Homogenisierung steigt die innere Reibung deutlich an. Das Mischwerkzeug muss höhere Scherkräfte übertragen, wodurch das Drehmoment signifikant zunimmt. In vergleichbaren Anwendungen können kurzzeitig Spitzen im Bereich von etwa 16000 Nm auftreten. Sobald der gewünschte Homogenitätsgrad erreicht ist, reduziert sich die Last wieder deutlich und bewegt sich typischerweise auf einem stationären Niveau um etwa 4000 Nm.

Dieses ausgeprägte Lastprofil mit temporärer Hochlastphase verdeutlicht die hohe Dynamik im Prozess. Für die Auslegung eines Mischer-Antriebsstranges ist daher nicht allein der Maximalwert maßgeblich, sondern vor allem dessen zeitlicher Verlauf und die Relation zwischen Spitzen und Dauerlast.

Die Kupplung als Messpunkt im Kraftfluss

Die zuverlässige Erfassung dieser dynamischen Belastungszustände stellt in der Praxis eine zentrale Herausforderung dar. Externe Drehmomentsensoren benötigen zusätzlichen Bauraum, erfordern konstruktive Anpassungen und erhöhen die Systemkomplexität. Zudem können Messungen außerhalb des unmittelbaren Kraftflusses durch zusätzliche Einflüsse verfälscht werden.

Die von R+W Antriebselemente entwickelte sensorintegrierte Kupplung iPK in der Flange-Ausführung der 15000er Serie setzt direkt an dieser Stelle an. Sie ist im drehmomentübertragenden Strang positioniert und erfasst die mechanische Beanspruchung dort, wo sie tatsächlich entsteht. Technologische Grundlage ist ein integrierter Deformationskörper, der über ein Press-Fit-Verfahren in ein hohlzylindrisches Bauteil eingebracht ist. Die unter Last auftretenden elastischen Verformungen werden mithilfe hochpräziser Dehnungsmessstreifen detektiert und im Nachgang durch den integrierten Messverstärker verarbeitet und drahtlos nahezu in Echtzeit übertragen. Die Energieversorgung erfolgt über einen wiederaufladbaren Akku oder induktiv, sodass auf externe Verkabelung verzichtet werden kann. Je nach Ausführung lassen sich neben dem Drehmoment auch Drehzahl und Temperatur erfassen. Die Kupplung fungiert damit als kompakte, vollständig integrierte Sensoreinheit innerhalb des Antriebsstrangs.

Datenbasierte Auslegung und Entwicklungsvalidierung

Die kontinuierliche Erfassung des Drehmomentverlaufs ermöglicht eine realitätsnahe Bewertung des gesamten Mischzyklus. Kurzzeitige Hochlastphasen lassen sich hinsichtlich ihrer Dauer und Häufigkeit analysieren und eindeutig vom anschließenden Nominalbetrieb unterscheiden. Für die konstruktive Auslegung ergibt sich daraus ein erheblicher Mehrwert. Lebensdauerberechnungen basieren auf realen Lastkollektiven statt auf pauschalen Annahmen. Sicherheitszuschläge können gezielt und datenbasiert definiert werden. Das reduziert Überdimensionierungen und erhöht gleichzeitig die Betriebssicherheit.

Auch in der Entwicklung neuer Mischsysteme unterstützt die iPK die Validierung von Simulationsmodellen. Theoretische Annahmen zu Viskositätsverläufen, Werkzeuggeometrien oder Prozessparametern werden mit realen Betriebsdaten abgeglichen. Abweichungen werden frühzeitig erkannt, wodurch sich Optimierungspotenziale systematisch erschließen lassen.

Sensorik als Grundlage für Condition Monitoring und Predictive Maintenance

Im laufenden Betrieb liefert die iPK kontinuierlich Zustandsdaten und bildet damit die Schnittstelle zwischen mechanischer Antriebstechnik und digitalem Monitoring. Der charakteristische Lastverlauf eines Mischzyklus dient als Referenz. Veränderungen im Anstieg des Drehmoments, in der Intensität der Hochlastphasen oder im Normalbetriebsbereich können auf Prozessabweichungen hindeuten. Schwankungen in der Materialqualität, zunehmender Werkzeugverschleiß oder beginnende Schäden an Lager- und Getriebekomponenten spiegeln sich unmittelbar im Lastverhalten wider. Durch die permanente Datenerfassung lassen sich solche Entwicklungen frühzeitig identifizieren.

Über die reine Zustandsüberwachung hinaus bildet die Sensorik die Grundlage für vorausschauende Instandhaltungskonzepte. Während klassische Wartungsstrategien auf festen Intervallen beruhen, ermöglicht die Analyse realer Lastprofile eine zustandsabhängige Bewertung der tatsächlichen Beanspruchung. Die systematische Auswertung von Lastkollektiven unterstützt eine belastbare Abschätzung von Restlebensdauern und erlaubt eine bedarfsgerechte Planung von Wartungsmaßnahmen. In Verbindung mit übergeordneten Monitoring- oder Analysesystemen können Trendanalysen und Grenzwertstrategien implementiert werden. Stillstandzeiten werden reduziert, Wartungseinsätze planbar und die Gesamtanlageneffektivität nachhaltig gesteigert.

Modulares Flanschkonzept für hohe Drehmomente

Die 15000er Serie ist für hohe Drehmomentbereiche ausgelegt und eignet sich insbesondere für großdimensionierte Industriemischer mit Wellen- und/oder Flanschverbindungen. Innerhalb des R+W Baukastens lässt sich die Sensoreinheit flexibel mit unterschiedlichen Kupplungstypen kombinieren. Das modulare Konzept unterstützt eine anwendungsspezifische Anpassung ohne zusätzlichen Bauraumbedarf und erleichtert die Integration in bestehende Antriebskonzepte.

In hochdynamischen Mischprozessen, in denen Spitzen und Dauerlast deutlich voneinander abweichen, schafft die integrierte Sensorik Transparenz über reale Belastungszustände. Die kontinuierliche Verfügbarkeit dieser Daten eröffnet neue Handlungsspielräume in Konstruktion, Betrieb und Instandhaltung. Mechanische Komponenten werden nicht mehr ausschließlich dimensioniert, sondern datenbasiert bewertet und optimiert. Damit entwickelt sich die Kupplung zu einem strategischen Element moderner, vernetzter Antriebssysteme.