2 Welle-Nabe-Verbindungen (WNV) Funktion von WNV

2 Welle-Nabe-Verbindungen (WNV)
Funktion von WNV: Übertragung eines Drehmoments und einer Drehbewegung von
der Welle auf die Nabe bzw. umgekehrt (Hauptfunktion); Übertragung von Querkräften, Biegemomenten und Axialkräften.
Unterteilung der WNV nach,
a) Art der Kraftübertragung (Hauptunterteilung):
- Reibschlussverbindungen (Kraftschlussverbindungen)
- Formschlussverbindungen
- Vorgespannte Formschlussverbindungen (Kombination Reib- und Formschluss)
- Stoffschlussverbindungen (Kleb-, Löt- und Schweißverbindungen)
b) Anzahl der Bauteile:
- unmittelbare Verbindung (ohne Zwischenglieder, z. B. Keilwelle)
- mittelbare Verbindungen (mit Zwischengliedern, z. B. Passfeder)
2.1 Reibschlussverbindungen (Kraftschlussverbindungen)
2.1.1 Zylindrischer Pressverband
Der notwendige Fugendruck pF des zylindrischen Pressverbands entsteht durch ein
Übermaß des Welle(außen)durchmessers gegenüber der Nabenbohrung:
DIa > DAi (I - Innenteil, A - Außenteil, i - innen, a - außen)
Nach der Art der Herstellung des Pressverbands unterscheidet man Quer- und
Längspressverbände.
1. Herstellung eines Querpressverbands durch:
a) Erwärmen des Außenteils
b) Abkühlen des Innenteils (Trockeneis: - 78 °C, flüssiger Stickstoff: - 195 °C)
c) Kombination von a) und b)
d) Ölpressverband (s. Bild 12-11 d, e)
2. Herstellung des Längspressverbands durch:
a) Einpressen des zylindrischen Innenteils bei Raumtemperatur (s. Bild 12-11)
Anforderungen an den Pressverband, Berechnung
A) Für das kleinste Übermaß muss durch den vorhandenen Fugendruck pF ≥ pFk
die erforderliche Sicherheit des Pressverbands gegen Rutschen (Haftsicherheit) realisiert werden: SH ≥ SHmin.
B) Für das größte Übermaß dürfen die auftretenden Beanspruchungen in der
Welle und in der Nabe nicht die zulässigen Beanspruchungen überschreiten:
pF ≤ pFg.
C) Bei der Festlegung der Passung für die Welle und die Nabe muss für das
kleinste mögliche Übermaß die Forderung nach A), für das größte mögliche
Übermaß die Forderung nach B) erfüllt werden.
D) Der Pressverband muss fügbar, d. h. die Fügetemperatur muss zulässig bzw.
die Fügekraft realisierbar sein.
E) Bei hohen Drehzahlen muss die Fliehkraftwirkung durch eine entsprechende
Änderung der Übermaßpassung berücksichtigt werden (pFk).
F) Bei der Wahl der Übermaßpassung sind mögliche Temperaturänderungen im
Betriebszustand bei unterschiedlichen Werkstoffen für die Welle und die Nabe
(unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten) bzw. unterschiedliche
Temperaturänderungen für die Welle und die Nabe (z. B. beim Anfahren) zu
berücksichtigen.
Berechnungs-Ablaufplan s. Bild 12-16.
Aufgabe 1 (WNV: Vollwelle mit aufgeschrumpften Zahnrad)
Geg.: Tnenn = 200 Nm, Wellendurchmesser d = 36 mm, Zahnrad-Teilkreisdurchmesser d1 = 70 mm, Zahradbreite b = 28 mm, Werkstoffe Welle: E295 (Re = 285 N/mm2),
Werkstoff Zahnrad: 42CrMo4 (vergütet): Re = 650 N/mm2, KA = 1,5, SF = 1,2, SH =
1,8, Haftbeiwert µ = 0,14, RZIa = 6 µm, RZAi = 10 µm.
Ges.: Übermaßpassung für einen Querpressverband.
2.1.2 Kegelpressverband
Allgemein zum Befestigen von Rad-, Scheiben-, Kupplungsnaben, Lagern und Werkzeugen an Wellenenden (Drehmomentübertragung).
Vorteil: Die Presskraft ist dosierbar, die Verbindung ist selbstzentrierend, gut lös- und
wiederverwendbar. Nachteil: Hohe Fertigungskosten.
Genormte Kegel: C = 1 : 10 (Radnaben)
C = 1 : 20 (Werkzeugkegel)
Selbsthemmung: α/2 < ρ (Reibungskegel), für Stahl/Stahl bei ca. C < 1 : 5 gegeben
2.1.3 Spannelementeverbindungen
Wesentliche Vertreter sind: Kegelspannelemente, Schrumpfscheibenverbindungen,
Sternscheiben, Toleranzringe, Druckhülsen. Auslegung + übertragbare Belastungen
s. Herstellerangaben.
Kegelspannring-Verbindungen, beachte: Das übertragbare Drehmoment nimmt mit
zunehmender Spannsatzzahl ab (bezogen auf die zusätzlichen Spannsätze), d. h.
mehr als 3 - 4 Spannsätze sind nicht sinnvoll!
2.2 Formschlussverbindungen
Berechnung: Häufig vereinfachter Ansatz, i. Allg. auf Flächenpressung (gilt nur für
genormte Abmessungen)
2.2.1 Paßfeder-, Scheibenfederverbindungen
- für Zahnräder, Riemenscheiben, Kupplungen, usw.,
- seitlich Passungen, in der Höhe Spiel,
- günstige Gestaltung: tragende Länge l’ ≤ 1,3 d (Wellendurchmesser),
- für überwiegend einseitige Drehmomente (ansonsten s. DIN 6892)
2.2.2 Keilwellen-, Zahnwellenverbindungen
- Einsatz, wo Pass- und Scheibenfedern nicht mehr ausreichen,
- für große und stoßhafte Drehmomente (bei axialer Verschiebbarkeit),
- Innenzentrierung: für hohe Rundlaufgenauigkeit,
- Flankenzentrierung: für wechselnde und stoßhafte Drehmomente
2.2.3 Polygonverbindungen
Vorteil: Kleine Kerbwirkung (bei Gleitsitz βk ≈ 1), d.h. gute Ausnutzung der Werkstofffestigkeit.
Genormte Ausführungen: P4C-Profil (Fest- und Spielsitze), P3G-Profil (i. Allg. für
Festsitz, aber auch als Spielsitz für Verschieben ohne Belastung ausführbar).
2.3 Vorgespannte Formschlussverbindungen
Die Umfangskraft wird zu unterschiedlichen Anteilen (diese sind meist nicht genau
bekannt) durch Form- und Reibschluss übertragen. Sicherheitshalber erfolgt die
Tragfähigkeitsabschätzung deshalb häufig nur auf Formschluss.
2.3.1 Keilverbindungen
- Keil trägt mit unterer und oberer Fläche, Seitenflächen haben geringes Spiel,
- zum Verbinden von schweren Scheiben, Rädern, Kupplungen,
- bei rauhem Betrieb, wechselnden und stoßhaften Drehmomenten
Berechnung: Die Berechnung des Reibschlusses nicht möglich, da die Einpresskraft
schwer zu dosieren und zu messen ist.