DE19613351A1 - Welle-Nabe-Verbindung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Für Verbindung Welle-Nabe existieren eine Vielzahl klassischer und moderner Lösungen. Es sind dies formschlüssige und kraftschlüssige Verbindungen. Einige dieser Verbindungen sind genormt. Andere sind reine Kaufteile die einer Normung nicht unterliegen.

Zu den formschlüssigen Verbindungen gehören alle Formen der Scheibenfeder, Paßfeder, Tagentialkeile, Querkeile. Auch die Keilwellenverzahnungen gehö­ ren hierher.

Federn und Keile haben gemeinsam, daß die Nuten den beanspruchten Quer­ schnitt schwächen und bei schnell laufenden Maschinen Unwucht erzeugen. Zum Ausgleich werden 2 gleiche Paßfedern gegenüberliegend vorgesehen, um diese Unwucht auszugleichen. Dazuhin müssen beide Nuten an beiden Teilen in besonderen Arbeitsgängen auf besonderen Maschinen gefertigt werden. Keile und Federn übertragen das Drehmoment mehr oder weniger punktuell. Bei zwei gegenüberliegenden Federn kann davon ausgegangen werden, daß das Mo­ ment von nur einer Feder übertragen wird. Die vorgesehenen gültigen Toleran­ zen und ihre Lage lassen eine genauere Lage der jeder nicht zu. Damit muß aus Gründen der Sicherheit die Feder auch so berechnet werden.

In Bild 1, 2 und 3 ist die Schwächung der Querschnitte dargestellt. Axiale Nuten in Wellen und Naben schwächen die belasteten Querschnitte. Sie werden deshalb dicker ausgeführt als erforderlich. Welle-Nabe-Verbindungen, ausgeführt mit Paßfedern, Keilen oder Keilwellen benötigen in der Mehrzahl aller Fälle eine axiale Fixierung. Fixiert wird gegen eine Schulter oder gegen einen Wellen-Sicherungsring, z. B. DIN 471. Gegen die Schulter wird die Nabe mit einer Mutter oder einem weiteren Wel­ lensicherungsring fixiert. Zum Spielausgleich dienen Paßscheiben. Diese Mon­ tagen sind sehr zeitaufwendig. Die verwendete Mutter muß zusätzlich noch ge­ sichert werden. Beim Welle-Sicherungsring ist der Nutgrund des radialen Ein­ stichs der Kerbwirkung ausgesetzt. Bilder 4 und 5 zeigen dies. Handelsüblich bekannt sind Spannhülsen und Spannsätze in vielen Ausführungen. Bei Spannhülsen, kombiniert mit Wälzlager, ist für den Normalwellendurchmes­ ser das nächstgrößere Wälzlager zu verwenden. Das erhöht die Kosten einer Konstruktion. Bild 6.

Handelsübliche Spannsätze funktionieren wie die Spannhülsen auf axialem Ver­ spannen zweier Kegelmantelflächen. Sie benötigen Raum in den Naben, die dann entweder länger oder im Durchmesser größer sein müssen. (Bild 7). Abhängig von ihrer Genauigkeit und der der Aufnahmebohrung tragen sie am Umfang und kommen dem Ideal schon sehr nahe, entbehren in jedem Fall der Schwächung des Wellenquerschnittes, sind axial verschiebbar auf der glatten Welle und lösbar.

Bekannt und wegen seiner geringen Preise sind endliche Toleranzringe. Aus Blechstreifen geformt, werden sie zwischen Welle und Nabe eingetrieben. Das zeigt Bild 8. Nachträgliches Verschieben ist nicht möglich. Für diese Ringe gibt es verschiedene Einbaumöglichkeiten. Sie erzeugen einen Festsitz. Ihre Form und Struktur gibt diesen Ringen eine gewisse Elastizität. Diese Verbindung zu lösen gelingt nur mit einer Abziehvorrichtung. An der Nabe muß eine Angriffsmöglichkeit von vornherein angebracht sein.

Ist es erforderlich, eine solche Verbindung abzudichten, sind diese Teile nicht einsetzbar. Sofort erhöht sich der konstruktive Aufwand, was gleichbe­ deutend ist mit höheren Kosten. Besonders gravierend ist der Mehraufwand beim Abdichten eines Keilwellenprofiles.

Aufgabe

Ein Spannelement mit gleichmäßiger Spannung um den gesamten Umfang zwischen Nabe und Welle bei möglichst gleichzeitiger Dichtwirkung gegen kriechend Me­ dien, anstehende drucklose Medien und unter Druck stehende Medien. Der mechanische Aufwand ist gering. Die Montage ist einfach auszuführen. Mit herkömmlichem Werkzeug. Bei Bedarf ist diese Verbindung dicht, auch gegen ho­ hen Druck. Die Verbindung ist beständig gegen hohe Temperaturen und den An­ griff von Säuren und Laugen.

Vorzugsweise sind handelsübliche Teile verwendet, die den jeweils anstehen­ den Betriebsbedingungen und bei diesen Betriebsbedingungen die Drehmomente zuverlässig, vollumfänglich und unwuchtfrei übertragen. Die gesuchte Welle- Nabe-Verbindung fixiert die verbundenen Bauteile zuverlässig axial.

Lösung der Aufgabe

Bild 9 Zeigt eine Eindrehung in der Nabe. In diese Nabe paßt ein O-Ring oder Rundschnurring mit dem Durchmesser d für die Schnur. Die Tiefe der Nut ist immer Kleines als d.

In diese Nut wird der O-Ring eingelegt. Ein auf die Welle geschobener Ring wird mit Schrauben gegen die Nabe gepreßt. Der O-Ring wird verformt. Das Material des Ringes ist dauerhaft inkompressibel. Die Verformung (Bild 10/11) teilt sich allen umgebenden Flächen als Druckspannung mit.

Quasi hydraulische Eigenschaften der Rundschnur vorausgesetzt, ist die Span­ nung an allen Flächen, die die Schnur berührt, gleich. Aus der erfolgten Verformung errechnet sich die Druckspannung. Sie ist Voraussetzung für das Übertragen eines Drehmomentes von der Welle zur Nabe oder umgekehrt. Bei höheren Drehmomenten und gegebenem Zugang können diese Spannringe auf beiden Seiten der Nabe eingelegt werden. Von einer Seite können auch 2 oder mehr dieser Spannringe, als die der Rundschnurring bzw. O-Ring nun fungiert, eingesetzt werden. (Bild 12 und 13). Zur korrekten Lage und Kraftübertragung ist zwischen den einzelnen Spannringen eine Stützscheibe aus Stahl (DIN 988) zwischengelegt. (Bilder 12/13).

Wird in die Welle oder Nabe eine Rille eingearbeitet, entsprechend dem unge­ spannten Spannelement, dann findet das Profil des Spannelementes darin Platz. (Bild 14). Die Nabe wird nun über das in der Rille befindliche Spannprofil geschoben. Nun wird das Profil verspannt. Mit der Verspannung ist die Nabe axial festgelegt. Die eingearbeitete Rille verursacht bei sorgfältiger Ar­ beit keine Kerbspannungen und Spannungsspitzen.

Diese Verbindung ist außerdem, dargestellt in Bild 11 und 13, sind bei Ein­ bau eines O-Ringes druckdicht. Gleichzeitig ist die für das Übertragen des Drehmomentes erforderliche Pressung erzeugt.

Mit Einschränkungen sind auch korrekt verklebte Rundschnurringe für diesen Einsatz verwendbar. Auch der Rundschnurring, wie viele andere Profile, sind für diesen Einsatz geeignet.

Mit dieser Ausführung, einer Rille in der Welle oder auch Nabe, ist eine Schulter auf der Welle entbehrlich. Es entsteht das einfachere und damit preiswertere Werkstück.

Als Spannelemente stehen zunächst handelsübliche O-Ringe und Rundschnurrin­ ge zur Verfügung. Als Werkstoffe finden Elastomere, Kunststoffe und auch Metall Verwendung. Metall-O-Ringe, hohl, hohl mit radialen Bohrungen und solche mit Gas gefüllt sind ebenso zu verwenden wie einfache Elastomer- und Kunststoffschnüre, sowohl homogen als auch geschäumt.

Letztere sind besonders geeignet bei Leichtbauanwendungen oder spröden Werk­ stoffen. Verwendbar sind auch Schlauchprofile, sofern sie über ein Profil mit entsprechender Rückstellmöglichkeit Verfügen.

Auf Schnüre muß allgemein dann zurückgegriffen werden, wenn an großen Durch­ messern die Drehmomentübertragung zu realisieren ist und derartige Ringe nicht mehr handelsüblich sind oder nur mit langen Lieferzeiten erhältlich. Metall-O-Ringe eignen sich nach den Silikonwerkstoffen ausgezeichnet für An­ wendungen unter Temperatureinfluß. Gasgefüllte Metall-O-Ringe unterstützen die Spannwirkung, sofern sie im vom Hersteller zugelassenen Verformungsbe­ reich verspannt werden.

Im Großmaschinen- und Anlagenbau ist diese Methode der Drehmomentübertra­ gung, Welle und Nabe zu verbinden, sehr vorteilhaft anzuwenden. Sind doch Rundschnüre bis zu 30 mm handelsüblich in den verschiedensten Werkstoffen. Aber nicht nur Rundschnüre sind einsetzbar. Selbstverständlich können auch Schnüre und Ringe mit rechteckigem Querschnitt eingesetzt werden. Die Aus­ sparungen und Rillen sind in den Werkstücken dementsprechend herzustellen.

Mit steigenden Durchmessern, insbesondere bei größeren und großen Durchmes­ sern ist der Einbau des elastomeren oder elastischen Spannringes einfach auszuführen. Das ganze System neigt nicht zu Verkantungen auch bei ungleich­ mäßigem Anziehen der Schrauben.

Soll die Welle, trotz Drehmomentübertragung und auch axialer Fixierung noch eine Freiheit haben, um als elastisches Bauteil Überbestimmung einer Lage­ rung auszugleichen, dann erhält die Welle zur Nabe einen Abstand, der ein ein Mehrfaches der zu erwartenden Ausgleichsbewegung beträgt. Die gewünsch­ te Elastizität wird erreicht durch entsprechende Härte des Werkstoffs und die zu wählende Anzahl der Schnüre. (Bilder 16 u. 17).

Insgesamt ist das vorgestellte Spannverfahren dann vorteilhaft, wenn in langen Naben, die noch dazu eine dünne Wandung haben, keine Nuten eingefräst werden können. Überdies wäre das sehr teuer herzustellen. Darüberhinaus führen Nuten in dünnen Bauteilen zu nicht behebbaren Deformationen der Bauteile.

Wirtschaftliche Vorteile

Alle Arbeitsgänge erfolgen in einer Aufspannung, die ohnehin für andere Par­ tien des Teiles nötig ist. Wegfall von Arbeitsgängen auf anderen Maschinen, auf denen noch eine besondere Aufspannung nötig wäre.

Die Genauigkeiten für einzudrehende Nuten und Rillen bringt die normale Dreharbeit ohne besondere Anforderungen. Diese Anforderungen an Genauigkeit und Güte der Oberflächen entsprechen durchschnittlichen Ansprüchen. Sie sind auf herkömmlichen Maschinen herstellbar.

Die Werkstücke werden einfacher wegen Wegfall von Schultern und Gewinden, um die Naben gegen die Schulter zu spannen. Die Spannmuttern müssen extra noch gesichert sein. Sind diese Spannmutters etwas tiefer in einer Baugruppe an­ geordnet, dann ist die Montage durch schlechte Zugänglichkeit mit dem Mon­ tagewerkzeug schwierig.

Die Montage kann von ungelerntem Personal ausgeführt werden.

Die verwendeten Spannelemente sind Handelsware und preiswert erhältlich. In Fällen mit besonders großen Abmessungen sind preiswerte Schnüre verwendbar. Durch Kleben ist auch die Dichtheit hergestellt.

Diese Methode spannt und dichtet zugleich. Das bedeutet eine erhebliche Ver­ einfachung der Konstruktionen. Außerdem können sehr große und sehr dünnwan­ dige Teile verbunden, direkt angetrieben und gelagert werden ohne aufwendi­ ge Verstärkungen.

Claims (3)

1. Welle-Nabe-Verbindung, durch Verspannen elastischer Bauteile zwischen Nabe und Welle.

2. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Eindrehung in Nabe oder auch Welle die miteinander verspann­ ten Teile axial gesichert sind.

3. Welle-Nabe-Verbindung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß bei mehrfach gelagerten Bauteilen und definierter Verspannung der elastischen Bauteile ohne Formschluß der miteinander verspannten Bauteile Welle und Nabe Überbestimmung vermieden ist.