Welle-Nabe-Verbindungen mit Kreiskeil-Profil übertreffen konventionelle Preßverbände in vielen Punkten. Sie übertragen hohe Drehmomente und Axialkräfte in allen Richtungen und lassen sich einfach montieren.
Dipl.-Ing. (FH) Franz Gröschel arbeitet bei der Kühl-Entwicklung und Gerätebau GmbH in Schlierbach/Württemberg
Die 3K-Kreiskeil-Verbindung ist eine neuartige, form- und reibungsschlüssige Welle-Nabe-Verbindung. Von ihren Eigenschaften her betrachtet, stellt sie eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Preßverbände dar, besonders der Schrumpf-Preßverbände. Sie weist dieselben guten Übertragungs- und Rundlaufeigenschaften auf, unterliegt aber nicht den Einschränkungen, wie sie beim Schrumpfpressen durch die Temperaturdifferenzen vorgegeben sind. Den maximalen Fugendruck erzielen die üblichen Querpreßverbände mit Temperaturdifferenzen, die zwischen 200 und 300 °C liegen. Höhere Temperaturen und das Auftreten von Oxidation beeinträchtigen die Festigkeit des Werkstoffs.
Bei der Kreiskeil-Verbindung übernimmt der relative Verdrehwinkel zwischen Welle und Nabe die Funktion der Temperaturdifferenz. Dadurch erreicht die 3K-Verbindung Fugendrücke, die einer Temperaturdifferenz von 450 °C entsprechen. Mit dieser Technik lassen sich daher wesentlich höhere Drehmomente übertragen als mit konventionellen Preßverbänden. Bezogen auf eine Welle aus C 35 mit 50 mm Durchmesser und einer Verbindungslänge von 40 mm beträgt das übertragbare statische Moment 5500 Nm gegenüber 3300 Nm beim Querpreßverband und 800 Nm bei der Paßfeder-Verbindung.
Die Verbindung wird in den folgenden drei kurzen Schritten montiert: Einführen der Welle, kontrolliertes Verdrehen um rund 15° und radiales Verspannen. Beim Kreiskeil-Profil haben die Fügeflächen keinen Kreisquerschnitt, sondern setzen sich aus identischen Abschnitten von gegeneinander verdrehten logarithmischen Spiralen zusammen. Durch kontrolliertes Verdrehen werden die Fügeflächen mit hohen, radialen Kräften gegeneinander gepreßt. Beim Verspannen kann das Anzugsmoment genau gemessen werden. Daraus resultiert eine hohe Montagesicherheit.
Kreiskeil-Verbindungen übertragen sowohl statische als auch dynamische Drehmomente und zwar in beiden Drehrichtungen. Zusätzlich können sie hohe axiale Kräfte aufnehmen. Im wesentlichen ist die dynamische Belastbarkeit nur durch die Festigkeit des Wellen- und Nabenwerkstoffs begrenzt (Streckgrenze).
Solange die Verbindung im vollelastischen Bereich des Werkstoffs ausgelegt ist, läßt sie sich beliebig oft lösen und wiederverwenden. Benötigt der Anwender dagegen eine möglichst hohe Drehmoment-Übertragung, kann er über die Wahl der Geometrie und des Anzugsmoments den elastisch-plastischen Spannungsbereich nutzen. Die Verbindung läßt sich auch dann noch lösen, jedoch nicht mehr beliebig oft.
Das übertragbare Drehmoment kann der Konstrukteur bei Kreiskeil-Verbindungen sehr genau berechnen. Aus dem Anzugsmoment, das während des Verspannens meßtechnisch erfaßt wird, bestimmt er den Sicherheitsfaktor im Verhältnis zum späteren Lastmoment. Dies ist ein wesentlicher Vorteil dieser Technik gegenüber anderen Welle-Nabe-Verbindungen.
Ist das Anzugsmoment hinreichend groß gewählt, kann sich der Preßverband nicht lockern. Kreiskeil-Verbindungen folgen beim Anziehen und Lösen klar definierten Momentenkurven. Zudem baut die Verbindung im Gegensatz zur Verschraubung keine axialen Vorspannungen auf, die ein lösendes Moment zur Folge hätten.
In der Regel brauchen für Welle und Nabe keine engen Fertigungstoleranzen eingehalten zu werden. Normalerweise reicht das Toleranzfeld IT 8, da durch das Verdrehen ein spielfreier, zentrischer Sitz erreicht wird. Wellensitz und Nabensitz werden je nach Zielsetzung und konstruktiver Gestaltung durch Fräsen, Unrundschleifen, Räumen oder andere spezielle Fertigungstechniken hergestellt. Auch spanlose Fertigungsverfahren wie Feinschmieden und Ziehen können zum Einsatz kommen.
Besonders vorteilhaft in Kunststoff und Buntmetall
Besonders vorteilhaft verhalten sich Kreiskeil-Verbindungen in Kunststoffen, Holz sowie Leicht- und Buntmetallen, wo Gewinde leicht durch Überlastung zerstört werden und Paßfedern keine funktionssichere Alternative bieten. Auch Wellen und Naben aus unterschiedlichen Werkstoffen lassen sich verbinden. Die Welle kann zum Beispiel aus Leichtmetall und die Nabe aus faserverstärktem Kunststoff bestehen. Da die 3K-Verbindung bei Umgebungstemperaturen hergestellt wird, also weder Erhitzen noch Abkühlen erfolgt, können die Fügeteile nicht durch eine ungünstige Wahl der Parameter beeinträchtigt werden. Die Wahrscheinlichkeit für Fehler sinkt, die Qualität steigt.
Bei der Kreiskeil-Verbindung gibt es einige Variationsmöglichkeiten. Um das Profil an die Anforderungen im Einsatzfall anzupassen, läßt es sich mit drei, vier, sechs oder noch mehr Kreiskeilen gestalten. Bei dünnwandigen Naben ist es meist von Vorteil, eine Verbindung mit sechs oder mehr Kreiskeilen am Umfang zu wählen, damit die Nabe ihre symmetrische Form behält und nicht unrund gedrückt wird. Die größere Zahl von Kreiskeilen sorgt für eine gleichmäßigere Druckeinleitung. Andererseits sinkt damit das übertragbare Drehmoment, weil die Kontaktfläche für den Aufbau des Fugendrucks verkleinert wird.
Die Form der Kreiskeile, die Oberflächen-Beschaffenheit sowie weitere Parameter bieten die Möglichkeit zum individuellen, problemorientierten Gestalten der Verbindung. Kreiskeile mit großer Steigung übertragen hohe Drehmomente. Mit einer flachen Steigung läßt sich hingegen die Winkelposition von Welle und Nabe genau einstellen. Dies ist zum Beispiel bei der Nocken- und Schaltkurvenbefestigung wichtig.
Eine Oberflächenbehandlung der Fügeteile kann Haftbeiwert, Oberflächenrauheit und Verschleißverhalten der Welle-Nabe-Verbindung optimieren. Dies ist dann notwendig, wenn an das Verspannen und Lösen besondere Ansprüche gestellt werden. Für geringe Kerbwirkungszahlen sorgen die Wahl eines geeigneten Herstellverfahrens und richtig gestaltete Radienübergänge zwischen den Kreiskeilflächen.
Die Verbindung läßt sich individuell auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung maßschneidern. Dafür gibt es eine Reihe von Beispielen. Riemenscheiben für Verdichter oder Wasserpumpen etwa werden durch die Kreiskeil-Technik genau axial positioniert, ohne daß ein Abstimmen durch Paßscheiben oder andere Kniffe erforderlich wird.
Streckwerkswellen für Spinnmaschinen sind aus einzelnen, meterlangen Segmenten zusammengesetzt und werden beidseitig angetrieben. Konventionell wurden die Segmente verschraubt und besaßen zu diesem Zweck je ein Rechts- und Linksgewinde. Dabei kam es häufig zu einem vorzeitigen Lösen oder zum Verspannen der Lagersitze, wodurch die Nadellager zerstört wurden. Die 3K-Technik sorgte dagegen für eine funktionssichere Verbindung und erreichte eine verbesserte Rundlaufgenauigkeit von 6 µm.
Kreiskeil-Verbindung zentriert sich selbst- Vorteile auf einen Blick
Übertragen hoher Drehmomente und Axialkräfte
Verspannen mit definiertem Anzugsmoment bietet überprüfbare Montagesicherheit
Verbindung zentriert sich selbst
Stabil bei Drehmomentwechsel (schwellende Torsionsbelastung)
Hohe Laufruhe ohne Auswuchten
Lage der Verbindungsteile ist exakt einstellbar
Montage ist automatisierbar: Verdrehung um etwa 20° genügt
Minimale Kerbwirkung
Geeignet ab Durchmessern von 2 mm
Geeignet für alle gängigen Werkstoffe: Stahl, Keramik, Leichtmetall, Kunststoffe
Kein Passungsrost an den Verbindungsstellen, da kein Schlupf auftritt
Teilen:
