Welle-Nabe-Verbindung: Sichere Verbindungen mit Schrumpfscheibe Einfach anziehen - fertig - KEM

Welle-Nabe-Verbindung: Sichere Verbindungen mit Schrumpfscheibe

Einfach anziehen – fertig

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Zur Verbindung anzutreibender Maschinenteile mit ihren treibenden Wellen haben sich kraftschlüs-sige Elemente durch-gesetzt. Die dabei am häufigsten verwendete Bauform ist das zwischen Welle und Nabe angeordnete Element in den verschiedensten Varianten. Über ein montagefreundliches Bauelement wird hier berichtet.

Der Autor Dipl.-Ing.Manfred Sturm ist Mitarbeiter Technische Dokumentation bei der Ringspann GmbH, Bad Homburg

Hohlwelle im Blickpunkt
Bei einigen Anwendungen ergeben sich aus dem Umstand, daß das Drehmoment oder die Axialkräfte bzw. auftretende Biegemomente den Spannsatz durchlaufen, negative Auswirkungen auf den Reibschluß dieser zwischenspannenden Verbindungen. Auch wird für die Hohlwellengetriebe, die sich immer mehr Einsatzgebiete erschließen, ein Element gebraucht, mit dem die Hohlwellen dieser Aufsteckgetriebe auf einfache Weise mit den eingestecken Wellen der Arbeitsmaschinen zu verbinden sind.
Aus diesem Grund hat man ein Befestigungselement geschaffen, das die Vorteile der klassischen kraftschlüssigen Verbindungsart des thermischen Aufschrumpfens von Teilen auf Wellen und die Mechanik der lösbaren Zwischenspannverbindungen miteinander vereint.
Die Schrumpfscheibe macht´s
Der auffallendste und bedeutendste Unterschied zu den zwischenspannenden Verbindungen besteht darin, daß die Drehmoment- und Kraftübertragung nicht über das Spannelement geleitet wird, sondern unmittelbar vom Nabenteil auf die Welle. Das Spannelement hat in diesem Fall lediglich die Aufgabe, die radialen Anpreßkräfte für die Kraftübertragung an der Teilfuge zwischen Welle und Nabe zu erzeugen. Das Element, mit dem diese äußeren Preßkräfte aufgebracht werden, bezeichnet man als Schrumpfscheibe. Schrumpfscheiben sind außenspannende Elemente zum spielfreien Fügen von Bauteilen und kraftschlüssigem Übertragen von Kräften, wobei Hohlwellen oder rohrförmige Nabenansätze auf Vollwellen gestaucht werden.
Das Funktionsprinzip beruht darauf, daß Außenteile mit negativkonischer Bohrung durch Schrauben auf Innenteile mit positivkonischer Außenkontur geschoben oder gezogen werden. Die Schraubenkraft wird dabei in radial wirkende Pressung umgesetzt, was aufgrund der reibwertmindernden Fettschmierung von konischen Gleitflächen, Kopfauflageflächen und Gewinden der Spannschrauben nahezu optimal erfolgt und nur möglich ist, weil diese Flächen nicht wie bei zwischenspannenden Elementen im Kraftfluß des Drehmoments liegen.
Durch entsprechende Dimensionierung der Außenteile wird deren Aufweitung infolge der Pressung im elastischen Bereich gehalten. Die dabei gespeicherte Federenergie wirkt als nach innen gerichtete Radialkraft ständig auf die Teilfuge zwischen Welle und Nabe. Die Größe des übertragbaren Drehmoments ist abhängig von dieser Radialkraft, dem Reibwert zwischen Vollwellen-Außendurchmesser und Hohlwellen-lnnendurchmesser und den Verlusten infolge der radialen Verformung von Schrumpfscheiben-lnnenteil und Hohlwelle, sowie der jeweiligen Passungsspiel-Überbrückung durch die Stauchung des Schrumpfscheiben-lnnenteils und der Hohlwelle auf die Teilfuge zwischen Innendurchmesser der Hohlwelle und Außendurchmesser der eingesteckten Abtriebs-Vollwelle.
Problem: Taumel-bewegung
Die Spannschrauben, welche der Reihe nach in mehreren „Umläufen“ angezogen werden, und die Schrumpfscheiben-Außenteile auf die Innenteile schieben oder ziehen, unterliegen einer dauernd wechselnden Verbiegung durch das kantenweise Vorschieben der Außenteile. Die Stirnflächen der Außenteile machen dabei eine taumelnde Bewegung mit der Folge, daß die Auflageflächen der Spannschrauben nicht immer in der selben Ebene bleiben. Deshalb müssen die Schrauben elastisch genug sein, dieser Taumelbewegung zu folgen, ohne das an den Kopfauflagen einseitig ein zu hoher spezifischer Flächendruck entsteht oder das Bolzengewinde in seinem Innengewinde zu stark verkantet, wodurch dann örtliche Flächenpressungen auftreten, die weit über den für das Schmiermittel auf den Gleitflächen vorgesehenen Flächenpressungen liegen. Die dann entstehende Trockenreibung Stahl auf Stahl verhindert, daß das aufgebrachte Anzugsmoment der Schrauben komplett in Federenergie umgesetzt wird und als radiale Anpreßkraft zur Wirkung kommt. Ausschließen läßt sich dieser negative Effekt, wenn die Teile parallel zusammengezogen werden.
Gerade bei der bisher noch meistverwendeten Schrumpfscheiben-Bauart, bei der zwei Spannflansche mit den Spannschrauben über einem relativ dünnwandigen Innenring gegeneinander gezogen werden, muß bereits schon bei Beginn der Montage auf Rechtwinkligkeit der Flansche zur Wellenachse und Parallelität zueinander geachtet werden, da die Bauart in dieser Hinsicht „empfindlich“ ist. Es empfiehlt sich also, die axiale Bewegung der Spannschrauben und -flansche pro Schraubenanzugsumlauf nicht allzu groß und so gleichmäßig wie nur möglich auszuführen, um während der Montage ein gewisses Maß an Parallelität ständig beizubehalten; am Ende ist es ratsam, den rechtwinkligen Sitz und die parallele Stellung der Flansche zueinander – beispielsweise durch Messen des Abstands zwischen ihnen – zu prüfen.
Bündig und rechtwinklig
Robuster in dieser Beziehung ist die aus einem Kegelring und einer Kegelbüchse bestehende Bauart, wie sie beispielsweise die Baureihe RLK 608 von Ringspann darstellt. Das Außenteil – der Kegelring – wird mit den Spannschrauben auf das Innenteil – die Kegelbüchse – gezogen, wobei vom Aufbau her ein allzu großes Verkanten nicht möglich ist. Aber auch hier müssen die Spannschrauben in mehreren Umläufen angezogen werden, jedoch mit dem Unterschied, daß dies nicht wie bei der „Doppelflansch-Bauart“ mit einem Drehmomentschlüssel und vorgegebenem Anzugsmoment geschehen muß, denn die Schrauben werden hier mit einfachen Werkzeugen solange angezogen, bis die Stirnfläche des Kegelrings mit der schraubenseitigen Stirnfläche der Kegelbüchse bündig ist und damit auch gleichzeitig rechtwinklig zur Wellenachse; das ist ausreichend um das Übertragen des Nenndrehmoments sicherzustellen. Dies verkürzt die Montagezeit und reduziert dadurch die Montagekosten, weshalb man sich auch für diese Art der Verbindung zwischen Antrieb und Welle der Arbeitsmaschine bei einem Shredder für Autoreifen, Holz und Kunststoff entschieden hat.
Anwendungsfall: Entsorgungs-technik
Die Entsorgungstechnik entwickelt sich ja zunehmend zu einem der wichtigsten Industriezweige. Um den Abfall aber weitgehenst zu entsorgen, muß man ihn zunächst aufbereiten. Dazu gehört das Sortieren und das Zerkleinern. Erst danach kann er weiterverarbeitet (recycelt), vernichtet z.B. verbrannt oder platzsparend deponiert werden. Die Zerkleinerung erfolgt in sogenannten Shreddern, die kombiniert mit vor- und nachgeschalteten Transportsystemen weitgehend automatisch arbeiten und daher eine große Betriebssicherheit haben müssen. Kernstück dieser Maschinen sind zwei gegenläufige Rotoren mit über 100 einzelnen Schneidmessern mit jeweils einem aufgestecken Hydroantrieb. Dieser besteht aus einem Hydro-motor in Kombination mit einem Planetengetriebe. Als Welle-Nabe-Verbindung und Dreh-moment-Übertragungselement hat man auch deshalb gerade eine Schrumpfscheibe gewählt, weil damit das erforderliche Antriebsdrehmoment der Rotoren auf engstem Raum übertragen wird und Stöße infolge von Blockierungen durch nicht scherbare Gegenstände zwischen den Rotoren und die daraus folgenden mehrmaligen Drehrichtungswechsel von der Verbindung ertragen werden, ohne das Langzeitschäden entstehen.
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