ME1 – Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung

In diesem Kursabschnitt erklären wir dir die formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung.

Für ein optimales Verständnis helfen dir ausführliche Darstellungen und Erläuterungen. [/intense_content_box]

Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung – Grundlagen

Anwendungsgebiet

Hauptsächlich findet die Formschlussverbindung Anwendung im Rahmen der Befestigung von Maschinenteilen wie Riemenscheiben, Zahnrädern, Schwungrädern oder Laufrädern auf Wellen und Achsen.

Die Auswahl der Verbindungsart richtet sich nach Kriterien wie der Montierbarkeit und Demontierbarkeit. Auch die axiale Verschieblichkeit und Einstellbarkeit können wichtige Kriterien sein.

Hauptfunktion

Die Hauptfunktion der formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung ist die Drehmomentübertragung von Welle und Nabe, sowie die Drehmomentübertragung über radiale Mitnehmerelemente oder die Formgebung.

Bei der formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung (kurz WNV) unterscheidet man hier auch zwischen mittelbarem und unmittelbarem Formschluss.

unmittelbare Drehmomentübertragung (Das Drehmoment wird direkt übertragen, z. B. Keilwellen, Klemmsitz-Baugruppen),
mittelbare Drehmomentübertragung (Das Drehmoment wird über Zwischenglieder übertragen, z. B. Passfedern).

Flächenpressung – Formel

Formschlüssige WNV unterliegen einer Flächenpressung $p \le p_{zul}$ am Umfang, welche wie folgt berechnet wird:

Formel zur Flächenpressung

$p = \frac{T \cdot K_A \cdot K_{e\beta} \cdot K_1 }{z \cdot h_w \cdot r_w \cdot l}$

Kennzahlen

$T$ = Nenndrehmoment

$K_A$ = Anwendungsfaktor / Stoßfaktor

$K_{e \beta}$ = ungleichmäßige Lastverteilung auf die Zähne

$K_1$ = ungleichmäßige Lastverteilung über die Länge

$z$ = Anzahl der Mitnehmer

$h_w$ = tragende Höhe der Mitnehmer

$l$ = tragende Länge

$p_{zul}$ = Festigkeit des schwächsten Werkstoffes

$r_w$ = Profilmittenradius bei Keil- und Kerbzahnwellen

Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung – Formschluss

Diese Form der Welle-Nabe-Verbindung schafft einen Formschluss durch Profile und Formen.

Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung – Ausführungen

Für die Fixierung kommen unterschiedlichste Ausführungen zu Einsatz, von denen wir dir nun die gängigsten vorstellen.

Bei dieser Welle-Nabe-Verbindung unterscheiden wir zwischen sieben Varianten.

Axial eingebrachte Stifte
Schraube und angefräste Welle
Radiales Verstiften
Keilwellen
Polygonwellen
Kerbverzahnung
Passfederverbindung

Axial eingebrachte Stifte

Bei dieser Ausführung werden stirnseitig eine oder mehrere Bohrungen in Welle und Nabe eingebracht. Diese Bohrungen erlauben Stifte einzuschieben.

Dafür haben Welle und Nabe einen Presssitz. Die Verbindung kann erst entstehen, sofern die Nabe bereits auf der Welle sitzt. Aus konstruktionsbedingter Sicht können nur geringe Drehmomente übertragen werden. Bei einer ungünstiger Werkstoffauswahl für den Stift, besteht die Gefahr, dass dieser infolge einen Abscherens als Verbindungselement versagt.

Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung - Stifte — Stifte

Merk’s dir!

Hier gilt es jedoch zu beachten, dass nur an den Enden einer Welle so eine Verbindung realisiert werden kann.

Schraube und angefräste Welle

Bei dieser Variante besitzt die Welle bereits ein angefrästes Profil, das formschlüssig in das Profil der Nabe passt. Auf der Stirnseite der Welle wird eine Schraube in den Welle gedreht, dazwischen liegt eine Scheibe gegen axiales Verschieben und drückt die Nabe gegen den Ansatz der Welle. Der Ansatz muss dabei kürzer als die Nabe breit sein.

Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung - angefräste Welle — Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung – angefräste Welle

Merk’s dir!

In der Nabe und auf der Welle liegen zwei Flächen vor, die über den Formschluss eine Drehmomentübertragung erlauben. Alternativ kommt hier eine Passfeder zum Einsatz.

Radiales Verstiften

Das radiale Verstiften kennzeichnet, dass Welle und Nabe mit einem Stift, Spannstift oder Kegelstift formschlüssig miteinander verbunden werden.

Verbindungsart ist sehr einfach, weist jedoch das Problem auf, dass die Welle durch die Stiftbohrung geschwächt wird.

Merk’s dir!

Daher eignet sich das radiale Verstiften nur für kleine Drehmomente und niedrige Drehzahlen.

Keilwelle

Bei der Ausführung der formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindung mit einer Keilwelle, haben Welle und Nabe ein besonderes Profil.

Die Anzahl der Flanken variiert zwischen 4, 6, 8, 10, 16 oder 20 Keilen, verteilt auf dem Umfang. Die Erscheinung der Keilwelle erinnert stark an ein Zahnrad.

Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung - Keilwelle — Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung – Keilwelle

Diese Verbindung tritt

innenzentriert (Zentrierendes Element ist der Kern)

oder

außenzentriert (Bauteile werden über die Flanken des Profils zentriert)

auf.

Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung - Keilwelle mit Innenzentrierung — Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung – Keilwelle mit Innenzentrierung

Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung - Keilwelle mit Außenzentrierung — Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung – Keilwelle mit Außenzentrierung

Zudem ist eine Verschiebung der Nabe auf der Welle im Betrieb bei einer Innenzentrierung zulässig.

Merk’s dir!

Keilwellen mit Flankenzentrierung eignet sich besser für stoßartige und wechselnde Belastung. Es handelt sich hier um Normteile.

Polygonwelle

Bei der Variante mit der Polygonwelle, weisen die Welle und der Nabenausschnitt ein Polygonprofil auf. Diese sieht optisch aus wie ein abgerundetes Dreieck auf.

Eine Kraftübertragung erfolgt über eine Flächenberührung zwischen Welle und Nabe.

Merk’s dir!

Wählt man sanfte Übergänge der Flächen, so kann eine Kerbwirkung vernachlässigt werden.

Kerbverzahnung

Bei der Kerbverzahnung haben Welle und Nabe ein Kerbprofil mit gerade Flanken, die mit 60 Grad zueinander stehen. Die große Anzahl von Zähnen sorgt dafür dass im Verhältnis zum Durchmesser kaum eine Schwächung der Welle auftritt. Dies erlaubt auch die Übertragung von großen Drehmomenten.

Merk’s dir!

Meistens findet sich diese Variante in Fahrzeugen bei den Antriebswellen wieder.

Passfederverbindung

Bei der Passfederverbindung wird eine Nut in die Welle und die Nabe gefräst. In diese kann dann eine Passfeder eingelegt werden. Eine genauere Betrachtung erfolgt im kommenden Kurstext.

Nachdem du jetzt einen Überblick zu den formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen erhalten hast, gehen wir im nächsten Kurstext über zur detaillierten Betrachtung der Passfederverbindung.

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