ME1 – Passfedern & Gleitfedern

In diesem Kursabschnitt erklären wir dir die Passfedern & Gleitfedern.

Für ein optimales Verständnis helfen dir ausführliche Darstellungen und Erläuterungen.

Passfedern & Gleitfedern – Grundlagen

Die Passfeder ist ein formschlüssiges Element, welches als Verbindungselement zwischen einer Nabe und Welle eingesetzt wird. Du die direkte Verbindung entsteht eine Mitnahmewirkung, welche ausschließlich durch die Berührung an den Flanken ausgeübt wird.
Nicht selten erfolgt die Zentrierung durch Schrauben am Durchmesser und gewährleistet zudem eine axiale Fixierung.

Merk’s dir!

Anders als bei Passfedern erfolgt die Übertragung bei Keilverbindungen, indem der Keil an den Kopfflächen durch Reibung Momente übertragt.

In den beiden Abbildungen siehst du eine typische Passfeder vom Typ Form C = Rundstirnig für Halteschrauben.

Passfedern & Gleitfedern – Ausführungen

Im Verlauf dieses Textes siehst du eine Übersicht der unterschiedlichen Passfederformen nach DIN6885. Diese werden entweder aus Stahl (Buchstabe [bspw. A]) oder aus Edelstahl (Buchstabe+Zahl [bspw. A4]) gefertigt.

Insgesamt können 9 Formen unterschiedliche nach Buchstaben von A-B-C-D-E-F-G-H-J voneinander unterschieden werden.

Möchte man die Passfedern in Kategorien unterteilen, so lassen sie sich unterscheiden hinsichtlich

Ausführungen von Passfedern

Geometrie (Rundstirnigkeit (A) und Geradstirnigkeit (B)) sowie Einsatz von Halteschrauben (ohne Halteschrauben (A) und mit Halteschrauben (C)):

• Form A = Rundstirnig ohne Halteschraube
• Form AB = Rundstirnig (einseitig) und Geradstirnig (einseitig) ohne Halteschrauben
• Form B = Geradstirnung ohne Halteschraube
• Form C = Rundstirnig für Halteschraube
• Form D = Geradstirnig für Halteschraube
• Form E = Rundstirnig für zwei Halteschrauben und eine oder zwei Abdrückschrauben
• Form F = Geradstirnig für zwei Halteschrauben und eine oder zwei Abdrückschrauben
• Form G = Geradstirnig mit Schrägung und für Halteschraube
• Form H = Geradstirnig mit Schrägung und für zwei Haltschrauben
• Form J = Geradstirnig mit Schrägung und für Spannstift.

In der nächsten Abbildung siehst du das Schema von einer Auswahl der oben aufgelisteten Passfedern.

Passfedern & Gleitfedern – Drehmomentübertragung

Für den normalen Betrieb einer Welle-Nabe-Verbindung kommen die oben aufgeführten Passfedern zum Einsatz. Treten jedoch geringere Drehmomente auf, so setzt man häufig auf Scheibenfedern nach DIN6888 verwendet.

Einsatzbereiche sind hier

Feingerätebau als Lagesicherung bei Kegelverbindungen
Kraftfahrzeugbau.

Merk’s dir!

Scheibenfederverbindungen haben den Vorteil, dass sie günstiger hergestellt werden können. Dies beinhaltet aber auch den Nachteil, dass eine starke Schwächung der Welle auftreten kann.

Passfederverbindung – Festigkeitsberechnung

Um ein Versagen der Passfederverbindung zu vermeiden und einen dauerhaften Betrieb gewährleisten zu können, gilt es im Vorfeld die Grenzwerte des Werkstoffes gegen ein Abscheren rechnerisch zu ermitteln. Darüber hinaus muss die Verbindung so ausgelegt werden, dass die zulässige Flächenpressung nicht überschritten wird.

Berechnung – Abscheren

Die für die Berechnung relevanten Größen sind die Umfangskraft $F_u$ sowie die Bemaßungen der Passfeder (Breite $b$ , Wirksame Länge $l_t$ [ Fläche $b \cdot l_t = A$ ] zu ermitteln.

Ausgehend von der Grundformel zur Berechnung des Abscherens $\tau$ :

$\tau = \frac{F}{A}$

Kennzahlen

$\tau$ = Abscheren,
$F$ = Kraft,
$A$ = Fläche

passen wir unsere Gleichung nach unseren Bedürfnissen an, zu

$\tau = \frac{F_a}{b \cdot l_t}$

Kennzahlen

$\tau$ = Abscheren,
$F_u$ = Umfangskraft,
$b$ = Breite der Passfeder,
$l_t$ = wirksame Länge der Passfeder

Wer jetzt aufgepasst hat, dem stellt sich bestimmt die Frage, ob die wirksame Länge für der geradstirnigen Passfeder anders berechnet werden muss, als die der rundstirnigen Passfeder. Diese Annahme ist richtig.

Wirksame Länge der geradstirnigen Passfeder: $l_t = l$
Wirksame Länge der rundstirnigen Passfeder: $l_t = l - b$

Berechnung – Flächenpressung

Die auftretende Flächenpressung $p$ muss unterhalb der zulässigen Flächenpressung des Werkstoffes liegen $\le p_{zul}$

Formal sieht das dann wie folgt aus:

$p = \frac{F}{(h - t_1) \cdot l_t} \le p_{zul}$

Der Grenzwert für die Flächenpressung wird durch den zulässigen Grenzwert des Werkstoffs der Passfeder festgelegt. Beispiele hierfür sind:

$R_{eH} = 270 \frac{N}{mm^2}$ bei E295 (unlegierter Baustahl) [ $R_{eH}$ = Mindeststreckgrenze]

$R_{eH} = 355 \frac{N}{mm^2}$ bei E355 ( legierter Baustahl)

Geht man vom dem Nabenwerkstoff aus, so können je nach eingesetztem Werkstoff und Art der Belastung nachfolgende Grenzwerte für die zulässige Flächenpressung angenommen werden:

Statische Belastung

Unlegierter Baustahl (St): $p_{zul} = 130 \frac{N}{mm^2}$

Gusseisen / Grauguss (GG): $p_{zul} = 75 \frac{N}{mm^2}$

Dynamische Belastung

Unlegierter Baustahl (St): $p_{zul} = 110 \frac{N}{mm^2}$

Gusseisen / Grauguss (GG): $p_{zul} = 65 \frac{N}{mm^2}$

Wechselnde dynamische Belastung

Unlegierter Baustahl (St): $p_{zul} = 65 \frac{N}{mm^2}$

Gusseisen / Grauguss (GG): $p_{zul} = 40 \frac{N}{mm^2}$

Spezialfall bei einer Doppelpassung

In vielen Fällen werden zwei anstelle von einer Passfeder zur Welle-Nabe-Verbindung eingesetzt. Hier spricht man dann von einer Doppelpassung. Konstruktionen von mehr als zwei Passfedern sind unzulässig.

Wie diese aussieht, entdeckst du in der nachfolgenden Abbildung des Querschnitts.

Passfedern - Doppelpassung — Passfedern – Doppelpassung

Dieser Einsatz bewirkt ein ungleichmäßiges Tragen. Zur Unterscheidung zwischen einer und mehreren Passfedern, ermittelt man den Trageanteil $\rho$ . Dieser nimmt bei mehr als einer Passfeder ab.

Eine Passfeder ( $n = 1$ ) weist einen Trageanteil von $\rho = 1$ auf.
Zwei Passfedern ( $n = 2$ ) weisen einen Trageanteil von $\rho = 0,75$ auf.

Merk’s dir!

Beim Einsatz von zwei Passfedern wählt man einen Werkstoff mit geringerer Festigkeit, wodurch ein minimales Fließen begingt wird, welches eines Ausgleich erzeugt. Hier gilt es aber zu beachten, dass eine formungsgerechte Gestaltung der Nabe vorliegt, die ein gleichmäßiges Tragen zulässt.

Konstruktive Gestaltung der Welle-Nabe-Verbindung bei Passfedern

Abschließend zum Thema Passfedern, geben wir dir noch einen Hinweis zur Gestaltung einer Nabe-Welle-Verbindung wenn eine Passfeder eingesetzt wird. Im ersten Fall liegt eine ungünstige Konstruktion vor. Im zweiten Fall hingegen ist die Konstruktion optimal.

Ungünstige Konstruktion erschwert den Kraftfluss

Ungünstiger Kraftverlauf

Hier ist der Kraftfluss gestört (konvexer Verlauf)
Günstige Konstruktion erleichtert den Kraftfluss

Günstiger Kraftverlauf

Hier ist der Kraftfluss ungestört (glatter Verlauf)

Nachdem du jetzt einen Überblick zu den Passfedern & Gleitfedern erhalten hast, gehen wir im nächsten Kurstext über zur detaillierten Betrachtung der Formschlüssigen Keilwellenverbindungen.

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