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Auswahl und e, 9. Welle-Nabe-Verbindungen1

Lernziele Grundlegende Zusammenhängezur Verbindung von Wellen undNaben zwecksDrehmomentübertragungerfahrenVerschiedene VerbindungsartenkennenlernenLernen, die richtige Welle-NabeVerbindung auszuwählen und zudimensionierenGestaltungshinweise mitnehmenMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen2

9. .4.4.AllgemeinesFormschlüssige erbindungProfileKeilverbindungenKraftschlüssige bindungenSpannelementeStoffschlüssige VerbindungenMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen3

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9. Welle-Nabe-Verbindungen9.1 Allgemeines Naben sind Bestandteil der Bauteilen zur Drehmomentübertragungwie Räder, Scheiben, Hebel, Kupplungen, .Die Übertragung von Umfangskraft bzw. Drehmomentzwischen Wellen und Naben geschieht durch dieWelle-Nabe-Verbindung (WNV).Grundzusammenhang: Mt Fu*D/2WNV sind drehstarre Verbindungen.WNV: formschlüssig (Pressung) formschlüssig vorgespannt kraftschlüssig (Reibung) stoffschlüssig (Scherung)Maschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen4

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.1 Wirkungsweise Drehmomentübertragung durch Mitnehmer Mitnehmer: Unmittelbare Verbindung durch ineinandergreifende Profile Mittelbare Verbindung durch Passfedernoder Stifte Bemessung nach der Flächenpressung( Scherung bei Stiften) Kerbwirkung auf Wellen beachtenMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen5

9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.2 Stiftverbindungen Zum Übertragen kleiner,stoßfreier und möglichst nichtwechselnder DrehmomenteAls Quer- (a, b, d) undLängsstiftverbindung (c, e)a)b)c)Ausführung von Stiftverbindungend)e)Beanspruchung von StiftverbindungenMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen6

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.2 Stiftverbindungen - QuerstiftFormeln:cB M tmittlere Flächenpressung in der Nabenbohrung: pn d s (dw s)maximale mittl. Flächenpressung in der Wellenbohrung:Scherspannung im Stift:pw 6 cB M td dw2 a 4 cB M td 2 dwVorhandene Sicherheit: S cB - BetriebsfaktorPzul ( zul )Pvorh( vorh)dZulässige nungbei ruhender BelastungPzul 0,35*Rm Tau,a,zul 0,2*Rmbei schwellender BelastungPzul 0,25*Rm Tau,a,zul 0,15*Rmbei wechselnder BelastungPzul 0,2*RmTau,a,zul 0,1*RmMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-VerbindungensdwQuelle: Roloff/Mattek7

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.2 Stiftverbindungen - LängsstiftFormeln:Maßgebende mittlere Flächenpressung:pvorh 4 cB M td dw lScherspannung im Stift:Da im Normalfall (bei üblichen Werkstoffpaarungen)rechnerisch die mittlere Flächenpressung doppelt so großist wie die Abscherspannung, wird die Scherbeanspruchungnicht berücksichtigt.S Vorhandene Sicherheit:cB - BetriebsfaktordTPzulPvorhdwZulässige Werte:mittlereFlächenpressungbei ruhender BelastungPzul 0,35*Rmbei schwellender BelastungPzul 0,25*Rmbei wechselnder BelastungPzul 0,2*RmMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-VerbindungenDQuelle: Roloff/Mattek8

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.2 Stiftverbindungen - BetriebsfaktorenArt der StößeArt der MaschineFaktor cBleichtElektrische heren, Pressen1,6.2,0sehr starkWalzmaschinen2,0.3,0Quelle: Roloff/Matek, 12. Auflage, Tabellenanhang, Tab. TB 3-6 a.)Der Betriebsfaktor berücksichtigt die spezifischeBelastung (Stöße, Anläufe) der jeweiligen Maschinenart.Er basiert auf Erfahrungswerten und wird bei nichtbekanntem tatsächlichem Drehmomentverlauf verwendet.Maschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen9

9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.3 Passfederverbindungen - Allgemeines Passfeder: Passstück zwischen denNutwänden in Nabe und WelleFür vorwiegend gleicheDrehmomentrichtungTypische WNV für Kupplungen,Zahnräder und RiemenscheibenAbmessungen genormt (DIN 6885)Die Form der Passfederstirnseite istvon der Herstellung der Wellennutabhängig: g Nutmit ScheibenfräserRundstirnigHerstellung Nut mit FingerfräserfräserMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen10

9.2 Formschlüssige VerbindungenEdited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.2.3 Passfederverbindungen - Ausführung Für axiales Verschieben lange Passfeder entsprechende Passung wählen - Gleitfeder Kurze Nabe, kleines Drehmoment - Scheibenfeder Passungen: Nutpassungen für Passfederbreite b h9SitzartWellennutNabennut auswahl Welle und NabeVorzugspassung im SystemLage der NabeFest auf WellenendeFest auf der itswelleK7h6Js7h6H7h6Maschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen11

9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.3 Passfederverbindungen – Berechnung (1) Exakte Berechnung sehr schwierig Kritisch Wellenbeanspruchung (Kerbwirkung)sowie Flächenpressung an Passfeder und Nuten Berechnung nach DIN 6892(Passfedern, Berechnung und Gestaltung) DIN 6892 unterscheidet 3 Methoden: umfassende experimentelle oder rechnerischeAnalyse (z.B. FEM) Auslegung unter genauer Berücksichtigungder auftretenden Flächenpressung (Grafik) Festigkeitsnachweis für Welle Überschlägige BerechnungMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen12

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.3 Passfederverbindungen – Berechnung (2) Überschlägige Berechnungp lDrehmomentWellendurchmesserHöhe der Passfeder (DIN 6885, LM N.4.3-2)Wellennuttiefe (DIN 6885, LM N.4.3-2)Anzahl der Passfeder (1 oder 2)Tragfaktor:k 1 bei einer Passfederk 0,75 bei zwei Passfederntragende Passfederlängebei rundstirniger Ausführung lt l bzulässige Flankenpressung,Erfahrungswerte nach Decker, Tabelle 12.1Maschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen13

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.4 Profilwellen zum Übertragen sehr großer und wechselnderDrehmomenteweil große Anlagefläche und mittiger Sitzdurch Vervielfachen der MitnehmerAusführungsformen: Keilwelle Zahnwelle PolygonwelleMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen14

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.4 Profilwellen - Keilwellenverbindung Keilwellen tragen am Umfang eine gerade Zahl hochstehender Keile,welche wie Passfedern wirken Zentrierung Innenzentrierung a)Flankenzentrierung b)Ausführungsformen: Leichte Reihe nach DIN ISO 14 - LM N.4.3-3 Mittlere Reihe nach DIN ISO 14 - LM N.4.3-3 Schwere Reihe nach DIN 5464 - LM N.4.3-3 für Werkzeugmaschinen DIN 5471 (4 Keile) und DIN 5472 (6Keile)Berechnung analog zur Passfederverbindungp 4 Mt pzul(d1 d 2 ) h lt i k1h (d 2 d1 )2Tragfaktor k 0,75 bei Innenzentrierung, k 0,9 bei FlankenzentrierungMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen15

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.4 Profilwellen - Zahnwellenverbindung Wie Keilwellen, jedoch anstelle der Keile Zähne Ausführung a) Kerbverzahnungmit gerader Zahnflankenach DIN 5481, Flankenzentrierung,nur für feste Sitze geeignet, b) EvolventenverzahnungDIN 5480 auch für SchiebesitzeInnen- und Außenzentrierung, Flankenwinkel 30 ,Berechnung analog zur Passfederverbindungp 4 Mt p zul(d 2 d 3 ) h lt z kTragfaktor k 0,5 bei Kerbverzahnung,h 1 (d 3 d 2 )2k 0,75 bei EvolventenverzahnungMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen16

9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.4 Profilwellen - Polygonwellenverbindung Polygonprofile Unrundprofile indreieckiger (P3G) oderquadratischer Form (P4C) a) Profil P3G nach DIN 32711für Haft- und Presssitzep Mt pzullt (2,36 d1 e1 0,05 d12 )b) Profil P4C nach DIN 32712für Gleit- und Presssitzep drPressungsverlaufMt pzul2lt ( d r er 0,05 d r )rechner. Durchmesserdr d2 2 ee1, er Exzentrizität des ProfilesMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen17

9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.5 Längskeilverbindungen Traditionelle WNVLängskeile sitzen unter Vorspannung in einerWellen- und Nabennut- Kraft- und formschlüssige VerbindungWird Kraftschluss überschritten - Formschlusswie bei PassfederBerechnung wegen der unbestimmtenEintreibekräfte auf Pressung:p mit: 2 Mt pzuld t2 lt ii Anzahl Keile, bei Tangentenkeilen i 1t2 Nabennuttiefe, Bei Tangentenkeilen t2 tSehr robust und unempfindlichEinseitiges Dehnen - Unwucht - nur für geringeDrehzahlenSteigung genormt mit 1:100Maschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen18

9.2 Formschlüssige Verbindungen9.2.5 Längskeilverbindungen – genormte AusführungenQuelle: Decker,MaschinenelementeMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen19

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.2 Formschlüssige Verbindungen- zulässige Pressungswerte Zulässige Flankenpressungen von WNV (Erfahrungswerte, für Nabenwerkstoff)Quelle: Decker; Maschinenelemente, Tabelle 12.1Maschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen20

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.3 Kraftschlüssige Verbindungen9.3.1 Wirkungsweise Drehmomentübertragung durch Reibkräfte inder/den Wirkflächenpaar/-paaren Zum Aufbau der Reibkräfte Druckvorspannkräfte erforderlich Es wirkt das Coulombsche Gesetz:Mt FR*d/2 FR My*FNZeichnung!μ ist abhängig von Werkstoffpaarung Oberflächenqualität (Rauhtiefe) Oberflächenzustand (trocken, gefettet ) Art der Verbindung bestimmt den Aufbau der Normalkraft (Vorspannung) Einteilung nach KOLLMANN in mittelbaren und unmittelbaren ReibschlussMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen21

9.3 Kraftschlüssige Verbindungen9.3.1 Wirkungsweise: unmittelbarer ReibschlussReibkräfte greifennur in einemWirkflächenpaar an!Qelle: Kollmann; Welle-Nabe-VerbindungenMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen22

9.3 Kraftschlüssige Verbindungen9.3.1 Wirkungsweise: mittelbarer ReibschlussZwischen Welleund Nabe sindzusätzliche Bauteileangeordnet!Qelle: Kollmann; Welle-Nabe-VerbindungenMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen23

Edited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.3 Kraftschlüssige Verbindungen9.3.2 KlemmverbindungenGeteilte Nabe Unmittelbare Verbindung Geteilte und geschlitzte Klemmverbindung Kraftschluss wird mittels vorgespannter Schraubenerzeugt Auslegung nach der Flächenpressungübertragbares DrehmomentMt Pzul*Pi*DF 2*l*My/(2*SR)Geschlitzte Nabe SR Sicherheit gegen Rutschen ltragende Länge DFFügedurchmesser Pzul (0,3 0,7)·Re bei Stahl(0,3 0,5) ·Rm bei GGPunktförmige Berührung vermeidenMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen24

9.3.3 PressverbindungenEdited by Foxit ReaderCopyright(C) by Foxit Corporation,2005-2009For Evaluation Only.9.3.3.1 zylindrische Pressverbindung – Grundlagen (1) Pressverbindungen unmittelbarerReibschlussFügen von Passteilen mit Übermaß als Längspresssitz hydraulisch thermisch Übermaß erzeugt FlächenpressungÜbertragung von Beanspruchung inaxialer (Axialkraft) undtangentialer (Drehmoment)Richtung möglichKeine zusätzliche Sicherunggegen Verdrehen undVerschieben erforderlichMaschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen25

9.3.3 Pressverbindungen9.3.3.1 zylindrische Pressverbindung – Grundlagen (2) Aktuelle Berechnungsvorschrift: DIN 7190 Norm gilt für gleiche Längen lF von Innen- und Außenteil Anwendung für reale Pressverbände nach Bild 2 führt zu vernachlässigbarenAbweichungen beim übertragbaren Drehmoment, allerdings werdenSpannungserhöhungen an den Rändern nicht erfasst Beschreibung als ebener Spannungszustand (dickwandige Kreisscheibe)Maschinenelemente, 9. Welle-Nabe-Verbindungen26