Kraftschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen

Verspannte Bauteile fixieren Welle und Nabe

Bei den kraftschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen werden meist ein oder mehrere Bauteile zwischen Welle und Nabe, sprich das auf der Welle zu fixierende Bauteil, gegeneinander verspannt. Oft wird das Prinzip von zwei Keilen, die gegeneinander verschoben werden, verwendet. Die Keile können axial und radial angeordnet sein.

Ein Konfigurator für Welle-Nabe-Verbindungen im Internet schlägt, nach Eingabe der Randbedingungen, mögliche Verbindungen vor.

Gewindestift
Gewindestift klemmt Nabe

Gewindestift

Ein Gewindestift verspannt die Nabe auf der Welle. Dies ist die einfachste Möglichkeit eine Nabe auf der Welle zu fixieren. Sie wird für untergeordnete Drehbewegungen mit geringem Drehmoment eingesetzt. Bei dieser Verbindung entsteht durch das Anziehen des Gewindestiftes ein Grat auf der Welle. Die Nabe lässt sich bei geringem Spaltmaß zwischen Welle und Nabe dann sehr schwer wieder demontieren. Durch einlegen eines weicheren Materials unter den Gewindestift, z. B. ein Messingplättchen, wird die Welle geschont. Eine andere Möglichkeit ist die Welle bei Montage anzubohren oder eine kleine Fläche in die Welle zu fräsen oder zu feilen.

  • Preiswert
  • Große Toleranzen möglich
  • Kleine Drehmomente
  • Einfache Herstellung
  • Geringe Drehzahlen
Hydraulische Spannbuchse
Hydraulische Spannbuchse

Hydraulische Spannbuchse

Ein Medium (rot) wird in einem geschlossenen Raum verpresst. Die Hülse baut einen gleichmäßigen Druck zur Welle und zur Nabe auf.

  • Leichte Montage und Demontage
  • Gute Rundlaufeigenschaften
  • Wellenpassung h7
  • Nabenpassung H8
  • In Edelstahl lieferbar
  • Übertragbares Drehmoment bei D=25 mm ist 250 Nm
Zwei Halbschalen auf der Welle geklemmt
Klemmnabe aus zwei Teilen

Klemmverbindung

Die Nabe wird axial geteilt. Zwei Schrauben klemmen die Welle mit der Halbschale auf der Nabe. Diese Verbindung wird z. B. bei Wellen und Kupplungen verwendet. Eine Welle die beidseitig mit dieser Verbindung befestigt ist, kann nach entfernen der Halbschalen seitlich demontiert werden.
Durch den asymmetrischen Aufbau mit den beiden Schrauben entsteht eine Unwucht.
Um eine gute Verteilung der Schraubenanzugskraft zu gewährleisten, ist eine Übergangspassung zwischen Welle und Nabe anzustreben (z. B. j6/H7 oder k6/H7). Weitere Informationen und Berechnung

Druckhülse
Druckhülse

Druckhülse

Druckhülse

Die mäanderförmige Buchse wird durch eine axiale Kraft verformt. Die außen- und innenliegenden Mantelflächen wölben sich und üben auf Welle und Nabe eine Kraft aus. Es ist auf ausreichende Wandstärke der Nabe zu achten.

  • Leichte Montage und Demontage
  • Einteilig
  • Gute Rundlaufeigenschaften
  • Wellenpassungen h6, k6,m6 je nach Ausführung
  • Nabenpassung H6 / H7
  • Für Wellen D= 14 - 300 mm; wird Axialkraft extern erzeugt D= 8 mm - 150 mm
  • Übertragbares Drehmoment bei D=25 mm ist 450 Nm
  • Kein axialer Versatz bei der Montage
  • Rotationssymetrisch
Backenklemmring
Backenklemmring

Backenklemmring

Die einfachste Art eine Welle in einer Nabe zu befestigen ist die Verwendung eines Gewindestiftes. Der Stift drückt mit hoher Kraft punktuell auf die Welle. Es bildet sich ein Grad, der beim Demontieren hinderlich ist. Daher wird an die Welle, an der der Gewindestift ansetzen soll, eine kleine Fläche gefräst. Bei Einsatz eines Backenklemmringes, er wird zwischen Welle und Nabe eingesetzt, sind die Andruckflächen bereits eingearbeitet. Durch die Geometrie des Backenklemmringes und den zwei um 90 Grad versetzen Gewindestiften wird eine um 25 % höhere Klemmwirkung als ohne Backenklemmring erreicht.
Durch Austausch des Backenklemmringes, kann in der gleichen Aufnahmebohrung der Nabe, ein anderer Wellendurchmesser geklemmt werden.

  • Leichte Montage und Demontage
  • Edelstahl gehärtet
  • Aufnahmebohrung zöllig, Welle zöllig oder metrisch
  • Wellenpassungen h9
  • Nabenpassung H9
  • nicht selbst zentrierend
  • Für Wellen D= 4 - 25 mm; 0,125" - 1,125"
  • Nabenbohrung

Sternscheiben
Sternscheiben

Sternscheiben

Die Mäanderförmig gestanzten Ringe werden in einer vom Anwender hergestellten Konstruktion eingesetzt. Die Scheiben sind in axialer Richtung leicht konisch. Durch axialen Druck werden sie zwischen Welle und Nabe verspannt. Durch Verwendung der Ringe in Paketen, max. 16 sind möglich, lässt sich das übertragbare Drehmoment durch addieren der Einzeldremomente vervielfachen. Hier in der Grafik sind drei Scheiben eingezeichnet. Verwendet werden Sternscheiben, wenn die Nabe leicht und schnell verstellt werden soll.

  • Leichte Montage und Demontage
  • Oberfläche ra ≤ 3,2μm
  • Wellenpassungen h9
  • Nabenpassung H9
  • nicht selbst zentrierend
  • Für Wellen D= 4 - 100 mm
  • Übertragbares Drehmoment bei D=25 mm 13,5 Nm pro Scheibe
Konus-Spannelement mit zentraler Spannmutter
Konus-Spannelement mit Spannmutter
Konusspannelement

Konus-Spannelement mit zentraler Spannmutter

Durch eine zentrale Sechskantmutter (grün)werden zwei Koni axial gegeneinander verspannt.
Durch weiten des äußeren Ringes und schrumpfen der inneren Hülse erzeugen sie einen Klemmdruck zwischen Welle und Nabe.
Auf Grund der äußerst kompakten Bauform des Konus-Spannelementes können Naben mit sehr kleinen Durchmessern auf der Welle montiert werden.

  • Toleranz Welle und Nabe ±0,04 / ± 0,08 mm je nach Ausführung
  • Rundlauf 0,025 mm T.I.R. (Lauf über den gesamten Messbereich)
  • Lieferbar für Wellen 5 - 75 mm
  • Korrosionsgeschützte Ausführungen erhältlich (VA möglich)
  • Selbst zentrierend
  • Übertragbares Drehmoment bei D=25 mm ist 390 Nm

Konus-Spannelemente
Konus-Spannelemente

Konus-Spannelemente

Diese Spannelemente bestehen aus zwei ineinander gesteckten Ringen. Einer hat einen Konus auf der Außenseite der andere auf der Innenseite. Durch eine äußere Konstruktion werden die Ringe axial verpresst. Die radial entstehenden Kräfte verspannen Welle und Nabe fest miteinander. Es können bis zu vier Konus-Spannelementen in Reihe eingebaut werden, da jedes Element einen Teil der eingeleiteten Kraft zur Erzeugung der Klemmkraft benötigt, kann nur ein Teil weiter geleitet werden.
1 Spannelement Mges = M1
2 Spannelement Mges = M1 x 1,55
3 Spannelement Mges = M1 x 1,85
4 Spannelement Mges = M1 x 2,02

  • Toleranz Welle d ≤ 38: h6 d ≥ 38: h9
    Nabe d ≤ 38: H7; d ≥ 38: H9
  • Oberfläche ra ≤ 1μm
  • nicht selbst zentrierend (Zentrierung von Montage abhängig)
  • Lieferbar für Wellen 6 - 1000 mm
  • Korrosionsgeschützte Ausführungen erhältlich (VA möglich)
  • Übertragbares Drehmoment bei D=25 mm ist 170 Nm bei einem Element (siehe Text)

Konus-Spannelement
Konus-Spannelement

Konus-Spannelement mit Schrauben auf dem Teilkreis

Zwei Ringe mit jeweils einem Innen- und einem Außenkegel(Konus) werden mit Schrauben gegeneinander verspannt. Die schiefen Ebenen der Ringe erzeugen Radialkräfte auf Welle und Nabe. Dadurch wird eine Übertragung des Drehmomentes gewährleistet. Das abgebildete Spannelement ist selbst zentrierend.
Es ist auf ausreichende Wandstärke der Nabe zu achten.
Zur Demontage sind Gewindebohrungen zum Abdrücken der Ringe gegeneinander vorhanden.

  • Wellenpassungen h8
  • Nabenpassungen H8
  • Rauhtiefe max Rt 16 (Rz 13)
  • Für Wellen D= 5 - 50 mm andere Bauformen lieferbar
  • Übertragbares Drehmoment bei D=25 mm ist 260 Nm

Berechnungsprogramm Spannsatzberechnungsprogramm
Doppelspannsatz
Konus-Doppelspannsatz

Konus-Doppelspannsatz

Bei diesem Spannsatz sind zwei Spannsätze zu einem zusammen gefasst. Dadurch wird eine Erhöhung der zu übertragenden Drehmomente erreicht. Bei der Montage kann eine leichte axiale Verschiebung der Nabe gegenüber der Welle auftreten. Zwischen den Anzugschrauben sind Abdrückgewinde mit denen der Spannsatz wieder gelöst werden kann.

  • Wellenpassungen h8
  • Nabenpassungen H8
  • Rauhtiefe max Rz≤ 16
  • Rundlaufgenauigkeit 0,02-0,08 mm
  • Für Wellen D= 24-600 mm
  • Übertragbares Drehmoment bei D=25 mm ist 740 Nm

Schrumpfscheibe
Schrumpfscheibe

Schrumpfscheibe

An der Nabe ist seitlich eine Hülse auf die eine Schrumpfscheibe montiert ist. Durch anziehen der Schrauben an der Schrumpfscheibe wird durch Keilwirkung der innere Ring zusammengepresst. Die Hülse der Nabe umschließt durch den äußeren Druck die Welle fest.

  • Übertragbares Drehmoment bei D=25 ist 300 Nm

Welle-Nabe-Verbindung mit Klemmring
Wellenklemmring

Klemmring (Wellenklemmring)

An die Nabe ist seitlich ein Klemmring geschraubt. Er stellt die Verbindung zwischen Welle und Nabe her. Die Welle übernimmt die Zentrierung zwischen Nabe und Klemmring. Da es sich um eine "weiche" Nabe handelt, Kraftangriff verteilt am Umfang, ist ein leichter Presssitz zu wählen.

Toleranzhülse
Toleranzhülse

Toleranzhülse

Ein aus Federbandstahl geprägter Blechring wird auf Spannung zwischen Welle und Nabe eingebaut.
Dieses Element kann große Toleranzen ausgleichen und eignet sich daher auch zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmeausdehnungen zwischen Welle und Nabe.
Mit Toleranzhülsen können auch Fluchtungsfehler zweier Lagerungen ausgeglichen werden.

  • Wellenpassungen h9
  • Nabenpassungen H9
  • VA-Ausführung möglich
  • Übertragbares Drehmoment bei D=25mm bis 53 Nm

Kreiskeilverbindung
Kreiskeilspannsatz

Kreiskeilspannsatz

Zwischen den beiden Hülsen des Spannsatzes befinden sich auf den Kontaktflächen sogenannte Kreiskeile. Durch verdrehen der Bauteile zueinander verspannt sich der Spannsatz zwischen Welle und Nabe.
Die Spannsätze sind selbst zentrierend.

  • Wellenpassungen h8
  • Nabenpassungen H7
  • Rundlauf 0,015-0,04 mm
  • Lieferbar für Wellen 3-50 mm
  • VA-Ausführung möglich
  • Übertragbares Drehmoment bei D=25mm ist 320 Nm
Es ist auch möglich das Kreiskeilprofil direkt in die Nabe einzuarbeiten.

Schrumpfen
Warmschrumpfen/ Kaltdehnen

Warmschrumpfen oder Kaltdehnen

Beim Warmschrumpfen haben Wellen- und Nabenbohrung bei Raumtemperatur ein Übermaß. Wird die Nabe erwärmt entsteht ein Spiel zwischen den beiden Bauteilen, jetzt kann die Nabe auf die Welle geschoben werden. Beim Erkalten der Nabe schrumpft diese und umschließt die Welle fest.
Beim Kaltdehnen wird die Welle durch abkühlen für den Schrumpfvorgang im Durchmesser verkleinert. Nach dem Fügen dehnt sie sich wieder aus.
Das übertragbare Drehmoment hängt von der Werkstoffpaarung, den Rauhtiefen der Oberflächen und dem Übermaß zwischen den beiden Bauteilen ab.

Kegelverbindung
Kegelverbindung

Kegelverbindung

Bei der Kegelverbindung sitzt die Nabe mit einer kegeligen Bohrung auf einem Kegel mit gleichem Kegelwinkel. Bei einem großen Kegelwinkel wird eine axiale Kraft benötigt, die die Nabe auf den Kegel hält. Ist der Kegel flacher, hält die Nabe durch die Flächenpressung (z.B. Morsekegel).
Das Kegelverhältnis ist entscheidend für die Lösbarkeit der Verbindung. Bei einem Verhältnis bis 1 : 5 ist die Verbindung leicht, bei einem Verhältnis darüber tritt Selbsthemmung auf, die Verbindung ist schwer zu lösen. Die Kegelverbindung hat eine hohe Laufruhe, jedoch teuer in der Herstellung. Bei wechselnden Drehmomenten entsteht eine Relativbewegung die Passungsrost begünstigt.
Die Kegelverbindung wird im Maschinenbau zur Aufnahme von Werkzeugen eingesetzt

Nabe stirnseiig auf Welle
Nabe stirnseitig verschraubt

Nabe stirnseitig verschraubt

Die Nabe wird stirnseitig gegen das Wellenende geschraubt und so kraftschlüssig mit der Welle verbunden. Die Zentrierung erfolgt über den Ansatz in der Nabe. Bei dieser Verbindung ist die Drehrichtung zu beachten. Die Drehmomentübertragung kann nur in Anzugrichtung der Schraube erfolgen.






- Einen Dank an Arda Arslantas für den Tipp mit der Drehrichtung.

TaperLock
Taperlock-Buchse

Taperlock

Die Taperlock Buchse ist eine kegelige Spannbuchse. Sie wird mit axial, im Übergangsbereich von Buchse und Nabe, angeordneten Schrauben befestigt (im Bild Pos. 1). Eine Hälfte der Aufnahmebohrung für die Schrauben befindet sich in der Spannbuchse, der andere Teil in der Nabe. Bei den Bohrungen für die Befestigung ist in der Nabenhälfte das Gewinde (Zollgewinde) und in der Buchse ein Sackloch. So wird die Schraube durch das Gewinde in der Nabe beim Eindrehen gegen das Sackloch in der Nabe gepresst. Die Taperlock Spannbuchse wird in die Nabe getrieben.
Bei den Bohrungen zum Lösen ist es umgekehrt (im Bild Pos. 2). Durch eindrehen der Schraube wird die Taperlock Spannbuchse aus der Nabe getrieben.
Die Taperlock Spannbuchsen werden fertig montiert mit den entsprechenden Kettenrädern, Zahnriemenrädern oder Keilriemenscheiben geliefert. Die Bohrung für die Welle ist ebenfalls auf Maß gefertigt.
Wellentoleranz h8
Bohrungsdurchmesser 10-125 mm

Innenspannschraube
Innenspannschraube

Innenspannschraube

Die Innenspannschraube ist eine Hohlschraube bei der das Gewinde in axialer Richtung mehrfach geschlitzt ist. Wenn nun die Innenspanschraube in ein Innengewinde gedreht und nachdem der Schraubenkopf aufliegt weitergedreht wird, stützen sich die Gewindegänge der Schraube gegen die Flanken des Innengewindes ab. Es entsteht eine nach innen gerichtete Kraft. Der geschlitzte Gewindeteil der Innenspannschraube klemmt die Welle.
Da das Drehmoment direkt über das Gewinde übertragen wird ist die Drehrichtung zu beachten. Wenn, wie in dem Beispiel, von beiden Seiten eine Innenspannschraube eingesetzt wird ist man drehrichtungsunabhängig.
Für kleine Drehmomente
Material Alu und V2A
Rundlaufgenauigkeit gemessen bei 35mm Ausspannung 0,05 mm
Bohrungsdurchmesser 4-25 mm
Gewinde M6-M30x1,5
Übertragbares Drehmoment bei D=16 mm ist 15 Nm

Innenspreizdorn
Innenspreizdorn

Innenspreizdorn

In axialer Richtung ist im Innenspreizdorn eine kegelige Bohrung. In ihr befindet sich ein entsprechender Kegel der mit einer Schraube (grün) in die kegelige Bohrung gezogen wird. Der Dorn weitet sich und klemmt die Nabe.
Für Welle-Nabe-Verbindung in einem beengtem Bauraum. Nabenbohrung H7

Boqa Befestigungselement
BOQA® Befestigungselement

BOQA®-Befestigungselemente

In die Nabe wird ein Kegel mit einem Kegelverhältnis 1:10 gearbeitet. In diese kegelige Bohrung wird das BOQA®-Befestigungselement gesteckt. Am verjüngten Teil des Kegels ist ein Gewinde mit einer Mutter. Diese Einheit wird auf eine Welle geschoben. Mit der Mutter wird der Kegel in die Nabe gezogen. Der Kegel wirkt klemmend zwischen Nabe und Welle.

  • Rundlauftoleranz 0,01mm
  • Selbstzentrierend
  • Für Wellen von 1,5 - 60mm
  • Hülse wird in Niro gefertigt
  • Übertragbares Drehmoment bei D=25 mm ist 136 Nm


BOQA® ist eine eingetragene Marke der Fa. bodaTec® GmbH

Autor: Uwe Koerbitz

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