Eine Welle-Nabe-Verbindung dient dazu, Drehmoment von einer Welle auf eine Nabe zu übertragen. Die Nabe kann zum Beispiel ein Zahnrad sein, eine Riemenscheibe oder ein Fräser. So eine Verbindung könnte beliebig ausgeführt sein. Die Standardisierung dieser Verbindungen bietet sich an, da der problemlose Austausch von Bauteilen sehr wichtig ist.
Verbindungsarten
Welle-Nabe-Verbindungen teilen sich auf in die Art der Kraftübertragung. Wir unterscheiden zwischen
- kraftschlüssigen,
- stoffschlüssigen,
- formschlüssigen
Verbindungen.
Kraftschlüssige Verbindungen
Hier erfolgt die Drehmomentübertragung über eine ausreichend große Reibung zwischen Welle und Nabe. Erreicht wird diese z.B. über eine Presspassung. Eine andere Umsetzung findet sich bei Spannkegeln, wie sie bei der Aufnahme von Werkzeugen in Fertigungszentren üblich ist.
Stoffschlüssige Verbindungen
Bei der stoffschlüssigen Verbindung werden Welle und Nabe direkt mit einander verbunden, z.B. über schweißen, kleben oder löten. Nachteile dieser Verbindungsart sind, dass die Verbindung nicht gelöst werden.
Formschlüssige Verbindungen
Hier erfolgt die Drehmomentübertragung über die Form von Welle und Nabe. Die Form ist so gestaltet, dass sich die Nabe auf der Welle (fast) nicht verdrehen lässt. Ein Vorteil ist, dass sich diese Verbindung problemlos wieder lösen lässt.
Eine gängige Ausführung ist die Passfeder. Die Passfeder wird in eine Ausfräsung in der Welle (Passfedernut) eingesetzt. Die Nabe verfügt über eine durchgängige Längsnut. Diese erlaubt es, dass die Nabe auf die Welle aufgeschoben werden kann. Die Passfeder wirkt als Mitnehmer und überträgt so das Drehmoment.
Die Passfeder-Verbindung ist eine häufig genutzte Lösung zur Übertragung von kleinen Drehmomenten, z.B. befestigen einer Handkurbel an einer Welle. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass der Querschnitt von Welle und Nabe durch die Nuten geschwächt werden, eine Unwucht entsteht und dass ein zusätzliches Bauteil benötigt wird.
Polygonprofile
Für die formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung gibt es weitere Lösungen, bei der das Drehmoment direkt über die Form von Welle und Nabe übertragen wird. Die einfachste Umsetzung sind Polygonprofile, wie in DIN 32711 und DIN 32712 definiert.
Die Nachteile der Passfeder-Verbindung treten bei den Polygonprofilen nicht auf. Es ist keine Unwucht vorhanden. Die Polygonprofile werden nicht durch eine Nut geschwächt und die Montage der Nabe auf die Welle gestaltet sich einfacher. Nachteilig sind bei den Polygonprofilen die Fertigungskosten gegenüber der Passfeder-Verbindung.
Welle-Nabe-Verbindung = Zahnrad?
Warum thematisiere ich das in meinem Zahnrad-Blog? Ganz einfach, auch Verzahnungen können als Welle-Nabe-Verbindung verwendet werden. Diese Verzahnungen unterscheiden sich von ihrer Geometrie etwas von Laufverzahnungen. Das ist nachvollziehbar, da Anwendung und Funktion andere Anforderungen an die Verzahnung stellen. Darauf will ich in einem weiteren Artikel eingehen.
Verzahnungen, die als Welle-Nabe-Verbindung dienen, werden nach ihrer Funktion allgemein als „Steckverzahnungen“ oder „Passverzahnungen“ bezeichnet, gelegentlich auch als „Kupplungsverzahnungen“. Steckverzahnung, da eine Außen- und eine Innenverzahnung in einander gesteckt werden, um Welle und Nabe zu verbinden. Passverzahnung, da Außen- und Innenverzahnung eine Passung bilden, vergleichbar zu Bohrungspassungen. Je nach Auslegung des Konstrukteurs handelt es sich um eine Spielpassung, Übergangspassung oder Presspassung.
Kupplungsverzahnung, da die Welle-Nabe-Verbindung mittels Steckverzahnung so ausgelegt sein kann, dass die Nabe auf der Welle verschiebbar ist (Spielpassung) und trotzdem die Drehmomentübertragung gewährleistet ist.
Als Welle-Nabe-Verbindung stehen folgende Verzahnungsarten zur Auswahl:
- Passverzahnungen mit Keilflanken
- Passverzahnungen mit Kerbflanken
- Passverzahnungen mit Evolventenflanken
Passverzahnungen mit Keilflanken
Bei dieser Passverzahnung verlaufen die beiden Flanken eines Zahns parallel, die Flankenform ist geradlinig. Dadurch ergeben sich keilförmige Zähne (rechteckiges Zahnprofil). Die Welle wird auch als Keilwelle bezeichnet.
Passverzahnungen mit Keilflanken
Bei dieser Passverzahnung verlaufen die beiden Flanken eines Zahns parallel, die Flankenform ist geradlinig. Dadurch ergeben sich keilförmige Zähne (rechteckiges Zahnprofil). Die Welle wird auch als Keilwelle bezeichnet.
Passverzahnungen mit Keilflanken werden häufig eingesetzt, wenn die Nabe auf der Welle verschiebbar sein muss. Die Belastbarkeit ist nicht so hoch wie bei Passverzahnungen mit Evolventenflanken. Normen: ISO 14, DIN 5464.
Passverzahnungen mit Kerbflanken
Bei dieser Passverzahnung verlaufen die beiden Flanken eines Zahns auf einander zu, die Flankenform ist geradlinig. Dadurch ergeben sich spitze Zähne (dreieckiges Zahnprofil). Die Verzahnung wird als Kerbverzahnung bezeichnet.
Kerbverzahnungen haben im Vergleich zu Keilwellen eine deutlich größere Zähnezahl, wodurch sich eine kleine Teilung ergibt.
Passverzahnungen mit Kerbflanken werden in der Regel als feste Welle-Nabe-Verbindung bei kleinen Durchmessern eingesetzt (Beispiel: Tretkurbel). Normen: DIN 5481.
Passverzahnungen mit Evolventenflanken
Bei dieser Passverzahnung verlaufen die beiden Flanken eines Zahns auf einander zu, die Flankenform ist eine Evolvente. Diese Verzahnung ähnelt einer Laufverzahnung aufgrund ihrer Zahnform am ehesten.
Die evolventische Zahnform ermöglicht eine präzise Zentrierung (Flankenzentrierung). Aufgrund der Zahngeometrie erlaubt die geringere Kerbwirkung die Übertragung höherer Drehmomente als Keil- oder Kerbverzahnungen. Normen: DIN 5480, ISO 4156, ANSI B92.1.
Dieser Artikel soll nur einen Überblick über Welle-Naben-Verbindungen geben. Die einzelnen Passverzahnungen werde ich in weiteren Artikeln im Detail vorstellen.
