Kegelbuchsen vs. Spannglieder: keillose Verbindung wählen

Die meisten Getriebe werden noch immer um Passfedernuten herum montiert, und das aus gutem Grund: Eine Passfedernut ist einfach zu spezifizieren, einfach zu fräsen und einfach zu prüfen. Sie ist aber auch eine Kerbe, die in beide Bauteile geschnitten wird, sie entfernt Querschnitt genau dort, wo die Welle ohnehin stark beansprucht wird, und sie hinterlässt ein Spiel, das bei jeder Lastumkehr überbrückt werden muss. Zwei Alternativen vermeiden die Passfeder vollständig, und sie werden in der Werkstatt regelmäßig miteinander verwechselt.

Zwei Bauteile, zwei unterschiedliche Passungen

Eine Kegelbuchse ist eine geschlitzte Hülse mit einer Kegelfläche außen. Die Nabe muss mit einer passenden kegeligen Bohrung gefertigt werden. Die Buchse wird von einer Seite eingepresst, zwei oder drei Schrauben ziehen sie axial an, der Kegel schließt sich, die Bohrung zieht sich zusammen, und die Baugruppe klemmt auf der Welle. Die Demontage erfolgt mit denselben Schrauben, die in Abdrückgewinde umgesetzt werden und die Buchse wieder herausdrücken.

Ein Spannglied — auch als keillose Buchse oder Power Lock verkauft — ist kein Bestandteil der Nabe. Es ist ein Satz von Ringen, der zwischen eine glatte Bohrung und eine glatte Welle passt, mit Paarungskegeln zwischen Innen- und Außenelement. Das Anziehen der Schrauben treibt die Ringe entlang dieser Kegel, sodass sich beide radial ausdehnen und gleichzeitig auf Welle und Bohrung drücken. An der Nabe muss nichts kegelig sein.

Dieser einzige Unterschied entscheidet, welche Lösung eine Zeichnung zulässt. Existiert die Nabe bereits mit gerader Bohrung, ist ein Spannglied die einzige Option ohne Nachbearbeitung. Wird die Nabe für die Anwendung neu gefertigt, ist eine Kegelbuchse günstiger im Einkauf und schneller zu wechseln.

Woher das Drehmoment tatsächlich kommt

Beide Bauformen übertragen Drehmoment über Reibung, die durch radialen Kontaktdruck erzeugt wird. Datenblattwerte hängen daher von Oberflächenbeschaffenheit, Passung, Schmierung und Schraubenanzugsmoment ab, nicht von der Scherfestigkeit einer Passfeder. RINGFEDER spezifiziert sein Spannglied RfN 7012 für Wellen mit k9 bis h9 und Naben mit N9 bis H9, wobei k11 bis h11 und N11 bis H11 am losen Ende zulässig sind, sowie eine Oberflächenrauheit von Ra 3,2 µm oder besser auf beiden Kontaktflächen. Die Schrauben sind Festigkeitsklasse 12.9, und der Katalog erlaubt, das Anzugsmoment auf die Hälfte des angegebenen Werts zu reduzieren; in diesem Fall sinken Drehmomentkapazität, Axialkraft und Flächenpressung etwa proportional.

Diese letzte Beziehung lohnt sich, rückwärts zu lesen. Mehr Schraubenanzugsmoment ist nicht gleich mehr Reserve. Überanzug ist die Ursache dafür, dass dünnwandige Gusseisennaben aufplatzen; Unteranzug ist die Ursache dafür, dass eine Verbindung kriecht, den Kegel zu einem blanken Ring poliert und unter Last zu wandern beginnt. Ein Drehmomentschlüssel und ein schriftlich festgelegter Wert leisten hier mehr für die Zuverlässigkeit als eine größere Baugröße.

Die beiden Familien unterscheiden sich auch darin, was während des Anziehens geschieht. Eine symmetrische Doppelkegel-Ausführung hält Welle und Nabe während des Anziehens der Schrauben relativ zueinander in Position, was wichtig ist, wenn das Zahnrad an einer definierten axialen Position sitzen muss. Einfachkegel-Ausführungen ziehen die Nabe beim Anziehen entlang der Welle, sodass die axiale Position nach dem Klemmen eingestellt oder im Layout berücksichtigt werden muss.

Eine Kegelbuchsen-Tabelle lesen

Nehmen wir eine Buchse 2517 aus einem veröffentlichten Sortiment. Sie ist 44,5 mm lang, 85,5 mm über dem großen Ende und verwendet zwei 1/2-Zoll-BSW-Schrauben mit 50 N·m. Ohne Passfeder überträgt sie 380 N·m auf einer Bohrung von 38 mm und 510 N·m auf einer Bohrung von 48 mm. Der Mindest-Nabendurchmesser beträgt 130 mm in Gusseisen bei 180 N/mm² und 108 mm in Stahl bei 600 N/mm². Im selben Sortiment überträgt eine Buchse 1008 auf einer Bohrung von 12 mm 29 N·m, während eine 5050 auf einer Bohrung von 125 mm 7370 N·m überträgt.

Die Spanne zwischen diesen beiden Enden ist der Punkt. Die Auswahl ist eine zweiseitige Berechnung: Die Bohrung legt die Größe fest, das Drehmoment legt fest, ob diese Größe ausreicht, und der Nabendurchmesser legt fest, ob die Nabe die Flächenpressung aufnehmen kann, die diese Größe erzeugt. Wird zusätzlich eine Passfeder eingebaut, wandert die Gleitebene von der Schnittstelle Welle-Buchse zur Schnittstelle Buchse-Nabe und erhöht die Kapazität etwa proportional zum Verhältnis von Großendurchmesser zu Bohrung.

Die Passfeder entfernen und wieder einsetzen

Häufige Demontage und Phasenjustierung sind die klarsten Gründe für die keillose Ausführung. Ein Zahnrad auf einer Servowelle hat eine definierte Winkelbeziehung zu einem Encoder-Nullpunkt; mit Passfeder bedeutet jede Neumontage, diese Beziehung erneut zu finden, während eine geklemmte Verbindung sie löst und wieder klemmt, ohne sie zu verschieben.

Kleine Wellendurchmesser sind der zweite Grund. Eine Passfedernut entfernt Querschnitt und fügt zwei scharfe Ecken an einem Bauteil hinzu, das wenig Material übrig hat. Wechselbetrieb mit Spielanforderung ist der dritte: Eine Passfeder bewegt sich bei jeder Umkehr durch ihr Spiel, und eine Reibverbindung hat keine Lücke zu überbrücken. Der Bauraum ist der vierte — Spannglieder lassen sich stapeln, und mehrere Einheiten innerhalb eines Abstands von 4·L addieren ihre Drehmomentwerte, was zu einer schmalen Nabe mit großem Moment passt.

Eine Passfeder ist unter manchen Bedingungen noch die bessere Antwort. Schwere Stoßlasten, schnelle Umkehrungen und Standorte, an denen niemand einen Drehmomentschlüssel besitzt, sprechen alle für die Passfederverbindung, denn die geklemmte Verbindung ist nur so gut wie ihr Montageverfahren. Dünnwandige Gusseisennaben sind durch die Flächenpressung begrenzt, und sobald die nächste Größe nicht mehr passt, geht der Reibungsweg aus dem Raum. Auch die Kosten spielen eine Rolle, wenn die Stückzahlen niedrig sind und die Nabe ohnehin aus anderen Gründen mit Passfeder gefertigt wird.

Was die Zeichnung aussagen muss

Keillose Verbindungen nehmen der Montagephase die Fähigkeit, Fehler zu absorbieren. Eine Passfederverbindung verbirgt ein wenig Exzentrizität im Passfederspiel; eine geklemmte Verbindung zentriert hart, sodass jeglicher Rundlauffehler in den Teilen direkt zu Verzahnungsfehlern wird. Bei einer keillosen Ausführung ist die Konzentrizität zwischen Zahnradbohrung und Zahnspitzen eine Zeichnungsanforderung, kein später zu lösendes Montageproblem.

Für die Nabe tragen vier Merkmale die Verbindung: Kegelwinkel und Kontaktbild, geprüft mit Markierungspaste und über die gesamte Fläche gelesen; Bohrungstoleranz und Rundheit, die bestimmen, wie sich der Klemmdruck verteilt; Planlauf, der zum Bezug wird, wo immer die Baugruppe an einem Bund anliegt; und Symmetrie von Passfedernut zu Bohrung bei Bauteilen, die beide Verbindungsarten mischen. Am Zahnrad ist das Schleifen der Bohrung vor dem Schleifen der Zähne — Positionieren auf der fertigen Bohrung — das, was den Rundlauf nach der Montage gering hält. Kehrt man diese Reihenfolge um, kommt das Teil zurück.

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