Spannsätze und Schrumpfscheiben auslegen: Drehmoment, Nabe und Montage
Reibschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen übertragen Drehmoment und Axialkraft allein über die Pressung in der Fuge, ohne Nut und ohne Spiel. Ob die Verbindung hält, hängt vom Reibwert, vom Passungsspiel, von der Nabe und von der Montage ab. Formeln und Richtwerte auf dieser Seite stammen aus den technischen Unterlagen von STÜWE. Konkrete Verbindungen rechnen wir gemeinsam mit dem Werk nach.
Inhalt:
- Reibschluss statt Passfeder
- Übertragbares Drehmoment und Reibwert
- Passungsspiel, Wellendurchmesser, Rauheit
- Axialkraft und kombinierte Belastung
- Schrumpfscheibe: Spannungen in der Nabe
- Innenspannsatz: Nabendurchmesser und Hohlwelle
- Werkstoffe, Schmierstoff und Schrauben
- Bauformen im Überblick
- Anforderungslisten und Auslegung
1. Reibschluss statt Passfeder
Eine Passfeder überträgt das Drehmoment formschlüssig über eine kleine Fläche. Nut und Feder schwächen Welle und Nabe, und bei Wechsel- oder Stoßlast entsteht mit der Zeit Spiel. Typische Folgen sind ausgeschlagene Nuten und Passungsrost.
Schrumpfscheiben und Spannsätze erzeugen dagegen eine gleichmäßige Pressung über den ganzen Umfang. Die Verbindung bleibt spielfrei, auch im Reversier- und Stoßbetrieb. Ohne Nut gibt es keine Kerbwirkung, Welle und Nabe bleiben voll tragfähig, und in der Fuge bildet sich kein Passungsrost. Verspannt wird mechanisch über Schrauben oder hydraulisch. Lage und Winkel der Nabe lassen sich bei der Montage frei einstellen, und die Verbindung lässt sich zerstörungsfrei wieder lösen. Normale Oberflächengüten reichen aus.
STÜWE fertigt Reibschlussverbindungen für Wellen von 8 mm bis über 1.000 mm und Drehmomente von wenigen Nm bis über 18.000.000 Nm. Abnahmen durch Klassifikationsgesellschaften sind auf Anfrage möglich.
Aus der Praxis
In der Honigverarbeitung ist ein Rührorgan über einen Spannsatz nach Hygienic Design angebunden. Ohne Passfedernut gibt es keine Spalte, in denen sich Produktreste festsetzen. Mehr dazu auf der Seite Verpackung und Lebensmittel.
2. Übertragbares Drehmoment und Reibwert
Wie viel Drehmoment Mt eine Reibschlussverbindung überträgt, hängt vom Reibwert in der Pressfuge ab, vom Passungsspiel zwischen Welle und Nabe, von der Klemmlänge und vom Wellendurchmesser.
Die Katalogwerte gelten für einen angenommenen Reibwert, das maximal mögliche Passungsspiel, eine Vollwelle und keine gleichzeitige Axialkraft (Pax = 0).
Für trockene, entfettete Flächen der Paarung Stahl/Stahl liegt der Reibwert zwischen 0,15 und 0,33. STÜWE rechnet die Tabellenwerte mit
μw = 0,15
Mit besonderer Oberflächenbehandlung und sorgfältigem Entfetten sind Reibwerte um μw = 0,2 erreichbar. Das übertragbare Drehmoment steigt dann im Verhältnis der Reibwerte. Öl oder Fett in der Fuge senkt den Reibwert dagegen deutlich. Welle und Nabenbohrung müssen deshalb im Bereich der Pressfuge fettfrei montiert werden.
Faustregel
Planen Sie mit dem Katalogwert und einem Sicherheitsfaktor auf das maximale Betriebsmoment. Einen höheren Reibwert sollten Sie nur ansetzen, wenn die Oberflächenbehandlung in der Fertigung sicher reproduzierbar ist.
3. Passungsspiel, Wellendurchmesser, Rauheit
Die Drehmomentberechnung berücksichtigt das maximale Passungsspiel und die Oberflächenrauheit. Ist das tatsächliche Spiel kleiner, steigt das übertragbare Drehmoment. Ist es größer als im Katalog vorgegeben, sinkt es. Die Passungen für Welle und Nabe stehen bei jedem Typ in den Produkttabellen.
Für jede Baugröße nennt der Katalog einen Bereich von Wellendurchmessern. Liegt Ihr Durchmesser zwischen zwei Tabellenwerten, lässt sich das Drehmoment ausreichend genau interpolieren. Größere Wellendurchmesser als in der Tabelle sind möglich, wenn der Nabenwerkstoff das zulässt. Das Drehmoment wird dann extrapoliert.
Geschliffen werden muss nicht. Eine saubere Drehbearbeitung mit einer Rautiefe Rt unter 16 μm an Welle und Nabe genügt.
Alle Katalogwerte gelten für Vollwellen. Eine Hohlwelle gibt unter der Pressung nach, das übertragbare Drehmoment sinkt. Die zulässige Bohrung hängt vom Typ ab und sollte nachgerechnet werden (siehe Abschnitt 6).
4. Axialkraft und kombinierte Belastung
Eine Reibschlussverbindung überträgt auch Axialkräfte. Die maximal übertragbare Axialkraft ohne Drehmoment (Mt = 0) ergibt sich aus dem Tabellenmoment:
Pax,max = Mt,Liste · 2 / dw
Wirken Drehmoment und Axialkraft gleichzeitig, werden beide vektoriell addiert. Das reduzierte übertragbare Drehmoment beträgt dann:
M″t = √( Mt,Liste2 − ( dw · Pax / 2 )2 )
Ein Beispiel: Eine Verbindung mit Mt,Liste = 10.000 Nm auf einer Welle dw = 100 mm soll zusätzlich Pax = 100 kN aufnehmen. Der Axialanteil entspricht 0,1 m · 100.000 N / 2 = 5.000 Nm. Übrig bleiben √(10.000² − 5.000²) ≈ 8.660 Nm für das Drehmoment.
Biegemomente und Querkräfte gehen in diese Formel nicht ein. Sie belasten vor allem die Nabe und sind bei der Wahl des Nabenwerkstoffs zu berücksichtigen.
5. Schrumpfscheibe: Spannungen in der Nabe
Eine Schrumpfscheibe sitzt außen auf der Nabe und presst sie auf die Welle. Dabei entsteht in der Nabe ein mehrachsiger Spannungszustand. Mit den Formeln für dickwandige Rohre lassen sich Tangential- und Radialspannung berechnen, Spannungen in axialer Richtung werden vernachlässigt. Die größte Beanspruchung tritt an der Innenfaser der Nabe auf.
Tangentialspannung und Radialspannung an der Innenfaser:
σt = [ pw · (1 + (dw/d)2) − 2 · pa ] / [ 1 − (dw/d)2 ] σr = −pw
Die Vergleichsspannung nach der Gestaltänderungsenergiehypothese:
σv = √( σt2 + σr2 − σt · σr + 3τ2 )
Die Pressung an der Welle folgt aus dem maximal übertragbaren Drehmoment:
pw = 2 · Mt / ( π · dw2 · l · μw )
Dabei ist dw der Wellendurchmesser, d der Außendurchmesser der Nabe unter der Schrumpfscheibe, l die Klemmlänge und pa die Pressung der Schrumpfscheibe auf die Nabe. Die Vergleichsspannung muss mit ausreichendem Abstand unter der Streckgrenze des Nabenwerkstoffs bleiben.
6. Innenspannsatz: Nabendurchmesser und Hohlwelle
Ein Innenspannsatz sitzt zwischen Welle und Nabe und weitet die Nabe auf. Damit sie sich dabei nicht plastisch verformt, muss ihr Außendurchmesser DN groß genug sein. Aus den Gleichungen für dickwandige Rohre unter Innendruck ergibt sich:
DN ≥ D · √( (σ0,2N + pN · C) / (σ0,2N − pN · C) )
- σ0,2N: Streckgrenze des Nabenwerkstoffs
- pN: Pressung in der Nabenbohrung (aus der Produkttabelle)
- C = 1 für Naben, die genauso breit sind wie der Spannsatz
- C = 0,6 für Naben, die doppelt so breit sind wie der Spannsatz
Unabhängig von der Nabenbreite muss die Streckgrenze des Nabenwerkstoffs größer sein als die Pressung pN.
Für die größte zulässige Bohrung di einer Hohlwelle gilt entsprechend:
di ≤ d · √( (σ0,2S − 2 · pS · C) / σ0,2S )
Hier ist σ0,2S die Streckgrenze des Wellenwerkstoffs und pS die Pressung auf der Welle. Mit einer Stützhülse in der Hohlwelle lässt sich die Bohrung vergrößern.
7. Werkstoffe, Schmierstoff und Schrauben
Für die Nabe eignen sich Stahl, Stahlguss oder Sphäroguss mit einer Streckgrenze ab etwa 360 N/mm². Muss die Verbindung auch umlaufende Biegemomente übertragen, sollte ein Vergütungsstahl wie 42CrMo4 oder ein höherwertiger Stahl- oder Sphäroguss verwendet werden. Ohne nennenswerte Biegung ist auch Grauguss möglich, dann mit dickerer Nabenwand.
Die Spannelemente selbst sind standardmäßig aus 42CrMo4. Für korrosive Umgebungen gibt es Ausführungen in 1.4122 und 1.4462. Hier gelten andere Drehmomente, die Konstruktion wird deshalb von STÜWE geprüft. Daneben sind Verzinken, Vernickeln und Lackieren in RAL-Farben möglich, für Lebensmittelanwendungen auch Schmierstoffe mit NSF-H1-Freigabe.
Geschmiert sind nur die Kegelflächen, mit Gleitlack und einer Paste mit hohem Anteil Molybdändisulfid (MoS2). Die Spannschrauben werden mit Schraubenschmierstoff (μ = 0,1) montiert. Die Pressfuge zwischen Welle und Nabe bleibt dagegen fettfrei.
Verspannt wird je nach Typ mit Sechskantschrauben nach DIN EN ISO 4014/4017 der Festigkeitsklasse 10.9 oder 12.9 oder mit Zylinderschrauben nach DIN EN ISO 4762. Ab M16 werden zusätzlich hochfeste Unterlegscheiben verwendet. Anzugsmoment und Reihenfolge stehen in der Montageanleitung des jeweiligen Typs und müssen eingehalten werden.
8. Bauformen im Überblick
Welche Bauform passt, hängt vor allem davon ab, ob von außen auf eine Nabe gespannt wird oder zwischen Welle und Bohrung, und ob zwei Wellen direkt verbunden werden sollen.
- Schrumpfscheibe HSD
Zweiteilig, mechanisch verspannt, von außen auf Hohlwellen und Naben, zum Beispiel bei Aufsteckgetrieben. Die Reihen 20 bis 23 decken Wellen von 9 bis 1.050 mm ab, die Reihen 81 und 83 übertragen 20 bis 30 % mehr Drehmoment. - Schrumpfscheibe SD
Dreiteilig, schlanke Bauweise bei hohem Drehmoment. - Schrumpfscheibe HYD
Gleiches Prinzip wie HSD, aber hydraulisch verspannt. Montage und Demontage dauern nur einen Bruchteil der Zeit. - Schrumpfscheiben SDG und SDGH
Geteilt, zum platzsparenden Aufschrumpfen von Zahnrädern, Riemenscheiben oder Nocken. SDGH für eine einseitige Verbindung. - Außenspannsatz AS
Zum Befestigen von Bremsscheiben, Seilscheiben oder Riemenscheiben, frei positionierbar, in vier Bauformen. - Innenspannsatz IS
Sitzt zwischen Welle und Nabenbohrung und braucht außerhalb der Nabe keinen Bauraum. Selbsthemmend und selbstzentrierend, das verbessert den Rundlauf. - Wellenkupplungen WK und WKL
Starre Verbindung zweier Wellenenden, auch bei unterschiedlichen Durchmessern. WK für kleine, WKL für größere axiale Abstände. - Flanschkupplungen FKH, FKHA, FKD und FKHYD
FKH mit zwei Flanschhälften, FKHA und FKD als einzelne Hälfte, FKD mit kegeligem Flansch ohne Passungsspiel, FKHYD hydraulisch mit kurzer Montagezeit. - Gelenkwellenanschlussflansche GF und GFHYD
Anschluss einer Kardan-Gelenkwelle an ein zylindrisches Wellenende, sicher auch bei wechselnden und stoßartigen Drehmomenten.
Man findet sie in Bandantrieben und Schiffsantrieben, in der Zerkleinerungstechnik, in Windenergieanlagen, Walzgerüsten und Prüfständen. Und überall dort, wo Bremsscheiben, Schwungscheiben, Aufsteckgetriebe oder Kupplungen auf einer Welle sitzen.
9. Anforderungslisten und Auslegung
Für jede Bauform gibt es eine Anforderungsliste von STÜWE, die alle Daten für die Auslegung abfragt. Wir schicken Ihnen die passende Liste zu. Ist sie ausgefüllt, rechnen wir die Verbindung gemeinsam mit STÜWE nach.
Listen gibt es für die Schrumpfscheiben HSD und HYD, SD sowie SDG und SDGH, für Außenspannsätze AS und Innenspannsätze IS, für die Wellenkupplungen WK und WKL, die Flanschkupplungen FKH, FKHA, FKD und FKHYD und für die Gelenkwellenanschlussflansche GF und GFHYD.
Abgefragt werden unter anderem:
- Anwendung, Temperaturbereich, gewünschter Werkstoff und Beschichtung
- Nenndrehmoment, maximales Drehmoment und geforderte Sicherheit
- Axialkraft, Biegemomente, Querkraft und Drehzahl
- Welle: Durchmesser, Bohrung bei Hohlwelle, Werkstoff mit Streckgrenze
- Nabe: Bohrung, Außendurchmesser, Werkstoff mit Streckgrenze
- Passungen, maximal verfügbare Einbaubreite, vorhandene Passfedernut
Häufige Fragen
Wann ist ein Spannsatz besser als eine Passfeder?
Immer dann, wenn das Drehmoment wechselt oder stoßartig auftritt, wenn die Verbindung spielfrei sein muss oder wenn Lage und Winkel der Nabe bei der Montage einstellbar sein sollen. Weil keine Nut nötig ist, bleibt die Welle voll tragfähig und es entsteht kein Passungsrost.
Was ist der Unterschied zwischen Schrumpfscheibe und Spannsatz?
Eine Schrumpfscheibe sitzt außen auf einer Nabe oder Hohlwelle und presst sie auf die Welle. Ein Innenspannsatz sitzt zwischen Welle und Nabenbohrung und verspannt beide gegeneinander. Bei der Schrumpfscheibe muss die Nabe auf Druck, beim Innenspannsatz auf Aufweitung ausgelegt werden.
Darf die Welle gefettet werden?
Nein. Die Pressfuge zwischen Welle und Nabe muss sauber und fettfrei sein, sonst sinkt der Reibwert und damit das übertragbare Drehmoment. Geschmiert sind nur die Kegelflächen der Spannelemente und die Schrauben.
Kann ich das Drehmoment für einen Wellendurchmesser zwischen zwei Tabellenwerten bestimmen?
Ja, durch Interpolation zwischen den beiden Tabellenwerten. Größere Durchmesser als angegeben sind möglich, wenn die Nabe das zulässt. Das prüfen wir im Einzelfall.
Gibt es Spannsätze aus Edelstahl?
Ja, STÜWE fertigt Ausführungen in 1.4122 und 1.4462. Die übertragbaren Drehmomente weichen von der Standardausführung ab, deshalb wird jede Anwendung geprüft.
Formeln, Richtwerte und Abbildungen: technische Unterlagen von STÜWE. Für die einzelne Ausführung gelten die Angaben des Herstellers.