Der Sicherungsring erklärt: Alles, was Sie wissen sollten

Von den Hochgeschwindigkeitsturbinen eines Kraftwerks bis hin zu einem einfachen Fahrrad – jegliches Gleiten, Vibrationen oder Lösen unter Last wird verhindert, um katastrophale Ausfälle zu vermeiden. Um diese Ausfälle zu verhindern und die Bauteile zu sichern, werden Sicherungsringe verwendet. Dieser Artikel beleuchtet alle wichtigen Informationen, die ein Ingenieur über Sicherungsringe wissen muss.

Was ist ein Sicherungsring?

Vereinfacht ausgedrückt wird ein Sicherungsring als „Stopper“ bezeichnet. Technisch gesehen handelt es sich um eine mechanische Haltevorrichtung, die Teile sicher an ihrem Platz hält. Sein eigentlicher Zweck ist es, jegliche Bewegung an den Verbindungsstellen zu verhindern.

Sicherungsring vs. Halteringe

Ein Sicherungsring unterscheidet sich von einem Haltering in folgenden Aspekten:

Warum werden Sicherungsringe so häufig verwendet?

Vom einfachen Fahrrad bis zum gigantischen Flugzeug – kleine Bauteile werden miteinander verbunden, um solche Produkte herzustellen. Um diese Bauteile sicher zu fixieren, sind Sicherungsringe unerlässlich und werden in allen Branchen häufig eingesetzt. Ein weiterer Vorteil ist ihre Einfachheit: Sie erhöhen weder Gewicht noch Komplexität im Design.

Funktion der Sicherungsringe

Ein Sicherungsring kann folgende Funktionen erfüllen:

Festlegung

Im Maschinenbau bedeutet Fixierung, ein Bauteil axial festzuhalten und jegliche Bewegung zu verhindern. In jeder Maschine oder Vorrichtung wird eine Sicherung verwendet, um die Bauteile fest zu fixieren. Beispielsweise dient ein Sicherungsring, der in eine Nut einer Welle eingesetzt ist, als physische Barriere gegen die Bewegung von Lagern, Zahnrädern usw.

Sicherheit verbessern

Es ist eine einfache Regel: Wenn alle Maschinenteile spielfrei funktionieren, ist die Sicherheit der Maschine und des Bedieners gewährleistet. Ein Sicherungsring trägt also zur Sicherheit bei, indem er die Bauteile fest fixiert.

Montage vereinfachen

Ein Sicherungsring benötigt weder Gewinde noch zusätzliche Befestigungselemente oder Schweißarbeiten, wodurch der Zusammenbau von Bauteilen schneller und einfacher wird.

Belastung unterstützen

Ein Sicherungsring kann auch zur Lastverteilung innerhalb einer Maschine oder eines Geräts beitragen. Wird beispielsweise ein Sicherungsring in eine Nut einer Welle eingesetzt, trägt er zur Lastverteilung bei, indem er die Kraft von diesem Bauteil (Lager) auf die Welle überträgt.

Verriegelungsmechanismen von Sicherungsringen

Ein Sicherungsring kann die Funktionen mithilfe der folgenden Mechanismen ausführen.

Nutbasierte Verriegelung

Nutbasierte Mechanismen werden hauptsächlich bei Sicherungsringen, Sprengringen und Spiralsicherungsringen eingesetzt. Bei diesem Mechanismus spielt die Nut die Hauptrolle.

• Auf einer Welle befindet sich eine Nut, in der ein Sicherungsring sitzt und als mechanische Barriere dient. Aufgrund seiner Elastizität rastet der Sicherungsring fest in die Nut ein.

Gewindebasierte Sicherung

Bei diesem Mechanismus sind sowohl die Ringe als auch die Gegenfläche mit einem Gewinde versehen. Die Bauteile werden verriegelt, sobald der Gewindering auf die Gewindefläche trifft. Der Ring wird auf das Gewinde gedreht und so lange angezogen, bis eine axiale Kraft entsteht. Diese Kraft verriegelt das Bauteil und verhindert dessen Bewegung. Dieser Mechanismus wird bei Gewinde- und Lagersicherungsringen verwendet.

Klemmverriegelung

Wellenringe und geteilte Spannringe nutzen diesen Sicherungsmechanismus. Dieser Mechanismus kommt ohne Gewinde oder Nuten aus. Die Klemmwirkung beruht allein auf der Klemmkraft. Beim Anziehen der Schrauben oder Bolzen entsteht durch den Spalt im geteilten Spannring ein Spalt, wodurch sich der Ring nach innen zusammenzieht.

Kegelverriegelung

Wie der Name dieses Mechanismus bereits andeutet, erfolgt die Verriegelung gegen die Bewegung von Bauteilen durch die konischen Flächen. Bandsicherungsringe nutzen diesen Mechanismus. Die Verriegelung entsteht, wenn zwei konische Flächen aufeinandertreffen. Durch die einwirkende Kraft gleitet das Bauteil entlang des Konus. Durch diese Gleitbewegung dehnt sich die konische Fläche radial aus oder zieht sich zusammen, wodurch ein fester Halt entsteht.

Häufige Anwendungsbereiche von Sicherungsringen

Sicherungsringe werden in folgenden Anwendungen eingesetzt:

Lagermontage

Die Lagerbefestigung dient dazu, ein Lager unter Krafteinwirkung fest auf einer Welle zu fixieren. Üblicherweise werden hierfür Sprengringe verwendet. Diese Sprengringe sind mit Nuten versehen, die ein Verrutschen der Lager verhindern. Die Nuten können auf oder innerhalb der Welle angebracht sein. Neben Sprengringen kommen auch Spiral- und Gewindesicherungsringe zum Einsatz.

Zahnradmontage

Ein externer Sicherungsring ist ein Sicherungsring, der in dieser Anwendung verwendet wird. Er wird mithilfe einer Sicherungsringzange in die Nut eingesetzt. Sobald er in der Nut sitzt, dehnt er sich aus und verriegelt sich, wodurch ein Durchrutschen der Zahnräder verhindert wird. Üblicherweise wird er zusammen mit einer Unterlegscheibe und einem Sicherungsring mit Schulter verwendet.

Kettenradmontage

Ein Kettenrad auf einer Welle sorgt für den korrekten Antrieb eines Kettensystems, indem es sich präzise mit der Welle dreht. Für diese Anwendung ist ein Sicherungsring die beste Möglichkeit, das Kettenrad fest auf der Welle zu fixieren. Er sitzt in der Nut der Welle und verhindert so ein Herausrutschen des Kettenrads.

Wellenanschläge

Wellenanschläge sind die Endpunkte einer Welle, die die axiale Bewegung von Bauteilen auf der Welle verhindern. Zu diesen Bauteilen gehören Zahnräder, Lager, Distanzstücke und Kettenräder. In diesem Fall wird ein Außensicherungsring in eine Nut der Welle eingesetzt, der als abnehmbarer Anschlag für die axiale Bewegung dient.

Rohrverbindungen

In dieser Anwendung werden zwei oder mehr Rohrleitungen mit Geräten wie Ventilen, Pumpen usw. verbunden, um einen sicheren Flüssigkeitsfluss zu gewährleisten. Hierfür werden Sicherungsringe, Klemmringverschraubungen und Nutkupplungsringe verwendet.

Standard-Sicherungsringe vs. kundenspezifische Sicherungsringe

Standard-Sicherungsringe werden nach Industrienormen wie ISO, ANSI usw. hergestellt. Ein kundenspezifischer Sicherungsring wird speziell für eine bestimmte Anwendung entworfen.

Wann Standard-Sicherungsringe ausreichen

Bei der Fertigung großer Stückzahlen mechanischer Baugruppen mit geringer bis mittlerer Komplexität, bei denen Belastungen und Bedingungen gut bekannt sind und keine speziellen Anforderungen gestellt werden, genügen Standard-Sicherungsringe. Beispiele hierfür sind Hydraulik- und Pneumatikzylinder, Komponenten von Kfz-Getrieben usw.

Wann werden maßgefertigte Sicherungsringe benötigt?

Kundenspezifische Sicherungsringe kommen zum Einsatz, wenn besondere Abmessungen, hohe Belastungen, spezielle Materialien, enge Toleranzen oder Montagearten erforderlich sind. Die Sicherungsringe werden dann entsprechend diesen Anforderungen konstruiert. Anwendungsbereiche sind beispielsweise Triebwerkswellen und Turbinen in der Luft- und Raumfahrt sowie schwere Industriemaschinen .

Sind die Sicherungsringe CNC-gefräst?

Ja, CNC-Bearbeitung wird für Sicherungsringe eingesetzt, wenn hohe Effizienz, Maßgenauigkeit und minimaler Materialverbrauch gefordert sind. Manchmal reichen herkömmliche Werkzeuge aufgrund kundenspezifischer Designs für die Herstellung von Sicherungsringen nicht aus.

Wann Sicherungsringe CNC-Bearbeitung erfordern

Für die schnelle und kostengünstige Herstellung von Sicherungsringen werden üblicherweise Stanz- oder Drahtbiegeverfahren eingesetzt. Bei komplexen Designs und engen Toleranzen liefern diese Verfahren jedoch keine exakten und präzisen Abmessungen. In solchen Fällen kommen CNC-Maschinen zum Einsatz.

CNC-Drehen für Sicherungsringe

CNC-Drehen ist aufgrund seiner Effizienz bei der Herstellung von runden oder kreisförmigen Sicherungsringen mit engsten Toleranzen äußerst effektiv. Durch das Drehen werden Merkmale wie Innen- und Außendurchmesser, Gewinde, Nuten und Stirnflächen präzise gefertigt. Das CNC-Drehen gewährleistet einen exakten Sitz des Sicherungsrings in der Nut der Welle.

Zu den hauptsächlich durch CNC-Drehen hergestellten Sicherungsringen gehören:

• Gewindesicherungsringe
• Lagersicherungsring
• Optischer Verriegelungsring

CNC-Fräsen für Sicherungsringe

Bei komplexen oder nicht rotationssymmetrischen Konstruktionen der Sicherungsringe kommt das CNC-Fräsen zum Einsatz. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Bolzenlöchern, Taschen, Flächen und kundenspezifischen Designs. Klemm- und Sprengringe werden hauptsächlich durch CNC-Fräsen gefertigt.

Ob Sie Sicherungsringe mit speziellen Merkmalen benötigen oder höchste Präzision erfordern, die kundenspezifischen CNC-Bearbeitungsdienste von Tuofa bieten Ihnen die ideale Lösung.

Gängige Materialien für kundenspezifische Sicherungsringe

Jedes Material besitzt seine eigenen Eigenschaften und wird daher je nach Anwendungsbereich ausgewählt. Zu den gängigen Materialien für Sicherungsringe gehören:

Aluminiumlegierung

Die aus diesem Material gefertigten Sicherungsringe werden hauptsächlich in der Robotik, der Luft- und Raumfahrt sowie in Sekundärkomponenten der Automobilindustrie eingesetzt. Die am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungen für diese Anwendungen sind 6061 und 7075. Wenn geringes Gewicht, ausreichende Festigkeit, gute Bearbeitbarkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit gefordert sind, kommen Aluminiumlegierungen wie 6061 und 7075 zum Einsatz.

Alloy Steel

Um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Zähigkeit, Verschleiß- und Dauerfestigkeit sowie Zuverlässigkeit unter Belastung zu gewährleisten, ist legierter Stahl, beispielsweise AISI 4140, AISI 10145 oder 42CrMo, die ideale Wahl. Anwendungsbereiche für Sicherungsringe aus legiertem Stahl sind unter anderem:

• Förderanlagen
• Landwirtschaftliche Geräte
• Zahnradbefestigungsbaugruppen
• Wellensicherungsringe.

Edelstahl

Edelstahl ist aufgrund seines Chromgehalts von 17–19 % für seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bekannt. Dieser Chromgehalt bildet eine passive Schicht aus Chrom( III )-oxid ( _{Cr₂O₃ ).} Gängige Sorten für Sicherungsringe sind 304 und 316. Sicherungsringe aus Edelstahl werden eingesetzt in:

• marine Anwendungen
• Ausrüstung für die Lebensmittelverarbeitung
• Wasseraufbereitungssysteme
• Baugruppen für leichte Nutzfahrzeuge

Titan

Es wird Titan, insbesondere die Güteklasse 5 (Ti-6Al-4V), verwendet. Es bietet sehr hohe Festigkeit sowie ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Zuverlässigkeit in extremen Umgebungen. Es ist ein teurer Werkstoff und wird daher nur in kritischen Anwendungen eingesetzt.

• Rennfahrzeuge
• Hochgeschwindigkeits-Rotationsgeräte

Wichtige Konstruktionsüberlegungen für Sicherungsringe

Bei der Konstruktion eines Sicherungsrings sind folgende Faktoren für eine langfristige und zuverlässige Funktion der Sicherungsringe wichtig.

Groove-Design

Die Nutgestaltung ist ein entscheidender Faktor für die Funktion von Sicherungsringen. Breite, Tiefe, Kantenradius und Toleranz beeinflussen die Passgenauigkeit des Sicherungsrings. Daher muss der Sicherungsring unter Berücksichtigung dieser Faktoren konstruiert werden, um optimale Leistung zu erzielen. Jede Abweichung in der Konstruktion und diesen Parametern führt zu einer ungenauen Passgenauigkeit und beeinträchtigt somit die Funktion.

Lastanforderung

Ein Sicherungsring dient nicht nur der sicheren Fixierung von Bauteilen, sondern ist auch ein tragendes Bauteil. Daher ist es wichtig, bei der Konstruktion eines Sicherungsrings die zu tragende Last zu ermitteln. Ist die Last höher als die Tragfähigkeit des Sicherungsrings, kann dieser brechen und ausfallen.

Maßtoleranz

Ein Sicherungsring hat folgende Abmessungen:

• Toleranz des Innendurchmessers
• Toleranz des Außendurchmessers
• Dickentoleranz
• Konzentrizität

Diese Maße sind wichtig, da ein Sicherungsring durch mechanisches Einrasten funktioniert. Ist der Innendurchmesser zu groß, führt dies zu Problemen beim Einrasten und somit zum Versagen des Sicherungsmechanismus.

Oberflächenfinish

Die Oberflächenbeschaffenheit ist bei der Konstruktion eines Sicherungsrings ebenfalls ein wichtiger Faktor, insbesondere wenn Materialermüdung droht. Faktoren wie Oberflächenrauheit, Grate und scharfe Kanten müssen vor der Konstruktion des Sicherungsrings berücksichtigt werden.

Häufige Ursachen für das Versagen von Sicherungsringen

Im Folgenden werden einige der Hauptursachen für das Versagen von Sicherungsringen aufgeführt, vor allem während der Anwendung:

Falsche Installation

Dies ist der erste Schritt beim Einsatz eines Sicherungsrings. Bei fehlerhafter Montage greift der Sicherungsring nicht mechanisch ein, was zu einer unzureichenden Verriegelung führt. Sind die Bauteile nicht sicher fixiert, bewegen, verrutschen und vibrieren sie, was letztendlich zu Ausfällen führt.

Rillenverschleiß

Verschleiß in der Nut führt zum Versagen der Sicherung, da dadurch der feste Sitz des Sicherungsrings verloren geht. Wenn der Sicherungsring in seiner Nut locker sitzt, beginnen sich die Bauteile axial zu bewegen, die Belastung wird ungleichmäßig und es kommt zu Verformungen, die schließlich zum Versagen führen.

Überlastung und Auswirkungen

Eine Belastung, die die Tragfähigkeit des Sicherungsrings übersteigt, führt unweigerlich zu dessen Verformung, Rissbildung und schließlich zum Versagen. Ist das Material des Sicherungsrings zudem nicht zäh genug, kann er einer Stoßbelastung nicht standhalten.

Korrosion und Oberflächenschäden

Korrosion und Oberflächenbeschädigung sind miteinander verbundene Ursachen für das Versagen von Sicherungsringen. Weist das Material keine ausreichende Korrosionsbeständigkeit auf, korrodiert der Sicherungsring aufgrund der korrosiven Umgebung und verliert dadurch seine Festigkeit.

Fazit

Sicherungsringe sind ein wichtiger Bestandteil von Geräten und Maschinen, da sie die anderen Komponenten sicher fixieren und deren Verrutschen, Bewegen und Vibrationen verhindern. Sicherungsringe werden üblicherweise im Stanzverfahren hergestellt, für kritische Anwendungen und zur Einhaltung enger Toleranzen kommen jedoch CNC-Maschinen zum Einsatz. Legierter Stahl, Edelstahl, Aluminiumlegierungen und Titan sind die gängigen Werkstoffe für die Herstellung von Sicherungsringen.

FAQ

Sicherungsring vs. Federring: Sind sie dasselbe?

• Ein Schloss erfüllt zwei Funktionen: Es hält die Bauteile fest und verriegelt sie aktiv unter Belastung.
• Es gibt viele Arten von Sicherungsringen, die hauptsächlich dazu dienen, Bauteile auf einer Welle oder in einer Bohrung zu befestigen.

Worin besteht der Unterschied zwischen einem Sicherungsring und einem Sprengring?

• Ein Sicherungsring ist ein Ring, der dazu dient, Bauteile auf einer Welle zu befestigen.
• Ein Sicherungsring, der bei der Montage in eine gefräste Nut einrastet, wird als Sprengring bezeichnet.

Welche zwei Haupttypen von Sicherungsringen gibt es?

Es gibt zwei Hauptarten von Sicherungsringen: äußere und innere. Ein äußerer Sicherungsring wird außen an einer Welle montiert, während ein innerer Sicherungsring in einer Bohrung oder einem Gehäuse sitzt.