Keilwellenführung: Typen, Normen und Materialien

Ob Sie sich nun auf einem Stuhl oder einer Raumstation befinden, Sie werden überall Technologie entdecken. Wellen werden seit der Erfindung des Rades verwendet. Sie bilden das Rückgrat von Maschinen. Vereinfacht ausgedrückt besteht ihre Funktion darin, Drehmoment, Impuls und Bewegung auf verbundene Teile zu übertragen. Es gibt viele Arten von Wellen, aber dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf Keilwellen und deren weitere Typen, deren Herstellungsmaterialien usw. Wir stellen Ihnen vor, was eine Keilwelle ist:

Was ist eine Keilwelle? Definition und Kernmechanik

Die Keilwelle ist ein Kernbauteil einer Maschine. Sie verfügt über Rippen mit einer Nut im Gegenstück. Sie erleichtert die Drehmomentübertragung und Ausrichtung der Maschinenteile. Diese Wellen tragen dazu bei, Verschleiß und Schlupf zu vermeiden, indem sie die Last gleichmäßig verteilen.

Keilwelle vs. Passfederwelle: Wann welche verwenden?

Die Wahl zwischen einer Keilwelle und einer Passfederwelle ist einfach. Erfordert die Anwendung hohe Präzision und Drehmomentmanagement, ist eine Keilwelle die beste Wahl. Passfederwellen eignen sich, wenn niedriges Drehmoment und Wirtschaftlichkeit wichtig sind.

Vergleich der Drehmomentkapazität

Die Konstruktion eines Bauteils beeinflusst seine Drehmomentaufnahmefähigkeit. Allgemeine Tests wie Scherbelastungs- und Ermüdungsprüfungen zeigen, dass eine Keilwelle problemlos 30 % mehr Drehmoment aufnehmen kann als eine Passfederwelle.

Ausrichtungsgenauigkeit

Das Spiel in Roboter- und CNC-Anlagen führt zu Problemen bei der Ausrichtungspräzision. Keilwellen beseitigen das Spielproblem und gewährleisten die Ausrichtung im Betrieb.

Was definiert eine Keilwelle?

Wichtige Parameter sind:

• Zahnprofil, zB Evolvente
• Wurzeldurchmesser
• Eingriffswinkel, also 30^oüberwiegend in industriellen Anwendungen

5 kritische Funktionen von Keilwellen in modernen Maschinen

Wie bereits erwähnt, ist eine Keilwelle das Rückgrat moderner Maschinen. Sie erfüllt folgende wichtige Funktionen, die im Folgenden kurz erläutert werden:

1. Drehmomentübertragung ohne Schlupf

Wie bereits erwähnt, übertragen Keilwellen die Kraft effizient auf die verbundenen Räder. Dies wird in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen verwendet.

2. Axiale Bewegungsanpassung

Linearantriebe sind hauptsächlich auf Keilwellen angewiesen, da diese während der Bewegung für die Ausrichtung sorgen.

3. Schwingungsdämpfung durch verteilte Lasten

Keilwellen ermöglichen eine gleichmäßige Lastverteilung und tragen so zur Schwingungsdämpfung bei.

4. Präzisionsausrichtung in CNC-Geräten

CNC-Operationen sind Hochgeschwindigkeitsoperationen, Keilwellen halten Toleranzen ein und sorgen für eine präzise Ausrichtung.

5. Ausfallsichere Trennung

Keilwellen schützen Systeme, indem sie sich bei Überlastung lösen.

Keilwellentypen: Eine Auswahlhilfe für Designer

Die Wahl des Keilwellentyps hängt letztendlich von den Anwendungsanforderungen ab, beispielsweise von der Art der Belastung, der Geschwindigkeit usw.

Evolventenverzahnungen (DIN 5480 / ISO 4156)

Eine internationale Norm, nämlich ISO 4156 und eine europäische Norm DIN 5480, enthalten die Informationen zu Evolventenwellen. In der Industrie sind Evolventenwellen die am häufigsten verwendeten Wellen, da

• Selbstausrichtend
• 30° Eingriffswinkel
• Allmähliche Lastübertragung

Anwendungen

• Fahrzeuggetriebe
• Industriegetriebe
• Aktuatoren für die Luft- und Raumfahrt

Warum ein Druckwinkel von 30° ideal für industrielle Anwendungen ist

Ein Druckwinkel von 30 % ist für 80 % der industriellen Anwendungen geeignet. Der Grund dafür ist, dass dieser Winkel ein Gleichgewicht zwischen Tragfähigkeit und Lebensdauer herstellt.

Geradseitige Keilwellen (SAE J498)

Geradflankige Keilwellen sind einfach und leicht herzustellen. Sie weisen an der Oberfläche das Profil von flachflankigen Zähnen auf. Sie sind bei der Lastverteilung nicht so effizient.

Immobilien

• Drehzahlbegrenzung: am besten <500
• Flache Zahnflanken
• Niedrigere Kosten

Anwendungen

1. Agrarindustrie (Traktorwellen)
2. Hydraulikpumpen
3. Veraltete Industrieausrüstung

Kostengünstige Alternative für Anwendungen <500 U/min

<500 U/min bedeutet moderate Drehzahl und Drehmoment. Für den Betrieb unter diesen Bedingungen eignen sich geradlinige Keilwellen am besten, da sie zudem kostengünstig sind.

Gezähnte Keilwellen (Militärspezifikation MIL-S-8879)

Gezackte Keile haben aggressive 45^o abgewinkelte Zähne, die hilfreich sind, um axiale Stoßbelastungen, extreme Vibrationen und Szenarien mit großer Fehlausrichtung auszuhalten.

Diese gezahnten Keilwellen werden verwendet in

• Rotorwellen für Black Hawk-Hubschrauber
• Raketenstartschienenantriebe

45°-Verzahnung für axiale Belastungen in Militärqualität

Entwickelt für die Handhabung extremer axialer Belastungen in Hubschrauberrotorsystemen.

Kugelkeilwellen:

Kugelwellenverzahnungen bieten aufgrund der linearen Bewegung im System die folgenden Vorteile.

• Nahezu spielfrei durch gehärtete Wälzkörper
• 90 % weniger Reibung als Passfederwellen
• 10-mal längere Lebensdauer bei Anwendungen mit hoher Zyklenzahl

Anwendungen

• Halbleiter-Wafer-Handler
• Medizinische Robotik
• 6-Achsen-CNC-Schwenktische

Ballige Keilwellen: Ausgleich von Fluchtungsfehlern

Gewölbte Keilwellen haben ein tonnenförmiges Profil (kontrollierter Kronenradius), das hilft bei

• Selbstkorrigierende Winkelbewegung
• Gleichmäßige Lastverteilung
• 300 % längere Lebensdauer

Anwendungen

• Windkraftgetriebe
• Schiffsantriebswellen
• Förderbandantriebe im Bergbau

Wie stellt man eine Keilwelle her? -Schritt für Schritt

In diesem Abschnitt erfahren Sie Schritt für Schritt, wie Sie eine Keilwelle präzise vorbereiten:

• Schritt 1: Designvalidierung und Toleranzabbildung

Dies sind einige wichtige Vorgänge, die in diesem Schritt ausgeführt werden müssen:
✔3D-FEA-Simulation– ANSYS-Software wird verwendet, um die Spannungsverteilung unter maximalem Drehmoment zu überprüfen
✔Toleranzstapelanalyse– ISO 4156 Klasse 5 wird verwendet, um die Wärmeausdehnung zu berücksichtigen
✔Spline-Profilauswahl– Evolventenzahnräder DIN 5480 und gerade Zahnräder SAE J498

Werkzeug:

• Software zur Zahnradkonstruktion(KISSsoft, Romax)
• Schritt 2: Materialvorbereitung und Vorbearbeitung

Die Materialvorbereitung umfasst mehrere Schritte

• Materialschneiden

Stahlstangen mit Schneidemaschinen schneiden

Drehung

Führen Sie Dreharbeiten mit einer Drehbank durch. Für präziseres Drehen verwenden Sie CNC-Maschinen.

Durchmesser: ± 0.05mm

Oberflächenfinish: Ra 3.2μm

• Bohren: Für präzise Zwischen-Spitzen-Maschinen

Es wird als sinnvolle Option angesehen, zur Spannungsentlastung ein Glühen durchzuführen, um Verformungen vorzubeugen.

• Schritt 3: Primäre Spline-Bildung

Die Operationen zur Bildung des primären Splines sind wie folgt:

• Anstich

Zum Räumen wird eine Hartmetall-Räumnadel mit einer Geschwindigkeit von 5–15 m/min verwendet. Die Norm DIN 1415 wird zum Räumen verwendet. Beim Räumen wird eine Genauigkeit der DIN-Klasse 7 erreicht.

• Wälzfräsen

Die CNC-Wälzfräsmaschine wird eingesetzt

Werkzeug: HCC-Kochfeld

Toleranzniveau:Sie können die AGMA-Toleranzklasse 10 erreichen

• Schleifen

Wird verwendet, wenn gehärtete Wellen erforderlich sind

Gewindeschleifmaschine mit CBN-Scheiben

Es wird eine Oberflächengüte von 0.4 μm erreicht

• Schritt 4: Nachbearbeitung und Oberflächenverbesserung

Da spanende Bearbeitungen Flecken hinterlassen und nicht die gewünschte Oberfläche der Produkte erzeugen, ist immer eine Nachbearbeitung erforderlich.

Einige Nachbearbeitungstechniken sind:

Wärmebehandlung

Um eine gewisse Einsatzhärtung zu erreichen

Kugelstrahlen

Verbessert die Lebensdauer

Beschichtung

Um den Verschleiß zu reduzieren, werden häufig DLC-Beschichtungen verwendet

• Schritt 5: Qualitätssicherung und Tests

Inspektionsprotokoll:

Für Keilwellen werden häufig folgende Protokolle verwendet:

1. CMM-Messung– Zahnprofilgenauigkeit (±0.005 mm)
2. Zahnradrollenprüfgerät– Prüft zusammengesetzte Fehler (DIN 3961)
3. Drehmomentprüfung– Validiert30 % höhere Kapazität Keilwellen

Zertifizierung:

Die Keilwellen müssen diesen Zertifizierungen entsprechen

• ISO 9001 Prozessvalidierung
• PPAP-Dokumentationfür Automotive-Kunden

Was sind die gängigen Keilwellennormen? -SAE, DIN, ISO

Normen sind wie Leitfäden für Ingenieure, die Hinweise zur Materialauswahl, zu Fertigungstechniken, Nachbearbeitungstechniken usw. enthalten. Diese Normen erleichtern die Kompatibilität und Leistung in der Industrie.

SAE J500 (Automobilindustrie) vs. DIN 5480 (EU-Maschinen)

SAE J500 ist ein Standardmodell der Automobilingenieure und wird für Edelstahl verwendet. Die Norm DIN 5480 wird für die mechanische Kraftübertragung verwendet.

Zahndickentoleranzen

Verschiedene Standards bieten unterschiedliche Toleranzen, beispielsweise ±0.0002 Zoll bei SAE und ±0.05 mm bei DIN-Klasse 5.

Metrische und imperiale Splines

In Nordamerika werden imperiale Keilwellen verwendet, während weltweit metrische Keilwellen vorherrschen.

So verstehen Sie Spline-Codes

Angenommen „48x3x30° DIN 5482“, dann bedeutet das

• 48 Zähne, 3mm Modul und 30^o ist der Eingriffswinkel

Auswahl der Keilwellenmaterialien: Von Aluminium bis zu Superlegierungen

Die Materialauswahl einer Keilwelle beeinflusst die Anwendungen und diese Keilwellen werden je nach Bedingungen eingesetzt.

Allgemeine industrielle Verwendung

In diesem Abschnitt werden die Vor- und Nachteile dieser Werkstoffe für Keilwellen allgemein erläutert. Diese Werkstoffe decken 80 % der industriellen Anwendung ab.

Legierte Stähle (4140/4340)

4140 und 4340 sind niedrig- bis mittellegierte Stähle mit C-Gehalt. Die meisten Keilwellen bestehen aus diesen Legierungen.

Vorteile:

• Hohe Festigkeit, Zähigkeit und Wirtschaftlichkeit

Nachteile:

• Die Korrosionsanfälligkeit ist hoch, da die Zusammensetzung keinen Cr-Gehalt aufweist

Edelstahl (17-4PH)

PH bedeutet, dass Edelstahl ein ausscheidungshärtender martensitischer Edelstahl ist und für seine besten mechanischen Eigenschaften bekannt ist.

Vorteile:

• Hohe Festigkeit
• Hohe Korrosionsbeständigkeit auch in chloridreichen Salzumgebungen
• Gute Schweißbarkeit

Nachteile

Dieses Material lässt sich schwer bearbeiten, weshalb es teuer ist. Zweitens ist seine Leistung bei hohen Temperaturen begrenzt.

Leichte Anwendungen

Die folgenden Materialien werden dort verwendet, wo geringes Gewicht die Hauptanforderung ist, wie etwa in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie.

Aluminium in Luft- und Raumfahrtqualität (7075-T6)

Diese Legierung wird durch künstliche Alterung speziell für die Luft- und Raumfahrtindustrie hergestellt, was bedeutet, dass sie über verbesserte mechanische Eigenschaften verfügt.

Vorteile:

Zu seinen mechanischen Vorteilen zählen, dass es 60 % leichter als Stahl ist, ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweist und eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Nachteile:

Seine Dauerfestigkeit ist niedriger als die von Stahl.

Titanlegierung (Ti-6Al-4V)

Aluminium und Vanadium sind die Hauptlegierungselemente dieser Legierung, weshalb sie sich für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate und Hochleistungsanwendungen im Maschinenbau eignet.

Vorteile:

Diese Legierung bietet die Vorteile eines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses, einer guten Kompatibilität und Duktilität in Bezug auf die Festigkeit.

Nachteile:

Es gibt 3 große Bedenken hinsichtlich der Verwendung dieser Legierung

1. Geringe Verschleißfestigkeit
2. Wasserstoffversprödung
3. Gefahr des Festfressens und Festfressens

Extreme Bedingungen (hohe Temperaturen/Korrosion)

Oxidation und Korrosion sind die größten Herausforderungen unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen oder salzhaltigen Umgebungen. Diese Materialien übertreffen diese Bedingungen:

Superlegierung auf Nickelbasis (Inconel 718)

Aufgrund des Vorhandenseins von Ni und Cr sind die mechanischen Eigenschaften extrem gut. Zu den Anwendungsgebieten zählen die Luft- und Raumfahrt, die Schifffahrt und die Energieerzeugung.

Vorteile:

Einige Hauptvorteile der Verwendung dieses Materials sind:

1. Hervorragende Leistung bei hohen Temperaturen
2. Extrem gute Korrosionsbeständigkeit
3. Gute Ermüdungs- und Kriechfestigkeit

Nachteile:

Zwei Nachteile sind die Neigung zur Seigerung bei großen Gussteilen und die hohen Kosten durch teure Legierungselemente.

Kobalt-Chrom-Legierung (Hastelloy C276)

Mo und Cr werden in größeren Mengen hinzugefügt, zusammen mit einer kleinen Menge Co. Diese Legierungselemente machen es für raue Bedingungen geeignet.

Vorteile:

Die Vorteile der Verwendung dieser Legierung sind außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und nicht magnetisches Verhalten.

Nachteile:

Zwei große Nachteile sind:

1. Eingeschränkte Verfügbarkeit und Probleme in der Lieferkette
2. Schwierige Bearbeitung

Keilwellenkonstruktion: 7 Regeln zur Vermeidung von Ausfällen

Wenn Sie diese Regeln kennen, können Sie Fehler in der Praxis vermeiden.

Tipp 1: Zahnbrüche mit AGMA-Spannungsberechnungen vermeiden

Vermeiden Sie Zahnbrüche mithilfe von AGMA-Spannungsberechnungen. In diesem Test berechnen wir zwei Dinge:

1. Biegespannung am Zahnfuß
2. Kontaktspannung an den Flanken

Tipp 2: Stellen Sie den Rundungsradius zur Rissvermeidung auf 0.25 × Modul ein

Verrunden Sie scharfe Punkte auf 0.25 x Modul. Durch das Verrunden wird die Lebensdauer des Objekts um das 400-Fache erhöht.

Tipp 3: Verwenden Sie eine Ra 0.8 µm-Oberfläche, um die Lebensdauer zu verlängern

Durch Schleifen erreichen Sie eine RA von 0.8 µm. Eine schlechte Oberflächenbeschaffenheit beeinträchtigt die Lebensdauer und führt zu Ermüdungsbrüchen.

Tipp 4: Schneiden Sie 45°-Spiralnuten, um den Verschleiß um 60 % zu senken

45 ausschneiden^o Spiralnuten zur Reduzierung des adhäsiven Verschleißes. Diese Nuten sind in Fahrzeuggetrieben und Hydraulikpumpen von Bedeutung.

Keilwellenanwendungen: Branchenspezifische Lösungen

In diesem Abschnitt werden einige Anwendungen für Keilwellen beschrieben.

Automobilindustrie: 24-Keilwellen vs. 26-Keilwellen

Die 26-Keilwelle kann Kräfte von 650 Nm verarbeiten, während die 24-Keilwelle eine günstigere Welle ist, die am besten zu alten Designs passt.

Luft- und Raumfahrt: Selbstschmierende Keilwellen in Düsentriebwerken

Selbstschmierende Keilwellen werden verwendet, um Fettverunreinigungen in Lüfterblattverstellsystemen von -60 °C bis 300 °C zu vermeiden.

Robotik: Polymerbeschichtete Keilwellen für geräuschlosen Betrieb

Für einen geräuscharmen Betrieb werden in der Robotik PEEK-Beschichtungen für Keilwellen verwendet. Diese Beschichtungen erhöhen zudem die Korrosionsbeständigkeit.

Wartungs- und Reparaturtechniken für Keilwellen

In diesem Abschnitt erfahren Sie, wie Sie Keilwellen warten und reparieren können.

Neuverzahnung: Wann neu schneiden oder ersetzen?

• Nachgeschnitten wann:

1. Leichte Gebrauchsspuren
2. Wellen mit geringer Härte
3. Nicht kritische Anwendungen

• Ersetzenwann:

Ersetzen ist in folgenden Fällen die bessere Option:

1. Gebrochene Wurzeln
2. Hochharte Schäfte
3. Kritische Lasten

Hinweis

• Durch die Neuverzahnung werden im Vergleich zum Austausch 50 % der Kosten gespart.

Verschleißschutzbeschichtungen:

DLC und Nickel-Teflon sind zwei gängige Verschleißschutzbeschichtungen. DLC ist in kritischen Anwendungen hinsichtlich der Verschleißfestigkeit deutlich besser als Nickel-Wolfram.

Fazit:

Wir kommen zu dem Schluss, dass die Keilwelle das Kernstück jeder Maschine ist und für die erfolgreiche Übertragung von Drehmoment und Bewegung in allen Maschinen verantwortlich ist. Durch die Wahl des richtigen Materials, des Keilwellentyps und der richtigen Konstruktion können Sie mit diesen Keilwellen in der Praxis optimale Leistung erzielen.

FAQs

Was ist der Unterschied zwischen den Keilwellennormen SAE und DIN?

Der SAE-Standard gewährleistet enge Toleranzen bei den Komponenten der Automobilindustrie, während der DIN-Standard in Europa üblich ist.

Wie werden Keilwellen bei der Montage ausgerichtet?

Verwenden Sie Ausrichtungsstifte oder messen Sie den Rundlauf mit einer Messuhr.