Klemmringe und Stellringe – vielseitige Komponenten mit hohen Haltekräften
Klemmringe und Stellringe gehören zu den einfachsten Bauteilen in der Antriebstechnik; vielleicht finden sie deshalb so wenig Beachtung. Der hohe Stellenwert dieser Komponenten wird jedoch durch ihren weit verbreiteten Einsatz unter Beweis gestellt. Dank ihrer unzähligen Einsatzmöglichkeiten sind Klemm- und Stellringe in praktisch jedem Anlagentyp zu finden. Sie finden in vielen Anwendungen Einsatz, wo sie zum Beispiel als mechanische Anschläge, zum Sichern von Bauteilen oder als Lageranschlagsflächen verwendet werden. Oft dienen sie auch als Zubehör für andere Bauelemente und bilden zusammen Komponenten für viele mechanische Systeme im Bereich der Antriebstechnik, wie Motoren und Getriebe. Im Folgenden werden Klemmringe und Stellringe mit dem Oberbegriff Wellenringe bezeichnet, auch wenn die Klemmausführung nicht nur auf Wellen verwendet wird, sondern z.B. auch auf geschlitzten Naben.
Die Erfindung des Stellrings
Die ersten massengefertigten Wellenringe wurden hauptsächlich an Längsachsverbunde von frühen Walzwerken angebracht. Es handelte sich um massive Stellringe mit Vierkantgewindestiften, die aus dem Wellenring hervorragten (Zeichnung 1). Diese Bauart war aber gefährlich, da sich in rotierenden Anwendungen der Schraubenkopf an der Kleidung eines Arbeiters verfangen und ihn in die Maschine hineinziehen konnte. Bis in die frühen Jahre des 20. Jahrhunderts gab es kaum Verbesserungen. Der erste Stellring mit vertiefter Innensechskantschraube wurde von Howard T. Hallowell entworfen, dem Begründer von SPS Technologies, dem größten amerikanischen Hersteller von Präzisionsverbindungselementen. Er erhielt ein Patent für seinen Sicherheitsstellring, der bald industrieller Standard wurde und später von anderen kopiert wurde (Zeichnung 2). Dies war der Beginn der industriellen Produktion von vertieften Innensechskantschrauben, bei der SPS Technologies auch heute noch eine große Rolle spielt.
Die gesamte Haltekraft der Stellringe wird von der Gewindestift gewährleistet, die den Stellring auf der Welle fixiert. Die Höhe der Haltekraft hängt hauptsächlich vom Material und von der Beschaffenheit der Welle ab, auf die der Stellring befestigt wird. Um der Gewindestift eine maximale Haltekraft zu verleihen, muss die Welle aus einem weicheren Material bestehen als die Gewindestift. Das Schraubenende kann dann in der Welle festgeklemmt werden, so dass sowohl Schraube als auch Stellring ihre Montageposition unter Drehmoment- und Lasteinwirkung beibehalten und nicht auf der Welle verrutschen. Leider verursacht dies eine Beschädigung der Welle, was aus funktionstechnischen und kosmetischen Gründen ungünstig ist. Die Einwirkung des Schraubenendes verursacht einen Materialaustritt im Schraubenumfeld und führt zu einer erhöhten Gratbildung auf der Wellenoberfläche. Dieser Materialüberstand erschwert die Entfernung des Stellrings von der Welle zu Austausch- oder Einstellzwecken. Kleine Winkel- oder Seiteneinstellungen sind fast unmöglich, da das Schraubenende in das Zentrum des ursprünglichen Fixierpunktes zurückweicht.
Weiterentwicklung zum Klemmring
Der Klemmring ist eine Weiterentwicklung der anfänglich in Gewindestiftausführung hergestellten Wellenringe. Wer ihn erfunden hat, lässt sich nicht mehr mit Sicherheit sagen. Der amerikanische Hersteller Ruland lieferte ihn in den 40er Jahren für Navigationsgeräte für die Rüstungsindustrie. Diese im wesentlichen mechanischen Instrumente bestanden aus Präzisionsgetrieben, Differentialgetrieben, Kupplungen und Wellenringen in Verbindung mit selbstsynchronisierenden Elektromotoren, Drehmeldern, Präzisionspotentiometern und Elektronikbauteilen. Die Geräte galten damals als hochtechnologisch und fielen unter Geheimhaltung. Man kann sie durchaus als Vorläufer der analogen Computerindustrie betrachten. Obwohl sie heutzutage selbstverständlich sind, galten Wellenringe in Klemmausführung und die anderen eingesetzten Teile damals als höchst innovative, präzise Komponenten, die für eine fortschrittliche Ausrüstung benötigt wurden.
Klemmringe lösen viele der Probleme, die alte massive Standard-Wellenringe mit sich bringen. Sie sind in zwei Versionen erhältlich, in einteiliger und in zweiteiliger Ausführung. Um die benötigte Druckkraft zur Positionierung des Wellenrings und Umschließung der Welle zu erzeugen, werden Innensechskant-Zylinderschrauben verwendet. Durch den Verzicht auf Gewindestiften wird die Welle bei diesem Typ nicht beschädigt. Die Wellenringe können leicht abmontiert und beliebig oft eingestellt werden. Zudem wird die Leistung der Klemmringe bei allen Wellentypen verbessert. Da die Haltekraft des Klemmrings nicht von der Stoßeinwirkung der Schraube abhängt, ist das Wellenmaterial ein vergleichbar kleiner Faktor für die Leistung des Klemmringes. Beim Festziehen der Schrauben umschließt der Klemmring die Welle und erzielt dabei eine fast gleichförmige Kräfteverteilung am Wellenumfang. Bei Gewindestiften wird die Kraft auf nur zwei diametral entgegengesetzte Punkte konzentriert. Das Resultat ist eine Haltekraft, die, abhängig von Wellengröße und Wellenbeschaffenheit, bis zu zweimal höher ist als die von Stellringen.
Obwohl Klemmringe bei eher konstanten Lasten sehr gut funktionieren, können Stoßlasten einen Versatz auf der Welle hervorrufen. Grund dafür sind die sehr hohen Kräfte, die während der Einwirkung durch verhältnismäßig kleine Massen erzeugt werden können, wie dies zum Beispiel auch bei Hammer und Nagel der Fall ist, im Gegensatz zu Lasten, die statisch oder stufenweise erzeugt werden. Bei Anwendungen mit Stoßlasten kann an der Welle ein Absatz angebracht und durch Verwendung eines zweiteiligen Klemmrings ein Festanschlag erzeugt werden, der eine bessere Festigkeit gegenüber Stoßlasten bietet. Dieses Beispiel zeigt den wahren Nutzen der zweiteiligen Ausführung. Einteilige Wellenringe verlieren etwas von ihrem Klemmvermögen, da die Schraube einen Teil ihres Gewindeanzugsmoments dazu verwenden muss, den Ring um die Welle herum zu spannen. Bei zweiteiligen Klemmringen wird das gesamte Anzugsmoment genutzt um die Klemmkräfte direkt auf die Welle zu bringen. Darüber hinaus haben zweiteilige Wellenringe im Vergleich zur einteiligen Version einen klaren Vorteil bei Installation und Zusammenbau. Stellringe und einteilige Klemmringe müssen über das Wellenende geschoben werden. Dagegen können zweiteilige Wellenringe an Ort und Stelle auseinandergebaut und montiert werden, ohne andere Komponenten von der Welle zu entfernen. Bei einer abgesetzten Welle müsste ein einteiliger Wellenring aufgespannt werden, um anfangs auf die Welle geschoben werden zu können; ein Stellring könnte in keinem Fall exakt montiert werden.
Andere Möglichkeiten, eine sichere Positionierung unter Stoßlasten zu erzielen, ist das Aneinanderreihen von mehreren Wellenringen oder das Anbringen von Stoßfängern oder Achspolstern. Mehrere aneinander gereihte Wellenringe erhöhen die Lasteigenschaften aufgrund der höheren Klemmkraft der zusätzlichen Schrauben und des größeren Kraftschlusses durch die erhöhte Wellenkontaktfläche. Doppelte oder extrabreite Wellenringe mit Mehrfachschrauben bieten die gleichen Vorteile wie mehrere aneinander gereihte Wellenringe. Stoßfänger dämpfen einen Teil der Stoßlast und verringern dabei auch die Lärmentwicklung.
Anwendungen und Eigenschaften von Wellenringen in Klemmausführung
Obwohl sie auf den ersten Blick einfache Komponenten sind, erfüllen Wellenringe in Klemmausführung grundlegende Anlagenfunktionen. Um eine gute Leistung zu erzielen, müssen bestimmte Eigenschaften vorhanden sein, deren Bedeutung je nach Einsatz der Klemmringe zunehmen kann. Während in vielen Anwendungen die Haltekraft des Klemmrings ein wichtiger Aspekt ist, können in anderen Anwendungen Faktoren wie die Präzision bei den plangedrehten Flächen der Wellenringbohrung, die Schweißbarkeit, das Beharrungsvermögen, die Leitfähigkeit oder die Korrosionsbeständigkeit vorrangig sein. Nachfolgend werden entscheidende Merkmale bezüglich Haltekraft und Ausrichtung vorgestellt, darunter Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten von Klemmringen mit Gewindebohrung.
Haltekraft für geteilte Naben und mechanische Anschläge
Werden Wellenringe auf geteilten Naben oder als mechanische Anschläge verwendet, ist die Haltekraft das wichtigste Merkmal. Geteilte Naben sind bei der Verbindung einer Welle mit Komponenten wie Getriebe, Kettenräder, Geber und Kupplungen von Nutzen (Zeichnung 3). Wellenringe können als vergleichsweise günstige Klemmlösung auf geteilten Naben eingesetzt werden, obwohl solche Anwendungen besonders anspruchsvoll sind, da ein Teil der Ringklemmkräfte zum Andrücken der Nabe eingesetzt wird und damit die auf die Welle wirkenden Kräfte verringert. Um diese Wirkung möglichst gering zu halten, müssen enge Toleranzen zwischen Welle, geteilter Nabe und Wellenring eingehalten werden und die Nabensegmente so schmal wie möglich sein.
Die Haltekraft eines Wellenrings in Klemmausführung wird von verschiedenen Konstruktions- und Herstellungsmerkmalen beeinflusst, darunter Bohrungsgröße und Rundlaufgenauigkeit. Dennoch hängen viele der wichtigsten Faktoren von grundlegenden mechanischen Prinzipien ab, wonach die Haltekraft mit der Stärke des Anschraubmoments zusammenhängt, das durch zwischen Bohrung und Welle existierende Reibkräfte indirekt auf die Welle übertragen wird. Größe und Qualität der Schrauben sind eindeutig leistungsrelevant - während die Schraubengröße leicht zu bestimmen ist, werden Qualitätsunterschiede manchmal bei der Spezifikation von Schraubenstandards übersehen. Zu den vielen Eigenschaften von leistungstärkeren Schrauben zählen Gewindequalität, Materialbruchfestigkeit, Ausgestaltung und Größentoleranz des Schraubenkopfes (kein Reibwiderstand in der Taschenbohrung des Wellenrings), und geschmiedete statt geräumte Innensechskantschrauben. Da so viele Eigenschaften berücksichtigt werden müssen, ist eine endgültige Auswahl von geeigneten Schrauben am besten empirisch zu treffen. Versuche bei Ruland haben gezeigt, dass es bedeutende Unterschiede bei Qualität und Leistung von Schrauben gibt, die in Wellenringen eingesetzt werden.
Die Materialfestigkeit und die Konstruktion des Wellenrings sind zwei weitere Faktoren, die Einfluss auf die Umwandlung des Schraubendrehmoments in Wellenring-Haltekraft nehmen. Das Material muss stark genug sein, um dem empfohlenen Anzugsmoment standhalten zu können. Material von schlechter Qualität könnte unter Drehmomenteinwirkung reißen oder sich verformen, was zur Verringerung der Haltekraft und möglicherweise zu einem verhängnisvollen Ausfall führt. Die Verformungen können an Gewinden, im unteren Bereich oder an den Seiten der Schraubensenkung auftreten, überall mit dem gleichen Resultat einer reduzierten Wellenringleistung.
Es gibt eine weit verbreitete, aber falsche Annahme, wonach ein größerer Außendurchmesser den Wellenring widerstandsfähiger macht. Obwohl es Vorteile gibt, die für einen größeren Außendurchmesser sprechen - da Klemmschrauben vom Material verdeckt werden können, anstatt herauszuragen -, schafft das Vergrößern des Wellenring-Außendurchmessers je nach Bohrungsgröße keinen leistungsrelevanten Nutzen und kann dazu führen, dass die Haltekraft verringert wird. Ein Teil des Schraubenanzugmoments muss nämlich dazu verwendet werden, den Wellenring an die Welle zu drücken, bevor die restlichen Kräfte direkt auf die Welle wirken können. Um zusätzliche Klemmkraft zu schaffen, muss eine größere Schraube eingesetzt oder die Lage der Schraube von der Mittelachse der Welle weg umpositioniert werden, um einen größeren mechanischen Vorteil und damit eine gesteigerte Haltekraft zu erzielen. Das Vergrößern des Wellenring-Außendurchmessers ohne Änderungen in der Größe und Position der Schrauben führt lediglich dazu, dass überschüssiges Material elastisch verformt werden muss, bevor irgendeine Kraft auf die Welle wirken kann. Einige Kräfte werden so unnütz vergeudet. Durch einen Wellenring mit einem Außendurchmesser, der nur so groß wie unbedingt notwendig ist, wird dies verhindert und die Haltekraft gesteigert.
Die Haltekraft bei einteiligen Klemmringen kann gesteigert werden, wenn der Klemmring über einen Schlitz in der Bohrung verfügt, der der Klemmöffnung gegenüberliegt. Dies reduziert das Material am Gelenkpunkt des Rings. Der Einsatz eines zweiteiligen Klemmrings vermindert die zum Andrücken an die Welle vorhandene Materialmenge. Ein weiterer Vorteil ist das Vorhandensein einer zweiten Schraube zur Drehmomentübertragung. Zweiteilige Klemmringe weisen eine 2% höhere Haltekraft als exakt konstruierte einteilige Klemmringe auf. Dieser leichte Anstieg der Haltekraft wiegt die Zusatzkosten der zweiteiligen Klemmringausführung jedoch nicht unbedingt auf, vor allem wenn Komplikationen bei der Konstruktion und Installation hinzukommen, wie z.B. der notwendige Zugang zu beiden Schrauben für den Fall, dass sich der Wellenring in einem Gehäuse befindet.
Auch wenn der Gewinn an Haltekraft nicht besonders groß ist und die einteilige Ausführung in manchen Fällen die günstigste Lösung ist, besitzen zweiteilige Wellenringe den Vorteil, dass sie leicht von der Welle demontiert werden können, ohne dabei andere Komponenten zu entfernen. Zweiteilige Wellenringe können außerdem aufgrund der gegenüberliegenden Anordnung der Schrauben besser gewuchtet werden als einteilige Klemmringe. Das Wuchten ist manchmal bei Anwendungen mit hohen Geschwindigkeiten nötig, z.B. bei geteilten Naben.
Ein weiterer wichtiger Beitrag zur Haltekraft von Wellenringen ist die Oberflächenbeschaffenheit der Wellenringe und Schrauben. Am häufigsten werden Wellenringe aus brüniertem Stahl verwendet. Diese Beschichtung verbessert die Drehmomenteigenschaften der Schrauben ohne dabei die Reibeigenschaften der Ringbohrung zu reduzieren. Die Haltekraft wird etwas gesteigert und kann optimiert werden durch die Kombination der Brünierung mit einer angemessenen Leichtölbehandlung der Schrauben. Alternative Oberflächenbehandlungen, wie z.B. mit Zink bieten einen besseren Korrosionsschutz als brünierter Stahl, neigen aber dazu die Haltekraft deutlich zu reduzieren.
Eine Brünierung ist teilweise deshalb so wirksam, weil es sich um ein Verbundmaterial handelt, das dem Stick-Slip-Effekt oder Ruckgleiten entgegenwirkt (siehe Diagramm). Beim Ruckgleiten erhält man den falschen Eindruck, das Anziehen der Schraube hätte das richtige Belastungsniveau erreicht. Die Schraube dreht nicht gleichmäßig weiter, während das Drehmoment immer noch auf sie wirkt. Stattdessen wird kurz vor Erreichen der Enddrehmoment-Werte ein Punkt erreicht, an dem die gleichmäßige Drehung in periodisches Haften und Gleiten übergeht. Die Torsionsleistung an der Schraube wurde als überschüssige Reibung zwischen den Gewinden oder der Schraubenkopfunterseite und den Fügepartnern des Klemmkörpers absorbiert, statt zur Spannung in den Verbindungselementen beizutragen. Bei zu niedrigen Spannungen kann der Wellenring nicht halten. Dem Ruckgleiten ist schwer beizukommen. Ein "seidenweiches" Arbeiten der Klemmschraube beim Festziehen ist die beste Garantie, den Stick-Slip-Effekt während der Befestigung zu vermeiden. Hierfür ist es hilfreich, wenn die Brünierung eine optimale Zusammensetzung hat.
Stick-Slip-Verbunde und andere Oberflächenbehandlungen der Schraubengewinde wie Zink, Molybdän oder Nylon verändern die Anzugseigenschaften von Schrauben. Bei Anwendung des normalen Drehmoments auf die Schraube ist ein überdrehen des Systems sehr wahrscheinlich und die Gefahr groß, dass die Schraube oder der Wellenring beschädigt wird und zu einem plötzlichen Ausfall führt. Außerdem können Unebenheiten bei einigen Schraubengewinde-Oberflächenveredelungen zu einem unzuverlässigen Drehmoment führen und daher die Haltekraft unkalkulierbar werden lassen.
Präzises Plandrehen von Oberflächen für den Einsatz mit Lagern und für die Ausrichtung von Bauteilen
Neben der Haltekraft stellt die Möglichkeit der Sicherung und Ausrichtung anderer Wellenkomponenten durch eine präzise gearbeitete Auflagefläche ein weiteres vorrangiges Leistungsmerkmal von Wellenringen dar. Um hohe Präzision zu gewährleisten werden Hochleistungs-Wellenringe plangedreht und die Bohrungen endverarbeitet. Das Ergebnis ist eine sehr geringe Unrundheit bei der Montage des Wellenrings. Dies ist überaus wichtig, wenn der Wellenring zusammen mit anderen Präzisionskomponenten verwendet wird. Ruland markiert seine garantiert lotrechten Stirnseiten mit einer kreisförmigen Nut als Orientierung für die saubere Ausrichtung zweiteiliger Wellenringe.
Sowohl einteilige als auch zweiteilige Klemmringe machen die Installation und Ausrichtung einfach. Sie werden normalerweise dazu verwendet, Komponenten wie Kettenräder, Antriebsräder, Riemenscheiben und Kugellagereinheiten auf Wellen zu montieren. In diesen Fällen ist die Fähigkeit wichtig, axiale Lasten aufzunehmen. Entscheidend aber ist die Rechtwinkligkeit zwischen Wellenringstirnseite und Welle. Ein präzises Verhältnis zwischen Stirnseite und Bohrung gewährleistet die Rechwinkligkeit des Bauteils zur Welle. Das Bauteil kann so zur Wellenachse nicht verrutschen oder sich neigen. Dies könnte nämlich zu frühzeitiger Abnutzung führen und möglicherweise die Leistung des Systems beeinträchtigen. Werden Kettenräder und Riemenscheiben mit Ketten und Riemen verwendet, ist die genaue Ausrichtung des Bauteils für die einwandfreie Funktion entscheidend. Wenn die Fluchtung nicht eingehalten wird, führt dies zu einer unbefriedigenden Leistung, was je nach Anwendung unangenehme Nebenwirkungen mit sich bringen kann, wie übermäßige Lärmentwicklung, Schlupf, mechanischer Schlag, schnelle Abnutzung bis hin zum völligen Ausfall der Anlage.
Die Rechtwinkligkeit der Stirnfläche garantiert auch gleichförmigen Druck beim übergang zum montierten Bauteil, wodurch punktuelle Last verhindert wird, was die Lebensdauer der Komponenten reduziert. Bei Anwendungen, in denen Wellenringe zusammen mit Lagern eingesetzt werden, stellt dies eine höchst wichtige Eigenschaft dar, da ungleiche Lastverteilung der Lager schädlich für Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit ist. Ein weiterer Vorteil zeigt sich auch bei Anwendungen mit leichten axialen Stoßlasten, wie z.B. bei linearen Antrieben. In Anwendungen, in denen der Wellenring als mechanischer Anschlag verwendet wird, ist die Rechtwinkligkeit der Stirnfläche wichtig, um die Kraft über die Stirnseite des Wellenrings gleichmäßig zu verteilen, Stoßdruckeinwirkungen zu minimieren und zu verhindern, dass der Wellenring seine Position auf der Welle verliert.
Wellenringe mit Gewindebohrung und Klemmmuttern
Eine verbreitete Variante der Wellenringe sind Ausführungen mit Gewindebohrung. Wellenringe mit Gewindebohrung sind in den gleichen Größen erhältlich wie Wellenringe mit glatten Bohrungen. Sie sind in einteiliger und zweiteiliger Klemmausführung am beliebtesten. Der Grund hierfür ist, dass Wellenringe in Gewindestiftausführung aufgrund der Einwirkung der Schraube in das Gewinde großen und permanenten Schaden auf der Gewindewelle verursachen. Wellenringe mit Gewindebohrung in Klemmausführung ebnen den Weg für viele Anwendungen mit Gewindewellen; sie werden besonders auf zwei Gebieten eingesetzt: Anwendungen mit hohen axialen Lasten und Anwendungen, die eine präzise Positionierung oder Vorspannungseinstellungen erfordern.
Für Anwendungen mit hohen Axiallasten besitzen Wellenringe mit Gewindebohrung gegenüber Ausführungen mit glatter Bohrung einen entscheidenden Vorteil. Wellenringe mit glatten Bohrungen müssen gänzlich auf ihren Reibwiderstand gegen Stoßlasten bauen und sind in solchen Fällen leicht verrückbar. Wellenringe mit Gewindebohrung haben einen mechanischen Festanschlag, der durch den Eingriff des Gewindes auf dem Wellenring mit der Welle geschaffen wird. So ist es praktisch unmöglich, dass sich der Wellenring axial bewegt, ohne die Welle selbst zu beschädigen.
Wellenringe mit Gewindebohrung in Klemmausführung können feine Einstellungen und/oder Vorspannungen von Bauteilen wie z.B. Lager sehr erleichtern. Der Wellenring wird in Position geschraubt und durch das Festziehen der Wellenringschraube an dieser Stelle gesichert. Klemmmuttern sind eine spezielle Ausführung der Wellenringe mit Gewindebohrung, die nur zum Anbau an Lager bestimmt sind. Diese Klemmmuttern besitzen eine noch genauere Rundlauftoleranz, um eine gleichmäßige Druckverteilung auf der gesamten Lagerstirnfläche und eine genaue Kontrolle der Vorspannung zu gewährleisten. Sie verfügen über Ringschlüsselnuten am Außendurchmesser des Wellenrings, um einen einfachen Zugang und eine besonders präzise Einstellung der Vorspannung zu erlauben. Wie bei anderen Wellenringen mit Gewindebohrung kann die Klemmmutter nach Einstellung der Vorspannung durch das Festziehen der Schraube gesichert werden.
Wellenringe sind äußerst vielseitige Komponenten, die sich vom Stellring ausgehend zu leistungsfähigeren und vielseitig einsetzbaren Wellenringen in Klemmausführung gewandelt haben. Sie werden aus verschiedenen Materialien und in vielen unterschiedlichen Größen hergestellt. Dadurch bieten sie passende Lösungen für eine Reihe von Problemen bei der Konstruktion von Anlagen. Viele Wellenring-Anwendungen sind sehr anspruchsvoll. Wesentliche Voraussetzung für ein einwandfreies Funktionieren der Anlagen ist die richtige Auswahl von Wellenringen unter Berücksichtigung aller notwendigen Konstruktions- und Herstellungsmerkmale.