Kegelpressverbund Stahl Welle und Aluminium Nabe

Technik Mechanik & Konstruktion
#1

Hallo,
ich bin gerade dabei einen Wellen-Nabe-Verbindung mittels einem Kegel (C=1:10) auszulegen.
Aufgrund der Anforderung an den Leichtbau, ist die Nabe aus Aluminium (EN-AW-7075). Die Kurbelwelle ist natürlich aus Stahl.
Die Nabe wird mit einer M10 Mutter aufgezogen.
Ich könnten mir vorstellen das sich auf Grund des unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der Reibschluss im Betrieb nicht mehr gegeben ist. Sprich für die Auslegung der Verbindung stelle ich eine Berechnung an und bekomme somit einen Drehmoment womit dieser Reibschluss halten sollte, im Betrieb jedoch, da sich die Temperatur ändert (Delta T 100C°), ändert sich Verhältnisse worauf die Verbindung sich lösen könnte. Ich habe keine Angabe gefunden wo steht, dass diese Berechnung ausschließlich für Stahl/ Stahl Kombinationen zulässig ist
Jetzt könnte ich ja die Alunabe bei der Montage schon erhitzen und auf die Kurbelwelle schrumpfen. Jetzt würde die Alunabe abkühlen und ich hätte Spannungen vom aufschrumpfen + die Vorspannung der Mutter. Wer sagt mir wie hoch und ob hier das Aluminium nicht unter der zu hohen Flächengrenzspannung wegfließt?
Vielleicht bin ich ja auf dem Holzweg und ich muss mir wegen der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten gar keinen Kopf machen, da die Mutter die Ausdehnung in axialer Richtung begrenzt und somit wieder ausgleicht.

Hat hiermit jemand Erfahrungen oder eine Idee wie man meinen Fragezeichen beseitigen kann? Wäre für Einfälle und Erfahrungen sehr dankbar!

Gruß Matt

#2

Nabend Matt

Also mit Formeln und Berechnungen kann ich nicht dienen aber aus der Praxis kann ich sagen, dass solche Kegelverbindungen sehr gut halten. Z.B. bei Kleinmotoren von Rasenmähern oder Kettensägen wird solch eine Verbindung oft zwischen Kurbelwelle und Schwungscheibe/Lüfterrad realisiert. Die Welle ist aus Stahl und das Lüfterrad aus Alu- oder Zinkguss sitzt mittels Kegelpassung auf der Welle, ist allerdings meist zusätzlich noch mit einem Keil verdrehsicher mit der Welle verbunden.
Wenn man versucht, das Lüfterrad von der Welle zu bekommen, stellt man recht schnell fest, das dies in der Regel nur mit einem Abzieher funktioniert. Die Verbindung ist also sehr fest, obwohl sich der Motor beim Betrieb sicherlich auf 100 Grad erwärmt.

Gruß, Jörg

#3

Hallo,
die Schrumpferei kannst Du weglassen indem Du die Mutter etwas weiter anziehst. Man sollte es nicht unnötig verkomplizieren.
Die möglichen Probleme / Spannungen hast Du ja schon erkannt. Die Grenzen musst Du aus den Werkstoffkennwerten Deiner Alu-Legierung ablesen, möglichst bei den entsprechenden Temperaturen, die auftreten können --> Fließgrenze besser nicht erreichen.
Freundliche Grüße
Thomas

#4

Hallo Matt

ich bin gerade dabei einen Wellen-Nabe-Verbindung mittels
einem Kegel (C=1:10) auszulegen.

Für was?

Wann, sollte das fertig dastehen?

Aus welchem Hintergrund ist diese Frage dieser Auslegung entstanden.

Aufgrund der Anforderung an den Leichtbau

Welche Anforderung?

Drehmomentübertragung durch nur Reibschluss ist äussert selten bei Konizität.
Weil es die Drehmomentübertragung nicht garantiert.
Bei Temperaturdifferenzen sowiso nicht.
Bei Temperaturdifferenzen wählt man das Passnutensystem, das dann nicht mehr auf ein Einschraubsystem angewiesen ist.
Bei solchen Problemen wähle ich eine Spannbüchse zylindrisch, und schon habe ich alles gelöst.

Nichts schrumpfen und dergleichen.
Kaufe eine Büchse, die entweder hydraulisch schraubbar oder schraubbar zumacht.
Das hängt von der Zugänglichkeit ab.

Die Nabe wird mit einer M10 Mutter aufgezogen.

Das kannst du doch noch auslegen.

Machst du eine Auslegung, oder ist eh alles schon gegeben?

Gruss

#5

Nabend Matt

Die Welle ist aus Stahl und das Lüfterrad aus Alu- oder Zinkguss sitzt
mittels Kegelpassung auf der Welle,

Die (und eine Menge) ich bisher zu sehen bekam haben aber da ein Stahlstück eingegossen.
Keine direkte Alu-Stahl Verbindung.
Der Keil hat da nur für die richtige Positionierung (wenn nötig) zu sorgen.
Reist auch sofort, wenn der Kegel nicht richtig angezogen ist.

Gruß, Jörg

Balázs

1 Like
#6

Hallo,
entweder Kegelpressverbindung oder Schrumpfsitz,
da sich die beiden Mechanismen beeinflussen

M.

#7

Erstmal Danke für deine Antwort! Auf deine Fragen kann ich leider nicht voll eingehen, da ich im Internet nicht zu viel preis geben möchte.
Ich kann dir aber sagen bezogen auf den Leichtbau versuchen wir jedes mögliche Gramm einzusparen.
Das Prinzip mit der Kegelverbindung wurde bei uns schon in der Vergangenheit eingesetzt. Es gab aber auch schon Probleme damit, wobei nicht sicher feststellt wurde, warum sich der Sitz gelöst hat. Deshalb versuche ich gerade das Prinzip zu hinterfragen um eventuel bei der neuen Auslegung nicht den gleichen Stiefel weiterzumachen nur weil man es bisher so gemacht wurde.
Passnutensystem ist wegen dem Spiel zwischen Passfeder und Nut problematisch, da es ständig wechselde Drehmoment und kurzzeitig hohe Beschleunigungen gibt.
Das mit der zylindrischen Spannbüchse finde ich interressant. Da muss ich mal nachforschen. Es gibt ja auch Kegelspannbüchsen über die hab ich auch schon nachgedacht.

#8

Das ist sehr interessant was du da schreibst. Im Rollof Matek steht, das bei Kegelverbindungen keine zusätzliche Passfeder einzusetzen ist, da sonst die Kegelverbindung nicht funktioniert.
Darüber hatte ich mit meinen Kollegen auch schon heftige Gespräche und schon die Aussage ich solle mein Buch worin das steht verbrennen.
Es scheint das Theorie und Praxis manchmal nicht so nahe zusammenliegen.
Positionierung und Verdrehsicher ist bei mir auch ein Thema. Aber gerade weil das im Roloff Matek steht bin ich etwas vorsichtig. Es wäre besser die Verbindung dreht sich um ein paar Zehntel als das sich der Verbund löst.
Weiß jemand genau wie das ist, ob sich der Konus nur beim Montieren sozusagen draufdrehen muss und dann bei fertiger Montage endgültig fest sitzt?

#9

Hallo Fragewurm,

Das Prinzip mit der Kegelverbindung wurde bei uns schon in der
Vergangenheit eingesetzt. Es gab aber auch schon Probleme
damit, wobei nicht sicher feststellt wurde, warum sich der
Sitz gelöst hat. Deshalb versuche ich gerade das Prinzip zu
hinterfragen um eventuel bei der neuen Auslegung nicht den
gleichen Stiefel weiterzumachen nur weil man es bisher so
gemacht wurde.

Wir haben also den Stahlkegel, darauf wird die Alu-Scheibe geschoben und eine Mutter fixiert das ganze.

Wenn wir jetzt vereinfachen und nur die Differenz der Temperaturkoeffizienten betrachten, dann dehnt sich nur das Alu aus.

Wenn das Alu-Teil auf eine zylindrische Welle gesteckt wird, dehnt es sich aus und das Loch wird grösser und die Scheibe dicker. Die Verbindung lockert sich.

Wird die Scheibe stumpf gegen die Welle gepresst, wird die Scheibe dicker und der Anpressdruck höher.

Wenn der Kegel zu steil ist, nimmt der Anpressdruck auch zu und wenn man Pech hat, weitet sich der Kegel im Alu und wenn alles abkühlt ist die Verbindung gelockert.

Du solltest also den Kegelwinkel so berechnen, dass die Verbindung konstante Kräfte erzeugt.

MfG Peter(TOO)

#10

Hi,

da gibt es mehrere Möglichkeiten:

  1. Verzichte auf den Kegel und flansche mit Dehnschrauben
  2. Verbinde mittels Reibschweißen die Nabe mit einem Stahlkern
  3. Verbinde Nabe und Welle mit Schrauben und Tellerfedern
  4. Verlagere die Gewichtsreduktion auf einen anderen Ort
  5. Wenn es erlaubt ist, so verbinde Nabe und Kurbelwelle mittels Reibschweißen als eine Einheit.

Zumindest stand in dem Artikel nichts bzgl. Austauschbarkeit.

Gruß vom Raben

#11

Das ist sehr interessant was du da schreibst.

Im Rollof Matek steht, das bei Kegelverbindungen keine zusätzliche Passfeder
einzusetzen ist, da sonst die Kegelverbindung nicht
funktioniert.

Quatsch mit Verlaub:smile:

Darüber hatte ich mit meinen Kollegen auch schon heftige
Gespräche und schon die Aussage ich solle mein Buch worin das
steht verbrennen.

Gute Idee.

Es scheint das Theorie und Praxis manchmal nicht so nahe
zusammenliegen.

Aber doch, dass, nichts ist praktischer als eine gute Theorie ist ja Binsenweisheit.

Positionierung und Verdrehsicher ist bei mir auch ein Thema.

Positionierung Ist ja wichtig z.B. beim Verbrennungsmotoren wegen dem Zündpunkt.
Und wenn noch in der Schwungscheibe Magneten sind ist eine richtige Positionierung ohne Keil (weil der warum auch immer abgeschert ist oder eben verloren ging) ist zwar auch machbar aber eine richtige Fummelei:smile:
Für die Verdrechsicherheit ist alleine der Konus verantwortlich.

Aber gerade weil das im Roloff Matek steht bin ich etwas
vorsichtig.

Nimm doch paar Motoren auseinander und ist dann die Sache mit deinem Buch Vergangenheit:smile:

Es wäre besser die Verbindung dreht sich um ein
paar Zehntel als das sich der Verbund löst.

Kann sie nicht, wenn der Kegel richtig dimensioniert ist.
Schon wenn sie aufeinander liegen kann die Reibkraft der Mutter die Position nicht mehr beeinflussen.
Und so ne Pipifaks zu dimensionieren können die Hersteller schon hundert Jahren im Schlaf mit oder ohne Keil.

Weiß jemand genau wie das ist, ob sich der Konus nur beim
Montieren sozusagen draufdrehen muss und dann bei fertiger
Montage endgültig fest sitzt?

Also Konus (ohne Gewinde, mit Gewinde gibt der ja auch:smile: drehen, dass der fest sitzt, ist ein wörklisch interessantes Ding:smile:)))
Dann gibt es nicht selbstsperende Konusverbindungen z.B beim Scheibenwischer die ohne Abzieher sich leicht lösen lassen aber da ist die Welle und auch ihr Gegenstück mit Ritzel versehen.
Ich habe unlängst für so einen Motor auch einen Innenkegel ohne Ritzel aus Alu angefertigt und einmal richtig angezogen und der sitzt bombenfest, perfekt.