BKN1 Skript Kapitel3.3.Spannelemente
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
1
Definition
Spannelementverbindungen
Der Passfugendruck wird durch die Klemm-, Spreiz- oder Kipphebelwirkung der eingesetzten Elemente erzeugt. Der Übertagungsmechanismus und das Passbeanspruchungsverhalten in Welle und Nabe gehorchen den gleichen Gesetzen wie bei Pressverbindungen.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Definition
Spannelementverbindungen
Vorteile:• Einfache Montage • Wiederholteile• Keine so hohe Genauigkeit erforderlich
Nachteile:• Zusatzelemente platzaufwändig und teuer• Übertragungsfähigkeit durch Zusatzelemente begrenzt
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
3
Ringfeder Spannelemente
Spannelementverbindungen
Die Vorspannung beruht auf dem Ineinanderschieben zweier geschlossener oder geschlitzter Ringe. Die Aufweitung der Ringe führt zum Passfugendruck.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
4
Ringfeder Spannelemente
Spannelementverbindungen
Die Vorspannung beruht auf dem Ineinanderschieben zweier geschlossener oder geschlitzter Ringe. Die Aufweitung der Ringe führt zum Passfugendruck.
μ
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
5
Ringfeder Spannelemente
Spannelementverbindungen
Spannen
0
⋅ tan ⋅ tan
⋅ ⋅ ⋅
S ⋅ tan
tan 2 tan
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Ringfeder Spannelemente
Spannelementverbindungen
Lösen
0
⋅ tan ⋅ tan
⋅ ⋅
S ⋅ tan
tan 2 tan
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Ringfeder Spannelemente
Spannelementverbindungen
d.h., wennSelbstlösend tan 2 tan ∶Indifferent tan 2 tan ∶ 0Selbsthemmend tan 2 tan ∶
Für die praktische Anwendung ist besonders der indifferente Fall interessant. D.h. für die Reibpaarung Stahl/Stahl mit
0,15;tan 2 tan 2 0,3 ⇒ 15°42′.Vorteil ist leichte Lösbarkeit. Durch geringfügiges verringern des Reibwertes kann durch/nach Wegnahme von die Verbindung gelöst werden.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Ringfeder Spannelemente
Spannelementverbindungen
Erweiterung auf mehrere Elemente
Bei Aufbringen von am Element 1 entstehen die Spreizkräfte und , und es wird eine Axialkraft an das Element 2 weitergegeben. Vereinfachung: ;
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Ringfeder Spannelemente
Spannelementverbindungen
0 (Gleichgewicht am 1. Element)2 ⋅ 0
⋅ 2 ,zusätzlich
⋅ 1
ist die Axialkraft für das zweite Element, für das die Rechnung in gleicher Weise ablaufen würde, so dass man sofort angeben kann
.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
10
Ringfeder Spannelemente
Spannelementverbindungen
Allgemein erhält man die an das n-te Element angreifende Axialkraft
⋅ .
Axialkräfte nehmen mit zunehmender Zahl der Elemente geometrisch ab (geometrische Reihe).
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Ringfeder Spannelemente
Spannelementverbindungen
Mit den Axialkräften nehmen auch die Flächenpressungen
⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅
⋅ ⋅ ⋅ ⋅
nach einer geometrischen Reihe ab. Für das übertragbare Drehmoment des n-ten Ringpaares
⋅ ⋅ 2 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ .
Das Gesamtdrehmoment ergibt sich als Summe der Einzelwerte der Ringe ⋅ ⋅ ⋅ ∑ ⋅ ⋅ ⋅ .
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
12
Ringfeder Spannelemente
Spannelementverbindungen
Für 16°42 ⇒ tan 0,30,15
⋅ ⋅ ,, ,
,,
⋅ ⋅ 0,5 1 0,5
Mehr als 3, evtl. 4 Elemente sinnlos.
,, ,
0,5
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Ringfeder Spannelemente
Spannelementverbindungen
Die Berechnung der Wellen- und Nabenspannungen erfolgt genau wie beim Schrumpfverband über die Flächenpressung der Elemente. Die Spannungen im ungeschlitzen Ringen selbst können ebenso berechnet werden, wenn man die Ringe als (allerdings sehr dünne) Nabe auffasst. Dabei muss beachtet werden, dass aufgrund von Fertigungstoleranzen und wegen der Montage der Ring zunächst eine Verformung erfährt, um überhaupt zur Anlage zu kommen. Um diese Zusatzbeanspruchung klein zu halten, müssen die vorgeschriebenen Toleranzen eingehalten werden. ⇒ Meist geschlitzte Ringe, dann fast Spannungslos.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Anordnung der Elemente
Spannelementverbindungen
Die Anordnung der Elemente ist so zu wählen, dass mit wachsender Flächenpressung die Schubspannung sinkt, d.h. die Vergleichsspannung 3 etwa konstant bleibt.Die Zulässigen Spannungen können ähnlich wie bei den Schrumpfverbindungen bei an die Streckgrenze der Werkstoffe gewählt werden. Überschlägig hieraus: 0,8 , aber Vorsicht bei GG-Naben.Die Dauerfestigkeit hängt auch von der Oberfläche der Wellen und Naben ab. Empfehlenswert ist eine Feinbearbeitung mit
0,1…0,3 .
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Anordnung der Elemente
Spannelementverbindungen
Bei Wechselverbindungen sollten die Oberflächen gehärtet sein. Nach dem ersten Einlaufen zeigen Spannelemente infolge Oberflächenverformung ein lockern. ⇒ NachziehenDie Spannelement-Befestigung kann wellenseitig oder nabenseitig* verspannt sein. *besserSpannelement nicht als Anschlag oder Zentrierring verwenden!• Zwischenhülse bei langen Wellen• Elemente nicht als Abstandsringe verwenden
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Beispiele für Kegelspannsysteme
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Weitere Spannelementverbindungen
Spannelementverbindungen
Neben dem Kegelringprinzip kann der Passfugendruck durch elastische Verformung oder hydrostatischen Druck innerhalb eines Spannelementes aufgebracht werden.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Zug- und Druckhülsen
Spannelementverbindungen
Durch axiales Zusammendrücken entsteht eine radiale Verformung und Wellung der Hülse. Derartige Hülsen sind auch für Zentrierungen geeignet.
Erforderliche Toleranzen: H7-Bohrung, h6-Welle
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Zug- und Druckhülsen
Spannelementverbindungen
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Sternscheiben
Spannelementverbindungen
Sternscheiben sind flachkegelige, sehr elastische Ringscheiben aus Federstahl, die bei Axialverformung ihre Durchmesser verändern.Passungen: Bohrung H7-H9 Welle h7-h9Wegen einfacher montierbarkeit und zentrierfähigkeit werden Sternscheiben häufig als Spannfutter eingesetzt.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Sternscheiben
Spannelementverbindungen
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Toleranzringe/Wellspannhülsen
Spannelementverbindungen
Durch elastische Verformung eines am Umfang gewellten, nicht geschlossenen Ringes entstehen beim Aufschieben diskrete Druckspitzen.• Keine Zentrierung• Toleranzfunktion, aber IT 8 erforderlich
Anwendung für z.B. Handkurbeln, Drehknöpfe, Wälzlager etc.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Toleranzringe/Wellspannhülsen
Spannelementverbindungen
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Hydraulisch betätigtes Spannelement (ETP-Spannbüchse)
Spannelementverbindungen
Der Druck wird in einer doppelwandigen Büchse mittels Kolben- und Spannschrauben aufgebracht. Über der Verbindungslänge ist ein gleichmäßiger Passfugendruck möglich. • Begrenzt zentrierfähig• Schnell demontierbar• Temperaturbegrenzung 80° wg. unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Druckmedium und Spannbuchse
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Hydraulisch betätigtes Spannelement (ETP-Spannbüchse)
Spannelementverbindungen
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Klemmverbindung
Spannelementverbindungen
Die Klemmkräfte erzeugen eine über dem Umfang ungleichmäßig verteilte Flächenpressung. Wegen der Unsicherheit in Flächenpressung und Reibungszahl werden Klemmverbindungen nur bei relativ kleinen und möglichst nicht dynamischen Belastungen angewandt.
Vorteil:• Justiermöglichkeit (axial und radial)
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Klemmverbindung
Spannelementverbindungen
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
28
Klemmverbindung
Spannelementverbindungen
Die Tragfähigkeitsberechnung erfolgt über das Kräftegleichgewicht bei der Annahme einer Biegesteifen Nabe.
⋅ 2 ⋅
⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ;
Zur Berechnung der Fugenpressung kann ähnlich wie bei Stift-verbindungen ein „Lochleibungsdruck“ ⋅
⋅errechnet
werden.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Klemmverbindung
Spannelementverbindungen
Erforderliche Haftsicherheit 1,8…2Sollsicherheit für Flächenpressung 1,5…2Nachweis wie bei Pressverbindungen.Bei ungeteilten Verbindungen empfiehlt es sich, zur Erhöhung der Kontaktkraft den Schlitz weiterzuführen.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
30
Keilverbindungen
Spannelementverbindungen
Im Gegensatz zur Passfederverbindung ist die Keilverbindung eine Reibschlussverbindung, bei der die Normalkraft durch Eintreiben über eine Keilfläche erzeugt wird.Die Berechnung ist wegen der Unsicherheiten im Reibwert und Axialkraft (Eintreiben mit dem Hammer!) nur überschlägig möglich.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Keilverbindungen
Spannelementverbindungen
Bei genormter Neigung 1: 100und 0,1Kann man rechnen:
5 ⋅
T ⋅
Oft wird Rutschen in Kauf genommen und nach den Grundlagen für Passfedern gerechnet.
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Keilverbindungen
Spannelementverbindungen
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Keilverbindungen
Spannelementverbindungen
Vorteile:• Leichte Montage
Nachteile• Exzentrisch ⇒ Unwucht• Hohe KerbwirkungenHinweis: Niemals Mischung aus Form- und Reibschluss konstruieren, weil: • Reibschluss hohe Kräfte bewirkt• Formschluss hohe Kerbwirkung aufweist
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Kapitel 3: Verbindungen und Verbindungselemente
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Keilverbindungen
Spannelementverbindungen