Keilwellenführung: Typen, Normen & Materialien

Keilwellen sind grundlegende mechanische Komponenten, die zur Übertragung von Drehmoment zwischen einer Welle und einer Nabe (oder einem Zahnrad) verwendet werden, während sie eine relative axiale Bewegung ermöglichen oder eine präzise Winkelposition gewährleisten. Sie sind im Wesentlichen eine Weiterentwicklung von Nut und Feder und bieten deutlich höhere Festigkeit, bessere Ausrichtung und eine ausgewogenere Lastverteilung aufgrund der mehreren, integral gefertigten Keile (Keilzähne), die mit entsprechenden Innenkeilnuten an der Nabe zusammenpassen. Das Verständnis der verschiedenen Typen, standardisierten Abmessungen und geeigneten Materialien für Keilwellen ist unerlässlich für die Konstruktion robuster und effizienter Kraftübertragungssysteme in Branchen wie Automobil, Schwermaschinen, Luft- und Raumfahrt und Werkzeugmaschinen.

Arten von Keilwellenprofilen

Die Geometrie des Keilprofils ist das bestimmende Merkmal, das seine Tragfähigkeit, Ausrichtungseigenschaften und Eignung für verschiedene Anwendungen bestimmt. Die Haupttypen von Keilwellenprofilen sind:

1. Parallelkeilwellen (geradseitige Keilwellen):

Dies sind die ältesten und einfachsten Typen. Die Keilzähne sind gleichmäßig auf dem Wellenumfang verteilt und haben gerade Seiten, die parallel zur Achse der Welle verlaufen. Sie übertragen das Drehmoment über die Seiten der Keile.

• Vorteile: Einfach herzustellen (oft durch Fräsen oder Wälzfräsen) und relativ einfach zu messen. Sie ermöglichen eine axiale Bewegung unter Last.

• Nachteile: Die Lastverteilung ist oft ungleichmäßig und konzentriert die Spannung an den Ecken. Sie können unter Spiel (Lose) leiden und sind nicht ideal für Anwendungen mit sehr hohem Drehmoment, bei denen eine präzise Zentrierung erforderlich ist.

2. Verzahnungskeilwellen:

Verzahnungen ähneln Parallelkeilwellen, haben aber typischerweise eine flachere, feinere Zahnteilung und sind nicht für axiale Bewegung unter Last vorgesehen. Sie werden hauptsächlich für semipermanente Verbindungen oder dort verwendet, wo die Nabe starr an der Welle befestigt werden muss. Sie werden oft durch eine große Anzahl von Zähnen definiert.

• Vorteile: Bieten eine hochpräzise Zentrierungswirkung und ausgezeichnete Steifigkeit für statische Verbindungen.

3. Evolventenkeilwellen:

Dies ist der gebräuchlichste und robusteste Keilwellentyp, der die Evolventenkurve verwendet – dasselbe Profil, das für Zahnradzähne verwendet wird. Das Evolventenprofil ermöglicht eine viel bessere Lastverteilung und sorgt für eine selbstzentrierende Wirkung. Das Drehmoment wird über die Flanken der Evolventenzähne übertragen.

• Vorteile: Hohe Festigkeit und Haltbarkeit aufgrund einer günstigen Spannungsverteilung. Sie bieten eine ausgezeichnete Zentrierungswirkung, die Radiallasten und Vibrationen minimiert. Der Herstellungsprozess (Wälzfräsen, Stoßen oder Walzen) ist aufgrund seiner Ähnlichkeit mit der Zahnradherstellung stark standardisiert. Sie können für Gleitbedingungen (axiale Bewegung) oder feste Bedingungen hergestellt werden.

• Nachteile: Aufwändiger in der Herstellung und Messung als geradseitige Keilwellen.

Keilwellenstandards

Um Austauschbarkeit und gleichbleibende Leistung zu gewährleisten, werden die Abmessungen von Keilwellen durch mehrere wichtige internationale und nationale Standards geregelt. Diese Standards definieren die kritischen Abmessungen, Toleranzen und Passungsanforderungen.

1. ANSI B92.1 (American National Standards Institute):

Dies ist der dominierende Standard in Nordamerika für Evolventenkeilwellen. Er deckt die Geometrie sowohl von Flachfuß- als auch von Hohlkeilwellen (der Radius am Zahnfuß) ab. Er legt die Beziehung zwischen dem Teilkreisdurchmesser, dem Eingriffswinkel (typischerweise $30^{circ}$, $37,5^{circ}$ oder $45^{circ}$) und der Anzahl der Zähne fest. Der Standard definiert auch vier verschiedene Passungsarten (Klasse 1, 2, 3 und 4), die von enger Gleit- bis zu Presspassungen reichen, basierend auf Toleranzzulagen.

2. DIN 5480 (Deutsches Institut für Normung):

Der primäre europäische Standard für Evolventenkeilwellen, DIN 5480, ist sehr umfassend und wird weltweit häufig verwendet, oft bevorzugt wegen seiner detaillierten Spezifikationen und engen Toleranzen. Er verwendet ein Modulsystem (ähnlich metrischen Zahnrädern), um die Größe zu definieren, und ist besonders streng bei der Definition der Flankentoleranzen, die sich direkt auf das Spiel und die Passungsqualität auswirken.

3. ISO 4156 (Internationale Organisation für Normung):

Dieser Standard soll die verschiedenen nationalen Standards für geradseitige und Evolventenkeilwellen harmonisieren und eine weltweit anerkannte Reihe von Spezifikationen für die Austauschbarkeit bereitstellen, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf der zylindrischen Passung für Evolventenkeilwellen liegt.

4. SAE J499 (Society of Automotive Engineers):

Dieser Standard konzentriert sich speziell auf Parallelkeilwellen und definiert Abmessungen und Toleranzen, die häufig in Automobil- und Schwermaschinenanwendungen verwendet werden, bei denen Einfachheit und Robustheit Priorität haben.

Diese Standards liefern die Blaupause für den gesamten Herstellungsprozess, von der Auswahl des richtigen Wälzfräsers oder Stoßmessers bis zur Definition der Gut/Schlecht Lehren, die in der Qualitätskontrolle verwendet werden. Die Passung wird durch die Spielzulage und die Haupt- und Nebendurchmesserpassungen bestimmt, die zusammen sicherstellen, dass die Keilwelle wie vorgesehen funktioniert, egal ob sie reibungslos gleiten oder starr fixiert bleiben muss.

Keilwellenmaterialien

Die Materialauswahl für eine Keilwelle wird durch die Anforderungen der Anwendung an Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit und gelegentlich Korrosionsbeständigkeit bestimmt. Da Keilwellen Drehmomentüberträger sind, unterliegen sie hohen Torsionsspannungen, Biegespannungen und Flankenpressungen.

1. Kohlenstoffarme Stähle (z. B. AISI 1018, 8620):

Diese werden oft verwendet, wenn die Welle nach der Bearbeitung einsatzgehärtet (aufgekohlt) wird. Das Aufkohlen erzeugt eine harte, verschleißfeste Oberfläche (hohe Randschichthärte) und behält gleichzeitig einen zähen, stoßabsorbierenden Kern (geringe Kernhärte). Dies ist die Standardauswahl für Automatikgetriebewellen in großen Stückzahlen.

2. Mittelkohlenstoffstähle (z. B. AISI 4140, 4340):

Diese Stähle bieten eine hohe Kernfestigkeit und eignen sich hervorragend für Wellen, die eine größere Gesamtzähigkeit und hohe Ermüdungsfestigkeit erfordern. Sie werden typischerweise vergütet (wärmebehandelt), um ein gewünschtes Gleichgewicht zwischen Härte und Duktilität zu erreichen. 4140 ist eine gängige, vielseitige Wahl, während 4340 aufgrund seiner überlegenen Härtbarkeit und Festigkeit extremen Hochbeanspruchungsanwendungen vorbehalten ist.

3. Edelstahl (z. B. AISI 300er und 400er Serien):

Wird in korrosiven Umgebungen verwendet, z. B. in Marine- oder Lebensmittelverarbeitungsanlagen. Die 400er-Serie (wie 416) wird oft verwendet, wenn sowohl Korrosionsbeständigkeit als auch moderate Festigkeit benötigt werden, da sie wärmebehandelt werden können, um die Härte zu erhöhen.

4. Werkzeugstähle (z. B. D2, H13):

Diese werden selten für die Welle selbst verwendet, können aber für hochbeanspruchte Komponenten in Spezialmaschinen ausgewählt werden, bei denen extreme Verschleißfestigkeit und Dimensionsstabilität von größter Bedeutung sind, oft in Kaltarbeits- oder Hochtemperaturumgebungen.

Die Fertigungsreihenfolge ist entscheidend: Das Wellenmaterial wird typischerweise auf seine nahezu endgültigen Abmessungen bearbeitet, die Keilzähne werden geschnitten (gewalzt, gestoßen oder gerollt), und dann wird die Komponente wärmebehandelt, um das endgültige erforderliche Härte- und Festigkeitsprofil zu erreichen. Präzisionsschleifen kann nach der Wärmebehandlung erfolgen, um Verformungen zu korrigieren und die endgültigen, präzisen Maßtoleranzen zu erreichen, insbesondere am Teilkreisdurchmesser, der die kritischste Abmessung für die ordnungsgemäße Keilwellenfunktion ist. Die Wahl des Materials und der Wärmebehandlung bestimmt letztendlich die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der gesamten Kraftübertragungseinheit.