Welle-Nabe-Verbindungen

Eine Nabe ist der Teil eines Bauteils, der auf der Welle sitzt – die Bohrung mitsamt dem umgebenden Material, zum Beispiel die Nabe eines Zahnrads oder einer Riemenscheibe. Die Welle-Nabe-Verbindung hat zwei Aufgaben: Sie soll das Drehmoment zwischen Welle und Nabe übertragen, und sie soll die Nabe in axialer Richtung sichern, damit sie nicht von der Welle wandert.

Für die Drehmomentübertragung gibt es drei grundlegend verschiedene Wirkprinzipien. Beim Formschluss greifen die Bauteile mechanisch ineinander. Eine Passfeder etwa liegt in einer Nut und blockiert die Verdrehung wie ein Riegel. Die Kraft wird über Flächen übertragen, die sich gegenseitig im Weg stehen.

Beim Kraftschluss – genauer Reibschluss – hält die Verbindung allein durch Reibung. Die Nabe wird so fest auf die Welle gepresst, dass die Haftreibung zwischen den Flächen das Drehmoment überträgt. Es gibt keine Nut, keinen Stift, nichts greift ineinander.

Beim Stoffschluss sind die Teile dauerhaft verbunden, etwa durch Kleben, Löten oder Schweißen. Diese Verbindung ist nicht mehr zerstörungsfrei lösbar und spielt bei klassischen Welle-Nabe-Verbindungen eine Nebenrolle.

Ein zweites Ordnungsmerkmal ist die Lösbarkeit. Manche Verbindungen lassen sich beliebig oft trennen und wieder zusammenbauen (lösbar), andere nur mit Aufwand oder unter Beschädigung von Teilen (bedingt lösbar), und manche gar nicht zerstörungsfrei (unlösbar).

Bevor wir die einzelnen Verbindungen durchgehen, brauchen wir zwei Größen, die in fast jeder Auslegung auftauchen: die Umfangskraft und die Flächenpressung.

Ein Drehmoment wirkt nicht direkt auf eine Passfeder oder einen Stift – diese spüren eine Kraft. Der Zusammenhang läuft über den Hebelarm, und der ist hier der Wellenradius. Das Drehmoment ist Umfangskraft mal Hebelarm, also T = F_u · d/2. Stellt man das nach der Umfangskraft um, ergibt sich aus dem zu übertragenden Drehmoment und dem Wellendurchmesser die Kraft, die am Wellenumfang tatsächlich auf das verbindende Element drückt.

Achtung auf die Einheiten: Wird das Drehmoment in Newtonmeter angegeben, muss es für diese Formel in Newtonmillimeter umgerechnet werden (1 Nm = 1000 Nmm), damit das Ergebnis mit Durchmessern in Millimeter zusammenpasst.

Die zweite Größe ist die Flächenpressung. Sie beschreibt, wie stark eine Kraft auf eine Berührungsfläche drückt – Kraft geteilt durch die Fläche, auf der sie wirkt.

Die Flächenpressung ist die zentrale Auslegungsgröße bei formschlüssigen Verbindungen. Wird sie zu groß, gibt das weichere Bauteil nach: Die Nut quetscht sich auf, die Passfeder gräbt sich ein, die Verbindung wird unbrauchbar. Deshalb vergleicht man die berechnete Pressung immer mit einer zulässigen Flächenpressung, die vom Werkstoff der Nabe und von der Belastungsart abhängt.

Die Passfeder ist die mit Abstand häufigste Welle-Nabe-Verbindung. Sie ist ein quaderförmiges Stahlteil, das zur Hälfte in einer Nut der Welle liegt und mit der anderen Hälfte in eine Nut der Nabe ragt. Dreht sich die Welle, schiebt die Passfederflanke gegen die Nabennut und nimmt die Nabe mit. Es ist eine rein formschlüssige Verbindung.

Der Keil sieht der Passfeder ähnlich, hat aber einen entscheidenden Unterschied: einen Anzug. Seine obere Fläche ist leicht geneigt, typisch um 1:100. Beim Eintreiben verkeilt er sich zwischen Welle und Nabe und presst die Nabe gegen die Welle. Damit ist der Keil zugleich formschlüssig (er liegt in den Nuten) und kraftschlüssig (er erzeugt eine Pressung). Wegen des flachen Anzugs ist er selbsthemmend und sitzt auch ohne zusätzliche Sicherung fest.

Genau dieser Anzug ist aber auch das Problem. Weil der Keil die Nabe einseitig anhebt, sitzt sie nicht mehr exakt zentrisch auf der Welle. Es entsteht ein Rundlauffehler. Bei höheren Drehzahlen oder Präzisionsanwendungen ist es untragbar. Aus diesem Grund ist der Längskeil im modernen Maschinenbau weitgehend von der Passfeder verdrängt worden.

Ein Stift ist ein einfaches, meist zylindrisches oder kegeliges Bauteil, das durch eine Bohrung quer durch Welle und Nabe gesteckt wird. Stiftverbindungen sind günstig, schnell montiert und übernehmen zwei Aufgaben: Sie sichern Bauteile gegen Verdrehen oder Verschieben, und sie können kleinere Drehmomente übertragen.

Bei der Drehmomentübertragung wird ein Querstift auf Abscherung belastet. Weil der Stift an zwei Stellen geschnitten würde – links und rechts der Welle –, spricht man von zweischnittiger Belastung.

Genau das vermeiden die kraftschlüssigen Verbindungen. Sie übertragen das Drehmoment allein über Reibung zwischen Nabe und Welle – ohne Materialschwächung, dafür auf größere Pressung angewiesen. Beispiele sind Klemmverbindungen, Spannsätze und der Pressverband.

Es gibt nicht die eine beste Welle-Nabe-Verbindung. Welche passt, ergibt sich aus dem Anwendungsfall. Als grobe Faustregel: Für den Standardfall mit mittlerem, eher ruhigem Moment ist die Passfeder die naheliegende, kostengünstige Wahl. Bei Wechsellast, hohem Moment oder Präzisionsanforderung lohnt der Griff zum Spannsatz oder zur Keilwelle.