Was ist eine Passfederverbindung | Welle-Naben-Verbindung | Berechnung | Methode C | Dimensionierung

In diesem Video betrachten wir die Passfederverbindung etwas genauer. Die Passfederverbindung gehört zu den Welle-Nabe-Verbindungen (Mitnehmerverbindungen). Die Passfederverbindung wird z.B. in Getrieben eingesetzt, um Zahnräder mit der Getriebewelle zu verbinden und Drehmomente zu übertragen. Als Nabe wird jenes Bauteil bezeichnet, das drehfest mit der Welle verbunden werden soll (z.B. Zahnrad, Riemenscheiben, Kupplungsscheiben, Schwungräder, Lüfterräder oder Bremsscheiben sein.

Die Kraftübertragung zwischen Welle und Nabe erfolgt über die Passfeder. Sie wird in eine in die Welle eingefräste axiale Nut eingelegt und ragt einige Millimeter aus der Welle heraus. In der Zahnradnabe selbst befindet sich ebenfalls eine axiale Nut, so dass das Zahnrad über die Welle und die Passfeder geschoben werden kann. Die Kraft kann nun formschlüssig von der Welle über die Passfeder auf die Nabe übertragen werden.

Da es sich bei der Passfederverbindung um eine lösbare Verbindung handelt, können die Bauteile leicht montiert und demontiert werden. Die axiale Verschiebbarkeit kann auch gezielt erwünscht sein (z.B. Schiebekupplung). Man spricht dann auch von einem Gleitsitz und die Passfeder wird als Gleitfeder bezeichnet.

Nachteilig kann jedoch die Querschnittsschwächung der Welle durch die eingearbeiteten Nuten sein. Außerdem verursachen die Nuten in Nabe und Welle Kerbwirkungen, die zu erhöhten Spannungsspitzen führen. Außerdem muss die Passfederverbindung im Gegensatz zu einer reinen Pressverbindung in axialer Richtung gesichert werden, sofern eine Verschiebbarkeit nicht erwünscht ist, was den konstruktiven Aufwand für die Verwendung eines Sicherungsringes oder einer Nutmutter erhöht.

Außerdem kann durch Toleranzen zwischen Passfeder, Welle und Nabe ein geringes Spiel entstehen. Dies kann bei wechselnden Belastungen im Laufe der Zeit zu einem Ausschlagen der Nuten führen. Eine exakte Mitnahme der Nabe durch die Welle ist dann nicht mehr möglich. Außerdem kommt es durch die mikroskopische Relativbewegung zwischen Welle und Nabe dann mit der Zeit zu sogenanntem Passungsrost oder Reibrost. Auch dies führt mit der Zeit zu einer Materialschwächung.

Für die Auslegung von Passfederverbindungen unterscheidet die DIN 6892 insgesamt 3 Methoden. Die Methode A ist die aufwendigste und befasst sich mit dem Festigkeitsnachweis der Welle, der Passfeder und der Nabe unter realen Bedingungen durch ein realitätsnahes Experiment oder durch umfangreiche numerische Berechnungsverfahren wie zum Beispiel die Finite-Elemente-Methode. Für die Berechnungsmethode A schreibt die Norm keine konkrete Vorgehensweise vor.

Die Berechnungsmethode B ist weniger komplex und das Verfahren ist standardisiert. Die Methode B berücksichtigt insbesondere die Flächenpressung zwischen der Passfeder und der Nut in der Nabe sowie der Nut in der Welle. Diesem Verfahren liegt die Annahme zugrunde, dass das wesentliche Versagenskriterium für die Passfederverbindung die zulässige Flächenpressung zwischen Wellennut und Passfeder beziehungsweise zwischen Passfeder und Nabennut ist. Dennoch muss bei der Methode B der Festigkeitsnachweis für die Welle gemäß dem Nennspannungskonzept durchgeführt werden. Die Methode B berücksichtigt zudem stoßartige Belastungen, Lastrichtungswechsel, Lastspitzenhäufigkeiten, Reibschlussfaktoren, inhomogene Lastverteilung über die Passfederlänge sowie Stütz und Härteeinflussfaktoren.

Für die überschlägige Auslegung von Passfederverbindungen gibt es noch die Berechnungsmethode C. Auch dieser Methode liegt die Annahme zugrunde, dass die Flächenpressung das entscheidende Versagenskriterium der Passfederverbindung ist. Vereinfachend wird dabei von einer konstanten Flächenpressung über die gesamte Passfederlänge und Passfederhöhe ausgegangen.

Die Berechnungsmethode C kann nur angewendet werden, wenn sich die Richtung des Drehmoments nicht ändert. Auch wenn die Länge der Passfeder mehr als das 1,3-fache des Wellendurchmessers beträgt, darf die Methode C nicht angewendet werden, da sich Welle, Passfeder und Nabe dann zu stark verformen und die Flächenpressung nicht mehr über die gesamte Passfederlänge konstant ist.

00:00 Welle-Naben-Verbindung
01:03 Wie funktioniert eine Passfederverbindung
02:04 Vorteile Passfederverbindungen
02:47 Nachteile von Passfederverbindungen
03:52 Fester Sitz der Passfeder
04:59 Leichter Sitz der Passfeder
05:40 Gleitsitz der Passfeder
06:35 Konstruktive Beachtung: Abgesetzte Nabe
08:12 Berechnungsmethoden A,B und C
10:25 Kraftübertragung
11:47 Bestimmung der Presskraft aus dem Drehmoment
13:19 Bestimmung der tragenden Höhe der Passfeder (Kontaktfläche)
15:00 Bestimmung der tragenden Länge der Passfeder (Kontaktfläche)
16:15 Berechnung der Flächenpressung
17:34 Nutmutter
19:28 Beispiel zur Berechnung der erforderlichen Passfeder
22:24 Verwendung von 2 Passfedern (Tragfaktor)