Im Gegensatz zu den unten gezeigten Lego-Zahnrädern und -Wellen haben die meisten Motoren perfekt runde Wellen. Dies erschwert das Anbringen von Zahnrädern, Riemenscheiben und Kettenrädern.
Die Hauptmethoden zur Befestigung von Zahnrädern an Wellen sind Klebstoffe, Presspassung, Kreuzbohrungen, Kompression, Stellschrauben, Keilnuten, Evolventenverzahnungen und Taper-Lock-Buchsen. Bei den meisten industriellen Anwendungen kommen Keilnuten und/oder Stellschrauben zum Einsatz. Während Kleben und Pressen normalerweise bei Anwendungen mit geringem Drehmoment oder im Hobbybereich erfolgen.
Lassen Sie uns jede Methode untersuchen und die Vor- und Nachteile abwägen. Ich werde auch die Begriffe verwenden; Zahnräder, Riemenscheiben, Kettenräder und Nocken sind austauschbar, da sich dieser Artikel mit der Art und Weise befasst, wie das Gerät montiert wird, und nicht damit, was es tut.
Klebstoffe
Klebstoffe werden vor allem im Hobbybereich bei Kunststoffverzahnungen eingesetzt. Nicht nur, weil Kunststoffzahnräder kein großes Drehmoment bewältigen können, sondern auch, weil die Wellengrößen im Durchmesser klein bleiben.
Mit zunehmendem Schaftdurchmesser sind die relative Festigkeit der Klebeverbindung und die Schaftfestigkeit bei etwa 3/16″ (5 mm) gleich, wenn eine konservative Klebefestigkeit von 1000 psi (7 N/mm) und ein Schaft aus C1018-Stahl verwendet werden ( 54 ksi, 370 MPa).
Fazit: Bei kleinen Schächten ist die Verwendung von Klebstoffen eine gute Wahl
Wie bereits erwähnt, geben die meisten Klebstoffhersteller eine Überlappungsscherfestigkeit von mindestens 1000 psi an, einige sogar bis zu 3000+ psi. Ein Überlappungsschertest wird durchgeführt, indem zwei lange, dünne Stäbe mit Klebstoff über einer messbaren Fläche aneinander befestigt werden. Die Enden der Stäbe werden bis zum Bruch auseinandergezogen. Die Kraft wird durch die Fläche dividiert und das Ergebnis ist die Zugscherfestigkeit.
Normalerweise orientiere ich mich hier an der niedrigen angegebenen Scherfestigkeit, da viele Faktoren eine Rolle spielen, die die tatsächliche Festigkeit verringern können. Dazu gehören Oberflächenvorbereitung, Flächenauftrag, Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Bevor Sie den Kleber auftragen, müssen Sie die Oberflächen der Riemenscheibe und der Welle mit etwas Sandpapier (Körnung ~200 – 300) oder einer feinen Feile aufrauen. Dadurch entstehen kleine Kerben im Kleber, an denen er sich festhalten kann. Anschließend sollten Sie es mit einem Reinigungsmittel reinigen und entfetten und anschließend vollständig trocknen. Normalerweise verwende ich gerne Bremsenreiniger, weil ich ihn in der Nähe habe.
Um herauszufinden, ob Ihre Anwendung dem angewendeten Drehmoment standhält. Verwenden Sie die folgenden Formeln.
Dabei ist Fläche die Oberfläche zwischen Welle und Riemenscheibe, d der Wellendurchmesser, L die Überlappungslänge von Welle und Riemenscheibe, F die innere Scherkraft zwischen Welle und Riemenscheibe und Ssist die Scherfestigkeit des Klebstoffs und T ist das aufgebrachte (oder maximale Drehmoment).
Unter Verwendung einer durchschnittlichen Haftscherfestigkeit von 1000 psi, einem Durchmesser von 0,19 Zoll und einer Überlappungslänge von 0,38 Zoll können wir feststellen, dass unser maximales Drehmoment 43,1 in lb beträgt.
Die Verwendung der Klebemethode zum Verbinden einer Riemenscheibe mit einer Welle hat drei Hauptnachteile
Das Drehmoment wird wie bereits erwähnt durch den Durchmesser und die Haftfestigkeit begrenzt
Es besteht die Möglichkeit, Welle und Riemenscheibe außermittig und/oder senkrecht anzuordnen. Dies kann durch die Toleranz zwischen beiden minimiert werden, aber nicht so eng, dass Sie den gesamten Kleber abwischen würden.
Es gibt keine Möglichkeit, die Komponenten anzupassen oder auszutauschen, ohne dass eine oder beide Komponenten beschädigt werden könnten. Eine Anpassung ist wichtig und diese Methode ermöglicht dies überhaupt nicht.
Einpressen
Das Einpressen ist eine bewährte Methode zur Befestigung von Zahnrädern an Wellen. Es wird in der Eisenbahnindustrie eingesetzt, um Geld zu sparen, wenn Radbaugruppen verschleißen oder unrund werden.
Die Schweißkonstruktion des Hauptrades hat einen präzise bearbeiteten Durchmesser und wird anschließend von einem dünnen Band aus gehärtetem Stahl umschlossen. Das Band oder der „Reifen“ ist tatsächlich kleiner als die bearbeitete Oberfläche. Dadurch kann von Zeit zu Zeit das kostengünstige Band anstelle der gesamten Radbaugruppe ausgetauscht werden.
Das folgende Video zeigt, wie der Reifen durch Hitze vom Rad entfernt wird. Mit steigender Temperatur vergrößert sich der Durchmesser des Bandes. Das Rad (Innendurchmesser) bleibt ungefähr gleich groß, da es viel mehr Masse hat und Wärme schneller abstrahlt.
An diesem Punkt kann das Band abgehebelt und auf die gleiche Weise ein neues angebracht werden.
Da es keine mechanische Sperre gibt, basiert es zu 100 % auf Reibung und kann verrutschen. Das Messen und Bestimmen des Presssitzes ist schwierig und es müssen in der Regel Annahmen getroffen werden.
Dabei ist Pr der Druck zwischen den Oberflächen, δ der Grad der Presspassung, d der Wellendurchmesser und doist der Außendurchmesser der Nabe oder des Zahnrads, diist der Innendurchmesser der Welle (falls hohl), μ ist der Reibungskoeffizient zwischen den Materialien und E und ν sind der Elastizitätsmodul und die Poissonzahl der Materialien.
Zahnräder auf eine Welle pressen
Durch Erhitzen des Materials vergrößert sich der Durchmesser; Daher verringert sich der Grad der Presspassung δ. Dadurch lässt sich die Ausrüstung leichter an- und ausziehen, das Endergebnis bleibt jedoch das gleiche, sobald sie abgekühlt ist.
Wenn Sie dies zu Hause mit Kunststoffzahnrädern tun. Erhitzen Sie sie im Ofen auf etwa 175 bis 200 Grad (79 bis 93 Grad) und schieben Sie sie dann auf den Schaft.
Diese Methode ist anpassbar, aber nicht einfach, und Sie müssen möglicherweise mehrere Komponenten zerlegen, damit sie durch Hitze nicht zerstört werden.
Kreuzgebohrte Löcher
Das Bohren eines Lochs sowohl durch die Getriebenabe als auch durch die Welle ist eine gute Möglichkeit, viel Drehmoment zu erhalten. Es verhindert auch eine Überlastung der Welle, da der Stift bei zu hohem Drehmoment abschert (bricht). Es gibt drei Haupttypen von Stiften für diese Anwendung, die unten vom schwächsten zum stärksten aufgeführt sind.
Kreuzgebohrtes Loch mit Rollstift (Federstift).
Rollstifte (Feder- oder Schlitzstifte) – Dies sind flache Stangen, die in eine runde Form gerollt wurden. Sie neigen dazu, aufzuspringen (daher Federstifte), wodurch ein ausreichender Presssitz entsteht, damit der Stift nicht herausrutscht. Ich empfehle diese gegenüber den anderen beiden Optionen.
Scherstifte – Diese Stifte sind massiv und haben eine Kerbe in der Mitte, wo der Stift bei einer bestimmten Kraft versagen soll. Es ist wichtig, einen Stift zu bekommen, bei dem die Kerbe auf derselben Ebene wie der Schaftdurchmesser liegt.
Passstifte – Hierbei handelt es sich lediglich um hochfeste, massive Stifte. Wenn Ihr Loch zu groß ist, müssen Sie diese wahrscheinlich festkleben (auch Scherstifte). Wenn sich bei Ihrer Anwendung die Richtung oder Belastung ändert, kann dies dazu führen, dass der Kleber vorzeitig versagt und der Stift herausfällt.
Jeder der Stifte hat eine angegebene Bruchfestigkeit und Sie können den Durchmesser und den Typ anhand der folgenden Gleichungen auswählen. Fsist die Scherkraft, T ist das aufgebrachte Drehmoment und d ist der Wellendurchmesser.
Mit dieser Methode haben Sie viel Kapazität, um ein höheres Drehmoment zu verarbeiten, es ist jedoch immer noch keine Anpassung möglich, sobald das Loch gebohrt ist. Wenn Sie es zu oft vermasseln, wird der Schaft wie Schweizer Käse aussehen.
Ein großer Vorteil ist, dass fast jeder diesen Joint herstellen kann. Sie benötigen lediglich eine Bohrmaschine, Bohrer und einen Hammer.Ich empfehle, zuerst einen kleineren Durchmesser von 1/16 – 3/32 zu bohren und die Ausrichtung mit einem Zahnstocher zu überprüfen.Wenn es gut ist, bohren Sie es auf den gewünschten Durchmesser auf. Wenn nicht, drehen Sie es zu einem anderen Teil der Welle und versuchen Sie es erneut.
So befestigen Sie Zahnräder, Kettenräder und Riemenscheiben an Wellen
Geschrieben von Corey Rasmussen in Gears, Mechanical Design, zuletzt aktualisiert am 22. August 2024
Im Gegensatz zu den unten gezeigten Lego-Zahnrädern und -Wellen haben die meisten Motoren perfekt runde Wellen. Dies erschwert das Anbringen von Zahnrädern, Riemenscheiben und Kettenrädern.
Die Hauptmethoden zur Befestigung von Zahnrädern an Wellen sind Klebstoffe, Presspassung, Kreuzbohrungen, Kompression, Stellschrauben, Keilnuten, Evolventenverzahnungen und Taper-Lock-Buchsen. Bei den meisten industriellen Anwendungen kommen Keilnuten und/oder Stellschrauben zum Einsatz. Während Kleben und Pressen normalerweise bei Anwendungen mit geringem Drehmoment oder im Hobbybereich erfolgen.
Lassen Sie uns jede Methode untersuchen und die Vor- und Nachteile abwägen. Ich werde auch die Begriffe verwenden; Zahnräder, Riemenscheiben, Kettenräder und Nocken sind austauschbar, da sich dieser Artikel mit der Art und Weise befasst, wie das Gerät montiert wird, und nicht damit, was es tut.
Klebstoffe
Klebstoffe werden vor allem im Hobbybereich bei Kunststoffverzahnungen eingesetzt. Nicht nur, weil Kunststoffzahnräder kein großes Drehmoment bewältigen können, sondern auch, weil die Wellengrößen im Durchmesser klein bleiben.
Bild mit freundlicher Genehmigung von Creative Commons
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Mit zunehmendem Schaftdurchmesser sind die relative Festigkeit der Klebeverbindung und die Schaftfestigkeit bei etwa 3/16″ (5 mm) gleich, wenn eine konservative Klebefestigkeit von 1000 psi (7 N/mm) und ein Schaft aus C1018-Stahl verwendet werden ( 54 ksi, 370 MPa).
Fazit: Bei kleinen Schächten ist die Verwendung von Klebstoffen eine gute Wahl
Wie bereits erwähnt, geben die meisten Klebstoffhersteller eine Überlappungsscherfestigkeit von mindestens 1000 psi an, einige sogar bis zu 3000+ psi. Ein Überlappungsschertest wird durchgeführt, indem zwei lange, dünne Stäbe mit Klebstoff über einer messbaren Fläche aneinander befestigt werden. Die Enden der Stäbe werden bis zum Bruch auseinandergezogen. Die Kraft wird durch die Fläche dividiert und das Ergebnis ist die Zugscherfestigkeit.
Normalerweise orientiere ich mich hier an der niedrigen angegebenen Scherfestigkeit, da viele Faktoren eine Rolle spielen, die die tatsächliche Festigkeit verringern können. Dazu gehören Oberflächenvorbereitung, Flächenauftrag, Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
Bevor Sie den Kleber auftragen, müssen Sie die Oberflächen der Riemenscheibe und der Welle mit etwas Sandpapier (Körnung ~200 – 300) oder einer feinen Feile aufrauen. Dadurch entstehen kleine Kerben im Kleber, an denen er sich festhalten kann. Anschließend sollten Sie es mit einem Reinigungsmittel reinigen und entfetten und anschließend vollständig trocknen. Normalerweise verwende ich gerne Bremsenreiniger, weil ich ihn in der Nähe habe.
Um herauszufinden, ob Ihre Anwendung dem angewendeten Drehmoment standhält. Verwenden Sie die folgenden Formeln.
Dabei ist Fläche die Oberfläche zwischen Welle und Riemenscheibe, d der Wellendurchmesser, L die Überlappungslänge von Welle und Riemenscheibe, F die innere Scherkraft zwischen Welle und Riemenscheibe und Ssist die Scherfestigkeit des Klebstoffs und T ist das aufgebrachte (oder maximale Drehmoment).
Unter Verwendung einer durchschnittlichen Haftscherfestigkeit von 1000 psi, einem Durchmesser von 0,19 Zoll und einer Überlappungslänge von 0,38 Zoll können wir feststellen, dass unser maximales Drehmoment 43,1 in lb beträgt.
Die Verwendung der Klebemethode zum Verbinden einer Riemenscheibe mit einer Welle hat drei Hauptnachteile
Das Drehmoment wird wie bereits erwähnt durch den Durchmesser und die Haftfestigkeit begrenzt
Es besteht die Möglichkeit, Welle und Riemenscheibe außermittig und/oder senkrecht anzuordnen. Dies kann durch die Toleranz zwischen beiden minimiert werden, aber nicht so eng, dass Sie den gesamten Kleber abwischen würden.
Es gibt keine Möglichkeit, die Komponenten anzupassen oder auszutauschen, ohne dass eine oder beide Komponenten beschädigt werden könnten. Eine Anpassung ist wichtig und diese Methode ermöglicht dies überhaupt nicht.
Wellen zusammenfügen? Schauen Sie sich unseren Leitfaden zu Wellenkupplungen an.
Einpressen
Das Einpressen ist eine bewährte Methode zur Befestigung von Zahnrädern an Wellen. Es wird in der Eisenbahnindustrie eingesetzt, um Geld zu sparen, wenn Radbaugruppen verschleißen oder unrund werden.
Die Schweißkonstruktion des Hauptrades hat einen präzise bearbeiteten Durchmesser und wird anschließend von einem dünnen Band aus gehärtetem Stahl umschlossen. Das Band oder der „Reifen“ ist tatsächlich kleiner als die bearbeitete Oberfläche. Dadurch kann von Zeit zu Zeit das kostengünstige Band anstelle der gesamten Radbaugruppe ausgetauscht werden.
Das folgende Video zeigt, wie der Reifen durch Hitze vom Rad entfernt wird. Mit steigender Temperatur vergrößert sich der Durchmesser des Bandes. Das Rad (Innendurchmesser) bleibt ungefähr gleich groß, da es viel mehr Masse hat und Wärme schneller abstrahlt.
An diesem Punkt kann das Band abgehebelt und auf die gleiche Weise ein neues angebracht werden.
Da es keine mechanische Sperre gibt, basiert es zu 100 % auf Reibung und kann verrutschen. Das Messen und Bestimmen des Presssitzes ist schwierig und es müssen in der Regel Annahmen getroffen werden.
Super langsamKostenloser Online-Rechner für Wellenpressverbindungenoder Go Pro
Dabei ist Pr der Druck zwischen den Oberflächen, δ der Grad der Presspassung, d der Wellendurchmesser und doist der Außendurchmesser der Nabe oder des Zahnrads, diist der Innendurchmesser der Welle (falls hohl), μ ist der Reibungskoeffizient zwischen den Materialien und E und ν sind der Elastizitätsmodul und die Poissonzahl der Materialien.
Zahnräder auf eine Welle pressen
Durch Erhitzen des Materials vergrößert sich der Durchmesser; Daher verringert sich der Grad der Presspassung δ. Dadurch lässt sich die Ausrüstung leichter an- und ausziehen, das Endergebnis bleibt jedoch das gleiche, sobald sie abgekühlt ist.
Wenn Sie dies zu Hause mit Kunststoffzahnrädern tun. Erhitzen Sie sie im Ofen auf etwa 175 bis 200 Grad (79 bis 93 Grad) und schieben Sie sie dann auf den Schaft.
Diese Methode ist anpassbar, aber nicht einfach, und Sie müssen möglicherweise mehrere Komponenten zerlegen, damit sie durch Hitze nicht zerstört werden.
Kreuzgebohrte Löcher
Das Bohren eines Lochs sowohl durch die Getriebenabe als auch durch die Welle ist eine gute Möglichkeit, viel Drehmoment zu erhalten. Es verhindert auch eine Überlastung der Welle, da der Stift bei zu hohem Drehmoment abschert (bricht). Es gibt drei Haupttypen von Stiften für diese Anwendung, die unten vom schwächsten zum stärksten aufgeführt sind.
Kreuzgebohrtes Loch mit Rollstift (Federstift).
Rollstifte (Feder- oder Schlitzstifte) – Dies sind flache Stangen, die in eine runde Form gerollt wurden. Sie neigen dazu, aufzuspringen (daher Federstifte), wodurch ein ausreichender Presssitz entsteht, damit der Stift nicht herausrutscht. Ich empfehle diese gegenüber den anderen beiden Optionen.
Scherstifte – Diese Stifte sind massiv und haben eine Kerbe in der Mitte, wo der Stift bei einer bestimmten Kraft versagen soll. Es ist wichtig, einen Stift zu bekommen, bei dem die Kerbe auf derselben Ebene wie der Schaftdurchmesser liegt.
Passstifte – Hierbei handelt es sich lediglich um hochfeste, massive Stifte. Wenn Ihr Loch zu groß ist, müssen Sie diese wahrscheinlich festkleben (auch Scherstifte). Wenn sich bei Ihrer Anwendung die Richtung oder Belastung ändert, kann dies dazu führen, dass der Kleber vorzeitig versagt und der Stift herausfällt.
Jeder der Stifte hat eine angegebene Bruchfestigkeit und Sie können den Durchmesser und den Typ anhand der folgenden Gleichungen auswählen. Fsist die Scherkraft, T ist das aufgebrachte Drehmoment und d ist der Wellendurchmesser.
Mit dieser Methode haben Sie viel Kapazität, um ein höheres Drehmoment zu verarbeiten, es ist jedoch immer noch keine Anpassung möglich, sobald das Loch gebohrt ist. Wenn Sie es zu oft vermasseln, wird der Schaft wie Schweizer Käse aussehen.
Ein großer Vorteil ist, dass fast jeder diesen Joint herstellen kann. Sie benötigen lediglich eine Bohrmaschine, Bohrer und einen Hammer.Ich empfehle, zuerst einen kleineren Durchmesser von 1/16 – 3/32 zu bohren und die Ausrichtung mit einem Zahnstocher zu überprüfen.Wenn es gut ist, bohren Sie es auf den gewünschten Durchmesser auf. Wenn nicht, drehen Sie es zu einem anderen Teil der Welle und versuchen Sie es erneut.
KompressionHubs
Obwohl es sich nicht um eine übliche Methode zur Befestigung von Zahnrädern an Wellen handelt, ist sie verfügbar. Sobald das Zahnrad über die Welle geschoben wird, wird die Stellschraube festgezogen und die Reibung überträgt das Drehmoment. Durch ölige Wellen oder die Verwendung von Anti-Seize kann der Koeffizient unbeabsichtigt reduziert werden. Bei dieser Methode ist es am besten, unterschiedliche Metalle zu verwenden.
Aufgrund der Kosten für die Herstellung der Reliefs in den Bauteilen ist diese Methode in den meisten Fällen unerschwinglich.
Vermeiden Sie einfach diese Art von Verbindung!
Stellschrauben
Die Befestigungsmethode (nur mit Stellschraube) an einer Welle ist bei Synchronriemenscheiben, Zahnrädern und Kettenrädern weit verbreitet.
Es ist schwierig zu bestimmen, welches Drehmoment man aus einer solchen Kupplung herausholen kann. Das Ergebnis kann aufgrund des Reibungskoeffizienten, des aufgebrachten Drehmoments, der Schmierung der Gewinde und des Typs der Stellschraube stark variieren. Die Grundgleichung lautet wie folgt:
Dabei ist T das Ausgangsdrehmoment, μ der Reibungskoeffizient, F die Normalkraft einer Stellschraube und d der Schraubendurchmesser.
Die meisten Leute ziehen die Stellschraube einfach so fest wie möglich an. Solange die Riemenscheibe nicht durch zu hohes Drehmoment durchrutscht, ist alles in Ordnung. Wenn dies jedoch der Fall ist, entsteht schnell eine Rille im Schaft. Dadurch wird Ihr Schaftdurchmesser kleiner; Dadurch verringert sich das maximal erreichbare Drehmoment.
Der Hauptvorteil besteht darin, dass diese Methode zu 100 % in Bezug auf die Drehung der Welle und entlang ihrer Länge einstellbar ist. Im Allgemeinen ist diese Methode nur für Schaftgrößen von 1/2″ (13 mm) oder weniger verfügbar.
Keilnuten
Für die meisten Industrieanwendungen sind Wellen mit Passfeder der Standard.Bei weitem jede handelsübliche Ausrüstung ist in verschiedenen Bohrungsgrößen mit Schlüsselschlitzen erhältlich. Sie können sie auch mit unfertigen Bohrungen kaufen und bei Bedarf Ihre eigene Keilnut schneiden.
Achten Sie bei der Auswahl der Bohrungsgröße darauf, dass Sie keine zu große Welle für das Getriebe wählen. Kürzlich hatte ich ein System, das ein Kettenrad mit 10-Zähnen auf einer 1-Zoll-Welle verwendete. Das System hatte beim Start einige Druckspitzen und brach das Kettenrad tatsächlich in zwei Hälften.
Dies war so einfach möglich, weil das Material zwischen der Außenseite der Nabe und der Keilnut nur 1/8 Zoll dick war. Durch Hinzufügen eines Zahns konnten wir diese Dicke auf ¼ verdoppeln eine bessere Wahl sein (dazu später mehr).
Die meisten Zahnräder werden mit nur einer oder zwei Stellschrauben am Verrutschen auf der Welle gehindert. Im Allgemeinen befindet sich eine Schraube auf der Passfeder und die andere steht im 90-Grad-Winkel dazu und drückt gegen die Welle. Bei Stirnrädern ist dies ausreichend, bei Schrägverzahnungen muss jedoch ein stärker formschlüssiger Eingriff an der Welle vorhanden sein, um der Seitenlast Rechnung zu tragen. Mögliche Lösungen sind Axiallager, Kegelrollenlager oder Sprengringe.
