Getriebebau: Wellenfedern und Sicherungsringe optimal einsetzen

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Wellenfedern und Sicherungsringe erfüllen viele Funktionen im Getriebebau. Verschiedene Designmerkmale erschließen Optimierungspotenzial.

• Bei der Konstruktion von Getrieben können Wellenfedern und Sicherungsringe nicht nur den Bauraum reduzieren helfen, sondern auch kinematisch-funktionelle Verbesserungen bewirken.

• Hersteller und Systemzulieferer der Antriebstechnik können hier beispielsweise die Flachdraht-Produkte des US-amerikanischen Herstellers Smalley verwenden, die in Deutschland von TFC angeboten werden.

• Die Designmerkmale dieser Lösungen können weiteres Optimierungspotenzial im Getriebebau erschließen.

Sie gleichen Toleranzen aus, erlauben die Drehzahlerhöhung von Wellen, setzen Wälzlager unter Vorspannung, halten Zahnräder in Position oder reduzieren Unwuchten ­– diese und viele weitere Aufgaben erfüllen die Wellenfedern und Sicherungsringe von Smalley heute im Getriebebau. Über diese Vorteile auf funktionell-kinematischen Gebiet hinaus aber punkten die beiden C-Teile-Produkte des US-amerikanischen Multi-Tier-Zulieferers vor allem damit: Da sie aus gewalztem Flachdraht bestehen und außerdem über einige sehr typische Designmerkmale verfügen, ebnen sie den Weg für konstruktive Vereinfachungen und Bauraum-Reduzierungen. Sie bieten den Ingenieuren und Konstrukteuren im Getriebebau also die Chance, sich mit relativ einfachen Mitteln ein großes Optimierungspotenzial zu erschließen. Das gilt sowohl für die Entwicklung mächtiger Aggregate für den Maschinen- und Anlagenbau als auch für die Realisierung mittelgroßer Automobil- und kompakter E-Bike-Getriebe.

Getriebebau: Kleiner, leichter, effizienter

Die Wellenfedern und Sicherungsringe von Smalley gehören zum Lieferprogramm des weltweit tätigen und auch in Deutschland präsenten Unternehmens TFC, einem Zulieferer von C-Teilen und Federelementen. Dabei ist es im Bereich der Wellenfedern insbesondere die Crest-to-Crest-Serie, die für den Getriebebau von wachsendem Interesse ist. Die mehrlagigen Wellenfedern dieses Typs zeichnen sich durch ein Design aus, bei dem sich die Hoch- und Tiefpunkte der gewellten Flachdrahtspirale mit hoher geometrischer Präzision an ihren Maxima berühren. Daraus ergibt sich ein Vorteil: Im direkten Vergleich mit konventionellen Runddrahtfedern und bei gleichem Federweg und gleicher Belastbarkeit beanspruchen die Crest-to-Crest-Wellenfedern bis zu 50 Prozent weniger axialen Bauraum. Das ermöglicht den Getriebebauern beispielweise die Realisierung kompakter Vorspannungslösungen mit kleinen Hubwegen und platzsparenden Konstruktionen für den axialen Ausgleich von Toleranzen und Toleranzketten. Da solche Bauraum-Reduzierungen in der Regel einhergehen mit einem geringeren Materialeinsatz, sinkt auch das Gewicht der Getriebe, was in letzter Konsequenz der Umsetzung ressourcenschonender Leichtbau-Konstruktionen zugute kommt.

Weitere Beispiele für den Einsatz von Wellenfedern in Getriebebau und Antriebstechnik sind der Ausgleich von temperaturbedingten Ausdehnungen, die Realisierung von schwimmenden Konstruktionen sowie Kolbenventil-Einstellungen und mechanischen Gegendrucksystemen (Schalthebel u. a.). Dabei sind es neben den Crest-to-Crest-Federn häufig auch die einlagigen Wellenfedern oder – wenn höhere Kräfte gefragt sind – die Spirawave-Wellenfedern, bei denen die Flachdrahtspirale aus mehreren parallelen und direkt aufeinander liegenden Lagen besteht.

Auf dem Weg zum idealen Kreis

Alle Smalley-Wellenfedern im Portfolio von TFC werden in einer Technik hergestellt, die in Fachkreisen als No-Tooling-Cost- oder Circulair-Grain-Verfahren bekannt ist. Mit dem Ziel, einen nahezu idealen Kreis zu fertigen, wird bei dieser Kantenwindungstechnologie ein gewalzter Flachdraht ­über eine hohe Kante geführt. Smalley hat diese Methode über Jahrzehnte weiterentwickelt, so dass sich damit inzwischen Federn aus verschiedenen Werkstoffen und mit winzigen Durchmessern herstellen lassen. Crest-to-Crest-Wellenfedern etwa sind mittlerweile in vielen Größen lieferbar – in metrischen und Zoll-Maßen. Als Sonderlösung gibt es sie sogar mit nur 4,0 mm Durchmesser. Davon könnten insbesondere jene Getriebebauer oder Systemzulieferer profitieren, die auf sehr kompakte Aggregate spezialisiert sind – etwa für E-Mobility-Anwendungen.

Das No-Tooling-Cost- oder Circular-Grain-Verfahren nutzt Smalley auch für die Produktion seiner Spirolox-Sicherungsringe, die sich ebenfalls in vielen Konstruktionen des Getriebebaus finden. Diese Flachdrahtringe werden aus gewalzten Edelstahl-, Federstahl-, Titan- oder Sonderlegierungs-Werkstoffen gefertigt, liegen in ein- oder mehrlagigen Varianten vor und zeichnen sich im Vergleich zu gestanzten Sicherungsringen (DIN 471/472) durch ein wichtiges Leistungsmerkmal aus: Sie haben keine vorstehenden Nasen oder Ösen, keine Bohrungen und – je nach Ausführung ­– auch keinen Spalt. Daher schließen sie rundum bündig ab und eignen sich für das Design raumoptimierter Konstruktionen, bei denen es auf jedes Zehntel weniger ankommt.

Sicher bis 17'000 U/min

Ab Lager stehen die Spirolox-Sicherungsringe in 6'000 Ausführungen mit Durchmessern von 6,0 bis 400 mm (1/4“ bis 16“) zur Verfügung. Dabei haben die Kunden die Wahl zwischen Schnapp-, Hoopster- und Flachdraht-Wellenringen mit Ein- und Mehrfach-Windungen. Alle Varianten lassen sich mit konventionellen Schraubendrehern setzen und entfernen. Für den Einsatz dieser Sicherungsringe in Getriebe und Antriebstechnik gibt es eine Vielzahl aktueller Beispiele. Sie dienen unter anderem zur Lagerfixierung auf Wellen, als Sicherungselemente in Zahnradgruppen oder als Rutschkupplungen. Wenn der radiale Bauraum stark begrenzt ist oder wenn rotierende Komponenten nur minimale Unwuchten aufweisen dürfen, greifen viele Getriebebauer ebenfalls zu den Sicherungsringen von Smalley und TFC. In der ösenfreien Ausführung werden sie zudem zur Sicherung von langsamen und schnelldrehenden Antriebswellen verwendet. Dabei eignen sie sich – je nach Typ und Variante – serienmäßig für Umdrehungen von bis zu 8'000 U/min. Im Rahmen der Neuentwicklung von e-Drive-Lösungen wurden allerdings inzwischen auch Spirolox-Sicherungsringe für bis zu 17'000 U/min realisiert.

Autor: Julius Moselweiß, Freier Fachjournalist, Darmstadt

Weitere Informationen: https://www.smalley.com/de und https://www.tfc.eu.com/

Bild oben: Einsatz einer mehrlagigen Crest-to-Crest-Wellenfeder von Smalley/TFC zur Zahnkranz-Lagerung. Bildquelle: TFC/Smalley

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