Auswahl von Sicherungsringen

Aug 23, 2023

Ingenieure stehen täglich vor der Herausforderung, wirtschaftliche Produktdesigns zu entwickeln, die Gewicht, Größe, Rohstoffe und Arbeitsaufwand reduzieren. Dieser Wettbewerbsauftrag wirkt sich auf alle Designaspekte aus, einschließlich der Befestigungselemente, die zum Fixieren der Komponenten erforderlich sind.

Eine Art von gewindelosem Befestigungselement, das zur Erreichung dieser Ziele häufig verwendet wird, ist der Sicherungsring. Dieser kreisförmige Befestigungsring wird in einer Nut installiert, um Komponenten auf einer Welle oder in einer Bohrung zu halten. Es hält Zahnräder, Nocken und Riemenscheiben auf Wellen und hält Lager, Ventile, Düsen und Schlösser in Gehäusen. Zu wissen, welcher Sicherungsring in einer bestimmten Befestigungssituation verwendet werden soll, kann erheblich zur Gesamteffektivität und Wirtschaftlichkeit einer Konstruktion beitragen.

So wie eine Schraube ein korrektes Gewindeloch benötigt, benötigt ein Sicherungsring richtig geschnittene Nuten, um die beste Leistung zu gewährleisten. Beide Nutwände sollten parallel und senkrecht zur Achse der Welle oder des Gehäuses sein.

Die Rillentiefe sollte den Spezifikationen entsprechen, da die Tiefe und die Rillenbodenradien bestimmen, wie viel Unterstützung die tragende Rillenwand bietet. Der Randrand, also der Abstand der Nut vom Ende der Welle oder des Gehäuses, muss so berechnet werden, dass ausreichend Material vorhanden ist, um auch bei maximaler Belastung einer Scherung standzuhalten.

Da Sicherungsringe am häufigsten aufgrund von Durchbiegung versagen, ist es wichtig zu verstehen, wie sich unterschiedliche Bedingungen auf die Schubkraft auswirken. Teile mit scharfen Ecken sorgen für einen idealen Kontakt mit dem vorstehenden Teil des Rings und somit für die beste Lastaufnahme.

Teile mit einem Radius oder einer Fase beeinträchtigen die Schubkapazität. Wenn eine Last auf den gehaltenen Teil ausgeübt wird, der den Ring an seiner Außenkante berührt, erzeugt er eine Hebelwirkung gegen die belastete Nutwand. Dies kann bei extremer Belastung zu einer Durchbiegung des Ringes und letztlich zum Versagen führen. Wenn diese Bedingungen vorliegen – und dies sollte vor Abschluss der Konstruktion sorgfältig untersucht werden – kann es sinnvoll sein, einen verstärkten Sicherungsring zu verwenden.

Ebenso wichtig für die richtige Nutvorbereitung ist die Auswahl der Ringtypen, die für bestimmte Belastungsbedingungen am besten geeignet sind. Während viele Ringarten gemeinsame Designmerkmale aufweisen, weist jeder seine eigenen Besonderheiten auf, die in Bezug auf das individuelle Design berücksichtigt werden müssen.

Wenn beispielsweise die Belastungsbedingungen einen maximalen Nuteingriff erfordern, sind Basisringe die beste Wahl. Wenn die Belastung jedoch nicht kritisch ist, aber der Vorsprung der Laschen der Basisringe ein Überschneidungsproblem darstellt – oder wenn eine gleichmäßig hervorstehende höhere Schulter von Bedeutung ist – sollten umgekehrte Ringe bevorzugt werden. Solche Ringe werden üblicherweise in Anwendungen mit geringer Tragfähigkeit verwendet, bei denen die Ästhetik im Vordergrund steht. Grund- und Umkehrringe sind hinsichtlich der Nutabmessungen austauschbar.

Bei schwerer Belastung ist der verstärkte Ring aufgrund seiner größeren Querschnittshöhe, Laschenform und Dicke besser als der Basisring. Dieser Ring kann auch Fälle von Ermüdungsversagen beheben.

Auch radial eingebaute Ringe variieren. Der halbmondförmige C-Ring wird bevorzugt, wenn der Platz knapp ist und die Lasten nicht sehr schwer sind. Dieser Ringtyp ist außerdem manipulationssicherer.

Der E-Ring, ein C-Ring mit Kerben auf jeder Seite eines unteren Mittelstücks, ist ideal für große Schultern. Ein verstärkter E-Ring eignet sich am besten für Anwendungen, die durch hohe Vibrationen, Geschwindigkeiten und zyklische Belastungen gekennzeichnet sind.

Der verstärkte Ring ist mit dem E-Ring austauschbar, greift jedoch mit drei- bis fünfmal größerer Radialkraft in den Nutboden und weist eine größere Beständigkeit gegen Ermüdungsbruch auf. In den meisten Fällen ist sein Außendurchmesser oder seine Schulter größer als der des E-Rings, was ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist. Alle drei Ausführungen sind in Kartuschen mit Klebeband zur Montage mit Spendern und Applikatoren erhältlich.

Sicherungsringe können verwendet werden, um aufgelaufene Toleranzen oder Verschleiß in der Baugruppe auszugleichen und um Druck auf die gehaltenen Teile auszuüben. Die meisten Sicherungsringe bestehen aus Federmaterialien und werden wärmebehandelt, um ihre Elastizität zu bewahren.

Gebogene Ringe können unter Druck abgeflacht werden und kehren auf ihre eingestellte Höhe zurück, wenn der Druck nachlässt. Wenn der Ring teilweise oder vollständig abgeflacht ist, übt er ähnlich wie eine Feder einen Gegendruck aus und gleicht das Endspiel aus.

Gebogene Ringe erzeugen eine Druckkraft, um Rattern und Vibrationen zu reduzieren. Die Kompression variiert je nach Anwendung. Flachere Ringe deuten darauf hin, dass die zurückgehaltenen Teile etwas länger waren und sich die Ringe diesem Zustand angepasst haben. Aufgrund ihrer Elastizität folgen gebogene Ringe jeder axialen Bewegung des gehaltenen Teils innerhalb der Grenzen der gebogenen Höhe. Allerdings ist die Präzisionsbelastung nicht das einzige Designziel für ihren Einsatz.

Einige Sicherungsringe kombinieren die Merkmale der radialen Montage mit der Axialspielausgleichung. Beispielsweise kann ein einfacher E-Ring über seine horizontale Achse gebogen und von der Seite des Schafts in die Nut geschoben werden. Dadurch wird axialer Druck auf das festgehaltene Teil ausgeübt.

Abgeschrägte Ringe dienen im Wesentlichen demselben Zweck, funktionieren jedoch nach einem anderen Prinzip. Ingenieure nutzen die Federeigenschaften des Rings, allerdings in der Ebene des Rings. Der Innenring hat entlang des Außenumfangs eine 15-Grad-Fase; den Außenring entlang der Innenkante. Das Rillenprofil entspricht dem des Rings, wobei die abgeschrägte Wand die Last trägt. Auch hier ist die Berechnung der Rillenlage von größter Bedeutung.

Der minimale Nuteingriff liegt dann vor, wenn der Ring mindestens auf halber Nuttiefe sitzt. Der Innenring wird auf weniger als seinen freien Durchmesser zusammengedrückt, während der Außenring auf mehr als seinen freien Durchmesser gespreizt wird. Die Federeigenschaften der Ringe bewirken, dass sich der innere Typ öffnet und der äußere Typ vollständiger schließt, wobei jeweils axialer Druck auf den gehaltenen Teil ausgeübt wird.

Die Nutposition muss präzise sein, um ein vollständiges Aufsitzen des Rings in der Nut zu verhindern. Der Ring fungiert als Keil zwischen der Nutwand und dem Teil, das er starr verriegelt. Diese Baugruppe atmet sozusagen nicht, wie es bei einem gebogenen Ring der Fall wäre, der sich unter Last durchbiegen kann.

Die abgeschrägte Kante des Rings bewegt sich entlang der abgeschrägten Nutwand, um das Endspiel weiter auszugleichen, bis sie möglicherweise die Position des maximalen Nuteingriffs erreicht. Dann kann es auch unter Last nicht nachgeben.

Gebogene Ringe bieten eine größere Axialspielaufnahme als abgeschrägte Käfige, die bei Anwendungen mit hohen Drehzahlen ebenfalls nicht gut funktionieren. Abgeschrägte Halter bieten jedoch eine starre Endspielaufnahme und sollten bei zyklischen Belastungen in Betracht gezogen werden.

Selbstsichernde Sicherungsringe werden auf Wellen ohne Nuten verwendet und sind standardmäßig in verstärkter Aufsteck- und Griffausführung erhältlich. Diese einfachen Kreisringe haben einen flachen Rand, halten mäßigen statischen Belastungen stand und werden aufgrund ihres relativ kleinen Außendurchmessers häufig verwendet.

Verstärkte kreisförmige selbstsichernde Ringe haben einen gebogenen Rand und halten größeren Lasten stand, selbst wenn leichte Vibrationen vorhanden sind. Sie haben jedoch einen größeren Außendurchmesser. Beide Arten von selbstsichernden Ringen funktionieren nach dem gleichen Prinzip: Die Zinken widerstehen dem Gegendruck, indem sie sich leicht in den Schaft eingraben, sodass sich die Befestigungselemente nur in eine Richtung bewegen können. Selbstsichernde Ringe sollten auf ungehärteten oder weichen Wellen verwendet werden und müssen in den meisten Fällen zum Entfernen zerstört werden.

Ein selbstsichernder Ring kann in beide Richtungen bewegt und seine Position nach der Installation angepasst werden, indem eine Sicherungsringzange verwendet wird, die in die Laschenlöcher passt. Diese Art von Ring kann immer wieder verwendet werden und eignet sich daher besser für Anwendungen, bei denen Komponenten zur Reparatur oder Wartung möglicherweise zerlegt werden müssen.

Eine Variante des Halterings ist die Wellenfeder, bei der es sich um einen Spiralring mit axialer Wellenform handelt. Es gibt ihn in Single- und Multiturn-Ausführung und besteht aus Flachdraht.

Single-Turn-Federn ersetzen oft gestanzte Wellenscheiben. Zu den Anwendungen gehören Lagervorspannung, Verbindungs- und Fluiddichtungen sowie Geräusch- und Vibrationsdämpfung. Wellenfedern mit mehreren Windungen ersetzen normalerweise Schraubenfedern oder Tellerfederpakete und werden in mechanischen Dichtungen sowie Kraftübertragungs- und Fluidtechniksystemen verwendet.

Der Hauptvorteil von Wellenfedern ist ihr hervorragendes Verhältnis von Kraft zu Arbeitshöhe. Gut konstruierte Wellenfedern können die gleichen oder sogar größere Kräfte erzeugen als Schraubenfedern, deren Arbeitshöhe bis zu doppelt so hoch ist.

Wellenfedern erzeugen eine konstante Kraft über einen großen Auslenkungsbereich und ihre Auslenkungskurven haben einen breiteren, flacheren linearen Kraftbereich als Spiral- oder Tellerfedern. Da Wellenfedern außerdem Federkräfte nur in der vorgesehenen axialen Richtung übertragen, unterliegen sie nicht der Torsionsbelastung und Verdrehung, die herkömmliche Schraubenfedern weniger wirksam machen können.

Betrachten Sie einige Beispiele, bei denen diese Funktion besonders nützlich ist:

Angelrollen. Die gleichmäßige Federkraft ermöglicht einen reibungslosen Betrieb der Rolle und verhindert Widerstand. Im Gegensatz dazu beginnen Schraubenfedern zunächst linear und ebnen sich dann am Ende der Widerstandskurve, was bedeutet, dass die letzten 30 Prozent der Widerstandseinstellungen nicht möglich sind. Die Verwendung einer Wellenfeder bietet eine feinere Kontrolle mit einer lineareren Kurve – was zu einem gleichmäßigeren Luftwiderstand und einer besseren Leistung führt.

Zahnradsätze. Innerhalb eines Getriebesatzes ermöglicht der Einsatz einer Wellenfeder lineare Anpassungen über den gesamten Kraftbereich. Im Gegensatz dazu ermöglichen Schraubenfederkonstruktionen nur feine lineare Anpassungen am Anfang des Kraftbereichs.

Rutschkupplungen. Beim Einsatz einer Rutschkupplung zur Verlängerung der Lebensdauer anderer Maschinenkomponenten ist es entscheidend, dass die Kupplung schnell auf der Grundlage voreingestellter Drehmomentwerte reagiert. Da Wellenfedern extrem feine lineare Einstellungen ermöglichen, kann die Rutschkupplung so eingestellt werden, dass sie sofort einrastet, sobald das angegebene Drehmoment erreicht ist.

Durchflussventile/Sicherheitsventile. Durchflussventile und Sicherheitsventile müssen bei vordefinierten Druckpunkten zuverlässig und wiederholbar öffnen. Wellenfedern machen dies möglich, indem sie feine und genaue lineare Einstellungen ermöglichen.

Schnellanschlüsse. Bajonettverbinder und andere Schnellverbinder müssen sich mit voreingestellten, sicherheitskritischen Drehmomentwerten öffnen. In diesen Konstruktionen können Wellenfedern verwendet werden, um genaue lineare Einstellungen zu ermöglichen, die ein vorzeitiges Öffnen solcher Steckverbinder verhindern.

Wellenfedern bieten Montagevorteile, da viele von ihnen in der Lage sind, sich selbst in Bohrlöchern oder auf Wellen zu positionieren. Außerdem sparen die Federn erheblich axialen Bauraum. Bei statischen Anwendungen benötigt eine Wellenfeder typischerweise nur 50 Prozent der Arbeitshöhe einer Schraubenfeder, um eine entsprechende Kraft zu liefern. Bei dynamischen Anwendungen beträgt der Arbeitshöhenvorteil typischerweise etwa 30 Prozent.

Der Grund für den Unterschied liegt in der Wellenfederkonstruktion mit mehreren Windungen. Um die Biegespannungen bei dynamischen Anwendungen zu minimieren, benötigt die Wellenfeder typischerweise mehr Windungen als bei statischen Anwendungen. Und mehr Drehungen führen zu zusätzlicher Arbeitshöhe.

Abhängig von ihrer Auslenkung weisen Federelemente typischerweise ein konsistentes lineares und nichtlineares Kraftverhalten auf. Dieses lineare Verhalten lässt sich an der Kraft-Weg-Kurve der Feder grafisch darstellen.

Generell gilt: Je breiter und flacher der lineare Bereich der Kurve, desto einfacher ist es, bestimmte Anforderungen an die Federkraft zu erfüllen. Wellenfedern sind in dieser Hinsicht klar im Vorteil. Sie weisen typischerweise eine lineare Kraftablenkung zwischen 30 und 70 Prozent auf. Eine vorhersehbare Federkraft ermöglicht es dem Dichtungskonstrukteur, einen Ausgleich zwischen übermäßigem Verschleiß aufgrund einer zu hohen Vorspannung und Undichtigkeiten aufgrund einer zu niedrigen Vorspannung zu finden. Bei Gleitringdichtungen werden beispielsweise Wellfedern erfolgreich zur Vorspannung der Dichtflächen eingesetzt.

Ein Nebeneffekt der vorhersehbaren Kraft sind Maßtoleranzen für die Hohlräume und Wellen, die die Federelemente halten. Diese Toleranzen sind häufig auf die Notwendigkeit zurückzuführen, die Kraft-zu-Arbeitshöhen-Anforderungen der Feder zu erfüllen.

Durch die Spezifikation von Wellenfedern, die über einen Bereich von Auslenkungen eine relativ konstante Kraft erzeugen, ist es häufig möglich, Maßtoleranzen an Federhohlräumen und Wellen zu lockern. Diese Fähigkeit stellt einen großen, aber oft übersehenen Kostenfaktor zugunsten von Wellenfedern dar.

Immer wenn eine Schraubenfeder auf ihre Arbeitshöhe zusammengedrückt wird, wirken die Belastungen torsional und in der Kompressionsachse. Diese Torsionsbelastungen können dazu führen, dass sich die vorgespannte Komponente im Betrieb dreht, was möglicherweise zu übermäßigem Verschleiß führt und die Arbeitslast der Feder verringert.

Bei Wellenfedern tritt dieses Problem nicht auf. Ihre Wellenformen können sich nur axial zusammendrücken, teilweise verändern sie dabei ihren Durchmesser geringfügig.

Im Vergleich zu einer herkömmlichen Tellerfeder bieten Wellenfedern mit mehreren Windungen einen weitaus größeren Federweg. Eine einzelne Wellenfeder mit mehreren Windungen kann problemlos die Baugruppen ersetzen, die mehrere Tellerfedern verwenden, um den erforderlichen Federweg zu erreichen.

Die meisten Anwendungen erfordern relativ kurze Verfahrwege, normalerweise weniger als 1 Millimeter. Einige Anbieter haben jedoch Wellenfedern mit mehreren Windungen entwickelt, die einen Federweg von bis zu 50 Millimetern bieten.

Durch den Austausch einer gestapelten Tellerfederbaugruppe durch eine Wellenfeder kann ein Ingenieur Geld sparen und die Produktqualität verbessern. Der Einbau einer einzelnen Feder ist nicht nur kostengünstiger als der der gestapelten Tellerfedern. Dadurch verringert sich auch die Wahrscheinlichkeit, dass die falsche Anzahl an Tellerfedern in eine fertige Baugruppe gelangt.

Die Steifigkeit der Wellenfeder wird durch die Materialstärke und -art sowie die Anzahl der Wellen pro Federwindung bestimmt. Ein Ingenieur kann die erforderliche Steifigkeit leicht einstellen, indem er die Anzahl der Wellen pro Windung mithilfe bekannter Konstruktionsformeln optimiert.

Eine Erhöhung der Anzahl der Wellen pro Windung hat Einfluss auf die freie Höhe und den komprimierten Durchmesser der Wellenfeder. Insbesondere erhöhen mehr Windungen die Hysterese, da mit jeder Welle eine gewisse Reibung verbunden ist.

Alle diese Effekte können jedoch leicht ausgeglichen werden. Freie Höhe und Durchmesser können bei der Konstruktion berücksichtigt werden und Hysterese kann durch Voreinstellung der Wellenfeder eliminiert werden; das heißt, es wird über mehrere Zyklen auf seine Arbeitshöhe komprimiert.

Für gestanzte Produkte sind Werkzeuge erforderlich, Wellenfedern können jedoch im Handumdrehen angepasst werden, indem die Parameter der Wickelausrüstung geändert werden. Diese Möglichkeit ermöglicht es Ingenieuren, kundenspezifische Wellenfedern zu spezifizieren, ohne sich Gedanken über Kosten oder Verzögerungen machen zu müssen, die mit kundenspezifischen Werkzeugen verbunden sind. Diese Fähigkeit ist ein weiterer Kostenfaktor, der für Wellfedern spricht.

Was auch immer die Befestigungsanforderungen sind, Ingenieure können einen Sicherungsring finden, der diese Anforderungen erfüllt. Die Herausforderung besteht darin, das richtige System zu finden, das den Spezifikationen entspricht und die erwarteten Einsparungen bietet. Die sorgfältige Betrachtung der oben beschriebenen Ringe ist ein solider erster Schritt zum Erreichen dieses Ziels.

Von Elmar Kampmann, Technischer Vertriebsleiter, Rotor Clip Inc.

Enorme axiale Belastungen führen regelmäßig dazu, dass sich die Getriebelager von Windkraftanlagen in mehrere Richtungen bewegen. Dies führt zu Lagerringverschleiß und Metallabrieb, was zum Lagerausfall führt. Sicherungsringe können verwendet werden, um die Lager zu sichern und alle anderen Drehbewegungen innerhalb des Getriebes zu verhindern.

Ein häufiger Grund für Lagerbewegungen ist, dass sie relativ locker in der Bohrung sitzen. Diese Situation gewährleistet eine einfache Montage großer Komponenten, die typischerweise für Windkraftanlagen verwendet werden, und gleicht mögliche thermische Radialausdehnungen während des Getriebebetriebs aus. Es ermöglicht jedoch auch Drehbewegungen des Lagers, da keine ausreichende Reibung zwischen dem Außenring des Lagers und der Gehäuseoberfläche besteht. Dadurch führt der axiale Kontakt des Halterings mit dem Lager zu einer Drehbewegung des Rings, was zu einem Ausfall führt.

Eine andere Art von Bewegung ist ein rotierendes Zahnrad und ein Ring. Da die axiale Reibung zwischen Zahnrad und Ring größer ist als die radiale Belastung des Rings und die Reibung zwischen ihm und der Nut, dreht sich der Ring.

Rotationsbewegungen können auch durch hohe dynamische Torsionsbelastungen in axialer Richtung verursacht werden. Wenn Komponenten in einem Turbinengetriebe durch einen Sicherungsring fixiert werden und dynamische Axiallasten eingeleitet werden, dreht sich der Ring in der Nut. Dies wird nicht durch die Drehung eines festgehaltenen Bauteils verursacht, sondern durch die auf den Ring ausgeübten Belastungen.

Glücklicherweise lässt sich jede dieser Bewegungsherausforderungen mit dem richtigen Sicherungsring lösen; Dadurch wird die Lagerlebensdauer verlängert und die Turbinenleistung verbessert.

Für lose sitzende Lager wird eine eingängige Wellenfeder mit einer bestimmten Axiallast empfohlen. Die Wellenfeder erzeugt eine präzise Belastung, um ein zerstörungsfreies Kraftniveau zu gewährleisten. Dieser Vorgang wiederum verhindert die Rotationstendenz des Außenrings und des Halterings.

Eine alternative Lösung sind Wellensicherungsringe mit einer oder zwei Windungen. Durch die Kombination eines Standard-Sicherungsrings mit einer Wellenfeder halten und spannen sie den Außenring des Lagers vor.

Bewegungen aufgrund eines rotierenden Zahnrads und Rings können mit einem modifizierten Haltering, beispielsweise einem mit einem L-Profil-Ende, der als Schlinge fungiert, eliminiert werden. Da keine zusätzlichen Änderungen erforderlich sind, sind die Bearbeitungszeit und die Kosten für die zusätzliche Nut begrenzt.

Zur Aufnahme dynamischer Torsionsbelastungen in axialer Richtung empfiehlt sich ein mehrgängiger oder spiralförmig gewickelter Sicherungsring mit konstantem Querschnitt. Der Grund: Die Konstruktion weist keine scharfen Kanten auf und sorgt dafür, dass der Ring den Belastungen standhält und sich nicht in der Nut dreht.

Die Verbesserung der Leistung von Windkraftanlagen ist ein wichtiges Branchenziel, da der Markt wächst. Die Beseitigung schädlicher Bewegungen durch die umsichtige Auswahl eines Sicherungsrings ist ein wichtiger Schritt, um dieses Ziel zu erreichen.

Henry Yates, Technischer Vertriebsingenieur, Rotor Clip Inc., Somerset, NJ, [email protected]