Wellenfedern: Neues wirtschaftliches Formgebungsverfahren

Herr Lambertz, mit den Wellenfedern und Sicherungsringen von Smalley bietet TFC zwei Konstruktionselemente an, die sich inzwischen in vielen Branchen bewähren. Was sind die besonderen Eigenschaften dieser C-Teile?

Johannes Lambertz, Local Manager bei TFC: Zunächst handelt es sich in beiden Fällen schon rein optisch nicht um gewöhnliche Federn und Sicherungsringe. Das spezielle Design unserer Wellenfedern der Produktlinie Crest-to-Crest und unserer Spirolox-Ringe ist jedoch kein Selbstzweck, sondern folgt zwei zentralen Zielen, die heute geradezu unverzichtbar sind für die Verwirklichung moderner kinematischer Konstruktionen: Raum sparen und leicht bauen.

Grundsätzlich bestehen unsere Produkte aus flach gewalzten Edelstahl-, Federstahl-, Titan- oder Sonderlegierungswerkstoffen. Die Wellenfeder bietet den großen Vorteil, dass sie im Gegensatz zu konventionellen Runddrahtfedern bei gleichem Federweg und gleicher Belastbarkeit bis zu 50 Prozent weniger axialen Bauraum beansprucht und zudem eine geringere radiale Ausdehnung hat – eben wegen ihres besonderen Designs. Unsere Sicherungsringe hingegen unterscheiden sich von herkömmlichen Sicherungsringen nach DIN 471/472 durch den völligen Verzicht auf Bohrungen, Ösen, Nasen oder Spalten – sie schließen rundum bündig ab. Beide Produkte sind also wie geschaffen für die Verwirklichung raumsparender Konstruktionen, da sie viel schlanker bauen und peripheren Komponenten viel mehr Platz lassen.

In welchen Anwendungsbereichen kommen Ihre Wellenfedern typischerweise zum Einsatz?

Wie angedeutet eröffnen wir Entwicklern und Konstrukteuren mit den Crest-to-Crest-Wellenfedern viele Möglichkeiten für die axiale und radiale Reduzierung von Bauräumen sowie die Miniaturisierung ihrer Module und Komponenten. Überdies lassen sich damit viele konstruktiv bedingte Kollisionsprobleme in Baugruppen lösen. Schaltknöpfe, Druck- und Ölventile, Steckverbinder, Gelenke und viele andere kinematische Systeme, die einen Federweg, eine Vorspannung oder eine Rückstellung erfordern, können durch den Einsatz unserer Wellenfedern in ihren äußeren Dimensionen deutlich schlanker ausgelegt werden. Infolgedessen unterstützen die Crest-to-Crest-Federn stets auch die Gestaltung innovativer Leichtbaulösungen. Denn wo Bauraum schwindet, sinkt ja auch der Materialaufwand für die periphere Konstruktion. Davon profitieren nicht nur die Geräte- und Apparatebauer in Medizin-, Labor-, Mess- und Fluidtechnik, sondern auch die Hersteller von Komponenten für die Automation, den Automobilbau, die Luftfahrttechnik, die Petrochemie, die Hydrotechnik und viele andere Branchen.

Und wo liegt das Haupteinsatzgebiet der schlanken Sicherungsringe?

Je nach Variante und Dimension kommen auch unsere Sicherungsringe in fast allen wichtigen Industriezweigen zum Einsatz. Die dominierenden Anwendungsbereiche sind aber ganz klar die automobile und industrielle Antriebstechnik.

Könnten Sie das an einem aktuellen Beispiel veranschaulichen?

Die Hersteller von Elektroantrieben für E-Mobility-Anwendungen entwickeln derzeit Motoren, deren Wellen extrem hohe Umdrehungszahlen von weit über 15.000 U/min erreichen. Da die meisten herkömmlichen Sicherungsringe bei diesen Anforderungen von der Welle abheben, beauftragte uns ein namhafter OEM von Automotive-Elektroantrieben mit der Entwicklung eines ösenfreien Spirolox-Sicherungsrings für einen neuen hochdrehenden Motor. Serienmäßig konnten wir bis dato bereits Drehzahlen von bis zu 8000 U/min abdecken. Unsere Neuentwicklung aber bleibt selbst bei Drehzahlen von mehr als 17.000 U/min zuverlässig und stabil in der Wellennut sitzen. Dabei hat dieser neuste Sicherungsring unserer Spirolox-Serie einen ganz gewöhnlichen Durchmesser von 33 Millimetern.

Wenn wir richtig verstehen, ist das aber kein Standardprodukt Ihres Hauses?

Da machen wir keinen großen Unterschied. Selbstverständlich finden unsere Kunden in unserem Katalog eine inzwischen stattliche Auswahl an sofort lieferfähigen Wellenfedern und Sicherungsringen. Bis zu 70 Prozent unserer Jahresumsätze machen wir aber mit kundenspezifisch modifizierten Produkten oder sogar komplett neu entwickelten Spezialanfertigungen. Die Sonderlösung ist also quasi unser Tagesgeschäft. Das können wir problemlos leisten, weil wir mit dem von Smalley entwickelten No-Tooling-Cost-Verfahren, auch bekannt als Circular-Grain-Methode, über ein hochflexibles und hocheffizientes Formgebungsverfahren für die Herstellung der Wellenfedern und Sicherungsringe verfügen.

Wie dürfen wir uns dieses Verfahren vorstellen?

In die tieferen Geheimnisse dieser Technologie darf ich Sie natürlich nicht einweihen. Sagen kann ich aber, dass es sich dabei um eine besondere Variante der Kantenwindungstechnik handelt, die es erlaubt, konstruktive Anpassungen und Optimierungen an Wellenfedern und Sicherungsringen ohne zusätzliche Tools oder Werkzeugmodifikationen vorzunehmen. Allein dadurch ist das Verfahren extrem wirtschaftlich und schnell. Es ermöglicht also sowohl die kurzfristige Prototypen- und Vorserienfertigung als auch eine kostengünstige Herstellung von Sonderlösungen. Daher hatten wir auch bei der Entwicklung des neuen High-Speed-Sicherungsringes für die E-Mobility-Motoren die Nase vorn.

Das heißt konkret?

Dass wir dem Kunden bereits nach wenigen Wochen einen Spirolox-Ring mit zwei Windungen und einer integrierten Eigensicherung vorstellen konnten, der seine hohen Drehzahlanforderungen problemlos erfüllt. Im Unterschied zu unseren Standardringen verfügt der selbstsperrende Sicherungsring an seiner Innenwindung über zwei kleine Dorne, die sich jeweils in gegenüberliegende schmale Slots im Außenring schieben und dort einrasten. Durch diese zweifache Dorn-
Slot-Paarung entsteht eine schlüssige Verbindung zwischen den Windungen des Rings, die umso fester greift, je schneller die Motorwelle dreht. Zudem erweist sich der neue Sicherungsring dank der Selbstsperrfunktion auch als extrem standhaft bei hoher Beschleunigung und viel unempfindlicher gegenüber Vibrationen. In der Praxis hat sich überdies gezeigt, dass er sogar in der Lage ist, Stöße und Schläge zu absorbieren. Sein äußeres Design ist, wie bei allen Spirolox-Ringen, rundum bündig und bildet eine geschlossene 360-Grad-Anlagefläche.

Gibt es ähnliche Beispiele aus dem Bereich der Wellenfedern, auch hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Standardprodukt und Sonderlösung?

Ja, da haben wir derzeit sogar ein ganz aktuelles Beispiel auf Lager – unsere neue Wellenfeder vom Typ Nested Spirawave. Diese Feder von Smalley/TFC hat eine typische Produktkarriere hinter sich. Nachdem wir sie bereits seit drei Jahrzehnten routinemäßig als Sonderlösung fertigen, fiel Anfang 2019 die Entscheidung, diese mehrlagige Wellenfeder mit in das Standard-, also Katalogprogramm, aufzunehmen. Das bedeutet, dass der Kunde mehr Auswahl hat. Es steht ihm neben unseren einlagigen Wellenfedern, den mehrlagigen Crest-to-Crest-Federn und den linearen Wellenfedern nun ein weiteres Wellenfederprodukt zur Verfügung.

Und worin unterscheidet sich diese neue Wellenfeder von den bisherigen Varianten?

Im Gegensatz zu unserer Crest-to-Crest-Feder, bei der gewellte Windungen versetzt zueinander verlaufen und sich daher nur an den Erhebungen berühren, zeichnet sich die Wellenfeder vom Typ Nested Spirawave durch ihre vollflächig anliegenden Windungen aus. Dadurch wird diese Wellenfeder vor allem zu einer platzsparenden Alternative für traditionelle Tellerfederpakete – insbesondere im Bereich größerer Kräfte von bis zu 10 kN. Unsere Nested-Federn gibt es standardmäßig zunächst mit zwei und drei Windungen in Stahl- und Edelstahlausführungen. Dabei wird es aber nicht bleiben. Aru