Toleranzhülsen als vielseitige Verbindungselemente 1

Toleranzhülsen – auch Toleranzringe genannt – gelten als kostengünstige Welle-Nabe-Verbindung. Entwickelt wurden sie, um einen lösbaren Festsitz zwischen Welle und Bohrung zu erzeugen.
Autor: Dr. Rainer Widmann

Toleranzhülsen lassen sich als kraftschlüssige Verbindungselemente vielseitig einsetzen. Sie sind einfach zu handhaben und dabei sehr wirtschaftlich. Denn gegenüber Press- und Klebeverbindungen lassen sich Verbindungen mit Toleranzhülsen wieder lösen. Bei diesen Bauelementen handelt es sich um geschlitzte Blechhülsen, in die Sicken wie Wellenberge eingeprägt sind.

Als Material dient Federstahl mit einer Härte von etwa 55 HR. Die Toleranzhülse sitzt im Spalt zwischen Lagerbohrung und Welle. Für Halt sorgen die Wellenberge im Federstahl: Durch ein Übermaß der Toleranzhülse werden die Wellenberge elastisch verformt, wodurch ein Kraftschluss zwischen Lager und Welle entsteht.

Formschlüssige Verbindungen wie Passfedern oder Vielkeilwellen sind in ihrer Herstellung aufwendiger und damit kostenintensiver als Toleranzhülsen. Dazu kommt, dass bei formschlüssigen Verbindungen häufig eine Kerbwirkung entsteht, welche die Dauerfestigkeit bei schwellender Belastung und bei Wechsellast deutlich herabsetzt.

Im Prinzip sind für eine Verbindung nur eine glatte Welle und eine glatte Bohrung erforderlich. Trotz dieses einfachen Aufbaus können bei üblichen Toleranzhülsenabmessungen Drehmomente von beispielsweise 200 Newtonmeter bei einem Wellendurchmesser von 50 Millimetern oder 1300 Newtonmeter bei einem Wellendurchmesser von 100 Millimetern erreicht werden.

Sind mehrere Toleranzhülsen auf einer Welle montiert, addieren sich die Drehmomente. Eine einfache Anpassung für unterschiedliche Belastungen ist deshalb möglich. Für Toleranzhülsen gibt es verschiedene Anwendungsgebiete. Sie werden eingesetzt, um bestimmte und unbestimmte Kräfte sowie bestimmte Mindest- und Höchstkräfte zu übertragen. Zum Einsatz kommen sie auch bei Wälzlagern.

Anwendungen, bei denen die Verbindung keine definierte Kraft erfordert, sind zum Beispiel Befestigungen für Lüfter-, Resolver- und Riemenscheiben bei Elektromotoren oder auch einfache Einsatzfälle wie Befestigungen von Bediengriffen, Armlehnen- und Federrohren bei Sitzmöbeln sowie die drehbare Verbindung zwischen Ober- und Unterteil von Winkelsteckern für Servoantriebe.

Spielt die Kraftübertragung eine Rolle, werden Toleranzhülsen zum Beispiel in Schwung- oder Zahnrädern in der Antriebstechnik eingesetzt. Da sich – wie bei jeder Feder – auch die Kräfte der Toleranzhülsen berechnen lassen, kann ihre Haftreibung ermittelt werden. Toleranzhülsen können somit theoretisch definierte Kräfte übertragen.

Dieses Element kann deshalb nicht nur der Verbindung dienen, sondern auch als Rutschkupplung wirken. Werden beispielsweise in der Antriebstechnik die Belastungen zu hoch, lässt sich auf Seiten des Antriebs ein Motorschaden verhindern, indem die Toleranzhülse zu rutschen beginnt.

Interessant ist dieser Effekt auch im Lenksystem eines Fahrzeugs als Diebstahlschutz. Beim Versuch, mit einem kräftigen Ruck am Steuer das Schloss zu knacken, rutscht die Lenkspindel durch, und der Schließbolzen wird nicht beschädigt. Damit stellen Toleranzhülsen prinzipiell eine Art Sicherheits- oder Überlastkupplung dar. Hier muss beachtet werden, dass die Oberflächen der als Rutschkupplung zu verbindenden Teile gehärtet und geschliffen sind, um ein sicheres Gleiten zu gewährleisten.

In der Praxis bietet Dr. Tretter drei Bauteile (Welle, Toleranzhülse und Nabe) mit allen maßliche Toleranzen. Katalogangaben zu den übertragbaren Drehmomenten sind als Mindestanforderungen zu sehen. Zum Einsatz als Überlastsicherung ist unbedingt der Hersteller zu befragen.

Unterschiedliche Materialien müssen verbunden werden

Ausgangspunkt für die Entwickung der Toleranzhülse war das Problem des Festlagersitzes von Wälzlagern bei Serienprodukten. Da in früheren Zeiten die Fertigungstechnologie noch nicht so fortgeschritten war, wie seit der Einführung der NC-Maschinen, war es nicht möglich, kostengünstig die engen Toleranzen, die ein Festsitz benötigt, sicher einzuhalten.

Dieses Problem konnte mit der Toleranzhülse gelöst werden, da sie als Federelement auch gröbere Toleranzen überbrückt. Durch den Fortschritt in der Fertigungstechnologie stellen Lagersitze kein Problem mehr dar.

Trotzdem kommen auch in diesen Fällen wieder vermehrt Toleranzhülsen zum Einsatz und zwar deshalb, weil immer öfter Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten miteinander verbunden werden – damit bei Wärmeentwicklung keine Probleme auftreten, zum Beispiel Stahllager in Aluminiumgehäusen oder Keramiklager in der Pumpentechnologie.

Aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnungen können hier leicht Störungen auftreten. Durch die Federkraft ist eine Verbindung stets garantiert – weder lockert sich die Welle, noch kann es zum Verlust der Sitzkraft und damit zum Wandern des Lagers kommen.

Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Toleranzhülse bei hohen Temperaturen genug Vorspannung zum zuverlässigen Halt des Gleitlagers bieten muss, und zwar auch bei niedrigen Temperaturen, wenn der Spalt zwischen Lager und Welle dann geringer ist.

Die Vorspannung darf aber auch nicht zu hoch werden, weil insbesondere Keramik sehr empfindlich auf Zugspannung reagiert. Toleranzhülsen aus herkömmlichem Federstahl können Dauertemperaturen von 120 Grad Celsius standhalten, ohne dass die Federeigenschaften beeinträchtigt werden.

Kurzzeitig sind auch 170 Grad Celsius möglich. Bei rostfreien Toleranzhülsen aus austenitischen Spezialstählen sind sogar 250 oder gar 300 Grad Celsius möglich. Der glatte Rand der Toleranzhülse führt zu einer Versteifung, sodass sie sich unter Belastung nicht längt, sondern die Sicken selbst als steife Federn wirken.

Der zulässige Federweg beträgt dynamisch etwa 16 Prozent und statisch 20 Prozent der Sickenhöhe. Dieser Federweg darf durch den Einbau und durch die Einfederung infolge von Querkräften nicht überschritten werden. Die Toleranzhülse als federndes Zwischenelement sorgt somit für einen ausreichenden Sitz des Lagers sowie für einen Ausgleich von Mittenversatz oder von vorhandenen Winkelfehlern.

Einbau der Toleranzringe frei oder zentriert

Toleranzhülsen gibt es sowohl für das System Einheitswelle als auch für das System Einheitsbohrung. Beim System Einheitswelle ist der glatte Rand der Toleranzhülse außen, also zur Bohrung hin. Im Anlieferzustand klafft der Spalt der Hülse auseinander. Zur Montage wird der Toleranzring in die Bohrung eingelegt, der Spalt schließt sich, und die Welle wird gefügt.

Für diese Toleranzhülsen wird die Bezeichnung AN verwendet. Beim System Einheitsbohrung befindet sich der glatte Rand der Toleranzhülse zur Welle hin. Im Anlieferungszustand überlappt sich der Spalt der Hülse. Zur Montage wird der Toleranzring auf die Welle geschoben, die Überlappung verschwindet.

Die Welle wird dann samt Toleranzhülse in die Bohrung gefügt. Für diese Toleranzhülsen wird die Bezeichnung BN verwendet. Darüber hinaus gibt es noch die Form AL oder ANL – die leichteste Ausführung der Form AN zur Lagerung des Außenrings kleiner Wälzlager.

Der Einbau der Toleranzringe kann sowohl im freien als auch im zentrierten Einbau erfolgen. Der freie Einbau stellt die einfachste Einbauart dar. Sie wird angewendet, wenn gewährleistet ist, dass die radiale Belastung auch bei eventuell zusätzlich auftretenden Laststößen nicht über das zulässige Maß der Radialbelastung der verwendeten Hülse hinaus geht.

Da dieser Einbau unter Verwendung von glatten, durchgehenden Wellen und Bohrungen erfolgt, muss mit einem Mittenversatz, dessen Größe von dem jeweils verwendeten Ring abhängig ist, gerechnet werden. Es gibt Anwendungsfälle, bei denen man von der Elastizität der Verbindung Gebrauch macht und die nur durch den freien Einbau gelöst werden können. Etwa dann, wenn Kippkräfte federnd kompensiert, Mittenversetzungen oder Fluchtfehler ausgeglichen werden sollen.

Toleranzhülsen für unterschiedliche Einbausituationen

Beim zentrierten Einbau wird die AN-Hülse in eine Nut in der Bohrung und die BN-Hülse in eine Nut der Welle eingelegt. Die Nutbreite muss dabei so gewählt werden, dass zu beiden Seiten noch genügend breite Schultern an der Bohrung oder der Welle verbleiben.

Diese Schultern gewährleisten, je nach Passung zwischen Bohrung und Welle, eine mehr oder weniger genaue Zentrierung. Auch in Bezug auf die Montage ist dieser Einbau in vielen Fällen vorteilhafter, da sich der in die Nut eingelegte Ring an deren Seitenflächen abstützen kann, somit eine Deformierung aufgrund von Verkanten vermieden wird.

Beim freien Einbau ist durch geeignete Maßnahmen immer dafür zu sorgen, dass sich die Toleranzhülse an einer Anlagefläche entgegen der Einpressrichtung abstützen kann.

Für unterschiedliche Einbausituationen bietet Dr. Tretter eine große Auswahl an Standard-Toleranzhülsen. Neben drei Bauformen, die die verschiedenen Einbau- und Montagesituationen berücksichtigen, sind die Toleranzhülsen serienmäßig in Kohlenstoffstahl und in Nirostahl ab Lager erhältlich.

Als Katalogware sind die Produkte auch in kleinen Stückzahlen erhältlich. Aufgrund seines langjährigen Know-hows in Entwicklung und Fertigung ist das Unternehmen auch in der Lage, spezielle Kundenwünsche zu erfüllen.

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