Für die meisten industriellen Kraftübertragungs- und Linearbewegungsanwendungen a Schaft aus 1045-Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und induktionsgehärteter Oberflächenhärte von 55 HRC und einer Durchmessertoleranz von h6 bietet das optimale Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Kosten. Eine nach dieser Spezifikation gefertigte 25-mm-Welle überträgt ein Dauerdrehmoment von 210 Nm , behält eine Geradheit von bei 0,05 mm pro Meter , und läuft in der Regel über einen Zeitraum von mehr als einem Jahr in Kugellagern 20.000 Stunden bevoder der Durchmesserverschleiß 0,01 mm überschreitet.
Materialauswahl und mechanische Eigenschaften
Das Grundmaterial bestimmt die Festigkeit, Bearbeitbarkeit und Reaktion der Welle auf die Wärmebehandlung. Die folgende Tabelle vergleicht die drei am häufigsten genannten runder Stahlschaft Materialien im Lieferzustand und im wärmebehandelten Zustand.
| Material | Streckgrenze (MPa) | Zugfestigkeit (MPa) | Typische Oberflächenhärte |
|---|---|---|---|
| AISI 1045 (vergütet) | 530 | 630 | 55-60 HRC (induktionsgehärtet) |
| AISI 4140 (gehärtet und angelassen) | 800 | 1000 | 58-62 HRC (nitriert) |
| AISI 304 Edelstahl | 205 | 520 | 85 HRB (nur Kaltverfestigung) |
1045 bietet die beste Kombination aus Festigkeit und Kosten für Standard-Motor- und Pumpenwellen. 4140 wird gewählt, wenn eine höhere Kernfestigkeit oder Nitrierung für schwere Stoßbelastungen erforderlich ist. Edelstahl 304 ist auf Lebensmittelqualität oder korrosive Umgebungen beschränkt, in denen ein nichtmagnetischer Schaft mit einer Streckgrenze darunter liegt 250 MPa ist akzeptabel.
Durchmesser- und Geradheitstoleranzen
Der Toleranzgrad des Wellendurchmessers beeinflusst direkt die Lagerpassung und den Rundlauffehler. Die gebräuchlichsten Toleranzgrade für rotierende Wellen und ihre tatsächlichen Grenzen für einen Nenndurchmesser von 20 mm sind wie folgt.
- h6 : Durchmesserbereich 20.000 mm bis 19.987 mm. Dieser Präzisionsgrad gewährleistet eine leichte Presspassung mit einem P6-Lagerinnenring und sorgt für eine Laufgenauigkeit von 0,005 mm TIR .
- h7 : Durchmesserbereich 20.000 mm bis 19.979 mm. Wird dort eingesetzt, wo eine Gleitpassung mit leichtem Radialspiel akzeptabel ist, z. B. bei Förderrollen.
- f7 : Durchmesserbereich 19,980 mm bis 19,959 mm. Bietet einen garantierten Abstand von 0,020 mm bis 0,041 mm für Anwendungen, die einen axialen Gleit- oder Wärmeausdehnungsausgleich erfordern.
Ebenso wichtig ist die Geradheit. Eine Standard-Rundstahlwelle mit einer Länge von bis zu 1 Meter wird typischerweise mit einer Geradheit von geliefert 0,05 mm pro Meter . Bei 2 Metern verdoppelt sich der zulässige Gesamtschlag auf 0,10 mm . Eine Welle mit einem Geradheitsfehler darüber hinaus 0,15 mm pro Meter verursacht Vibrationen, die die Lebensdauer des L10-Lagers um den Faktor reduzieren 40 % .
Wärmebehandlung und gehärtete Einsatztiefe
Durch die Wärmebehandlung entsteht eine harte, verschleißfeste Oberfläche, während ein robuster Kern erhalten bleibt. Das Induktionshärten ist das vorherrschende Verfahren für Wellen mit mittlerem Kohlenstoffgehalt.
Induktionshärtungsparameter
Eine 1045-Welle wird durch eine Hochfrequenzspule erhitzt und sofort abgeschreckt. Die erreichte Härtetiefe ist eine Funktion von Häufigkeit und Zeit. Eine Häufigkeit von 10 kHz und eine Scangeschwindigkeit von 3 mm pro Sekunde eine ausgehärtete Schicht erzeugen 1,5 bis 2,0 mm tief mit einer Oberflächenhärte von 55 bis 60 HRC . Der Kern bleibt dabei 25 bis 30 HRC , bietet hohe Duktilität und Widerstand gegen die Ausbreitung von Ermüdungsrissen.
Durchhärtung versus Einsatzhärtung
Durchgehärtete 4140-Schäfte werden auf eine gleichmäßige Härte von vergütet 28–32 HRC . Dies ergibt die obige Streckgrenze 700 MPa im gesamten Querschnitt. Für extremen Verschleiß werden einsatzgehärtete Wellen aus kohlenstoffarmem Stahl (z. B. 20MnCr5) auf einen Oberflächenkohlenstoffgehalt von aufgekohlt 0,8 % und verhärtet 60-62 HRC mit einer Gehäusetiefe von 0,8-1,2 mm .
Oberflächenveredelung und Korrosionsschutz
Die Oberflächenbeschaffenheit der Welle wirkt sich direkt auf die Lebensdauer und die Reibung der Dichtung aus. Ein Bodenfinish von Ra 0,4 bis 0,8 µm ist bei Lagersitzen Standard. Für Radialwellendichtringe ist eine Endbearbeitung von erforderlich Ra 0,2 bis 0,4 µm mit einer Ausrichtung senkrecht zur Drehrichtung verhindert Leckagen. Eine einzelne tauchgeschliffene Welle mit Ra 0,2 µm verlängerte die Lebensdauer der Dichtung 3.000 Stunden bis über 8.000 Stunden bei einem Getriebetest.
Wenn Wellen Feuchtigkeit oder Chemikalien ausgesetzt sind, kommt ein Korrosionsschutz hinzu. Die effektivsten Optionen sind:
- Hartverchromung mit einer Dicke von 20-50 µm und eine Härte von 850-1000 HV. Es widersteht 96 Stunden lang Salzsprühnebel ohne Rotrost und ist nachschleifbar.
- Chemische Vernickelung sorgt für eine einheitliche 10-25 µm Beschichtung, die die Dauerfestigkeit nicht verändert. Aufgrund seines gleichmäßigen Ablagerungsprofils wird es für komplexe Wellen bevorzugt.
- Schwarzes Oxid bietet minimalen Korrosionsschutz (weniger als 24 Stunden Salzsprühbeständigkeit), sorgt aber für ein dekoratives Finish und hält das Öl für eine kurzfristige Lagerung zurück.
Belastbarkeit und anwendungsspezifisches Design
Die Drehmomentkapazität einer Rundstahlwelle wird aus der Scherstreckgrenze berechnet. Für einen 1045er Schaft mit einer Streckgrenze von 530 MPa und einem Durchmesser von 30 mm beträgt die vollständig reversible Drehmomentkapazität gemäß der Theorie der maximalen Schubspannung 450 Nm . Wenn eine Passfedernut hinzugefügt wird, sinkt die Drehmomentkapazität um etwa 10 % 25 % aufgrund des Spannungskonzentrationsfaktors von 2,5 an der Keilnutecke.
Bei Linearwellen in Kugelbuchsensystemen muss die Oberflächenhärte mindestens betragen 58 HRC um eine Brinellbildung unter der Kugelkontaktbelastung zu verhindern, die darüber hinausgehen kann 2.500 MPa . Eine induktionsgehärtete 1045-Welle mit einer minimalen Einsatztiefe von 1,5 mm erfüllt diese Anforderung, wohingegen eine ungehärtete Welle darin eine Verschleißrille aufweist 1.000 km Fahrt .
Einbaupassungen und Lagermontage
Durch die korrekte Passung von Welle und Lager wird Passungsrost verhindert und das innere Lagerspiel erhalten. Die empfohlenen Passformen für Standardanwendungen sind wie folgt.
- Bei rotierender Welle mit feststehendem Gehäuse: Wellentoleranz j6 für leichte Lasten, k6 für normale Belastungen und m6 für starke Stoßbelastungen. Eine M6-Passung auf einer 25-mm-Welle sorgt für ein Übermaß von 0,008 mm bis 0,025 mm .
- Bei feststehender Welle mit rotierendem Gehäuse: Wellentoleranz g6 or h6 wird verwendet, um eine axiale Einstellung zu ermöglichen und gleichzeitig die radiale Position beizubehalten.
- Erwärmen Sie den Lagerinnenring immer auf 80-100 Grad C Verwenden Sie dazu eine Induktionsheizung, bevor Sie es auf die Welle schieben. Kaltpressen ohne Erhitzen kann den Wellenzapfen beschädigen und den Pressgriff verringern 15 % .
