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Linearwellen: Wellenenden und Optionen zur Befestigung von Linearwellen

Die Befestigung von Linearwellen bzw. Führungswellen im mechanischen System erfordert sorgfältige Planung. Verschiedene Wellenenden eröffnen unterschiedliche Montageoptionen. Dieser Artikel liefert einen Überblick über erhältliche Wellenenden und beantwortet die Frage, welche Wellenhalterungen bzw. Wellenbefestigungsmöglichkeiten es gibt und wo sie sich eignen. Im Zuge dessen betrachten wir auch die Lagerarten Fest- und Loslager für Wellen im Detail.

Was ist eine Linearbefestigung?

Die Befestigung von Linearwellen bzw. Führungswellen dient der präzisen Fixierung im mechanischen System. Zu den gängigen Befestigungsmöglichkeiten für Linearwellen zählen z.B. Endscheiben, Klemmbefestigungen oder Stellringe. Viele der Befestigungsmöglichkeiten können auch für stehende Drehmomentwellen angewendet werden, wo sie axiale Bewegung verhindern und gleichzeitig die an der Welle anliegende Drehmomente aufnehmen und in das Maschinengehäuse ableiten.

Fest- und Loslager für Wellen

In der Regel werden für die Lagerung von Wellen und Achsen zwei Lager benötigt. Um Ausdehnung zu ermöglichen, empfiehlt sich für Wellen in den meisten Fällen eine Fest-Los-Lagerung. Das Loslager übernimmt die radiale Abstützung sowie axiale Führung der Welle und ermöglicht gleichzeitig eine Bewegung in Axialrichtung. Im Gegensatz zum Loslager wird die Welle bei einem Festlager in Axialrichtung fixiert. In der Kombination aus Loslager und Festlager ist das Festlager der Bezugspunkt.

Warum eignet sich die Kombination Festlager-Loslager für eine Welle? Wird die Welle z.B. mit zwei Wälzlagern verbaut, gibt es konstruktionsbedingt ein definiertes Spiel. Dieses Spiel verändert sich bei Erwärmung im Betrieb; die Welle dehnt sich aus. Das Loslager gleicht nun diese Abstandsunterschiede aus, da es axiale Bewegungen zulässt. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer der verbauten Wälzlager und der gesamten Anlage.

Verschiedene Verbindungsmöglichkeiten für Linearwellen

Unter Formschluss versteht man eine Verbindung, die durch ein Ineinandergreifen der zu verbindenden Komponenten entsteht. Die Bewegung wird aufgrund der Form verhindert. Bei Wellen werden dazu z.B. Wellennuten verwendet, die in Kombination mit einem Sicherungsring die Welle präzise axial positionieren. Diese Art Formschluss eignet sich unter anderem für die Fixierung gegen lineare Bewegungen und sichert z.B. gegen Herausziehen. Ein Feinjustieren ist allerdings nur schwer möglich. Bei Kraftschluss wird meist durch Schrauben oder Klemmen eine Anpresskraft erzeugt, aufgrund derer die jeweiligen Komponenten miteinander verbunden werden. Bei Wellen werden dafür z.B. Klemmschrauben oder Spannhülsen verwendet, die nach dem Festziehen für eine sehr stabile Verbindung sorgen. Vorher ist immer noch ein Feinjustieren möglich. Eine kraftschlüssige Verbindung kann, wenn sie entsprechend eingesetzt wird, neben der axialen Fixierung auch gegen Verdrehen sichern.

Kraftschlüssige Verbindungen werden meist durch eine Umfangklemmung oder eine Klemmung mit Gewindestift realisiert. Bei der Umfangklemmung bzw. Klemmverbindung entsteht über den Umfang der Welle eine Pressung, welche die Welle sowohl gegen Verdrehen als auch gegen axiale Bewegung sichert. Sie eignet sich auch für höhere Drehmomente. Es gibt unterschiedliche Konzepte eine Umfangklemmung umzusetzen. Dazu zählen beispielsweise Konus-Spannelemente oder Klemmverbindungen mit Halbschalen. Einige,wie z.B. die Klemmverbindung mit Halbschalen, führen ggf. zu einer ungleichmäßige Flächenpressung und Unwucht durch einen asymmetrischen Aufbau.

Bei Klemmung mit Gewindestift wird die Welle durch den Gewindestift fixiert. Durch das Anziehen des Gewindestiftes entsteht eine Beschädigung auf der Wellenoberfläche, welche später bei einer Demontage und geringem Spaltmaß hinderlich sein kann. Dies kann z.B. durch Anbohren der Welle vor der Montage verhindert werden. Klemmungen mit Gewindestift sollten nur in Anwendungen mit geringem Drehmoment, geringer axialer Belastung und geringen Drehzahlen eingesetzt werden. Sie ermöglicht eine einfache und schnelle Montage und Demontage bei schwer zugänglichen Bauräumen. Für eine sichere Verbindung ohne Beschädigung der Bauteile ist das erforderliche Anzugsdrehmoment des Gewindestifts zu beachten.

Wellenenden zur Befestigung von Linearwellen

Das Wellenende ist nicht einfach nur das Ende einer Welle. Die Ausführung der Wellenenden beeinflusst maßgeblich die Einbaumöglichkeiten der Welle, die Präzision bei der Montage und Ausrichtung und die Stabiltät der Verbindung zwischen Welle und Lagern bzw. Wellenkupplung oder Maschinengehäuse. Ein Wellenende dient ggf. auch als Anschlusspunkt für weitere Komponenten und oft wird über das Wellenende mechanische Energie zu- oder abgeführt. Es gibt diverse Normen für die unterschiedlichen Ausführungen von Wellenenden. Zylindrische Wellenenden sind z.B. nach DIN 748 -Zylindrische Wellenenden; Abmessungen, Nenndrehmomente genormt.

Folgende Tabelle gibt einen Teilüberblick über verschiedene mögliche Wellenenden und deren Montagemöglichkeiten:

Übersicht über Wellenformen und ihre Einsatzmöglichkeiten
Geometrische Form der Welle (Beispiel)	Beispiele und Eigenschaften der Verbindung beidseitige Montage ist vorzuziehen	Lagerung
Abgesetzt mit 1 Abstufung	- abgesetzter Schaft ermöglicht äußerst genaue Montage durch Passung - Abstufung als Anschlag dient als Einschränkung in eine Axialrichtung - Sicherung in beide Axialrichtungen über einen mit dem Bauteil verschraubten Wellenhalter oder Einkleben möglich - weniger für Linearwellen eingesetzt, sonst als Loslager einsetzbar	- Festlager: Einpressen - Presspassung - Loslager: schwimmende Lagerung - Spielpassung - Verkleben als Fixierung möglich
Abgesetzt mit 2 Abstufungen	- abgesetzter Schaft ermöglicht äußerst genaue Montage durch Passung - Abstufung als Anschlag dient als Einschränkung in eine Axialrichtung - Sicherung in beide Axialrichtungen über einen mit dem Bauteil verschraubten Wellenhalter oder Einkleben möglich - weniger für Linearwellen eingesetzt, sonst als Loslager einsetzbar	- Festlager: Einpressen - Presspassung - Loslager: schwimmende Lagerung - Spielpassung - Verkleben als Fixierung möglich
Abgesetzt mit Gewindezapfen im Passdurchmesser	- Mit einem Gewindezapfen und Passbohrung am Lagerpunkt ist eine äußerst genaue Montage möglich - Stabil bei schweren Lasten, horizontal und bei langen Längen	Festlager
Abgesetzt mit Gewindebohrung, stirnseitig	- Durch einem abgesetzten Schaft mit Passung und Gewindebohrungen ist eine äußerst genaue Montage möglich - Stabil bei schweren Lasten, horizontal und bei langen Längen - Der Schaftdurchmesser kann frei nach den Bohrungen eingerichtet werden	Festlager
Abgesetzt mit Ringnut (stillstehende Achse)	- Nicht als Festlager für Linearwellen geeignet da der Sicherungsring im Bezug auf seine axiale Belastbarkeit begrenzt ist - keine Verdrehsicherung	Loslager
Klemmfläche, einseitig / D-Form	- verdrehsicher - Längenausgleich bei Temperaturschwankungen möglich	Loslager
Innengewinde, stirnseitig, 2-fach	- Senkbohrung / Passbohrung ermöglicht äußerst genaue Montage durch Passung mit der Welle - Anschlag und Sicherung in beide Axialrichtungen über 2 Verschraubungen mit Bauteil möglich - verdrehsicher - auch für die Montage einer verdrehsicheren Abschlussscheibe geeignet	Festlager
Innensechskant, stirnseitig	- als Alternative zur Schlüsselfläche bei kritischen Einbauverhältnissen - stirnseitiger Innensechskant dient zur leichteren Montagen der Welle - dient u.a. als Antrieb für Wellen mit Gewinde am anderen Wellenende	-
Kegelförmig	- vorrangig als Montagehilfe (Einführhilfe) - vereinfacht die Montage von Dichtringen oder Linearlagern, ohne diese zu beschädigen - Nicht geeignet zur Verwendung mit häufigem Einbau mit Linearbuchsen. (Es kann zu Schäden an Linearbuchsen kommen.)	-
Passbohrung mit abgesetzter Gewindebohrung, stirnseitig	- Durch eine Passschraube als Führung/Zentrierung in Kombination mit der Passbohrung der Welle und Gewindebohrungen ist eine äußerst genaue Montage möglich. - Stabil bei schweren Lasten, horizontal und bei langen Längen	Festlager
Ringnut für Wellensicherungsring	- Nicht als Festlager für Linearwellen geeignet da der Sicherungsring im Bezug auf seine axiale Belastbarkeit begrenzt ist - keine Verdrehsicherung - in Kombination mit einem an der Tragkonstruktion verschraubten Wellenhalter auch als Festlager nutzbar.	Loslager
Gewindebohrung, stirnseitig und Schlüsselflächen	- genaue Montage durch Passung möglich - Sicherung in Axialrichtungen über stirnseitige Verschraubung - Schlüsselflächen zur einfacheren Montage bei beengten Platzverhältnissen - bei konischer Durchgangsbohrung kann die Welle im Konus zentriert und verpresst werden - Im Zweifelsfall durch Verkleben sichern	Festlager
Querliegende Federnut (Passfedernut)	- genaue Montage durch Passung möglich - Sicherung in Axialrichtungen über Passfedernut - verdrehsicher durch Passfeder	Festlager
Schlüsselflächen/Klemmfläche - Am Ende zweiseitig abgeflacht mit Sicherungsnut und querliegendem Innengewinde für seitliche Zugspannung	- zum Spannen oder achsparallelem Ausrichten von Wellen	Loslager
Gewindebohrung querliegend für Wellenunterstützungsprofile	- Linearwelle wird auf Wellenunterstützungsprofil verschraubt	Festlager
Vollwelle gerade	- Einfache Form -Montage in Verbindung mit Wellenhaltern	Festlager
Vollwelle mit Außengewinde im Wellendurchmesser	-Einfache Montage - Ungenauigkeiten durch Gewindetoleranzen möglich - Im Zweifelsfall durch Verkleben sichern	Loslager / Festlager
Vollwelle mit Innengewinde/Gewindebohrung, stirnseitig	- Leicht mit Schrauben durch Durchgangsbohrung zu montieren - Geringe Genauigkeit der Montageposition - Horizontale Befestigung bei Anwendungen mit geringer Last	Festlager
Nut für Stellschraube	- Gewindestiftklemmung/Klemmschraubenklemmung - ohne Verletzungsrisiko der Wellenoberfläche	Festlager
Abgesetzt mit 2 Abstufungen und Gewindezapfen	- Mit einem abgesetzten Schaft mit Passung und Gewindezapfen ist eine äußerst genaue Montage möglich - Die Abstufung ermöglicht eine Einschränkung in axialer Richtung - Der Wellendurchmesser kann beim Einsatz mehrerer Wellen in einer Grundplatte bei gleichem Bohrdurchmesser frei variiert werden - Im Zweifelsfall durch Verkleben sichern	Festlager
Gewindebohrung stirnseitig und Querbohrung	- Sicherung gegen axialen Zug - Querbohrung als Montagehilfe in schwer zugänglichen Bereichen - Im Zweifelsfall durch Verkleben sichern	Loslager

Dabei ist zu beachten, dass die Darstellung vereinfacht ist. Es sind unterschiedliche Enden links und rechts möglich.

Wellenhalter zur Befestigung von Linearwellen

Wellenhalter, auch Wellenbock genannt, verbinden starre Wellen, Achsen und andere Komponenten in einem Gesamtsystem miteinander. Auch befestigen sie Achsen und Linearwellen in der horizontalen bzw. vertikalen Lagerung. Die Druck- und Zugbelastungen werden von der Achse über die Wellenhalter in das Maschinengehäuse oder die Tragkonstruktion der Anwendung abgeleitet. Für Hohlwellen gelten identische Befestigungsmöglichkeiten. Bei offenen Lagern mit einem für unterstützte Linearwellen geeigneten Segmentausschnitt wäre auch die Variante mit Tragschiene eine Option. Diese Tragschiene unterstützt die Welle entlang ihrer gesamten Länge und verhindert so ein Durchbiegen.

Je nach Anforderung an die Anwendung können verschiedene Wellenhalter zum Einsatz kommen. MISUMI bietet verschiedene Formen von Wellenhaltern:

T-Form: Dieser Wellenhalter ist stehend. Er besteht aus einer Basis mit einer vertikalen Aufnahme für die Welle und ermöglicht eine stabile Befestigung.
L-Form: Rechtwinklige Form, die eine seitliche Befestigung der Welle ermöglicht.
Blockform: Quaderförmig, robuste Bauweise, die für hohe Stabilität und Tragfähigkeit sorgt.
Rund: Zylindrische Form für eine gleichmäßige Unterstützung der Welle.
Rundflansch: Runde Aufnahme mit Flansch für stabile Montage und genaue Ausrichtung. Erleichtert die Befestigung an verschiedenen Oberflächen.

Nachfolgend werden einige Wellenhalter im Detail vorgestellt:

Wellenflansche

Flanschhalterungen bieten eine hohe Stabilität, da der Flansch auf der Welle befestigt wird. Wellenflansche werden oft in Anwendungen mit Vertikalhub verbaut. Es ist möglich, diese Bauform mit Schlitzklemmung und Klemmschraube bei MISUMI zu konfigurieren. Steht nur eingeschränkt Bauraum zur Verfügung, kann auf einen abgeflachten, runden Wellenflansch zurückgegriffen werden.

MISUMI bietet als Sonderform von Wellenflanschen die Option der rückseitigen Montage. Zu diesem Zweck befindet sich zur Fixierung der Welle auf der Rückseite des Wellenflanschs eine Senkbohrung für eine Zylinderkopfschraube. Für diese Montagemethode ist eine Linearwelle mit stirnseitigem Innengewinde erforderlich. Diese Art der Befestigung macht ein weiteres Klemmen unnötig.

Wellenflansch mit Schlitzklemmung und Klemmschraube

Darstellung eines Wellenhalter - Rundflansch für rückseitige Montage — Wellenhalter - Rundflansch für rückseitige Montage

Stellringe und Klemmringe als Wellenhalter

Stellringe, auch Klemmringe genannt, eignen sich zur Arretierung von Wellen und können dabei als Anschlag sowie als Positioniervorrichtung fungieren. Dabei fixieren sie die Welle an einer vorbestimmten Position. Der Stellring kann an jeder beliebigen Stelle auf der Welle montiert werden, wodurch auf einen Wellenabsatz verzichtet werden kann. Durch die flexible Fixierung lassen sich Stellringe auch als Wellenhalter am Wellenende einsetzen. Bei MISUMI sind verschiedene Bauformen erhältlich:

Stellring mit Gewindestift
Klemmring mit Schlitz
Stellring mit Schlitz und Klemmhebel
Klemmring mit Passfedernut

Zweiteilige Stellringe sind in der Mitte geteilt. Mittels zweier Schrauben werden die Schalen gegeneinander angezogen und so die Klemmkraft auf die Welle erzeugt. Die Zweiteilung ermöglicht eine einfache Montage in beengten Räumen. Im Falle einer Wartung kann der Stellring leicht entnommen werden ohne die Welle ausbauen zu müssen.

Bei Klemmung durch Klemmringe mit Schlitz können hohe Klemmkräfte entstehen. Die Position kann frei gewählt werden, da zur Befestigung keine Planfläche an der Welle notwendig ist. Sowohl beim geschlitzten als auch beim zweigeteilten Stellring verteilt sich die Klemmkraft auf die gesamte Kontaktfläche, wodurch eine hohe Klemmwirkung erzielt wird ohne die Wellenoberfläche zu beschädigen.

Zeichnung eines zweigeteilten Stellrings

Wellenhalter für begrenzte Bauräume

Wellenhalter werden nicht nur in großen Maschinen eingesetzt. Auch in der Feinmechanik, z.B. bei optischen Geräten, können Wellen und Wellenhalter zum Einsatz kommen. Für solche Fälle mit begrenztem Bauraum bietet MISUMI besonders kleine und niedrige Wellenblöcke. Bei diesen Wellenblöcken befinden sich die Montagebohrungen an der Seite, sodass sie platzsparend befestigt werden können. Die Wellenhöhe liegt dadurch, in Abhängigkeit des Wellendurchmessers, bei ca. 5 mm.