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Seil-GleitfluganlageACE Strukturdämpfer für maximalen Freizeitspaß

Seil-Gleitfluganlage im österreichischen Abenteuerpark Gröbming

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Toleranzhülsen und -ringeWellenberge im Federstahl

Sie heißen Toleranzhülsen oder Toleranzringe und ihre Aufgabe ist es, einen festen aber lösbaren Sitz zwischen einer Welle und der Bohrung zu erzeugen. Zu den führenden Herstellern dieser kostengünstigen Welle-Nabe-Verbindungen zählt das Unter- nehmen Dr. Erich Tretter. Für viele verschiedene Einbausituationen bietet es eine große Auswahl an Toleranzhülsen.
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Toleranzhülsen und -ringe: Wellenberge im Federstahl

Das Wichtigste zuerst? Okay: Toleranzhülsen sind vielseitig, einfach zu handhaben, recht preiswert und anders als beim Pressen oder Kleben lassen sich mit ihnen erstellte Verbindungen wieder lösen. Es handelt sich dabei um geschlitzte Blechhülsen aus Federstahl, in die Sicken wie Wellenberge eingeprägt sind. Die Toleranzhülse fristet ihr Dasein im Spalt zwischen Lagerbohrung und Welle. Für Halt sorgen die Wellenberge im Federstahl: Durch ein Übermaß der Toleranzhülse werden sie elastisch verformt; so entsteht ein Kraftschluss zwischen Lager und Welle. Andere formschlüssige Verbindungen wie Passfedern oder Vielkeil-Wellen sind aufwändiger in der Herstellung und teurer als Toleranzhülsen. Hinzu kommt, dass dabei häufig Kerbwirkungen auftreten, die die Dauerfestigkeit bei schwellender Belastung und Wechsellast herabsetzen. 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 Nm bei einem Wellendurchmesser von 50 mm oder 1.300 Nm bei einem Wellendurchmesser von 100 mm erreicht werden. Sind mehrere Toleranzhülsen auf einer Welle montiert, addieren sich die Drehmomente. Eine einfache Anpassung für unterschiedliche Belastungen ist deshalb möglich.

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Toleranzhülsen werden genutzt, 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 etwa Befestigungen für Lüfter-, Resolver- und Riemenscheiben bei Elektromotoren oder auch Befestigungen von Bediengriffen, Armlehnen- und Federrohren bei Sitzmöbeln sowie die drehbare Verbindung zwischen Ober- und Unterteil von Winkelsteckern für Servoantriebe. In der Kraftübertragung werden Toleranzhülsen zum Beispiel in Schwung- oder Zahnrädern in der Antriebstechnik eingesetzt. Da sich Kräfte der Toleranzhülsen berechnen lassen, kann ihre Haftreibung ermittelt werden. Toleranzhülsen können also theoretisch definierte Kräfte übertragen. Das Element kann deshalb nicht nur der Verbindung dienen, sondern auch als Rutschkupplung wirken - etwa um Motorschäden zu verhindern. 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. Zu beachten ist aber, dass die Oberflächen, der als Rutschkupplung zu verbindenden Teile gehärtet und geschliffen sind, um sicheres Gleiten zu gewährleisten. Beim Einsatz als Überlastsicherung ist aber unbedingt vorher der Hersteller zu befragen.

Ein Impuls für die Entwicklung der Toleranzhülse war das Problem des Festlagersitzes von Wälzlagern bei Serienprodukten. In Vor-NC-Zeiten war es kaum möglich, die engen Toleranzen, die ein Festsitz benötigt, kostengünstig sicher einzuhalten. Das Problem konnte mit der Toleranzhülse gelöst werden, da sie als Federelement auch gröbere Toleranzen überbrückt. Durch die Fortschritte der Fertigungstechnik sind Lagersitze heute kein Problem mehr. Dennoch kommen wieder vermehrt Toleranzhülsen zum Einsatz, da immer öfter Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten kombiniert werden und die Wärmeentwicklung keine Probleme aufwerfen darf. Beispiele dafür sind Stahllager in Aluminiumgehäusen oder Keramiklager in Pumpen. Hier kann es aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnungen zu Störungen kommen, da die Pumpenwelle meist aus Stahl oder Messing besteht. Toleranzhülsen trotzen starker Wärmeentwicklung, und durch die Federkraft ist die Verbindung garantiert. Weder lockert sich die Welle, noch kann es zum Verlust der Sitzkraft und damit zum Wandern des Lagers kommen. Die Crux besteht eher darin, dass die Toleranzhülse bei hohen Temperaturen genug Vorspannung zum zuverlässigen Halt des Gleitlagers bieten muss (gilt auch bei niedrigen Temperaturen). Denn der Spalt zwischen Lager und Welle ist bei niedrigen Temperaturen geringer. Die Vorspannung darf aber auch nicht zu hoch werden, da insbesondere Keramik empfindlich auf Zugspannung reagiert. Deshalb kommen hier oft Sondertoleranzhülsen zum Zug, die einen größeren Federweg und eine weichere Abstimmung haben. Toleranzhülsen aus herkömmlichem Federstahl können Dauertemperaturen von bis zu 120 Grad Celsius standhalten, ohne dass die Federeigenschaften beeinträchtigt werden (kurzzeitig sind auch 170 Grad Celsius möglich). Bei rostfreien Toleranzhülsen aus austenitischen Spezialstählen sind bis zu 300 Grad Celsius möglich. Der glatte Rand der Toleranzhülse führt zu einer Versteifung, so dass sie sich unter Belastung nicht längt, sondern die Sicken selbst als steife Federn wirken. Der zulässige Federweg beträgt dynamisch etwa 16 und statisch 20 Prozent der Sickenhöhe. Dieser Federweg darf durch Einbau und Einfederung infolge von Querkräften nicht überschritten werden. Die Toleranzhülse als federndes Zwischenelement sorgt somit für einen ausreichenden Sitz des Lagers und für einen Ausgleich von Mittenversatz oder von Winkelfehlern.

Das Unternehmen Dr. Tretter bietet verschiedene Standard-Toleranzhülsen. Neben drei Bauformen für verschiedene Einbau- und Montagesituationen sind die Toleranzhülsen serienmäßig in Kohlenstoffstahl und in Nirostahl erhältlich. Als Katalogware sind sie auch in kleinen Stückzahlen lieferbar. Der Hersteller kann zudem spezielle Kundenwünsche erfüllen. Toleranzhülsen gibt es sowohl für Einheitswellen als auch für Einheitsbohrungen. Beim System Einheitswelle liegt 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. Diese Toleranzhülsen tragen die Bezeichnung AN. 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 das Kürzel BN verwendet.

Ring statt Hülse

Der Einbau von Toleranzringen kann im "freien" als auch im "zentrierten" Einbau erfolgen. Der freie Einbau wird angewendet, wenn fest steht, dass die radiale Belastung auch bei eventuell zusätzlich auftretenden Laststößen nicht über dem zulässigen Maß der Radialbelastung der verwendeten Hülse liegt. Da dieser Einbau unter Verwendung von glatten, durchgehenden Wellen und Bohrungen erfolgt, ist mit einem Mittenversatz zu rechnen. 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, die eine mehr oder weniger genaue Zentrierung gewährleisten - je nach der gewählten Passung zwischen Bohrung und Welle. ms

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