Wellenkeile & Keilnuten: Typen und Anwendungen in mechanischen Verbindungen

Was ist ein Keil & eine Keilnut?

Ein Keil und die Keilnut bilden einen Keilverbindung, um Nabe und Welle zu sichern und relative Bewegung zwischen einer kraftübertragenden Welle und einem Anbauteil zu verhindern. Beispielsweise werden Zahnradantriebe, Riemenscheiben oder Kettenräder mittels Keilen sicher mit der Antriebswelle verbunden (Abbildung 1).

Keilverbindungen sind ein wichtiger Bestandteil von mechanischen Kraftübertragungselementen wie Wellen und Kupplungen, da sie sicherstellen, dass die Verbindung Last, Leistung und Rotation ohne Schlupf und innerhalb der geforderten Genauigkeit überträgt.

Ein Keil besteht meist aus Stahl und wird axial zwischen Welle und Nabe des Bauteils eingesetzt, um relative Bewegung zu verhindern. Der Keilgrund ist die Ausnehmung in der Welle, die Keilnut die Ausnehmung in der Nabe zur Aufnahme des Keils. In der Industrie wird der Begriff Keilgrund selten verwendet; Keilnut bezeichnet beide Ausnehmungen (Abbildung 2).

Wellen- und Nabenkeilnuten werden oft auf Nutstoßmaschinen gefertigt, können aber auch durch Ziehen, Fräsen, Hobeln, Stoßen oder EDM hergestellt werden.

Rückhalteelemente wie Passfedern, flexible Kupplungen, Konusverbindungen etc. werden ebenfalls eingesetzt. Bei sehr geringer Leistung können auch Gewindestifte und Stifte dienen. Werden Gewindestifte oder Keilverbindungen genutzt, muss eine axiale Sicherung wie Seegerringe oder Sicherungsringe vorhanden sein.

Vor- & Nachteile von Keilverbindungen

Es gibt diverse Vor- und Nachteile von Wellenkeilen, daher muss die Eignung der Keilverbindung sorgfältig im Gesamtkonstrukt geprüft werden.

Vorteile von Wellenkeilen & Keilverbindungen

• Geringe Herstellungskosten
• Gut standardisiert (ISO, BS, DIN, ANSI)
• Mittlere bis hohe Drehmomentübertragung
• Einfache Montage und Demontage, daher gut wiederverwendbar

Nachteile von Wellenkeilen & Keilverbindungen

• Nicht geeignet für wechselnde Richtungslasten und Stöße
• Mögliche axiale Verschiebung der Nabe, sofern nicht durch Zusatzkomponenten (Gewindestift, Sicherungsring) gesichert
• Im Laufe der Zeit kann die Keilverbindung schwer zu lösen sein
• Keilnuten erzeugen Kerbwirkung und verringern die Wellenfestigkeit
• Führen zu Wellenunwucht
• Schwer zu berechnen: Tragfähigkeit und Toleranzkette – daher oft überdimensioniert
• Zur Übertragung axialer Kraft ist ein Anschlag erforderlich

Arten von Keilen

Wellenkeile gibt es in vielfältigen Typen und Formen, unterteilt in vier Hauptkategorien mit Unterkategorien (Abbildung 3).

1. Eingesunkene Keile (Sunk Keys)
   • Rechteck- & Quadratkeile
   • Parallelkeile
   • Gib-head-Keile (Keile mit Kopf)
   • Passfedern (Feather Keys – Gleitspiel mit Keil)
   • Woodruff-Keile
2. Auflagekeile (Saddle Keys)
   • Flache & hohle Auflagekeile
3. Tangentialkeile (Tangent Keys)
4. Rundkeile / Kreiskeile (Round/Circular Keys)

Von den obigen Typen sind der Parallelquadratkeil und der Woodruff-Keil am weitesten verbreitet aufgrund einfacher Handhabung und Kosten.

Doppelkeil – Aufgrund von Fertigungstoleranzen und zur Vermeidung von Doppelsitz wird meist nur ein Parallelkeil verwendet, aber Doppelkeile kommen gelegentlich bei sehr hohen, seltenen Lasten zum Einsatz. Dies sollte nur bei duktilen Materialien in Betracht gezogen werden. Berechnungsgrundlage: eineinhalb Parallelkeile.

Eingesunkene Keile (Sunk Keys)

Eingesunkene Keile werden zur Hälfte ihrer Dicke in die Welle eingesenkt, gemessen an der Keilseite, nicht auf der Mittellinie durch die Welle (Abbildungen 4 & 5).

Rechteck- / Quadratkeile

Rechteckkeile sind breiter als hoch und werden manchmal Flachkeile genannt. Einsatz bei Wellendurchmessern bis ca. 500 mm (20″). Die größere Breite erlaubt höhere Drehmomentübertragung ohne Tieferhöhung. Eine größere Tiefe schwächt die Welle durch reduzierten effektiven Querschnitt.

Quadratkeile haben quadratischen Querschnitt und werden generell für Wellen bis ca. 25 mm (1″) spezifiziert. Sie eignen sich für größere Wellen, wenn größere Nutiefe gegenüber Rechteckkeilen gewünscht ist. Auch hier schwächt größere Tiefe die Welle.

Rechteck- und Quadratkeile können einen Konus von 1:100 entlang der Keillänge aufweisen (Abbildung 6).

Paralleleingesunkene Keile

Paralleleingesunkene Keile können rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben, jedoch ohne Konus. Sie sind preiswert und leicht verfügbar, einfach zu montieren. Idealerweise werden sie durch einen Gewindestift in der Nabe gehalten, da Vibrationen oder Drehrichtungswechsel den Keil herausdrücken können.

Diese Keile werden in der Regel fest in den Grund der Wellenkeilnut und an den Seiten der Keilverbindung eingepasst, wobei oben in der Nabenkeilnut ein Spiel bleibt.

Gib-head-eingesunkene Keile

Ein Gib-head (Kopf) an eingesunkenen Keilen erleichtert die Demontage. Wie in Abbildung 8 gezeigt, sind es meist Rechteck- oder Quadratkeile mit Konus auf der Oberseite für festen Sitz.

Passfedern (Feather Keys)

Passfedern sind entweder an der Welle oder an der Nabe befestigt, um relative Axialbewegung zu erlauben. Es gibt drei Haupttypen: Doppelköpfig, Stift-Passfeder und Passfeder. Sie ermöglichen Kraftübertragung zwischen Welle und Nabe über parallele Gegenflächen und erlauben gleichzeitig Axialverschiebung.

Woodruff-Keile

Der Woodruff-Keil ist eine halbkreisförmige Scheibe, die in eine kreisförmige Ausnehmung in der Welle passt, die mit einem Woodruff-Nutfräser gefertigt wird. Sie werden meist in Werkzeugmaschinen und Automobilwellen von ¼″ bis 2½″ (6–60 mm) eingesetzt. Woodruff-Keile tragen nicht dieselbe Last wie lange Parallelkeile.

Vorteil: Der Woodruff-Keil kann jeden Konus in der Nabenkeilnut ausgleichen, ist formschlüssig und die Tiefe verhindert ein Überkippen.

Nachteile: Die Nuttiefe schwächt die Welle, sie können nicht als Passfeder dienen, sind schwer zu montieren, kurz und nicht für hohe Lasten geeignet.

Auflagekeile (Saddle Keys)

Im Gegensatz zu eingesunkenen Keilen werden Auflagekeile nicht in die Welle eingesenkt, sondern nur in die Nabe. Sie liegen entweder auf einer Fläche oder dem Umfang der Welle auf. Kraftübertragung erfolgt durch Reibung zwischen Welle und Keil. Wie unten gezeigt, unterteilen sich Auflagekeile in flache und hohle Auflagekeile und eignen sich nur für geringe Lasten, um Verrutschen zu vermeiden.

Ein flacher Auflagekeil ist oben konisch und unten flach (Abbildung 13). Er sitzt in einer konischen Nabenkeilnut und drückt auf die ebene Wellenfläche.

Ein hohler Auflagekeil ist oben konisch und unten gewölbt (Abbildung 14). Er sitzt in einer konischen Nabenkeilnut und drückt auf die gewölbte Umfangsfläche der Welle.

Tangentialkeile (Tangent Keys)

Tangentialkeile werden als Paar im rechten Winkel eingebaut (Abbildung 15), wobei jeder Keil Torsion nur in eine Richtung aufnimmt. Sie kommen bei großen, schwer belasteten Wellen zum Einsatz.

Rund- / Kreiskeile (Round / Circular Keys)

Rundkeile haben kreisförmigen Querschnitt und passen in Bohrungen, die teils in der Welle, teils in der Nabe liegen. Vorteil: einfache Fertigung, da Keilnuten nach Montage der Teile gebohrt und gereibt werden können. Rundkeile eignen sich meist für niedrige Leistungen.

Keilnut-Design und Keildimensionierung

Die Auswahl des Wellenkeils ist entscheidend, um vorzeitiges Versagen an Keilverbindungen zu vermeiden. Lesen Sie „Leitfaden zur Wellenkeil-Auswahl & Keilnut-Design“, um zu verstehen, wie Scher- und Druckspannungen am Wellenkeil berechnet werden. Der Artikel behandelt auch kritische Faktoren wie Keilmaterial, Lastart, korrekter Sitz für das Ausführungsdesign der Keilverbindung.

Normen & Spezifikationen

Bezugnehmend auf tabellierte Abmessungen und Toleranzen metrischer Keilnuten für Parallelkeile und Woodruff-Keile gemäß BS 4235-1:1972. Neben Keilnut-Toleranzen und -tiefe geben einige Normen auch empfohlene Keilgröße, Keilnut-Tiefe als Funktion des Wellendurchmessers an:

• Empfehlungen für Keilgröße, -länge und Keilnut-Tiefe als Funktion des Wellendurchmessers: ASME B17.1-1967, ASME B17.2-1967
• Spezifikation für metrische Keile und Keilnuten – Parallel- und Konuskeile: BS 4235-1:1972
• Zuordnung Woodruff-Keil zu Wellendurchmesser: DIN 6888
• Tangentialkeile und -nuten für wechselnde Stoßlasten: DIN 268:1974
• Tangentialkeile und -nuten für konstante Lasten: DIN 271:1974

Referenzen

• Collins, J. A., Busby, H., & Staab, G. (o. J.). Mechanical Design of Machine Elements and Machines. John Wiley & Sons.
• Hamrock, B. J., Schmid, S. R., & Jacobson, B. O. (2006). Fundamentals of machine elements. Boston: McGraw-Hill Higher Education.
• Kurt M. Marshek, Robert C. Juvinall (2021). Fundamentals of machine component design. John Wiley & Sons.