Passfeder

Die Passfeder ist ein massives, längliches Metallteil mit rechteckigem Querschnitt, wird in eine entsprechend gefräste Passfedernut in der Welle eingelegt und ragt aus dieser heraus.

Die zugehörige Nabe ist mit einer durchgehenden geräumten Nut versehen und wird zur Montage axial über die Passfeder geschoben. Die Passfeder wirkt durch Formschluss an ihren Flanken als Mitnehmer und überträgt das Drehmoment der Welle auf das anzutreibende Bauteil (im Falle einer Antriebswelle) oder das Drehmoment des antreibenden Bauteils auf die anzutreibende Welle (im Falle einer Abtriebswelle). In axialer Richtung muss das Rad auf der Welle gegen Verschieben gesichert werden. Übliche Formen der axialen Fixierung an der Wellenschulter sind Sicherungsring oder Nutmutter. Alternativ wird bei Verbindungen, welche unter Umlaufbiegung und überlagerter statischer Torsion beansprucht werden, ein kleines Übermaß von zirka 0,25 bis 0,5 Promille zwischen Welle und Nabe aufgebracht.^[1]

Der Querschnitt der Passfeder wird nach DIN 6885^[2] festgelegt. Dabei hängen die Höhe h und die Breite b der Passfeder direkt vom Wellendurchmesser d ab. Die Länge der Verbindung wird durch die DIN 6892^[3] bestimmt. Diese unterscheidet zwischen drei Auslegungsmethoden mit zunehmender Komplexität von C nach A.

• Die Methode C ist ein überschlägiger Berechnungsansatz. Dabei wird die anliegende Flächenpressung als konstant angesehen. Da sowohl an der Passfeder als auch an der Wellen- bzw. Nabennut konstruktionsbedingte Rundungen bzw. Fasen vorhanden sind, wird die tragende Tiefe t vereinfachend durch die Beziehung (h-t₁) abgebildet.
• In Berechnungsmethode B wird ein umfangreicherer Nachweis zur Bestimmung des übertragbaren Moments durchgeführt. Dabei wird die erhöhte Pressung an der Stelle normativ durch den Faktor K_λ erfasst. Weiter werden Faktoren wie der Reibschlussanteil zwischen Welle und Nabe K_R und die Anzahl der Passfedern K_V erfasst. Als Grenzwert für die Flächenpressung wird die Streckgrenze Re der Welle bzw. der Nabe mit einem Härtefaktor f_H und einem Stützfaktor f_S multipliziert.
• Zuletzt ist in DIN 6892 mit Methode A ein umfassender rechnerischer und experimenteller Nachweis der Maschinenelemente vorgesehen. Als Versagenskriterium kann hierfür eine punktuelle Nutaufweitung^[4] an der Stelle der Lasteinleitung oder ein volumenbasierter Ansatz^[5] gewählt werden.

Schnelle Fakten DIN 6885 ...

DIN 6885
Bereich	Sicherungselemente
Titel	Mitnehmerverbindungen ohne Anzug, Passfedern, Nuten, Teil 1: hohe Form; Teil 3: niedrige Form, Abmessungen und Anwendung
Erstveröffentlichung	Februar 1956
Letzte Ausgabe	November 2021

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Passfedern sind nach Form und Abmessungen in Deutschland in der DIN 6885, in Österreich nach ÖNORM M5461 genormt. Diese Norm legt u. a. auch fest, dass zur Tolerierung der Nutbreite eine Passung mit dem Toleranzfeld P9, N9 oder JS9 nach dem Passungssystems Einheitswelle laut DIN 7155 verwendet wird. Die Passfeder entspricht damit einer Einheitswelle mit Toleranzfeldlage h (oberes Abmaß = 0). Gestaltungs- und Berechnungsgrundlagen von Passfederverbindungen legt die DIN 6892 fest.

Es gibt rundstirnige Passfedern, geradstirnige Passfedern sowie rundstirnige Passfedern mit Halte- und Abdrückschrauben.

Die nutzbare Länge einer rundstirnigen Passfeder ist deren Gesamtlänge abzüglich deren Breite, da die beidseitigen Rundungen in der Nabe nicht tragen. Bei geradstirnigen Passfedern ist die Gesamtlänge als tragende Länge anzusetzen.

Eine ähnliche Art der Welle-Nabe-Verbindung ist die Scheibenfeder, früher auch als Woodruff-Keil bezeichnet. Hier wird nicht mit einem Stirnfräser, sondern mit einem Scheibenfräser eine halbrunde Nut in die Welle gefräst und eine halbrunde Scheibe als Keil eingelegt. Die Nabe ist genauso ausgeführt wie bei Verwendung einer Passfeder. Der Nachteil dieser Variante ist, dass die Welle durch die notwendige, tiefere Nut mehr geschwächt wird, weshalb diese Ausführung weniger häufig verwendet wird.

• Vorteile einer Passfederverbindung:
  • preisgünstig
  • einfach montier-/demontierbar
  • geringer Fertigungsaufwand
  • gute Wiederverwertbarkeit

• Nachteile einer Passfederverbindung:
  • Kerbwirkung auf die Welle
  • die Passfedernut reduziert den tragenden Querschnitt von Welle und Nabe
  • zusätzliche Sicherung gegen axiale Verschiebung notwendig
  • bedingt geeignet bei Lastrichtungswechsel^[6]
  • für stoßartige Belastung nicht geeignet
  • übertragbares Drehmoment relativ gering
  • erzeugt Unwucht (Abhilfe durch mehrere symmetrisch angeordnete Passfedern möglich)

• Alternativen zur Passfederverbindung:
  • Pressfügen
  • Zahnprofil, Keilwellenverbindung
  • Polygonprofil
  • Scheibenfeder
  • Taper-Buchse (z. B. für Keilriemenscheiben)
  • Spannsatz