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Was ist ein technisches Befestigungselement?
Ein Befestigungs- oder Verbindungs-Element ist ein Bauteil, das in der Lage ist, zwei oder mehrere Komponenten mechanisch miteinander zu verbinden.
Befestigungselemente findet man in einer Vielzahl technischer Produkte, von Robotik bis zu Fahrzeugen und von Waschmaschinen hin zu Spielzeug; sie befestigen Bauteile, wie Lager, Zahnräder, Umlenk-Rollen und Lüfter-Räder. Die Materialien der Komponenten, deren Größe, Platzierung und äußere Einflüsse, denen sie trotzen müssen, spielen eine Rolle bei der Auswahl geeigneter Befestigungselemente.
Grob kann man Befestigungselemente in zwei Kategorien einteilen: starr fixierte Verbindungen und solche, die Relativbewegungen zulassen. Starr fixierte Verbindungen erhält man durch Kleben, Schweißen, thermisches Aufschrumpfen oder Sicherungs-Muttern. Einmal verbunden, sind diese ohne Schäden nicht zu lösen. Nicht-starre Verbindungen erlauben nach dem Fügen der Komponenten, diese auch wieder ohne Beschädigungen zu trennen. Befestigungselemente, die das ermöglichen, werden meist aus Metall hergestellt, wie z. B. Schraubverbindungen.
Für komplexere Systeme werden technisch anspruchsvollere Befestigungs-Elemente benötigt. Je nach Bauart genügen Standard-Lösungen; wenn jedoch Performance, Drehmomente oder Lastanforderungen zu erfüllen sind, empfiehlt sich eine individuelle Auslegung.
Die Wahl der Befestigung richtet sich oftmals nach der Anwendung. Folgende Überlegungen sind wichtig: Was für Bauteile sollen verbunden werden? Wo werden sie verwendet? Welche Materialien kommen zum Einsatz? All dies und mehr fließt in den Entscheidungs-Prozess für eine geeignete Befestigung mit ein.
Technische Befestigungselemente für Elektromotoren
Schauen wir uns einmal die Befestigungs-Systeme an, die für Elektromotoren benötigt werden. Durch den zunehmenden Einsatz von Elektromotoren zum Antrieb von Fahrzeugen, werden kleine, kompakte aber leistungsstarke Module benötigt. In solchen Aggregaten entsteht auch eine Menge thermischer Energie, die auf die Motorkomponenten wirkt. So ist beispielsweise der Stator thermischer Expansion aber auch Kühlmaßnahmen ausgesetzt, die einen Einfluss auf den Sitz der einzelnen Komponenten hat. Werden verschiedenartige Materialien verwendet, sind Befestigungselemente notwendig, die eine sichere Verbindung über das gesamte Toleranzfeld gewährleisten. Befestigungen für Lager und Rotoren müssen darüber hinaus Fehlstellungen und Lastspitzen kompensieren, ohne ein ungewolltes Verrutschen der Bauteile zuzulassen.
Standard-Lösungen sind möglich; spezifisch für solche Fälle entwickelte Systeme bieten aber höhere Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit.
Befestigung von Motoren
Elektromotoren erzeugen zwei Bewegungs-Arten: linear oder rotierend (Drehmoment). Die Kraft wird z. B. für den Antrieb von z. B. Ventilatoren, Pumpen oder Haushaltsgeräten genutzt. Der hohe Wirkungsgrad von Elektromotoren sorgt dafür, dass diese vermehrt zum Einsatz kommen.
Ein Elektromotor benötigt eine zuverlässige Befestigung in einem Gehäuse. In bestimmten Situationen wirken Hitze und starke Vibrationen auf ihn; auch sind grobe Fertigungstoleranzen möglich, wie z. B. beim Drosselklappen-Verstellmotor. In solchen Fällen ist ein Toleranzring die bessere Alternative zur Befestigung des Motors als beispielsweise Verschraubungen oder Elastomer-O-Ringe.
Befestigung von Statoren
Der Stator ist die sich nicht bewegende Komponente eines Elektromotors oder Generators. Die Funktion entsteht durch die Wechselwirkung zwischen einer elektromagnetischen (Spule) und einer permanent-magnetischen Komponente. Eine dieser feld-erzeugenden Komponenten bewegt sich in der anderen, weshalb eine ortsfest sein muss. Statoren werden üblicherweise aus Stahl hergestellt.
In dem Bestreben, Systeme mit geringerem Gewicht zu erhalten, kommen alternative Gehäuse-Materialien – wie z. B. Aluminium – zum Einsatz. Verwendet man jedoch unterschiedliche Materialien für Stator und Gehäuse, entstehen andere Probleme z. B. durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Als technische Lösung kommen hier Toleranzringe zum Einsatz, da sie in der Lage sind, sich ändernde Toleranz-Situationen über Temperatur-Änderungen hinweg auszugleichen.
Neben der Fähigkeit, temperatur-bedingte Maß-Schwankungen der Komponenten auszugleichen, vereinfacht ein Toleranzring den Montage-Prozess, vermeidet Probleme, die durch Verklebungen entstehen, und belastet durch eine konstantere Haltekraft die Komponenten deutlich weniger als z. B. beim thermischen Aufschrumpfen.
“Kein Erhitzen, moderate Kräfte und kein chaotischer Klebe-Prozess; ich bin immer wieder beeindruckt, wie einfach und simpel sich ein Stator mittels Toleranzringen fixieren lässt” Andy Broadwell, Senior Application Engineer.
Ein RENCOL® Toleranzring sorgt für einen festen Sitz eines Stators im Gehäuse und ist somit eine effiziente Lösung.
Ist eine hohe Wärmeübertragung wichtig, bieten Aluclad Toleranzringe den Vorteil, dank eines besonderen Material-Aufbaus einen besseren Wärmeübergang vom Stator auf das Gehäuse zu ermöglichen.
Rotorbefestigung
Das andere entscheidende Bauteil eines Elektromotors ist der Rotor. Wie der Name andeutet, ist der Rotor die Komponente, die sich bewegt oder durch die interagierenden magnetischen und elektromagnetischen Felder bewegt wird.
Der Rotor wird dazu auf einer Achse fixiert – auch als Rotorbefestigung bezeichnet. Auch hier müssen Toleranzen und Fehlstellungen ausgeglichen werden, um einen sicheren Halt zu gewährleisten. Schwingungen können sich mit steigender Drehzahl verstärken oder ändern – dies muss eine gute Befestigung aushalten, um als zuverlässig zu gelten.
Ein Toleranzring zur Rotorbefestigung ist eine flexible Lösung – bedingt durch die Elastizität der Verprägungen, welche als Federelement wirken. In Abhängigkeit vom eingesetzten Material, deren Stärke und der Geometrie der Verprägungen wird die Steifigkeit erzeugt, die zum Bändigen der Rotorkräfte notwendig ist. Ein RENCOL® Toleranzring wird kundenspezifisch ausgelegt, um die Belastungs-Anforderungen durch den Motor zu erfüllen, sich präzise zwischen Rotor und Achse zu fügen sowie – im Vergleich zum Verkleben, Verpressen oder Aufschrumpfen – eine einfachere Montage zu erlauben.
Befestigungs-Elemente für weitere Anwendungen
Ein Toleranzring kann in vielen weiteren Anwendungen als Befestigungselement eingesetzt werden. Das Befestigen von Lagern, Sensoren und Magneten sind gängige Beispiele. Im Folgenden gehen wir näher auf die jeweiligen Anforderungen ein.
Befestigung von Wälzlagern
Bevor wir uns gedanklich komplett von den Elektromotoren entfernen, sollten wir zur Kenntnis nehmen, dass auch die Wälzlager eines Elektromotors befestigt werden müssen.
Aber Wälzlager befinden sich nicht ausschließlich in Elektromotoren – immer, wenn Wälzlager verwendet werden, bedarf es einer zuverlässigen Verbindung zum Gehäuse und zur Achse des Systems, in dem das Lager zum Einsatz kommt.
Ein Wälzlager sollte sorgsam verbaut werden, um dessen Performance optimal nutzen zu können. Ein zu hoher Press-Druck auf das Lager erhöht das Drehmoment, eine zu lose Verbindung führt zur Verschiebung der Bauteile oder zum Klappern. Die kundenspezifische Auslegung von RENCOL® Toleranzringen sorgt für eine exakte Passung der Lager und einen sicheren Halt. Zur Befestigung von Wälzlagern können Toleranzringe für große Durchmesser wie bei Elektromotoren aber auch für deutlich kleinere Durchmesser wie in Festplatten-Laufwerken eingesetzt werden. Sie gewährleisten einen sicheren Festsitz über den kompletten Betriebsbereich, vereinfachen den Zusammenbau und verringern Kosten und Gewicht.
Befestigung von Magneten und Sensoren
Befestigungs-Elemente werden z. B. zur Fixierung von Wälzlagern, Umlenk-Rollen oder Zahnrädern verwendet. Es gibt jedoch noch weitere Bauteile, die befestigt werden müssen. Sensoren, Magnete und magnetische Sensoren sind in der Automobilindustrie weit verbreitet als Detektoren oder Positionier-Hilfen im Einsatz. Sie alle müssen über ihr gesamtes Produktleben hinweg sicher befestigt sein, um zu funktionieren.
Auch für Zuhause oder in industriellen Anwendungen werden vermehrt Sensoren eingesetzt. Mechanische Systeme werden mit Sensoren ausgestattet, um potentielle Gefahren und Grenzbereiche anzuzeigen und somit die Nutzer auf Überlastungen der Geräte aufmerksam zu machen oder diese zu schützen.
Magnete und Sensoren sind jedoch häufig spröde und empfindlich, sodass die Wahl einer geeigneten Befestigungs-Methode endscheidend ist, damit sie nicht beschädigt werden. Verkleben ist eine Möglichkeit, hat aber den Nachteil, dass die Verbindung sehr steif ist und Stöße nicht abgemildert werden können. Ein Toleranzring schützt hier den Sensor, Magneten oder magnetischen Sensor, indem er für einen festen Halt sorgt, jedoch auch gewisse (Ausweich-)Bewegungen erlaubt. Wie auch beim Befestigen von Wälzlagern schonen die elastischen Verprägungen die Bauteile und ermöglichen sogar ein Trennen der Komponenten ohne empfindliche und teure Teile zu zerstören.
Ein RENCOL® Toleranzring als Befestigungselement
RENCOL® Toleranzringe wurden schon in vielen Anwendungen als Befestigungselement genutzt. Als erste bekannte Anwendung gilt die Verwendung zur Fixierung von Kugelköpfen an Maschinen-Hebeln.
Der Einsatz von Toleranzringen als Befestigungselemente bietet viele Vorteile:
- Verbindung von Komponenten aus unterschiedlichen Materialien
- Trennen der Komponenten, ohne diese zu beschädigen
- Übertragung von Drehmomenten
- Fixierung von Bauteilen an vorbestimmten Positionen
- Ausgleich von Fehlstellungen
- Ausgleich von Toleranzen
- Verhindern von Relativ-Bewegungen zwischen zwei Komponenten
Diese Art der Verbindung eignet sich für jeden Anwendungsfall. Während der Design-Phase können unsere Entwickler weitere vorteilhafte Eigenschaften berücksichtigen, die das Befestigungselement erfüllen soll.
Möchten Sie mehr dazu erfahren?
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