Wie werden Toleranzhülsen (Toleranzringe) ausgelegt?

Wie ein Toleranzring funktioniert, ist recht simpel, aber in der Praxis sind die Auslegung von Toleranzhülsen und die Anforderungen an diese sehr viel komplexer. Bei einer einfachen Anwendung wie der Montage von Kugellagern mittels RENCOL^® kann es relativ leicht sein, eine Toleranzhülse zu spezifizieren. Allerdings bedarf es bei herausfordernden Anwendungen oder Bedingungen sehr wohl der Zusammenarbeit mit dem Nutzer. Damit eine Toleranzhülse funktioniert, ist es wichtig, die anderen beiden Bauteile passend auszulegen.

Der Auslegungsprozess von RENCOL^® Toleranzringen findet in solchen Fällen idealerweise als Zusammenarbeit zwischen den jeweiligen Konstrukteuren statt. Wenn irgend möglich sollte diese Kooperation in einem schon frühen Entwicklungsstadium erfolgen, da für Kunden beim Einsatz einer Toleranzhülse es häufig notwendig wird, ihre Komponenten anzupassen (siehe weiter unten). Die Leistungsfähigkeit, die ein System unter Verwendung einer Toleranzhülse erzielen kann, ist von folgenden drei Elementen abhängig:
•    Innere Anschluss-Komponente
•    Äußere Anschluss-Komponente
•    Toleranzhülse

Je weiter der Entwicklungsprozess fortgeschritten ist und die einzelnen Elemente eines Systems festgelegt sind, desto schwieriger wird es, eine Toleranzhülse nachträglich zu berücksichtigen, da die Möglichkeit, wichtige Eckpunkte zu ändern, sich zunehmend verringert.

Überblick zum Design Prozess

Typische Entwicklungsstufen sind:
•    Erfassung und Beurteilung der Systemanforderungen – Im folgenden Abschnitt wird kurz dargestellt, welche Art an Informationen in diesem Stadium benötigt werden; sowohl bezüglich der Leistungsanforderungen als auch Einzelheiten zu den Bauteilen, die mit der Toleranzhülse in direktem Kontakt stehen. Dies kann mit unseren RENCOL^® Experten telefonisch, mittels eines Projekt-Frage-bogens oder durch den lokalen Kontakt zu einem unserer technischen Vertriebsmitarbeiter erfolgen.
•    Auslegung der Toleranzhülse – In dieser Phase kommen häufig ausgefeilte Simulationsmodelle wie z. B. FEA zum Einsatz, um Leistungskennwerte der Toleranzhülse vorauszuberechnen und zu prüfen, ob die angestrebten Anforderungen erfüllt werden können. Als Ergebnis wird ein Konstruktionsentwurf zur Verfügung gestellt, mit Angabe der Eingangsparameter und unserem Design-Vorschlag für die Toleranzhülse.
•    Muster – werden auf Kleinserienmaschinen für erste Leistungsüberprüfungen hergestellt.
•    Überprüfung – Um das Leistungsvermögen zu ermitteln, werden häufig Versuche sowohl mit Bauteilen aber auch mit ganzen Systemen durchgeführt. Dies beinhaltet beispielsweise Stauchungstests, Rütteltests, Drehmomenttests und Lebensdaueruntersuchungen. Wichtig dabei ist, dass die Toleranzhülse im System validiert wird.
•    Industrialisierung – Ist das Design im System validiert, startet die Industrialisierung des Teils. Das Freigabeverfahren richtet sich dabei an den Anforderungen; von einer einfachen Bemusterung bis hin zum zertifizierten APQP-Prozess der Automobilindustrie.

Was muss bei der Auslegung eines Toleranzhülse berücksichtigt werden?

Bei der Auslegung von Toleranzhülsen sind ein paar Dinge zu bedenken – einige davon sind nicht offensichtlich, wenn der Umgang mit Toleranzhülsen keine Routine ist. Folgende Punkte sollten beachtet werden:

Anpassungen der Anschlussmaße anderer Bauteile

Um eine Toleranzhülse zwischen zwei Bauteilen zu platzieren, benötigt dieser Raum (üblicherweise zwischen 0,4 bis 1,2 mm radial). Manchmal können gewisse Abmaße nicht geändert werden (z. B. der Außendurchmesser eines Kugellagers, um dieses zu befestigen); dies sollte dann dem Konstrukteur eines RENCOL^® Toleranzrings im Vorfeld mitgeteilt werden.

Toleranzen der Bauteile

Es ist wichtig, die Gesamtsumme aller radialen Toleranzen zu betrachten und die daraus resultierenden Kräfte abzuschätzen. Notwendigerweise muss erkannt werden, ob unter Grenzbedingungen Mindest- (oder manchmal auch Maximal-) kräfte einzuhalten sind.

Maximale und minimale Einsatztemperaturen

Diese haben einen ähnlichen Einfluss wie die Bauteiltoleranzen (Änderung der wirkenden Kräfte); kommen Bauteile aus unterschiedlichen Materialien zum Einsatz, muss die thermische Ausdehnung berücksichtigt werden, um immer eine angemessene Kraft zu erzielen.

Verfügbare Einbaubreite für die Toleranzhülse

Die Breite einer Toleranzhülse hat einen Einfluss auf die Möglichkeit, bestimmte Verprägungen zu verwenden. Je schmaler ein Ring ist, desto weniger radiale Kraft können die entsprechend schmaleren Verprägungen der Toleranzhülse erzeugen. Die Kenntnis über etwaige räumliche Begrenzungen ist wichtig, um abschätzen zu können, ob die Toleranzhülse die angestrebten Eigenschaften erfüllen kann.

Auf das System wirkende radiale Kräfte

Kräfte, die auf das System wirken, sind besonders wichtig bei der Auslegung von Toleranzhülsen; Fehler hierbei können zum Ausfall führen. Folgende Information werden benötigt:
•    Art der Last – wirkt die Last gleichmäßig auf das System, an derselben Stelle, unter allen Einsatzbedingungen? Denkbar – für solch eine Betrachtung – sind Punktbelastungen auf statische Toleranzhülsen wie auch zyklische Belastungen auf rotierende Toleranzhülsen.
•    Axial / linear oder radial – In welche Richtung wirkt die Kraft auf das System und ist diese dauerhaft? Eine überhöhte axiale Last kann beispielsweise durch Relativbewegungen der Bauteile verursacht werden.
•    Last-bedingte Schrägstellung der Bauteile – Führt eine extern wirkende Last zu einer Fehlstellung oder Schrägstellung der verbauten Teile? Diese Art der Belastung kann zu einer Veränderung der relativen Festigkeit einzelner Verprägungen über den Durchmesser führen und beeinflusst so die Eigenschaften des Gesamtsystems.

Bestehen konkrete Erwartungen hinsichtlich Drehmomentübertragung oder Kupplungsschlupf?

Derartige Anwendungen sind tendenziell anspruchsvoller und bedürfen weiterer Informationen.

DREHMOMENTÜBERTRAGUNG

•    Wie hoch soll das zu übertragende Drehmoment sein? – Hier ist es wichtig, auch einen Sicherheitsfaktor zu bestimmen, der eingehalten werden soll. 
•    Radialkräfte – Liegen erhebliche Radialkräfte an? In solchen Fällen ist es ratsam, besondere Bauformen, wie z. B. Absätze, zu verwenden, um die RENCOL^® Toleranzringe zu schützen.

Rutsch-Kupplung

Die Anforderung in solchen Systemen besteht darin, dass beim Überschreiten eines bestimmten Drehmoments die Bauteile sich relativ zueinander bewegen. Dies dient zum Schutz der Bauteile vor Überbeanspruchung oder auch der Nutzer selbst.
•    Rutschmoment – Ab welchem Drehmoment soll das System durchrutschen?
•    Schwankung des Rutschmoments – Wie hoch ist die zulässige Drehmomentschwankung? Dies wird üblicherweise in Prozent bezogen auf den Nominalwert angegeben (z. B. ± 15%), kann aber auch als direkter Wert erfolgen (z. B. ± 5 Nm). 
•    Die Anzahl der geforderten Zyklen – In Abhängigkeit der geforderten Zyklen kann das Design der Toleranzhülse und der notwendigen Gegenlaufflächen stark variieren. Es ist ebenso wichtig, den Rutsch-Zyklus zu definieren: Wie groß ist der Schwenkwinkel? Mit welcher Geschwindigkeit erfolgt die Bewegung? Erfolgt die Bewegung wechselseitig oder nur in eine Richtung?
•    Typ und Spezifikation des eingesetzten Fetts – Die Zusammensetzung des Fetts hat einen großen Einfluss auf die Reibung zwischen dem Innendurchmesser der Toleranzhülse und dem Schaft während des Rutsch-Vorgangs.

Benötigen die Bauteile besondere Konstruktionsmerkmale, um eine Toleranzhülse zu verbauen?

Dies hängt von den Anforderungen ab; wobei üblicherweise eine wechselseitige Abhängigkeit von der Toleranzhülse zu erzeugenden Kraft und der Festigkeit der anderen Bauteile besteht. Es folgen die drei gebräuchlichsten Anordnungen von Toleranzhülsen mit deren Vorteilen und Anforderungen:

Freie Anordnung

Dies ist die kostengünstigste Montageanordnung, da die Gegenkomponenten keine zusätzlichen Positionierungsvorrichtungen benötigen. Die Herausforderung ist, dass bei dieser Anordnung der Toleranzring die volle radiale Belastung aufnehmen muss, die auf das System wirkt. Manchmal bedarf es dazu jedoch spezieller Vorrichtungen, um den Toleranzring während des Verbaus in der richtigen Position zu halten.