Zahnwellen-Rechner

Zahnwellen nach DIN 5480 (30°, flankenzentriert) aus der Bezeichnung W dB × m × z: Profilverschiebung, Kopf- und Fußkreisdurchmesser von Welle und Nabe, Grundkreisdurchmesser und Zahndicke. Dazu der Tragfähigkeitsnachweis: Flankenpressung, die für ein Drehmoment erforderliche Eingriffslänge, übertragbares Drehmoment, Torsion der Welle im Fußkreis und Tangentialspannung in der Nabe – für feste und verschiebbare Verbindungen. Auch Zahnwellen nach ANSI B92.1 mit flachem Zahnfuß, flankenzentriert.

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Norm
mm
mm
Modul (Reihe nach DIN 780, wie in DIN 5480)
N·m
Belastungsart (KA nach DIN 3990, Antrieb Elektromotor)
mm
mm
Passung / Betrieb
Wellenwerkstoff
Nabenwerkstoff
Methode und AnnahmenMethode: Geometrie nach DIN 5480 aus dem Bezugsprofil (α 30°, Kopfhöhe 0,45·m, Fußhöhe 0,55·m, Kopfspiel 0,1·m): x·m = (dB − m·z − 1,1·m)/2, da1 = dB − 0,2·m, df1 = dB − 2,2·m, da2 = dB − 2·m, df2 = dB; z nach der DIN-Regel x = −0,05 … +0,45 (gerades z, wenn zwei passen). Tragfähigkeit über die vereinfachte mittlere Flankenpressung p = 2·T·KA/(dm·h'·L'·z·φ) mit dm = dB − 1,1·m, h' = 0,9·m, φ = 0,75 (vorsichtig, nach Decker; Tabellen wie im Roloff/Matek nennen 0,9 für flankenzentrierte Zahnwellen); statische Torsion der Welle auf df1; Tangentialspannung nach Lamé in der Nabe aus den radialen Zahnkräften. Das übertragbare Moment ist der kleinste der Grenzwerte aus Flanken, Wellentorsion und Nabe. Grundmaße ANSI B92.1, 30°, flacher Fuß, flankenzentriert, mit demselben Nachweis (dm = D, h' = 0,9/P wie im Machinery's Handbook)Grundlage: Zulässige Pressung (TorqueMath-Regeln, wie auf der Passfeder-Seite – nicht aus einer Norm übernommen; veröffentlichte vereinfachte Werte sind oft niedriger, z. B. RoyMech 130 MPa für C45, und DIN 6892 ergänzt Stütz- und Sicherheitsfaktoren): feste Verbindung 0,9·Re des schwächeren Teils von Welle und Nabe (einsatzgehärtet ×1,15; Nabe aus GJL 0,5·Rm); lastfrei verschoben: halber Wert der festen Verbindung (Regel dieser Website); unter Last verschoben: Grenzwerte für geradverzahnte Zahnwellen aus Stahl 1500 / 2000 / 5000 psi je nach Härte (Dudley nach Machinery's Handbook; GJS mit dem Stahlwert; GJL 5 MPa, unteres Ende deutscher Vorlesungstabellen). Angerechnete Länge höchstens 1,3·dB. Zulässige Torsionsspannung der Welle 0,58·Re/1,5; zulässige Tangentialspannung der Nabe Re/1,5 (GJL Rm/3). KA wirkt auf das Drehmoment. Re: C45+N 305, 42CrMo4+QT 650 (40–100 mm), 16MnCr5 Kern 590, GJS-600-3 370 MPaGrenzen: Nicht das vollständige Verfahren der DIN 5466-1: keine Lastverteilungsfaktoren in Umfangs- und Breitenrichtung aus der Steifigkeit von Welle und Nabe, keine Dauerfestigkeit von Zahnfuß oder Wellenkerbe, kein Biegemoment, kein wechselndes Drehmoment. Nur Nennmaße: keine Toleranzklassen, Abmaße, Maße über Messrollen oder werkzeugabhängigen Fußformen (wälzgefräste Wellenfüße können bis zu 0,1·m tiefer liegen). Keine Kopffase von h' abgezogen. Der Grenzwert für lastfreies Verschieben ist eine Faustregel. ISO 4156 und durchmesserzentrierte DIN 5480 nicht abgedeckt; ANSI nur flacher Fuß, flankenzentriert, Pitch 2,5/5 – 12/24. Keine Faktoren für Verschleißlebensdauer, Dauerfestigkeit oder Fluchtungsfehler (Dudley Kw, Kf, Km). Die Tangentialspannung der Nabe verwendet tan 30° statt des Eingriffswinkels bei dm (bei großer positiver Profilverschiebung etwa 10 % zu niedrig). Die Längenbegrenzung 1,3·dB stammt aus der Passfedernorm DIN 6892Normen und Quellen: DIN 5480-1 · DIN 5480-2 · DIN 5466-1 · ANSI B92.1 · DIN 3990-1Formeln · So wurde dieser Rechner geprüft · TorqueMath v2.10

Modulauswahl bei Ihrem Bezugsdurchmesser

Größentabelle DIN 5480: Zähnezahl z

Bezugsdurchmesser 6 – 120 mm über dem Modul. Jede Zelle zeigt die Zähnezahl, bei der die Profilverschiebung im Bereich der DIN 5480 x = −0.05 … +0.45 bleibt (gerades z, wenn zwei Zähnezahlen passen, wie in den Tabellen der DIN 5480-2). Klicken Sie auf eine Zelle, um diese Größe zu übernehmen. DIN 5480-2 führt die genormten Größen auf; prüfen Sie bei ungewöhnlichen Kombinationen die Verfügbarkeit von Räumnadeln und Wälzfräsern.

So wird gerechnet

Zahnwellen nach DIN 5480 werden nach dem Bezugsdurchmesser dB benannt, der nahe am Außendurchmesser der Welle liegt – nicht nach dem Teilkreisdurchmesser. Alle Verzahnungen verwenden dasselbe 30°-Bezugsprofil mit der Kopfhöhe 0,45·m und der Fußhöhe 0,55·m. Die Profilverschiebung x·m passt die Zähne an den gewählten Bezugsdurchmesser dB an; die Zähnezahl wird so gewählt, dass x zwischen −0,05 und +0,45 liegt. Nabe und Welle sind über die Flanken zentriert; zwischen Kopf und Fuß bleibt ein Spiel von 0,1·m.

Profilverschiebung x·m = (dB − m·z − 1,1·m) / 2 (−0,05·m ≤ x·m ≤ +0,45·m) Teilkreis- / Grundkreis-Ø d = m·z db = m·z·cos 30° Welle Kopf- / Fußkreis-Ø da1 = dB − 0,2·m df1 = dB − 2,2·m (Nennmaß, wälzgefräst) Nabe Kopf- / Fußkreis-Ø da2 = dB − 2·m df2 = dB (Nennmaß, geräumt) Zahndicke am Teilkreis s = m·(π/2 + 2·x·tan 30°) = Lückenweite e der Nabe bei Nullspiel ANSI B92.1 (30°, flacher Fuß, flankenzentriert, Zoll): D = N/P Do = (N+1)/P Dre = (N−1,35)/P Di = (N−1)/P Dri = (N+1,35)/P s = π/(2P) Flankenpressung p = 2·T·KA / (dm · h' · L' · z · φ) ≤ p_zul mittlerer Durchmesser dm = (da1 + da2)/2 = dB − 1,1·m (ANSI: D) tragende Höhe h' = (da1 − da2)/2 = 0,9·m (ANSI: 0,9/P, Machinery's Handbook) ohne Abzug von Kopffasen Traganteil φ = 0,75 (vorsichtig: Decker; Tabellen wie im Roloff/Matek nennen 0,75 für innenzentrierte und 0,9 für flankenzentrierte Zahnwellen) angerechnete Länge L' = min(L, 1,3·dB) Erforderliche Länge L_erf = 2·T·KA / (dm · h' · z · φ · p_zul) Übertragbares Moment T_max = min( Flanken p_zul · dm · h' · L' · z · φ / (2·KA), Welle τ_zul · π·df1³/(16·KA), Nabe aus σ_t ≤ zulässig ) Wellentorsion im Fußkreis τ = 16·T·KA / (π·df1³) ≤ 0,58·Re / 1,5 Tangentialspannung Nabe p_i = (2·T·KA/dm)·tan 30° / (π·dm·L') σ_t = p_i·(D² + df2²)/(D² − df2²) ≤ Re/1,5 (GJL: Rm/3) (Lamé) Zulässige Pressung fest: 0,9·Re des schwächeren Teils (einsatzgehärtet ×1,15, GJL 0,5·Rm) – TorqueMath-Regel, wie auf unserer Passfeder-Seite; veröffentlichte vereinfachte Werte sind oft niedriger (z. B. RoyMech 130 MPa für C45 fest), DIN 6892 verwendet fS·fH·Re mit Sicherheitsfaktoren · lastfrei verschoben: ½ des festen Werts (TorqueMath-Regel) unter Last verschoben: 10,3 / 13,8 / 34,5 MPa (1500 / 2000 / 5000 psi, geradverzahnte Zahnwellen aus Stahl, Dudley nach Machinery's Handbook; Nabe aus GJS mit dem Stahlwert), GJL 5 MPa (unteres Ende des Bereichs 5 – 15 MPa in deutschen Vorlesungstabellen)

Dies ist der vereinfachte Nachweis mit mittlerer Pressung, wie ihn Roloff/Matek, Decker und Niemann für die erste Auslegung verwenden: Das Drehmoment wird von drei Vierteln der Zähne übertragen, mit gleichmäßiger Pressung über die tragende Höhe und die angerechnete Länge. Das vollständige Verfahren der DIN 5466-1 ersetzt φ und die Längenbegrenzung durch Lastverteilungsfaktoren in Umfangs- und Breitenrichtung (kφ, kβ) aus der Torsions- und Biegesteifigkeit von Welle und Nabe, weist Zahnfuß und Wellenkerbe auf Dauerfestigkeit nach und berücksichtigt Biegemomente und wechselnde Drehmomente. Verwenden Sie dieses Verfahren oder Versuchsergebnisse für hoch belastete, wechselnd belastete oder lange Zahnwellen. Die Dauerfestigkeit der Welle am Verzahnungsauslauf wird gesondert im Wellenrechner nachgewiesen (Kt für Zahnwellen bei Torsion etwa 2,5 – 3).

Die Kopf- und Fußkreisdurchmesser sind Nennmaße des Bezugsprofils. Reale Naben werden geräumt oder gestoßen, reale Wellen wälzgefräst, gestoßen oder kaltgewalzt; Werkzeug, Toleranzklasse (zum Beispiel 9H / 8f) und Abmaßreihe verschieben die Fußkreisdurchmesser um einige Hundertstel Millimeter. DIN 5480-2 gibt für jede Größe die Prüfmaße über Messrollen und über k Zähne an.

Dieser Rechner bestimmt eine Zahnwelle mit Evolventenflanken nach DIN 5480 aus ihrer Bezeichnung W dB × m × z oder eine Zahnwelle nach ANSI B92.1 (flacher Fuß, flankenzentriert) aus Zähnezahl und Pitch. Geben Sie Bezugsdurchmesser und Modul ein (oder wählen Sie eine Größe aus der Tabelle), dazu das Drehmoment mit Anwendungsfaktor, die Eingriffslänge und den Nabenaußendurchmesser, und wählen Sie Passung und Werkstoffe. Sie erhalten Profilverschiebung, Kopf- und Fußkreisdurchmesser von Welle und Nabe, Grundkreisdurchmesser und Zahndicke, dann Flankenpressung, die für das Drehmoment erforderliche Eingriffslänge, das übertragbare Drehmoment, die Torsion der Welle im Fußkreis und die Tangentialspannung der Nabe – mit einer Tabelle, die die bei Ihrem Durchmesser möglichen Module vergleicht.

Rechenbeispiel: W 40×2×18 überträgt 1.000 N·m in eine Nabe aus C45

  1. Zahnwelle DIN 5480 W 40×2×18: dB = 40 mm, m = 2 mm, z = 18. Drehmoment 1.000 N·m, KA 1,25, Eingriffslänge 40 mm, feste Verbindung, Welle 42CrMo4+QT (Re 650 MPa), Nabe C45+N (Re 305 MPa), Nabenaußen-Ø 70 mm.
  2. Profilverschiebung x·m = (40 − 2·18 − 1,1·2)/2 = +0,90 mm (x = +0,45, die obere Grenze des DIN-Bereichs). Kopfkreis Welle da1 = 40 − 0,4 = 39,6 mm, Fußkreis Welle df1 = 40 − 4,4 = 35,6 mm, Kopfkreis Nabe da2 = 40 − 4 = 36,0 mm, Fußkreis Nabe df2 = 40 mm. Grundkreisdurchmesser 36·cos 30° = 31,18 mm.
  3. Mittlerer Durchmesser dm = (39,6 + 36,0)/2 = 37,8 mm, tragende Höhe h' = (39,6 − 36,0)/2 = 1,8 mm. Flankenpressung p = 2 × 1.000.000 × 1,25 / (37,8 × 1,8 × 40 × 18 × 0,75) = 68,0 MPa.
  4. Zulässige Pressung für das schwächere Teil, die Nabe aus C45: 0,9 × 305 = 274,5 MPa; die Flanken sind also zu 25 % ausgelastet. Erforderliche Länge 2,5·10⁶ / (37,8 × 1,8 × 18 × 0,75 × 274,5) = 9,9 mm; bei 40 mm überträgt die Verzahnung etwa 4.030 N·m.
  5. Torsion der Welle im Fußkreis: τ = 16 × 1,25·10⁶ / (π × 35,6³) = 141 MPa, das sind 56 % von 0,58 × 650 / 1,5 = 251 MPa. Nabe: Umfangskraft 66,1 kN, radialer Anteil × tan 30°, äquivalenter Innendruck 8,0 MPa, Tangentialspannung nach Lamé 15,8 MPa.

Die Zahnwelle W 40×2×18 überträgt 1.000 N·m mit Stößen bei einem Viertel der zulässigen Flankenpressung; die eigentliche Grenze ist der Wellenquerschnitt im Fußkreis (56 %), was für Zahnwellen typisch ist. Für die Flanken würden 10 mm Eingriffslänge genügen, für Führung und Verschleiß ist aber eine Länge von etwa 1·dB ratsam.

Häufige Fragen

Was bedeutet eine Bezeichnung nach DIN 5480 wie W 40×2×18?

W steht für Welle, N für Nabe. 40 ist der Bezugsdurchmesser dB in mm, nahe am Außendurchmesser der Welle; 2 ist der Modul in mm und 18 die Zähnezahl. Eine vollständige Bezeichnung enthält zusätzlich Toleranzklasse und Abmaß, zum Beispiel DIN 5480 – W 40×2×18×8f für die Welle und N 40×2×18×9H für die Nabe.

Wie wird die Zähnezahl einer Zahnwelle nach DIN 5480 gewählt?

DIN 5480 legt Bezugsdurchmesser und Modul fest und passt die Zähne über eine Profilverschiebung x·m = (dB − m·z − 1,1·m)/2 an. Die Zähnezahl wird so gewählt, dass x zwischen −0,05 und +0,45 bleibt; passen zwei Zähnezahlen, verwenden die Normtabellen die gerade, zum Beispiel W 40×2×18 statt 19 und W 50×2×24 statt 23.

Wie berechne ich das übertragbare Drehmoment einer Zahnwelle?

Das vereinfachte Verfahren nimmt eine gleichmäßige Pressung auf den Flanken an: p = 2·T·KA / (dm · h' · L · z · φ). Für DIN 5480 ist der mittlere Durchmesser dm = dB − 1,1·m und die tragende Höhe h' = 0,9·m; der Traganteil φ ≈ 0,75 berücksichtigt Teilungsfehler, durch die nicht jeder Zahn trägt. Das übertragbare Drehmoment ergibt sich, wenn man p gleich der zulässigen Pressung des schwächeren Teils setzt.

Welche Flankenpressung ist bei einer verschiebbaren Zahnwelle zulässig?

Viel weniger als bei einer festen, weil der Verschleiß und nicht die Festigkeit entscheidet. SAE und ANSI B92.1 nennen für Zahnwellen, die unter Last verschoben werden, etwa 1500 psi (10 MPa) bei weichem Stahl, 2000 – 3000 psi bei durchgehärtetem und bis zu 5000 psi (35 MPa) bei einsatzgehärteten Flanken – gegenüber etwa 0,9 × Streckgrenze bei einer festen Zahnwelle. Ballige Zähne und gute Schmierung heben die Grenze an.

Wie lang sollte die Eingriffslänge einer Zahnwelle sein?

Lang genug für die Flankenpressung – aber über etwa das 1,3-Fache des Bezugsdurchmessers hinaus verdreht sich die Welle entlang der Verzahnung und das entfernte Ende trägt kaum mit, sodass zusätzliche Länge keine Tragfähigkeit bringt. Üblich sind Längen um 0,8 – 1,3 × dB; für höhere Momente einen größeren Durchmesser oder härtere Flanken wählen.

Was ist der Unterschied zwischen dieser Berechnung und DIN 5466?

DIN 5466-1 ist das ausführliche Tragfähigkeitsverfahren für Zahnwellen: Es verwendet Lastverteilungsfaktoren in Umfangs- und Breitenrichtung aus der Steifigkeit von Welle und Nabe, weist Zahnfuß und Wellenkerbe auf Dauerfestigkeit nach und behandelt Biegung und wechselnde Belastung. Der Nachweis mit mittlerer Pressung hier ist das schnelle Auslegungsverfahren aus Roloff/Matek und Niemann – gut zur Dimensionierung, nicht als abschließender Nachweis hoch belasteter Zahnwellen.

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