Sicherungsring für schnelldrehende Antriebe

Ingenieure des C-Teile-Herstellers Smalley standen vor der Aufgabe, für einen OEM von Automotive-Elektroantrieben einen Wellen-Sicherungsring mit integrierter Selbstsperrfunktion zu entwickeln. Das Besondere: Er sollte auch Umdrehungen von bis zu 17.000 U/min standhalten. Herkömmliche Sicherungsringe katapultiert es bei diesen Drehzahlen ins Nirvana.

23. April 2018

Mechanisch betrachtet sind es vorrangig die Zentrifugalkräfte der rotierenden Antriebswellen, die die Funktion von Sicherungsringen begrenzen. Werden die fliehenden Kräfte zu hoch, hebt es den Sicherungsring aus seiner Nut und lässt ihn von der Welle rutschen. Im schlimmsten Fall bedeutet das den Totalausfall des Antriebs. Auch in der Elektrotechnik gehört es daher zu den Pflichten der Konstrukteure, die maximale Drehzahl-Eignung der verwendeten Sicherungsringe abzuklären. Je nach Typ und Variante eignen sich beispielsweise die ösenfreien Spirolox-Ringe von Smalley im Lieferprogramm von TFC serienmäßig für Drehzahlen von bis zu 8.000 U/min. Damit decken der US-amerikanische Hersteller und sein deutscher Vertriebspartner zwar einen außergewöhnlich großen Anwendungsbereich ab; für einen namhaften OEM von Automotive-Elektroantrieben für die E-Mobility war das allerdings nicht genug: Er benötigte für einen neuen hochdrehenden Motor einen Sicherungsring mit 33 mm Durchmesser, der seinen Sitz in der Nut selbst bei Drehzahlen von mehr als 17.000 U/min zuverlässig und stabil beibehalten sollte.

Herstellung der Sicherungsringe No-Tooling-Cost-Verfahren

Grundsätzlich bestehen die Spirolox-Ringe von Smalley/TFC aus gewalzten Edelstahl-, Federstahl-, Titan- oder Sonderlegierungs-Werkstoffen und weisen im Gegensatz zu den anderen Sicherungsringen (DIN 471/472) einen prägnanten Vorteil auf: Sie haben keine Nasen, Ösen oder Bohrungen und auch keinen Spalt, sondern schließen rundum bündig ab. Sie sind also wie geschaffen für die Verwirklichung raumsparender Konstruktionen, da sie peripheren Komponenten keinen Platz stehlen. Technologische Grundlage für ihre Herstellung ist das No-Tooling-Cost-Verfahren von Smalley – auch bekannt als Circular-Grain-Methode. Dabei handelt es sich um eine Variante der Kantenwindungstechnik, die sich flexibel nutzen lässt und es erlaubt, konstruktive Anpassungen und Optimierungen an den Sicherungsringen ohne zusätzliche Tools oder Werkzeug-Modifikationen vorzunehmen. Das Verfahren ermöglicht zudem die rasche Prototypen-Fertigung und – selbst bei kleinen Stückzahlen – eine kostengünstige Herstellung von Sonderlösungen.

Selbstsperrende Dorn-Slot-Verbindung

Auch bei der Entwicklung des Sicherungsrings für die High-Speed-Elektromotoren des Automotive-OEM kamen die Ingenieure von Smalley mit Hilfe der No-Tooling-Cost-Technologie schnell zum Ziel. Innerhalb weniger Wochen realisierten sie einen Spirolox-Ring mit zwei Windungen und einer integrierten Eigensicherung – einer Art Selbstblockade –, der in der Lage ist, die hohen Drehzahl-Anforderungen des Kunden problemlos zu erfüllen. Im Gegensatz zu den Standardlösungen verfügt dieser als Sonderteil realisierte selbstsperrende Sicherungsring an seiner Innenwindung über zwei kleine Dorne, die sich jeweils in gegenüberliegende schmale Slots (Ausstanzungen) im Außenring schieben und dort einrasten. Durch diese doppelte Dorn-Slot-Paarung entsteht eine schlüssige Verbindung zwischen den Windungen des Rings, die umso fester wird je schneller die Welle des Elektromotors dreht. Darüber hinaus ergeben sich einige weitere, überaus erfreuliche Vorteile: Dank der Selbstsperr-Funktion erweist sich der Sicherungsring von Smalley und TFC auch als extrem standhaft bei hoher Beschleunigung und viel unempfindlicher gegenüber Vibrationen. In der Praxis hat sich zudem gezeigt, dass er sogar in der Lage ist, Stöße und Schläge zu absorbieren. Sein äußeres Design ist – wie bei allen Spirolox-Ringen – rundum bündig und bildet eine geschlossene 360°-Anlagefläche. 

Mit dem neuen selbstsperrenden Smalley-Sicherungsring bietet TFC eine Lösung für den Elektromotorenbau an, die dem E-Mobility-Trend zu immer höher drehenden Antrieben gerecht wird. Schon heute sind hier beispielsweise Synchronmaschinen, die mit etwa 11.000 U/min rotieren sowie Asynchronmaschinen, deren Nenndrehzahlen sogar bei bis zu 25.000  U/min liegen, keine Seltenheit mehr. Prinzipiell liefert TFC die Spirolox-Sicherungsringe sowohl als Schnapp-, Hoopster®- und Flachdraht-Wellenringe als auch mit Mehrfach-Windungen. Alle Typen lassen sich mit marktüblichen Schraubendrehern setzen und entfernen. Ab Lager erhältlich sind die Ringe in 6.000 verschiedenen Ausführungen mit Durchmessern von 6,0 bis 400 mm (1/4“ bis 16“).