Spieverbinding

verschillende type spieen

Spie kopen. Hoe kies je het juiste type?

Wat is een spie en hoe werkt deze asverbinding?

De spieverbinding is een veel toegepaste montagevorm van as en naaf. Hierbij wordt zowel as als naaf voorzien van een groef (spiebaan) in de lengte richting. Bij montage wordt deze ruimte voorzien van een stalen staaf (de spie). Hierdoor kan er een roterende kracht worden overgedragen zonder dat de as ten opzichte van de naaf verdraaid. Omdat deze verbinding wereldwijd wordt toegepast zijn maten en toleranties genormeerd.

Kenmerken van een spieverbinding

  • Demontabele verbinding
  • Veel standaard producten op de markt
  • Relatief veel en duur gereedschap nodig voor de bewerking
  • De afmetingen van spieën zijn genormaliseerd, de toegepaste grootte is afhankelijk van de asdiameter.
  • Wigvormige spieën geven excentriciteit tussen as en naaf. Hierdoor zijn hoge toerentallen (ivm trillingen) niet toelaatbaar.
  • Makkelijke montage en demontage
  • Relatief grote boringen mogelijk door uitblijven van separaat bevestigings element
  • Minder geschikt bij oscillerende (heen en weer gaande) bewegingen

Spieverbindingen worden toegepast bij de montage van:

  • V-snaarschijven
  • Tandriemschijven
  • Kettingwielen
  • Tandwielen
  • Koppelingen

Spiestaal

Er zijn voor verschillende toepassingen specifieke spieverbindingen verkrijgbaar. Spieënstaal is verkrijgbaar in elk denkbaar materiaal. Bij voorkeur wordt materiaal toegepast met een hoge afschuifsterkte. De meest voorkomende materialen zijn Fe 590 en C45K. Voor toepassingen in corrosieve omstandigheden wordt veelal spieënstaal van RVS304 of RVS316TI toegepast.

Verschillende uitvoeringen van een spie

Hier vind je een overzicht van de verschillende soorten spieën die op de markt verkrijgbaar zijn.

Spieverbinding volgens DIN 6885

De vlakke inlegspie is in Europa de meest gebruikte vormgesloten asverbinding. Een vlakke inlegspie draagt niet op de boven- en onderkant maar op de zijkanten. Het is noodzakelijk dat de breedte van de spiebaan nauwkeurig wordt afgewerkt. Dit voorkomt dat de spie gaat kantelen. Vooral bij een heen en weergaande (pendelende) beweging in combinatie met een losse passing is dit een reëeel risico. De afmetingen van vlakke inlegspieën en de bijbehorende spiebaan zijn internationaal genormaliseerd. Deze normen zijn terug te vinden in NEN 2430 / DIN 6885 en vind je terug in een spiebaan tabel.

Verschillende ondersoorten van spieën volgens D6885

Din 6885 A = Afgeronde uiteinden
Din 6885 B = Stompe uiteinden
Din 6885 C = Afgeronde uiteinden met bevestigingsgat in het midden tbv schroefbevestiging
Din 6885 D = Stompe uiteinden met bevestigingsgat in het midden tbv schroefbevestiging
Din 6885 E = Afgeronde uiteinden met 2 bevestigingsgaten tbv schroefbevestiging
Din 6885 F = Stompe uiteinden met 2 bevestigingsgaten tbv schroefbevestiging
Din 6885 G = Stompe uiteinden met 1 bevestiging gat tbv schroefbevestiging en afschuining aan één zijde
Din 6885 H = Stompe uiteinden met 2 bevestigingsgaten tbv schroefbevestiging en afschuining aan één zijde
Din 6885 J = Stompe uiteinden met 1 bevestiging gat tbv pen verbinding en afschuining aan één zijde

verschillende spieën
Spieën volgens DIN 6885

Kopspie volgens DIN 6887

Naast de vormgesloten (vlakke) inlegspie en schijfspie is er de krachtgesloten kopspie. Deze spie ligt ook in de lengte van de as en wordt daarom langspie genoemd. Bij een kopspieverbinding wordt een kopspie toegepast. Deze spie is voorzien van een hamervormige kop die buiten de spiebaan blijft. De spie verloopt iets hellend. Het verschil in dikte, de helling, is veelal 1 mm op 100 mm spielengte (1 :100). De spie geeft zowel in de draai- als in de lengterichting een verbinding. De spiebaan in de naaf wordt ook taps uitgevoerd. De spie wordt met slaggereedschap in de spiegleuf gedreven. Door de geometrie kan de kopspie ook weer makkelijk verwijderd worden. Doordat bij het aanbrengen van de spie de naaf naar buiten toe gedrukt wordt ontstaat er een lichte excentriciteit in de aandrijving. Dit kan vooral bij hogere draaisnelheden ongewenste trillingen veroorzaken.

Tapse spie met kop
Tapse kopspie met een helling van 1:100

Schijfspie volgens DIN 6887

Een schijfspie of Woodruff verbinding wordt hoofdzakelijk gebruikt bij conische assen. De spie in de vorm van een halve maan heeft als hoofdzakelijke functie de naaf juist te positioneren op de as. De halve schijfspie ligt dieper in de as waardoor de kans op kantelen wordt verkleint. Daarentegen geeft de diepe spiegroef een zwakke plek in de as. Om deze reden wordt de schijfspieverbinding toegepast bij lage over te dragen momenten. bijvoorbeeld bij krukassen.

Halfronde spie
Schijfspie icm een conische as

Uitgeslagen spiebaan repareren

Een spiebaan herstellen kan middels lasercladden, ook wel Laser Metal Deposition (LMD) genoemd. Lasercladden is een proces waarbij een laser gebruikt wordt om een dunne laag van het werkstuk te smelten en te vermengen met een toegevoegd metaalpoeder. Hierdoor wordt een nieuwe laag op het bestaande werkstuk gecreëerd. Voordeel van deze methode is dat de heat-effected zone vele malen kleiner is dan bij lassen. Dit betekend dat vervorming tot een minimum wordt beperkt.
Bij deze methode dient de as volledig uitgebouwd te worden. Na het LMD proces wordt de as weer afgedraaid en voorzien van een nieuwe spiebaan. Dit is een duurzame manier om een as te herstellen maar ook een dure en intensieve klus. Er zijn ook middelen op de markt waarbij de huidige spie en spiebaan kunnen worden hersteld met lijmen en epoxy’s. Loctite heeft hier een handleiding over geschreven. 

spiebaanverbinding
Spanelementen
Lees meer over as-naaf verbindingen

Spiebaan brootsen of trekfrezen

Brootsen of trekfrezen is een verspaningstechniek waarbij een lengte frees, dat een opeenvolgende reeks snijkanten heeft, een lineaire snijbeweging maakt. De broots wordt handmatig of machinaal door de boring getrokken of geduwd. Hierdoor ontstaat een groef. Met dit proces kunnen spiebanen of spievertandingen in naven worden vervaardigd.

brootsen met handpers

Wat is het koppel en hoe bereken je deze kracht? 

Koppel is een rotatie-effect dat een as in een ronddraaiende beweging zet. De rotatie kracht wordt uitgedrukt in Newton meter (Nm). De waarde is sterk afhankelijk van het toerental.

Het nominale koppel* wordt berekend aan de hand van onderstaande formule. 

Tn [Nm] = 9550 * P [KW]
                       n [1/min]

  • Tn [Nm] Nominaal koppel
  • P [KW] Vermogen
  • n [1/min] Toerental per minuut
  • fs Service factor

* Nominaal koppel Tn [Nm] = Het koppel dat overgebracht wordt bij een constante belasting op de aandrijfas.

Om de gewenste levensduur te verkrijgen dient er rekening gehouden te worden met een service factor. Hiermee worden bedrijfsomstandigheden zoals trillingen en inschakelduur ingecalculeerd. Een tabel vind je hier.

Spiebaan verbinding berekenen. Hoeveel kracht kan een inlegspie overbrengen?

Met onderstaande formules kan een spieverbinding berekend worden.  

Formule voor wringend moment:

𝑀𝑤 = 𝐹 · r

𝑀𝑤 : wringend moment [Nm]
F: belasting [N]
r: straal, 0,5d [mm]

Formule voor vlaktedruk:

𝜎𝑜 = 𝐹 / 𝐴
𝐴 = 𝑙 · h

F: belasting [N]
𝜎𝑜: vlaktedruk [N/mm2]
A: oppervlakte [mm2]
l: spielengte [mm]
h: spiehoogte [mm]

max vlaktedruk voor staal op gietijzer 𝜎𝑜 = 75 N/mm2
max vlaktedruk voor staal op staal 𝜎𝑜 = 125 N/mm2 

Bij stotende belastingen worden bovenstaande krachten gehalveerd.

Krachten tabel spiebaan

Bovenstaande gegevens gelden bij een losse passing tussen as en naaf. In het geval van een vaste passing zal een deel van het wringend moment opgenomen worden door de wrijving tussen as en naaf. Het overdraagbaar moment is dus bij een vaste passing + spieverbinding hoger.

spiebaanverbinding krachten tabel
bron: Brammer

Merknamen en fabrikanten van spieën

  • Woodruff
  • Chiavette Unificate | Spieën

Termen voor spanelement

  • Inlegspie
  • Schijfspie
  • Halve maan spie
  • Kopspie
  • Tangentiaal spie
  • Spiegleuf
  • Spiebaan
  • Spiegroef
  • Woodruff spie
  • Vlakke inlegspie

Meer as-naafverbindingen

Spanset montage

Spanset

tolerantiering

Tolerantiehuls