Gelenkwellen, Kardanwellen

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Timo Fehrenbach
Welte Cardan-Service GmbH
aktualisiert am 22.05.2020 - 12:44:06
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Gelenkwellen oder auch Kardanwellen genannt, ermöglichen die Drehmomentübertragung zwischen versetzten An- und Abstriebsachsen, bestehen in den meisten Fällen aus zwei Kreuzgelenken und werden überwiegend in Kraftfahrzeugen verbaut. Der daraus resultierende Beugewinkel kann sich im laufenden Betrieb auch verändern.

Frage/Definition: Was ist/sind Gelenkwellen?
Auch oft gesucht: Kardangelenkwellen, Zapfenkreuze



Was sind Gelenkwellen?



Aufbau und Einsatz

Die Kardanwelle (oder auch Gelenkwelle) ist nach dem Italiener Gerolamo Cardano benannt und beschreibt ein zylinderförmiges Maschinenelement, das zur Übertragung von Drehbewegungen und Drehmomenten zwischen versetzten An- und Abtriebsachsen verwendet wird. Kardanwellen enthalten meist zwei Kreuzgelenke, die den durch ein Gelenk entstehenden Kardanfehler ausgleichen. Die Kreuzgelenke werden auch Kardangelenke genannt. Außerdem können Längenveränderungen während des Betriebes mit einer Verschiebung in der Gelenkwelle ausgeglichen werden.

Gerade in Fahrzeugen mit Frontmotor und angetriebener starrer Hinterachse muss eine Verbindung zwischen Getriebeausgang und dem Differential der angetriebenen Hinterachse beweglich ausgeführt werden. Weitere Einsatzgebiete (neben PKWs + LKWs) für Kardanwellen sind: Nutzfahrzeuge, Eisenbahnen, Schiffe, Industrieanlagen, Sondermaschinen und Prüfmaschinen.

Bild von Welte Kardanwelle
Kardanwelle von Welte (Explosionszeichnung)

Eine Hauptgelenkwelle setzt sich zusammen aus zwei Flanschen (Flanschmitnehmer), zwei Kreuzgelenken (Zapfenkreuzgelenke), einem Zapfenmitnehmer, einer Naben- und Dichthülse, ggf. einem Rohr und einem Wellenmitnehmer.

Die gängigsten Flanschanschlüsse bei Kardanwellen unterscheiden sich in DIN, SAE & KV (Kreuzverzahnung). Während sich DIN Anschlüsse durch ein metrisches System und durch eine Innenzentrierung auszeichnen, unterscheiden sich SAE Flansche durch Zollmaße sowie einer Außenzentrierung. KV-Flansche besitzen im Gegensatz zu DIN und SAE Flanschen (Kraftschluss) einen Formschluss, was zum Vorteil hat, dass der Flansch i.d.R. mit vier Schrauben befestigt werden kann. Vereinzelt gibt es noch Sonderanschlüsse (z.B. Kombination aus Kraft- und Formschluss) - diese sind jedoch eher die Ausnahme.

Kreuzgelenke (Zapfenkreuzgelenke) unterscheiden sich in der unterschiedlichen Sicherungsart (z.B. Innensicherung, Außensicherung, Deckelsicherung usw.) und der Schmierart (z.B. Wartungsfrei, Außenschmierung, Lateralschmierung, Zentralschmierung).

Geschichte der Gelenkwelle

Kardanwelle von Welte


25 v. Chr.: Ringgehänge eines "chinesischen Bettwärmers"

16. Jh. Beginn der "Kardanischen Phase" mit dem Ringgelenk für einfache Bewegungsübertragungen von einer Achse auf die andere, deren Richtung von der ersten abweicht

1501 - 1576: Geronimo Cardano - Erste wissenschaftliche Auseinandersetzung mit der Wirkungsweise von Ringgelenken. Entstehung des Begriffs "Kardanwelle"

1664: Patentierung des Ringgelenks durch Robert Hooke. Englischer Begriff: "Hooke´s Joint" (Kreuzgelenk)

19. Jh. Vermehrte Anwendungen von Gelenwellen durch die fortschreitende Industrialisierung

20.Jh. Kardanwellen setzen sich bei Fahrzeugantrieben durch

1905: Erste Serienfertigung von Kardanwellen mit Gleitlagerung für die Automobilindustrie

1925: Start der Gelenkwellenproduktion bei der Rheinmetall Borsig AG in Sömmerda (Thüringen) - 1942: Während des zweiten Weltkrieges - Verlegung nach Stadtilm

Gelenkwellenkupplung von Welte

1927: Ing. Alfred Hans Rzeppa entwickelt das erste homokinetische Gelenk (Gleichlaufgelenk mit Kugelführung in einem Käfig)

1930: Entwicklung der Nadellagerbüchse in den USA

1957: Entwicklung der ersten Schwergelenkwelle mit einem Drehmoment von bis zu 250 kNm. Heute sind bereits mehr als 5.400 kNm möglich

1990 - heute: Innovationen im Gelenkwellenbereich (Gewichtsreduktion durch beispielsweise hohlgebohrte Wellenmitnehmer und leichtere Kardanrohre, wartungsfreie Ausführungen)

Gelenkwellenarten

Die gängigste aller Wellen ist die Hauptgelenkwelle (Kardangelenkwelle) mit Längenausgleich. Sie dient als Verbindungselement zwischen versetzt liegenden Achsen und kann betriebsbedingte Längenänderungen ausgleichen.

Für extrem kurze Einbaulängen dient die Gelenkwellenkupplung (Kurzausführung) ohne Kardanrohr. Häufige Anwendungsbereiche für Gelenkwellenkupplungen sind Busse und Baumaschinen.

Eine Zwischenwelle wird verwendet, wenn große Einbaulängen überbrückt werden müssen. Die Zwischenwelle enthält nur ein Gelenk und wird mit einem Zwischenwellenlager befestigt, damit kann aber kein Beugewinkel aufgenommen werden. Vorwiegend werden Zwischenwellen im Fahrzeugbau verwendet.

Zwischenwelle von Welte

Der Gelenkwellenstrang ist eine Kombination aus Haupt- und Zwischenwelle. Es gibt die gesteckte Variante, die gleichzeitig als Längenausgleich dient und eine Variante mit Flanschverbindungen für die Verbindung mit einer Hauptgelenkwelle. Gelenkwellenstränge werden meistens für LKW Antriebe als Überbrückung vom Getriebe zur Hinterachse verwendet. Wenn die einzelne Kardanwelle zu lang wäre, würden zu große Schwingungen auftreten, daher werden für bestimmte Anwendungsfälle Gelenkwellenstränge verwendet.

Eine Doppelgelenkwelle ist für den Einsatz in Lenkachsen gedacht. Mit dieser Gelenkwellenart kann die Drehbewegung und das Drehmoment auch bei eingeschlagenen Rädern übertragen werden. Einige Ausführungen verfügen über eine Sperrverzahnung für das Eingreifen der Differenzialsperre.

In schwingungssensiblen Bereichen (z.B. bei Prüfständen, PKWs und im Maschinenbau) werden Gleichlaufgelenkwellen verwendet. Das wird durch den Einsatz von homokinetischen Gelenken gewährleistet.



Gelenkwellenstrang von Welte



Doppelgelenkwelle von Welte


Gelenkwellen Reparatur

Häufig kann sich eine Reparatur oder Instandsetzung der Kardanwelle lohnen. Inwiefern dies rentabel ist, muss im Einzelfall entschieden werden. Je nach Anwendungsfall kann die Gelenkwelle gekürzt oder verlängert werden. Oder es werden lediglich Ersatzteile wie Kreuzgelenke oder Zwischenwellenlager erneuert. Eine Besonderheit bei der Kardanwellen-Reparatur ist die Auswuchtung der Welle. Die Bezeichnung Auswuchten beschreibt die Reduzierung und die Beseitigung einer Unwucht. Häufig können Gelenkwellen bis zu einer Länge von 6 mtr. und bis zu 10.000 U/min ausgewuchtet werden. Die Auswuchtung ist nicht nur bei einer Reparatur und Längenänderung sondern auch bei einer Neuanfertigung der Kardanwelle wichtig. Geräusche und Vibrationen oder ein Rumpeln beim Anfahren sind Indikatoren für eine defekte Kardanwelle.

Gelenkwellen auswuchten

Um eine Unwucht bei einer Gelenkwelle zu beseitigen, sollte eine Auswuchtung erfolgen. Jedes rotierende Teil hat eine Unwucht. Physikalisch betrachtet bedeutet das: Eine Masse (m), die auf einen Radius (r) mit einer Winkelfrequenz (w) dreht, erzeugt dadurch eine Fliehkraft. Die Unwucht wird berechnet, indem die Unwuchtmasse mit dem Radius multipliziert wird. Sofern keine niedrige Drehzahl gefordert wird, wird die Gelenkwelle dynamisch ausgewuchtet. Durch die dynamische Auswuchtung wird ein ruhiger Lauf der Gelenkwelle erreicht und die Belastung an den Lagerflächen durch die Fliehkraft minimiert. Die Auswuchtung der Kardanwelle erfolgt je nach Erfordernis in den verschiedenen Wuchtgütestufen entsprechend DIN ISO 1940. Die wichtigsten und gängigsten Wuchtgüten sind G16 (Gelenkwellen für LKW und Lokomotiven) und G 6,3 (Gelenkwellen für PKW, Schiffsantriebe, Papiermaschinen, Ventilatoren, Flügelräder, Zentrifugen, Druckereimaschinen (Rollen), Turbinenräder für Flugzeugantriebe). Die Wuchtgüte G in mm/s ist ein Qualitätsmerkmal, das den auswuchttechnischen Vergleich von Rotoren (z.B. Gelenkwellen) ermöglicht. Größere Drehzahlen und größere Rotoren führen generell zu größeren Unwuchtkräften.

Gleichlaufgelenkwelle von Welte

Einbaugrundsätze von Gelenkwellen / Kardanwellen

Z- und W-Anordnung

Für den Einbau von Kardanwellen gelten spezielle Grundsätze. Wenn ein Gelenk abgewinkelt ist (Knickwinkel), entsteht eine ungleichförmige Drehbewegung (auch Kardanfehler genannt). Durch die Gelenkwelle und die beiden Gelenke wird der Kardanfehler ausgeglichen. In der Regel gibt es zwei häufige Anordnungsformen. Wenn der An- und Abtriebsflansch in den verschiedenen Ebenen parallel zu einander steht, spricht man von einer Z-Anordnung. Dabei müssen beide Gelenke den gleichen Beugewinkel aufweisen (β1=β2). Zudem sollten die inneren Gabeln in einer Ebene liegen. Wenn der An- und Abtriebsflansch nun abgewinkelt sind spricht man von einer W-Anordnung. Damit der Kardanfehler und der damit einhergehende ungleichförmige Lauf der Kardanwelle ausgeglichen werden kann, gilt auch hier wieder β1=β2. In der Praxis ist die Einhaltung der Bedingung nicht immer ohne weiteres möglich, daher kann ein minimaler Differenzwinkel von ca. 1° - 1,5° toleriert werden.

Zur Bestimmung der richtigen Kardanwelle werden die Angaben der nachfolgenden Variablen benötigt:

Drehmoment (M), Drehzahl (n), Beugewinkel (β), Betriebsfaktoren/Stoßfaktoren (KB), Einbaulänge (LE) und der Längenausgleich während des Betriebs (LA). Zusätzlich sind spezielle Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur) von Bedeutung.


Hersteller

GKN Walterscheid
Das Sortiment von Walterscheid umfasst neben kompletten Gelenkwellen auch Gelenkwellenhälften und Einzelteile für Gelenkwellen. Neben Gelenkwellen stellt Walterscheid auch Überlast- und Freilaufkupplungen sowie Traktor-Anbau-Systeme her.

Bailey Morris

Die Firma Bailey Morris (UK) wurde 1977 gegründet und bietet neben der Herstellung von Kardanwellen auch Instandsetzungen und Modifikationen von Gelenkwellen an.

Gewes
Die Gelenkwellen von Gewes erstrecken sich über eine Vielzahl von Baureihen und decken hauptsächlich Anwendungsgebiete im allgemeinen Maschinenbau ab.
Elbe Group
Elbe bietet eine breite Produktpalette im Bereich Antriebslösungen, darunter auch Kardanwellen.

Welte Group

Die Firma Welte Cardan-Service GmbH bietet eine sehr große Typenvielfalt im Bereich Gelenkwellen und verfügt europaweit über das größte, herstellerunabhängige Gelenkwellen-Ersatzteillager mit über 20.000 Positionen. Somit kann Welte sämtliche Gelenkwellen mit DIN-, SAE-, Mechanics- oder Sonderanschlüssen in kürzester Zeit anfertigen.

Neben der Herstellung von Gelenkwellen bietet die Firma Welte zusätzlich noch einen Reparatur- und Instandhaltungsservice an. Die Reparatur und Fertigung der Kardanwellen erfolgt dabei nach den Vorgaben des Qualitätsmanagements nach ISO DIN 9001:2015.

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