Gelenkwellen: Aufbau, Arten

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Letzter Autor: Timo Fehrenbach, , 11.142 Zeichen
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🎓 Gelenkwellen ermöglichen die Drehmomentübertragung zwischen versetzten An- und Abtriebsachsen. Sie 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.
Synonym(e): Zapfenkreuze


Was sind Gelenkwellen?



Aufbau: Wie funktioniert eine Gelenkwelle?

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

Die gängigsten Flanschanschlüsse bei Gelenkwellen 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 oder Kardangelenk) unterscheiden sich in der unterschiedlichen Sicherungsart (z.B. Innensicherung, Außensicherung, Deckelsicherung usw.) und der Schmierart (z.B. Wartungsfrei, Außenschmierung, Lateralschmierung, Zentralschmierung). Zum Schutz vor äußeren Umwelteinflüssen (z.B. Steinschlag) wird häufig (allem voran bei landwirtschaftlichen Zapfwellen für beispielsweise Traktoren) zusätzlich ein Gelenkwellenschutz um die Welle montiert.

Einsatzgebiete - Wo werden Gelenkwellen verwendet?

Generell überall dort, wo eine Kraft zwischen An- und Abtriebsachse übertragen wird und dabei ein Winkelversatz oder eine Relativbewegung kompensiert werden muss. Gerade in Fahrzeugen mit Frontmotor und angetriebener starrer Hinterachse muss eine Verbindung zwischen Getriebeausgang und dem Differential der angetriebenen Hinterachse beweglich ausgeführt werden, um die bei der Achsbewegung auftretenden Längendifferenzen mit Hilfe eines sogenannten Schiebestücks ausgleichen zu können.

Neben PKWs sind weitere Einsatzgebiete für Gelenkwellen: Nutzfahrzeuge, Baumaschinen, Landmaschinen (z.B. Antriebswellen bzw. Zapfwellen für die Gülletechnik) , Eisenbahnen, Schiffe, Industrieanlagen (z.B. Stahl -und Walzwerke), Sondermaschinen und Prüfmaschinen.

Geschichte der Gelenkwelle

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 "Gelenkwelle"

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. Gelenkwellen setzen sich bei Fahrzeugantrieben durch

1905: Erste Serienfertigung von Gelenkwellen 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

Zwischenwelle von Welte

Kardanwelle

Kardanwellen sind spezielle Gelenkwellen.

Hauptgelenkwelle

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

Gelenkwellenkupplung

Gelenkwellenstrang von Welte

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

Zwischenwelle

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.

Gelenkwellenstrang

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 Gelenkwelle zu lang wäre, würden zu große Schwingungen auftreten, daher werden für bestimmte Anwendungsfälle Gelenkwellenstränge verwendet.

Doppelgelenkwelle von Welte

Doppelgelenkwelle

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.

Gleichlaufgelenkwelle

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

Gleichlaufgelenkwelle von Welte

Einbaugrundsätze von Gelenkwellen

Z- und W-Anordnung

Für den Einbau von Gelenkwellen gelten spezielle Grundsätze. Wenn ein Gelenk abgewinkelt ist (Knickwinkel), entsteht eine ungleichförmige Drehbewegung (auch Kardanfehler genannt). Durch 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 Gelenkwelle 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. Größere Unterschiede, etwa Winkel von 3° - 5° können bei langsam laufenden Anlagen ohne besondere Nachteile auch noch tragbar sein. Aufgrund unterschiedlicher Drehzahl sollte stets ein Fachbetrieb zur Bestimmung des Betriebsbeugewinkels β1 und β2 herangezogen werden.

Zur Bestimmung der richtigen Gelenkwellen 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.

Einbauhinweise: Vor Einbau der Gelenkwellen sind alle Stirnflächen der Flansche gründlich von Rostschutzmitteln, Schmutz und Fett zu säubern. Dabei ist wichtig zu beachten, dass die beweglichen Teile der Gelenkwelle zu Quetschverletzungen führen kann. Spezielle Schutzvorkehrungen zur Vermeidung von Verletzungen sollten vom Betreiber angebracht werden. Zusätzlich sollten die Anschlussflansche auf Rund- und Planlaufabweichung sowie Zentrierpassung prüfen. Die Verschraubungen sollten möglichst mit einem Drehmomentschlüssel gegenüberliegend angezogen werden. Vor der Inbetriebnahme sollten die Kreuzgelenke abgeschmiert werden.

Kardanwelle von Welte

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) bietet auch Instandsetzungen und Modifikationen von Gelenkwellen an.
Gewes - Gelenkwellenwerk Stadtilm
Die Gelenkwellen von Gewes erstrecken sich über eine Vielzahl von Baureihen und decken hauptsächlich Anwendungsgebiete im allgemeinen Maschinenbau ab.
Josef Hohn GmbH
Die Hohn GmbH ist ein Unternehmen, welches sich auf die Entwicklung, Fertigung und Reparatur von Gelenkwellen, Hydraulikkomponenten und Hydrauliksystemen spezialisiert hat.
Bondioli und Pavesi
bietet neben Antriebssystemen wie Gelenkwellen auch Kontrollsysteme (z.B. Hydrauliksteuerventile) sowie Wärmetauschsysteme an.
Elbe Group
Elbe bietet eine breite Produktpalette im Bereich Antriebslösungen, darunter auch Gelenkwellen.
Welte Group (Welte Cardan-Service GmbH)
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 können sämtliche Gelenkwellen mit DIN-, SAE-, Mechanics- oder Sonderanschlüssen in kürzester Zeit angefertigt werden. Neben der Herstellung von Gelenkwellen bietet die Firma zusätzlich noch einen Reparatur- und Instandhaltungsservice an. Die Reparatur und Fertigung der Gelenkwellen erfolgt dabei nach den Vorgaben des Qualitätsmanagements nach ISO DIN 9001:2015.