Die Gelenkwelle: Drehmomentübertragung im Maschinenbau

Veröffentlicht: 2023-04-06

Im Maschinenbau hat die Gelenkwellenübertragung eine wichtige Aufgabe: Sie überträgt Drehmoment und Drehbewegung zwischen Wellen, deren Achsen nicht fluchten und winklig zueinander angeordnet sein können. Solche Systeme werden vom Pkw bis zu schweren Anlagen eingesetzt. Der Artikel behandelt Aufbau, Funktionsprinzip, Anwendungen und Bedeutung der Gelenkwelle für mechanische Antriebe.

Aufbau

Ein Kreuzgelenk besitzt zwei Gabeln, die über ein Zwischenbauteil, das Gelenkkreuz, verbunden sind. Die Gabeln verbinden Antrieb und Abtrieb; das Kreuz ermöglicht die bei Winkelversatz erforderliche Beweglichkeit. Gabeln und Kreuze werden üblicherweise aus festen Werkstoffen wie Stahl gefertigt, abgestimmt auf Belastungen aus Drehmoment und Rotation. Eine Gelenkwelle verbindet Gelenke und Wellenbauteile zu einer Antriebseinheit.

Funktionsprinzip

Ein Kreuzgelenk überträgt Drehmoment zwischen winklig angeordneten Achsen. Während der Drehung des Antriebs ändert das Gelenkkreuz seine Lage und überträgt die Bewegung auf den Abtrieb. Die Gelenkkonstruktion ermöglicht eine Änderung des Winkels zwischen den Wellen. Für eine gleichmäßige Drehung müssen Bauart und Gelenkanordnung stimmen: Ein einzelnes Kreuzgelenk gewährleistet bei einem Arbeitswinkel ungleich null nicht von sich aus eine konstante Winkelgeschwindigkeit.

Anwendungen in verschiedenen Branchen

Gelenkwellen sind weit verbreitet, weil sie Leistung unter Berücksichtigung der gegenseitigen Lage der Baugruppen übertragen können:

1. Fahrzeugbau: Bei Hinterrad- und Allradfahrzeugen verbinden Gelenkwellen das Getriebe mit der Antriebsachse, übertragen Drehmoment und ermöglichen Federungsbewegungen. Das ist auch auf unebenem Untergrund wichtig.
2. Schwere Maschinen: Bau-, Bergbau- und Landmaschinen benötigen Kraftübertragung zwischen räumlich getrennten Baugruppen. Gelenkwellen verbinden Motoren, Getriebe und angetriebene Mechanismen.
3. Industrielle Produktion: Gelenkwellen werden in Pumpen, Kompressoren, Förderanlagen und anderen Maschinen verwendet, deren Antriebskomponenten unterschiedlich angeordnet sind.
4. Schiffsantriebe: Gelenkwellen übertragen Motorleistung zur Propellerwelle und berücksichtigen mögliche Änderungen der gegenseitigen Baugruppenposition.

Bedeutung für den Maschinenbau

Gelenkwellen besitzen mehrere Eigenschaften, die für einen zuverlässigen Anlagenbetrieb wichtig sind:

1. Bewegliche Verbindung: Die Gelenke ermöglichen Winkelversatz. Bauarten mit entsprechender Teleskop- oder Schiebeverzahnung können zusätzlich axiale Bewegungen und Abstandsänderungen zwischen Baugruppen ausgleichen.
2. Drehmomentübertragung: Die Gelenkwelle überträgt Drehmoment zwischen unterschiedlich winklig angeordneten Komponenten und ermöglicht Antriebe in verschiedenen Einbausituationen.
3. Schwingungsverhalten: Eine richtig ausgewählte, installierte und ausgewuchtete Übertragung hilft, zusätzliche Lasten und Schwingungen durch falsche Baugruppenanordnung zu verringern. Das ist für Lebensdauer und Betriebskomfort wichtig.

Die Gelenkwelle in Kraftübertragungssystemen

Eine Gelenkwelle verbindet rotierende Komponenten mit nicht fluchtenden Achsen und überträgt Leistung unter einem Arbeitswinkel. Die Bezeichnung Kardanübertragung geht auf den italienischen Mathematiker und Ingenieur Gerolamo Cardano aus dem 16. Jahrhundert zurück. Im Laufe der Zeit fanden solche Übertragungen Anwendung in Fahrzeugen, Zügen, Schiffen und schweren Maschinen.

Verbreitete Konstruktionen besitzen zwei Kreuzgelenke. Jedes enthält ein Kreuz mit vier Zapfen, die in den Lagern der Gabeln sitzen. Das Gelenk ermöglicht Winkeländerungen zwischen den verbundenen Teilen bei gleichzeitiger Drehübertragung.

Das erste und zweite Gelenk verbinden die Welle mit Antrieb und Abtrieb. Die richtigen Arbeitswinkel und die richtige gegenseitige Gelenkposition sind wichtig, um die Ungleichförmigkeit der Drehung auszugleichen. Die Antriebsgeometrie muss für die konkrete Konstruktion und die Betriebsbedingungen geprüft werden.

Die Gelenkwellenübertragung ermöglicht Kraftübertragung zwischen nicht fluchtenden Achsen. Sie ist vergleichsweise kompakt und kann bei begrenztem Platz eingesetzt werden. Erforderlicher Wirkungsgrad und zulässige Belastung sind für das konkrete Produkt zu bewerten.

In einem Fahrzeug mit Hinterradantrieb verbindet die Gelenkwelle das vorn angeordnete Getriebe mit der Hinterachse. In Baggern, Kranen und anderen schweren Maschinen überträgt sie Leistung bei komplexer Anordnung der Mechanismen.

Die Eignung für Winkelversatz, die kompakte Bauweise und unterschiedliche Ausführungen machen die Gelenkwelle zu einem wichtigen Bestandteil vieler Maschinen und Geräte.

Hersteller von Gelenkwellen

Weltweit fertigen Unternehmen Gelenkwellen und Antriebskomponenten. Einige Hersteller sind:

1. Dana Incorporated. Hersteller von Getriebe- und Antriebskomponenten für Pkw, Nutzfahrzeuge sowie landwirtschaftliche und industrielle Anlagen.
2. GKN Automotive. Anbieter von Fahrzeugantriebssystemen, darunter Gelenkwellen und zugehörige Komponenten.
3. SKF. Hersteller von Lagern, Dichtungen und Kraftübertragungskomponenten für Bergbau, Metallurgie, Zellstoff- und Papierindustrie sowie Schifffahrt.
4. Voith Group. Anbieter von Systemen, Produkten und Dienstleistungen für Energie, Öl und Gas sowie Verkehr, einschließlich Gelenkwellenübertragungen für entsprechende Anwendungen.
5. Timken Company. Hersteller von Lagern und mechanischen Kraftübertragungskomponenten für hoch belastete Industrieantriebe.
6. Walterscheid Powertrain Group. Hersteller von Kraftübertragungssystemen, darunter Gelenkwellen für Land- und Forstwirtschaft sowie Industrie.
7. KMS Kılınçlar – Gelenkwellen. Hersteller in Sakarya, Türkiye.

Diese Liste ist nicht vollständig. Bei der Herstellerwahl sollten Erfahrung, Ruf, Produktqualität, Möglichkeiten der kundenspezifischen Ausführung und technische Unterstützung mit den Anforderungen der jeweiligen Anwendung verglichen werden.