Welle (Mechanik)

Eine Welle ist ein Maschinenelement, das zum Weiterleiten von Drehbewegungen und Kräften, sowie zur Lagerung von rotierenden (sich drehenden) Teilen Verwendung findet. Antriebswelle_für_eine_Luftschraube.jpg Wellen übertragen im Unterschied zu Achsen ein Drehmoment. Sie werden daher auch auf Torsion beansprucht.

In der mechanischen Konstruktion ist nicht nur die Welle an sich, sondern auch die Welle-Nabe-Verbindung sorgfältig auszulegen.

Die Technik kennt diverse Sonderbauformen von Wellen, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.

Hohlwelle

Hohlwellen werden vor allem eingesetzt, wenn Gewichtseinsparung und/oder Platzeinsparung aus konstruktiven oder funktionalen Gründen dies erfordern. Im Inneren von Hohlwellen können zum Beispiel auch andere Bauteile, weitere Wellen oder Achsen untergebracht werden. Sie sind allerdings aufwändiger in der Fertigung, und ihr Einsatz wird durch physikalische Gesetzmäßigkeiten begrenzt. Eine weit verbreitete Anwendung ist die Kardanwelle an Automobilen.

Bei Unterschreitung einer bestimmten Wandstärke und Überschreitung einer gewissen Länge im Verhältnis zum Durchmesser und zum angreifenden Drehmoment werden sie (auch abhängig vom Material) instabil. Auch die Art der überwiegenden Belastung (gleichmäßig in einer Drehrichtung oder häufig wechselnd in Richtung und Stärke) muss berücksichtigt werden. Da das Gesamtdrehmoment als Hebelkraft tangential am Umfang einer Welle angreift, ist der Anteil des übertragenen Moments umso geringer, je näher er am Mittelpunkt des Querschnitts (der Drehachse) liegt. Im Mittelpunkt selbst beträgt das Drehmoment Null. Deshalb ist es möglich, Wellen mit nur geringfügiger Einschränkung des übertragbaren Drehmoments bei gleichem Außendurchmesser (Umfang) hohl - ähnlich einem Rohr - zu gestalten. Die Einschränkung des Drehmoments wird teilweise kompensiert durch die Material- und Gewichtsreduktion und die damit verbundene Verfügung von zusätzlicher Antriebsenergie, die sonst zum Antrieb der größeren Masse einer Vollwelle gebunden wäre.

Biegsame Welle

Biegsame Wellen finden Verwendung, wenn das anzutreibende Element beweglich ist (z.B. handgeführte Geräte) und die Antriebsquelle nicht mitbewegt werden kann oder soll. Sie bestehen aus mehreren Lagen entgegengesetzt schraubenförmig umeinander gewundener Drähte, die in einem Metallschutzschlauch rotieren. Die Schmierung erfolg mit Fett. Biegsame Wellen haben eine Vorzugsdrehrichtung, die von der Richtung der obersten Drahtlage abhängt. Bei entgegengesetzter Drehrichtung können nur etwa 40-70% der Leistung übertragen werden. Die Anschlussmaße sind in DIN 42995 genormt.

Anwendungen: z.B. Feinmechanikergeräte (Ausnahme: Die Bohrer beim Zahnarzt werden in der Regel pneumatisch (ohne flexible Welle) angetrieben.)

Kurbelwelle

Kurbelwellen werden verwendet, um eine rotatorische (drehende) Bewegung in eine translatorische (geradlinige) Bewegung umzuwandeln oder umgekehrt. Die bekannteste Anwendung findet im Kolbenmotor statt.

Gelenkwelle

Gelenkwellen dienen:

zur Übertragung von Drehmomenten bei nicht fluchtenden Drehachsen
zur Übertragung von Drehmomenten bei sich gegeneinander bewegenden Teilen
zum Längenausgleich

Gelenkwellen werden eingesetzt, wenn flexible Kupplungen nicht mehr ausreichen oder sehr große Leistungen übertragen werden müssen. Im Maschinen- und Anlagenbau finden Gelenkwellen durch die fortschreitende Automatisierung zunehmende Bedeutung. Ein wichtiges Konstruktionsmerkmal dieser Achsverbindungen sind die jeweiligen Ausgleichselemente – Metallbalg / Elastomerkranz – an den Enden der längenvariablen Zwischenrohre. Der Elastomerkranz aus Polyurethan wird in verschiedenen Shorehärten angeboten. Je nach Belastung aus dem Antrieb addieren sich neben der Schwingungsanregung auch Regelkreisfrequenzen und Unwucht auf. Besondere Beachtung sollte bei der Auslegung von Gelenkwellen der Resonanzfrequenz geschenkt werden. Durch die Auswahlmöglichkeit von unterschiedlichen Elastomerhärten kann die Schwingungsbelastung beeinflusst und begrenzt werden. Die Zwischenrohre werden je nach Einsatzfall aus Aluminium, Stahl, Edelstahl oder auch aus carbonfaserverstärktem CFK ausgewählt.

Kardanwelle

Sehr bekannt ist die Kardanwelle mit zwei Kreuzgelenken nach Gerolamo Cardano, vor allem im Kraftfahrzeugbereich. Bei dieser Anordnung haben die Endwellen nur dann gleiche Winkelgeschwindigkeiten, wenn sie parallel liegen. Deshalb eignet sich diese Lösung nicht für den Antrieb von gelenkten Vorderrädern. Die Zwischenwelle hat bei einer Achsversetzung (wenn die Endwellen zwar parallel aber nicht in einer Achse liegen, beispielsweise bei Durchfederung eines Fahrzeugs) unregelmäßigen Lauf, was zu Vibrationen führen kann.

Gleichlaufwelle

Die Gleichlaufwelle ist eine Sonderform der Gelenkwelle, die auch dann keine Ungleichförmigkeit bei der Übertragung der Drehbewegung erzeugt, wenn am Gelenk Biegewinkel auftreten. Kardangelenke z. B. würden in diesem Fall zu Antriebsschwingungen führen. Das bekannteste Einsatzgebiet von Gleichlaufwellen sind Antriebswellen an gelenkten Fahrzeugrädern, also bei angetriebenen Vorderrädern. Aber auch die Gelenke der anderen Achsantriebswellen sind bei modernen Fahrzeugen als Gleichlaufgelenke ausgeführt.

Bei einer modernen Gleichlaufwelle werden Kugelgelenke verwendet, die die Eigenschaft haben, dass sich die Winkelgeschwindigkeit des Systems mit dem Winkel nicht verändert. Für den Antrieb von Vorderrädern wird an der Radseite (außen) ein Gelenk nach Rzeppa verwendet, das große Winkelabweichungen des Achszapfens erlaubt, innen (am Differential) wird ein Verschiebegelenk verwendet, das zwar nur mäßige Winkelabweichungen zulässt, dafür aber die Veränderung der Wellenlänge um etwa ± 10 mm erlaubt, was zum Ausgleich der Differenzen bei Durchfederung des Fahrzeugs erforderlich und ausreichend ist. Bei Antrieb der Hinterräder werden zwei Verschiebegelenke verwendet.

Wellenzapfen

Ein abgesetztes Wellenende, auf dem ein rotierendes Bauteil befestigt ist, wird Wellenzapfen oder (bei Fahrzeugen) Achszapfen genannt. Siehe auch: Zapfwelle

Wellenführung

Eine Wellenführung ist ein System zur technischen Führung und zählt damit zu den Linearsystemen, die im Gegensatz zu den hier beschriebenen Wellen translatorischen Zwecken dienen!

Wellenlagerung:

Wellen werden meistens auf einem Wellenlager oder Wellenmittellager positioniert. Dieses sorgt für einen ruhigeren Lauf der Welle. An den Enden einer Welle können sich wie oben beschrieben Kreuzgelenke befinden oder Gelenkscheiben. Beim Automobil sind es Kardangelenkscheiben, bei vielen elektrischen Antrieben werden andere Gummischeiben verwendet, z.B. SGF Lenkungsscheiben.

Kreuzgelenke sind hauptsächlich in günstigen Anwendungen im Einsatz, bei denen der Einsatzzweck sehr extrem ist. Gelenkscheiben werden für den Komfort und die Haltbarkeit verwendet.

Siehe auch

Welle (Technik)

Gourt Home::Gourt :: Welle (Mechanik)