Welle (Maschinenelement)
Eine Welle ist ein rotierendes längliches Maschinenelement mit meistens kreisförmigen Querschnitten, das zur Übertragung von Drehbewegungen und Drehmomenten dient. Eine Welle ist über mindestens zwei Drehlager mit dem Maschinengestell verbunden. Bei der Übertragung von Drehmomenten wird die Welle auf Torsion beansprucht.
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Im Unterschied[1] zur Welle überträgt eine Achse kein Drehmoment. Sie wird deshalb nicht auf Torsion beansprucht.
Etymologie
Das Wort Welle stammt vom mittelhoch- und mittelniederdeutschen welle, wille für „Walze“. Dieses wurde hergeleitet aus dem erschlossenen indogermanischen Wort *wel- mit der Bedeutung „walken“, „walzen“.[2]
Begriffe
Ein abgesetztes Wellenende, auf dem ein (mit)rotierendes Bauteil befestigt ist, wird Wellenzapfen oder (bei Fahrzeugen) Achszapfen genannt.
Ein umlaufend abgesetzter Streifen mit einem (geringfügig) größerem Durchmesser wird als Wellenbund bezeichnet. Ebenso wie ein Absatz auf der Welle mit reduziertem Durchmesser dient der Wellenbund üblicherweise als Anschlag.
Hohlwelle
Hohlwellen werden vor allem eingesetzt, wenn an Gewicht gespart werden oder die Welle eine hohe Eigenfrequenz haben soll. Weiter kann der Raum im Inneren von Hohlwellen, zum Beispiel auch für andere Bauteile, weitere Wellen oder Achsen, oder zur Durchleitung von Kühl- oder Spülmittel oder ähnlichem verwendet werden. Hohlwellen sind aufwändiger zu fertigen. Eine weit verbreitete Anwendung ist die Kardanwelle an Automobilen und der Hohlwellenantrieb an Elektrolokomotiven.
Biegsame Welle
Biegsame Wellen werden verwendet, wenn das anzutreibende Element beweglich ist (z. B. handgeführte Geräte) und die Antriebsquelle nicht mitbewegt werden kann oder soll, oder wenn (bei Schaltwellen oder Schraubendrehern) das zu bewegende Objekt nicht auf direktem Weg erreicht werden kann. Sie bestehen aus mehreren Lagen entgegengesetzt schraubenförmig umeinander gewundener Drähte (Wellenseele), die als Paket in einem Metall- oder Kunststoffschutzschlauch rotieren. Sie werden mit Fett geschmiert.
Biegsame Wellen haben eine Vorzugsdrehrichtung, die von der Richtung der obersten Drahtlage abhängt. Die Wendelung im Sinn eines Linksgewindes ist optimal zum Übertragen einer Rechtsdrehung (aus Sicht hinter dem Antrieb im Uhrzeigersinn) etwa zum Bohren mit einem Spiralbohrer mit üblichem Rechtsdrall. Bei entgegengesetzter Drehrichtung können nur etwa 40–70 % der Leistung übertragen werden, da eine gegenläufige gewendelte, weiter innen liegende, Drahtlage auf Zug gehen muss. Daher kann sie typischerweise weniger Drehmoment übertragen. Drahtlagen auf Zug entwickeln eine das Drahtpaket einschnürende Kraft. Drahtlagen, die auf Stauchung beansprucht werden, wollen hingegen radial nach außen ausweichen, was in begrenztem Maße tolerierbar ist, sofern gegenläufige Wendel das Drehmoment auf Zug aufnehmen. Die Anschlussmaße sind in DIN 42995 genormt.
Anwendungen: z. B. Feinmechanikergeräte und Zubringer für analoge Armaturen (Tachometer, Drehzahlmesser). Die Bohrer beim Zahnarzt werden inzwischen pneumatisch – ohne flexible Welle – angetrieben, da so höhere Drehzahlen erreicht werden.
Vor allem aus Kostengründen oder aufgrund begrenzten Bauraumes werden biegsame Wellen auch zum Ausgleich eines festen Winkelversatzes alternativ zu Kreuzgelenk oder Umlenkgetriebe eingesetzt. Beispiele hierfür sind Motorsensen oder einfache Deltaschleifer.
Kurbelwelle
Mit einer Kurbelwelle wird beim Kolbenmotor eine geradlinige Hin- und Herbewegung in eine drehende Bewegung umgewandelt (Kurbeltrieb). Beim Kolbenkompressor gibt es die umgekehrte Bewegungsumwandlung.
Typisch ist die dem halben Hub entsprechende Kröpfung der Welle.
Gelenkwelle
Gelenkwellen dienen:
- zur Übertragung von Drehmomenten bei nichtfluchtenden Drehachsen
- zur Übertragung von Drehmomenten bei sich gegeneinander bewegenden Teilen
- zum Längenausgleich wird häufig zusätzlich ein Schiebestück vorgesehen.
Gelenkwellen werden eingesetzt, wenn flexible Kupplungen durch Hardyscheiben, Elastomerkupplungen oder Antriebsgelenkscheiben nicht mehr ausreichen, um einen großen Winkelversatz zuzulassen oder sehr große Leistungen zu übertragen. Eine Gelenkwelle besteht aus zwei Anschlussflanschen, einem oder zwei Gelenken und einer starren oder in der Länge veränderlichen Längsstange. Je nach Belastung aus dem Antrieb addieren sich neben der Schwingungsanregung auch Regelkreisfrequenzen und Unwucht auf. Besondere Beachtung muss bei der Auslegung von Gelenkwellen der Resonanzfrequenz beachtet werden. Durch die Auswahl von Dämpfungselementen mit unterschiedlichen Elastomerhärten kann die Schwingungsbelastung beeinflusst und begrenzt werden. Zwischenrohre werden je nach Einsatzfall aus Aluminium, Stahl, Edelstahl oder auch aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CfK) ausgewählt.
Gleichlaufwelle
Die Gleichlaufwelle ist eine Sonderform der Gelenkwelle, die auch dann keine Ungleichförmigkeit bei der Übertragung der Drehbewegung erzeugt, wenn am Gelenk Biegewinkel auftreten. Das bekannteste Einsatzgebiet von Gleichlaufwellen sind Antriebswellen an Fahrzeugrädern, die zugleich der Lenkung dienen. Durch die größere Abwinkelung des Gelenks bei eingeschlagener Lenkung würde beim Einsatz von Kreuzgelenken eine spürbare Laufunruhe auftreten. Auch elastomere Gelenkscheiben wie Hardyscheiben lassen sich nicht bei größerem Winkelversatz einsetzen. Diese können aber an anderer Stelle als Gleichlaufgelenke eingesetzt werden.
Kardanwelle
Kardanwellen haben eine weite Verbreitung im Fahrzeugbau und der Antriebstechnik. Wenn die Welle nur ein Kreuzgelenk enthält, tritt bei Abwinklung des Gelenks jedoch eine gewisse Laufunruhe auf, da zwischen An- und Abtrieb Geschwindigkeitsunterschiede auftreten.
Doppelgelenkwelle
Kardanwellen mit zwei Kreuzgelenken werden in vielen Kraftfahrzeugen eingesetzt. Wenn die Gelenke um 90° verdreht eingebaut werden, gleichen die ungleichmäßigen Winkelgeschwindigkeiten einander aus. An- und Abtrieb haben dann stets die gleiche Geschwindigkeit, solange beide Wellen parallel liegen. Da die Parallellage beim Antrieb von gelenkten Vorderrädern nicht durchgängig gegeben ist, käme es beim Durchfahren von engeren Kurven zum Ruckeln des Antriebs. Auch die Zwischenwelle hat bei einer Achsversetzung einen unregelmäßigen Lauf, der zu Vibrationen führen kann. Eine Achsversetzung tritt auf, wenn An- und Abtriebswelle zwar parallel, aber nicht in einer Achse liegen, wie etwa beim Einfedern eines Fahrzeugs mit hinterer Starrachse.
Bei modernen Gleichlaufwellen werden homokinetische Kugelgelenke verwendet, bei denen sich die Winkelgeschwindigkeit des Systems mit dem Winkel nicht verändert. Für den Antrieb von Vorderrädern wird außen an der Radseite ein Gelenk nach Alfred Hans Rzeppa verwendet, das große Winkelabweichungen des Achszapfens erlaubt (typischerweise sind Beugewinkel bis 47° bzw. 50° erlaubt), innen am Differentialgetriebe wird ein Verschiebegelenk verwendet, das nur mäßige Winkelabweichungen bis etwa 22° (oder als Sonderausführungen 31°) zulässt, dafür aber die Veränderung der Wellenlänge um etwa 45 mm erlaubt, was zum Ausgleich der Differenzen bei Durchfederung des Fahrzeugs erforderlich ist. Alternativ kann der Frontantrieb mit zwei Festgelenken ausgestattet werden, welche mit einer separaten Verschiebeeinheit verbunden sind. Hiermit können auch differentialseitig Beugewinkel von 35° und mehr erreicht werden. Insbesondere bei Fronttrieblern mit quer eingebauten Motoren bietet sich diese Variante an, da bei einem außermittig eingebauten Differential die Antriebswellen ungleich lang sind. Zum Antrieb der Hinterräder können prinzipiell die gleichen Bauweisen verwendet werden. Für heckangetriebene Sportwagen und Fahrzeuge der Oberklasse werden bevorzugt Gleichlaufwellen eingesetzt, die sowohl rad- als auch differentialseitig jeweils ein Kugelverschiebegelenk der sogenannten Bauart VL (Verschiebegelenk Löbro) besitzen. Bei diesen Gelenken kann durch eine spezielle Auslegung und Verbauung das Verdrehspiel wesentlich eingeschränkt werden.
Einzelnachweise
- Siegfried Hildebrand: Feinmechanische Bauelemente, Carl Hanser Verlag, 1968, S. 474. Der Autor unterscheidet zwischen Welle und Achse streng und gleich wie hier beschrieben, fügt aber auch folgende Bemerkung an: «Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Unterschied zwischen Welle und Achse nicht so genau genommen.»
- Kluge, Etymologisches Wörterbuch, 23. Auflage, 1999, S. 884 "Welle", S. 873 "wallen", S. 874 "Walze"
Literatur
- Hans-Christoph von Seherr-Thoss, Erich Aucktor, Friedrich Schmelz: Gelenke und Gelenkwellen. Berechnung, Gestaltung, Anwendungen. 2., erweiterte Auflage. Springer, Berlin u. a. 2002, ISBN 3-540-41759-1.
