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Welle (Mechanik)

Eine Welle ist ein längliches zylinderförmiges Maschinenelement, das zum Weiterleiten von Drehbewegungen und Drehmomenten zwischen von mit ihr fest verbundenen, d. h. mitrotierenden Teilen Verwendung findet. Ihre drehbare Lagerung erfolgt meistens an zwei Stellen im Maschinengestell.

Bei der Übertragung von Drehmomenten werden Wellen auf Torsion beansprucht. Sie unterscheiden sich darin von Achsen, auf denen Teile lediglich – ohne Drehmomentübertragung zwischen ihnen – gelagert drehbar sind (und die sich i. d. R. nicht selber drehen).

Inhaltsverzeichnis

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".[1]

Hohlwelle


Es ist möglich Wellen mit nur geringfügiger Einschränkung des übertragbaren Drehmoments bei gleichem Außendurchmesser hohl – ähnlich einem Rohr – mit wesentlicher Gewichtseinsparung zu gestalten.

Hohlwellen werden vor allem eingesetzt, wenn an Gewicht gespart werden oder die Welle eine hohe Eigenfrequenz haben soll. Weiter wird der Raum im Inneren von Hohlwellen, zum Beispiel auch für andere Bauteile, weitere Wellen oder Achsen, oder als Durchfluss benötigt. Hohlwellen sind allerdings aufwändiger in der Fertigung, und ihr Einsatz wird durch physikalische Gesetzmäßigkeiten begrenzt. Eine weit verbreitete Anwendung ist die Kardanwelle an Automobilen und der Hohlwellenantrieb an Elektrolokomotiven.

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. 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 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- und/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 Drahtlage auf Zug gehen muss, die weiter innen liegt und daher typisch weniger Drehmoment übertragen kann. Drahtlagen auf Zug entwickeln eine das Drahtpaket einschnürende Kraft. Drahtlagen, die auf Stauchung beansprucht werden wollen radial nach außen ausweichen, diese machen das tolerierbar begrenzt, wenn 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 in der Regel 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. Beim Kolbenkompressor gibt es die umgekehrte Bewegungsumwandlung.

Typisch ist die dem halben Hub entsprechende Kröpfung der Welle.

Gelenkwelle


Gelenkwellen dienen:

Gelenkwellen werden eingesetzt, wenn flexible Kupplungen nicht mehr ausreichen, um beispielsweise sehr große Leistungen zu übertragen. Eine Gelenkwelle besteht in der Regel 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 geschenkt werden. Durch die Auswahl von Dämpfungselementen mit unterschiedlichen Elastomerhärten kann die Schwingungsbelastung beeinflusst und begrenzt werden. Die Zwischenrohre werden je nach Einsatzfall aus Aluminium, Stahl, Edelstahl oder auch aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CfK) ausgewählt.

Kardanwelle

Sehr bekannt ist die Kardanwelle mit zwei Kreuzgelenken nach Gerolamo Cardano, vor allem in Kraftfahrzeugen. Bei dieser Anordnung haben die Endwellen nur dann gleiche Winkelgeschwindigkeiten, wenn sie parallel liegen. Deshalb eignet sich diese Lösung nicht gut für den Antrieb von gelenkten Vorderrädern (sie ruckeln in engen Kurven). Die Zwischenwelle hat bei einer Achsversetzung (wenn die Endwellen zwar parallel, aber nicht in einer Achse liegen, beispielsweise beim Einfedern 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. 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. Diese werden dann aber zumeist mit einer Hardyscheibe (Gelenkscheibe) verbunden anstatt mit Kreuzgelenken. Der Winkelversatz ist geringer, und die Laufruhe steigt.

Doppelgelenkwelle

Die Doppelgelenkwelle hat eine ähnliche Funktion wie die Gleichlaufgelenkwelle in der Vorderachse eines Fahrzeuges, funktioniert jedoch mit Kreuzgelenken wie die Kardangelenkwelle.

Bei einer modernen Gleichlaufwelle werden homokinetische Kugelgelenke verwendet, bei denen sich die Winkelgeschwindigkeit des Systems mit dem Winkel nicht verändert. Für den Antrieb von Vorderrädern wird an der Radseite (außen) ein Gelenk nach Alfred Hans Rzeppa verwendet, das große Winkelabweichungen des Achszapfens erlaubt (typische maximale Beugewinkel sind 47° bzw. 50°), innen (am Differentialgetriebe) wird in der Regel ein Verschiebegelenk verwendet, das zwar nur mäßige Winkelabweichungen zulässt (typische maximale Beugewinkel sind 22°, für Sonderausführungen 31°), dafür aber die Veränderung der Wellenlänge um etwa 45 mm erlaubt, was zum Ausgleich der Differenzen bei Durchfederung des Fahrzeugs erforderlich und ausreichend ist. Sonderlösungen für den Frontantrieb bestehen aus zwei Festgelenken, welche mit einer separaten Verschiebeeinheit verbunden werden. Hiermit können auch differentialseitig Beugewinkel von 35° und mehr ermöglicht werden. Derartige Lösungen können insbesondere bei Fronttrieblern mit quer eingebauten Motoren benötigt werden, da auf Grund des meist nicht mittig eingebauten Differentials die Antriebswellen ungleich lang sind. Bei Antrieb der Hinterräder können prinzipiell auch gleiche Bauweisen wie im Frontantrieb eingesetzt werden. Für heckangetriebene Sportwagen und Fahrzeuge der Oberklasse werden bevorzugt Gleichlaufwellen eingesetzt, welche sowohl rad- als auch differenzialseitig jeweils ein Kugelverschiebegelenk der sogenannten Bauart VL (Verschiebegelenk Löbro) aufweisen. Bei diesen Gelenken kann durch eine spezielle Auslegung und Verbauung das Verdrehspiel wesentlich eingeschränkt werden.

Wellenzapfen


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

Siehe auch


Einzelnachweise


  1. Kluge, Etymologisches Wörterbuch, 23. Auflage, 1999, S. 884 "Welle", S. 873 "wallen", S. 874 "Walze"

Literatur


Weblinks


 Commons: Wellen (Mechanik)  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien



Kategorien: Welle (Technik) | Maschinenelement



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