Eine Kardanwelle ist eine spezielle Ausprägung einer Gelenkwelle
mit jeweils einem Kreuzgelenk an beiden Enden.
Gelenkwellen dienen:
-zur Übertragung von Drehmomenten bei nicht fluchtenden Drehachsen
-zur Übertragung von Drehmomenten bei sich gegeneinander bewegenden Teilen (HAG zu Getriebeausgang)
-zum Längenausgleich
Schmierung
Im Ölbad laufen höchstens äusserst drehzahlarme Kardanwellen. Praktisch immer sind nur ihre Nadellager und Schiebemuffen geschmiert.
Sie lassen theoretisch max. um einen Winkel von 45°, in der Q-Praxis nur um ca. 20° abknicken und gehen dann auf einen mechanischen Anschlag da die Gabeln zusammenstossen. Allerdings werden die Kräfte schon weit vor dem max. Knickwinkel schlecht übertragen und die Gelenklager sehr hoch belastet. Nicht umsonst haben die Antriebs(halb)achsen beim Auto schon seit "100 Jahren" keine Kardanwellen mehr sondern homokinetische Wellen.
Übertragungsverhalten
Bei Kardanwellen haben die Endwellen nur dann gleiche Winkelgeschwindigkeiten, wenn sie parallel liegen. 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.
Die Übertragung der Drehbewegung bei einem Kardangelenk erfolgt nicht gleichmäßig. Dies bedeutet, dass eine Verdrehung der Antriebsseite um einen bestimmten (kleinen) Winkel an der Abtriebsseite nicht den gleichen Winkel ergibt.
Im Klartext: Auch wenn sich die Antriebswelle während einer einzigen Umdrehung mit vollkommen gleichmässiger Winkelgeschwindigkeit dreht, so ändert sich pro Umdrehung die Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle -abhängig vom Knickwinkel des Gelenkes- mehrfach!
Die Betrachtungsweise „einmal rum ist eben einmal rum“ ist nicht ausreichend
a2=arctan(1/cos b*tan a1)
Dabei soll "a1"(alpha1) z.B. der Drehwinkel an der Getriebeausgangswelle, a2 der Drehwinkel der Welle nach dem ersten Kardangelenk, und "b"(beta) der Knickwinkel des Gelenks sein.
Ausgleichen kann man diesen Effekt indem man 2 Kreuzgelenke hintereinander schaltet. Bedingung dabei ist es die Gabeln des Mittelstücks in einer Ebene (also zueinander nicht verdreht) zu montieren und, wie erwähnt, die Gelenke um die gleichen Winkel zu knicken. Dabei läuft nur der Mittelteil ungleichförmig, die Enden aber exakt gleich. Dies funktioniert bei einer Ausbildung als "Z" (wie bei Kfz) oder auch als "M" (als würde man einen Kreis anstreben).
Relative Lebensdauer
Hersteller von Wellenantrieben geben bei Kreuzgelenken mit dauerhafter15 Grad Wellen-Abwinkelung eine Lebensdauer von 88 Prozent an ( Ohne Abwinkelung = 100 % ).
Bei kurzzeitiger(!) 25 Grad Abwinkelung werden nur noch 18 % Lebensdauer angegeben.
Das jedoch bei idealen Verhältnisse, wo vorderes und hinteres Kreuzgelenk mit identischen Abwinkelungen laufen, und sich Unförmigkeitsgrade ausgleichen.
Beim Boxer-Kardan sind die Kreuzgelenke aber meistens ungleich abgewinkelt und verursachen dadurch größere Rundlauf-Unförmigkeitsgrade, welche dann neben dem Kardan auch das HAG belasten.
Schwingungsbekämpfung
Um die Schwingungen zu dämpfen ist oft ein „Gummizwischen-stück“ eingebaut. Zwei ineinander gesteckte Rohre sind nur durch ein Elastomer verbunden. Die Wellenenden können sich dank dieser elastischen Lagerung etwas zueinander verdrehen (elastische Torsion) um die durch den Ungleichlauf entstehenden Schwingungen zu dämpfen.
"Nebenbei" werden -durch ungleiche Winkel verursachte- Übertragungsfehler pro Umdrehung(!) gedämpft und Verschleiß an Gelenken, An-/ Abtriebsseite verringert/ gemildert.
Längenausgleich
Relativ einfach zu beschreiben ist der Längenausgleich der Kardanwelle am Beispiel LKW.
Das Getriebe hängt fest im Rahmen, die Hinterachse bewegt sich beim Federn auf und ab. Führt die Kardanwelle schräg nach unten, so muss sie länger sein als wenn sie waagrecht zur Hinterachse führt.
Die längenvariablen Zwischenrohre werden je nach Einsatzfall aus Aluminium, Stahl, Edelstahl oder auch aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CfK) hergestellt.
Beim den BMW 4V ist das anders: Hier schwenkt die komplette Radaufhängung um einen Drehpunkt und die Kardanwelle bleibt theoretisch längenkonstant.
Bei der Montage
einer zerlegten Kardanwelle darauf achten, dass die Gabeln des Mittelteils in einer Ebene liegen (in allen Skizzen blau gezeichnet)!
Diese Verbindung sieht etwa so aus wie diejenige zwischen Getriebeeingangswelle und Kupplungsscheibe ("-belag").
Bei guten Wellen ist ein fehlerhafter Zusammenbau praktisch unmöglich da die Konstrukteure die Keilwellen des Längenausgleichs entsprechend gestaltet haben. Beim inneren Teil fehlt ein „Keil“ seiner Außen“verzahnung“, beim Außenteil fehlt eine Nut der Innen“verzahnung“.
Fertigungsproblem?
Verblüfft war ich, als ich feststellte, dass bei einer nagelneuen Welle die Kreuzgelenke, entgegen der reinen Lehre, nicht in einer Ebene lagen sondern um etwa einen "halben Zahn" (~12°) verdreht sind. Einige Kollegen bestätigten dies aus eigener Anschauung.
Die Anfrage bei BMW erbrachte im ersten Anlauf nicht einmal eine Antwort, im zweiten ein unsachliches Gelabere von "Toleranzen, Fertigungspräzision und Zuliefervereinbarungen", eine dritte lautete "die sind jetzt immer um 20 Grad verdreht" (ohne Erklärung und mit falscher "Grössenangabe").
Nach mehrmaligem, gemeinsamen Nachdenken mit dem netten Mitarbeiter eines Herstellers (der zuerst auch "wie bitte??" äusserte) ergibt sich eine einfache Lösung des Phänomens: Im Betrieb unter Last wird die Welle im elastischen Schwingungsdämpfer (der kommt bei der reinen Lehre nicht vor!) etwas verdreht und dann liegen die Gelenke in einer Ebene!
Links
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