Wellensind kritische Komponenten in mechanischen Systemen und dienen als Rückgrat, das alle Übertragungselemente trägt und gleichzeitig Drehmomente und Lagerbiegemomente überträgt. Bei der Gestaltung eines Schachts müssen nicht nur seine individuellen Eigenschaften berücksichtigt werden, sondern auch seine Integration in die Gesamtstruktur des Schachtsystems berücksichtigt werden. Abhängig von der Art der Belastung, die während der Bewegung und Kraftübertragung auftritt, können Wellen in Spindeln, Antriebswellen und rotierende Wellen eingeteilt werden. Sie können auch anhand ihrer Achsform in gerade Wellen, Exzenterwellen, Kurbelwellen und flexible Wellen eingeteilt werden.
Spindeln
1. Feste Spindel
Dieser Spindeltyp nimmt Biegemomente nur im Stillstand auf. Aufgrund seiner einfachen Struktur und guten Steifigkeit eignet es sich ideal für Anwendungen wie Fahrradachsen.
2.Rotierende Spindel
Im Gegensatz zu feststehenden Spindeln nehmen rotierende Spindeln auch während der Bewegung Biegemomente auf. Man findet sie häufig in Eisenbahnradachsen.
Antriebswelle
Antriebswellen dienen der Drehmomentübertragung und sind aufgrund der hohen Drehzahlen typischerweise länger. Um starke Vibrationen durch Fliehkräfte zu vermeiden, ist die Masse der Antriebswelle gleichmäßig über ihren Umfang verteilt. Bei modernen Antriebswellen kommen häufig Hohlkonstruktionen zum Einsatz, die im Vergleich zu Vollwellen höhere kritische Drehzahlen ermöglichen und sie somit sicherer und materialeffizienter machen. Beispielsweise werden Antriebswellen von Kraftfahrzeugen in der Regel aus gleichmäßig dicken Stahlplatten hergestellt, während bei Schwerlastfahrzeugen häufig nahtlose Stahlrohre zum Einsatz kommen.
Rotierende Welle
Rotierende Wellen zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl Biege- als auch Torsionsmomenten standhalten, was sie zu einem der häufigsten Bauteile in mechanischen Geräten macht.
Gerader Schaft
Gerade Wellen haben eine lineare Achse und können in optische und abgestufte Wellen eingeteilt werden. Staight Shats sind in der Regel verschmutzt, können aber hohl gestaltet werden, um das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Steifigkeit und Torsionsstabilität beizubehalten.
1.Optischer Schaft
Diese Wellen sind einfach in der Form und einfach herzustellen und werden hauptsächlich zur Kraftübertragung verwendet.
2. Abgestufter Schaft
Als Stufenwelle wird eine Welle mit abgestuftem Längsquerschnitt bezeichnet. Dieses Design erleichtert die Installation und Positionierung der Komponenten und führt so zu einer effizienteren Lastverteilung. Während seine Form der eines Balkens mit gleichmäßiger Festigkeit ähnelt, weist es mehrere Spannungskonzentrationspunkte auf. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Stufenwellen häufig in verschiedenen Getriebeanwendungen eingesetzt.
3. Nockenwelle
Die Nockenwelle ist ein kritisches Bauteil in Kolbenmotoren. Bei Viertaktmotoren arbeitet die Nockenwelle normalerweise mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle, behält jedoch dennoch eine hohe Drehzahl bei und muss ein erhebliches Drehmoment aushalten. Daher stellt die Konstruktion der Nockenwelle hohe Anforderungen an ihre Festigkeit und Tragfähigkeit.
Nockenwellen bestehen in der Regel aus Spezialgusseisen, einige werden jedoch für eine längere Haltbarkeit auch aus geschmiedeten Materialien gefertigt. Das Design der Nockenwelle spielt eine entscheidende Rolle in der gesamten Motorarchitektur.
4.Keilwelle
Keilwellen sind nach ihrem unverwechselbaren Aussehen benannt und weisen auf ihrer Oberfläche eine Längsnut auf. Diese Keilnuten ermöglichen es rotierenden Komponenten, die auf der Welle montiert werden, um eine synchronisierte Drehung aufrechtzuerhalten. Zusätzlich zu dieser Rotationsfähigkeit ermöglichen Keilwellen auch eine axiale Bewegung, wobei einige Konstruktionen zuverlässige Verriegelungsmechanismen für Anwendungen in Brems- und Lenksystemen enthalten.
Eine weitere Variante ist der Teleskopschaft, der aus Innen- und Außenrohr besteht. Das Außenrohr hat Innenzähne, während das Innenrohr Außenzähne hat, sodass sie nahtlos zusammenpassen. Diese Konstruktion überträgt nicht nur das Drehmoment, sondern bietet auch die Möglichkeit, die Länge zu verlängern und zu verkürzen, was sie ideal für den Einsatz in Getriebeschaltmechanismen macht.
5. Getriebewelle
Wenn der Abstand vom Fußkreis eines Zahnrads bis zum Grund der Keilnut minimal ist, sind Zahnrad und Welle in einer einzigen Einheit integriert, die als Zahnradwelle bezeichnet wird. Diese mechanische Komponente trägt rotierende Teile und arbeitet mit ihnen zusammen, um Bewegungen, Drehmomente oder Biegemomente zu übertragen.
6. Schneckenwelle
Eine Schneckenwelle ist typischerweise als einzelne Einheit konstruiert, die sowohl die Schnecke als auch die Welle integriert.
7. Hohlwelle
Eine Welle, die mit einem hohlen Zentrum ausgeführt ist, wird als Hohlwelle bezeichnet. Bei der Drehmomentübertragung erfährt die äußere Schicht einer Hohlwelle die höchste Scherbeanspruchung, was einen effizienteren Materialeinsatz ermöglicht. Unter Bedingungen, bei denen das Biegemoment von Hohl- und Vollwellen gleich ist, reduzieren Hohlwellen das Gewicht erheblich, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Kurbelwelle
Eine Kurbelwelle ist eine kritische Komponente in einem Motor und besteht typischerweise aus Kohlenstoffstahl oder Sphäroguss. Es besteht aus zwei Hauptabschnitten: dem Hauptzapfen und dem Pleuelzapfen. Der Hauptzapfen ist am Motorblock montiert, während der Pleuelzapfen mit dem großen Ende der Pleuelstange verbunden ist. Das kleine Ende der Pleuelstange ist mit dem Kolben im Zylinder verbunden und bildet so einen klassischen Kurbel-Schieber-Mechanismus.
Exzentrische Welle
Eine Exzenterwelle ist definiert als eine Welle, deren Achse nicht mit ihrem Mittelpunkt ausgerichtet ist. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Wellen, die in erster Linie die Drehung von Bauteilen ermöglichen, können Exzenterwellen sowohl Ratation als auch Rotation übertragen. Zur Einstellung des Achsabstands zwischen Wellen werden üblicherweise Exzenterwellen in planaren Verbindungsmechanismen, wie z. B. Keilriemenantriebssystemen, verwendet.
Flexibler Schaft
Biegsame Wellen dienen in erster Linie der Übertragung von Drehmoment und Bewegung. Aufgrund ihrer deutlich geringeren Biegesteifigkeit im Vergleich zu ihrer Torsionssteifigkeit können flexible Wellen problemlos verschiedene Hindernisse umgehen und ermöglichen so eine Übertragung über große Entfernungen zwischen der Hauptkraft und der Arbeitsmaschine.
Diese Wellen erleichtern die Bewegungsübertragung zwischen zwei Achsen, die sich relativ zueinander bewegen, ohne dass zusätzliche Zwischenübertragungsgeräte erforderlich sind, was sie ideal für Langstreckenanwendungen macht. Ihr einfaches Design und ihre geringen Kosten tragen zu ihrer Beliebtheit in verschiedenen mechanischen Systemen bei. Darüber hinaus absorbieren flexible Wellen Stöße und Vibrationen und verbessern so die Gesamtleistung.
Zu den üblichen Anwendungen gehören handgeführte Elektrowerkzeuge, bestimmte Übertragungssysteme in Werkzeugmaschinen, Kilometerzähler und Fernbedienungsgeräte.
1. Flexible Welle vom Typ Power
Flexible Antriebswellen verfügen über eine feste Verbindung am weichen Wellengelenkende, ausgestattet mit einer Schiebehülse innerhalb des Schlauchgelenks. Diese Wellen dienen in erster Linie der Drehmomentübertragung. Eine Grundvoraussetzung für Kraftflexwellen ist eine ausreichende Torsionssteifigkeit. Typischerweise sind diese Wellen mit Rücklaufsperren ausgestattet, um eine unidirektionale Übertragung zu gewährleisten. Die Außenschicht besteht aus einem Stahldraht mit größerem Durchmesser, und einige Designs enthalten keinen Kernstab, was sowohl die Verschleißfestigkeit als auch die Flexibilität erhöht.
2. Flexible Welle vom Steuertyp
Biegsame Wellen vom Steuertyp dienen in erster Linie der Bewegungsübertragung. Das von ihnen übertragene Drehmoment dient hauptsächlich dazu, das zwischen der flexiblen Drahtwelle und dem Schlauch erzeugte Reibungsmoment zu überwinden. Neben einer geringen Biegesteifigkeit müssen diese Wellen auch eine ausreichende Torsionssteifigkeit aufweisen. Im Vergleich zu flexiblen Wellen vom Leistungstyp zeichnen sich flexible Wellen vom Steuertyp durch ihre strukturellen Merkmale aus, zu denen das Vorhandensein eines Kernstabs, eine höhere Anzahl von Wicklungslagen und kleinere Drahtdurchmesser gehören.
Struktur der flexiblen Welle
Biegsame Wellen bestehen typischerweise aus mehreren Komponenten: flexible Drahtwelle, flexible Wellenverbindung, Schlauch und Schlauchverbindung.
1. Flexibler Drahtschaft
Eine flexible Drahtwelle, auch flexible Welle genannt, besteht aus mehreren zusammengewickelten Stahldrahtschichten, die einen kreisförmigen Querschnitt bilden. Jede Schicht besteht aus mehreren gleichzeitig gewickelten Drahtsträngen, was ihr eine Struktur ähnlich einer mehrsträngigen Feder verleiht. Die innerste Drahtschicht ist um einen Kernstab gewickelt, wobei benachbarte Schichten in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind. Dieses Design wird häufig in Landmaschinen verwendet.
2.Flexible Wellenverbindung
Das flexible Wellengelenk dient zur Verbindung der Antriebswelle mit den Arbeitskomponenten. Es gibt zwei Verbindungsarten: fest und gleitend. Der feste Typ wird typischerweise für kürzere flexible Wellen oder in Anwendungen verwendet, bei denen der Biegeradius relativ konstant bleibt. Im Gegensatz dazu wird der Gleittyp verwendet, wenn der Biegeradius während des Betriebs erheblich variiert, wodurch eine größere Bewegung innerhalb des Schlauchs ermöglicht wird, um Längenänderungen beim Biegen des Schlauchs auszugleichen.
3. Schlauch und Schlauchverbindung
Der Schlauch, auch Schutzhülle genannt, dient dazu, die flexible Drahtwelle vor Kontakt mit externen Bauteilen zu schützen und so die Sicherheit des Bedieners zu gewährleisten. Darüber hinaus kann es Schmierstoffe speichern und das Eindringen von Schmutz verhindern. Während des Betriebs sorgt der Schlauch für Halt und erleichtert so die Handhabung der flexiblen Welle. Bemerkenswert ist, dass sich der Schlauch während der Übertragung nicht mit der flexiblen Welle dreht, was einen reibungslosen und effizienten Betrieb ermöglicht.
Das Verständnis der verschiedenen Arten und Funktionen von Wellen ist für Ingenieure und Konstrukteure von entscheidender Bedeutung, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit mechanischer Systeme sicherzustellen. Durch die Auswahl des geeigneten Wellentyps für bestimmte Anwendungen kann die Effizienz und Langlebigkeit von Maschinen gesteigert werden. Für weitere Einblicke in mechanische Komponenten und deren Anwendungen bleiben Sie auf dem Laufenden über unsere neuesten Updates!
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 15. Okt. 2024
