Wellensind kritische Komponenten mechanischer Systeme. Sie bilden das Rückgrat aller Übertragungselemente und übertragen Drehmomente und Biegemomente. Bei der Konstruktion einer Welle müssen nicht nur ihre individuellen Eigenschaften berücksichtigt werden, sondern auch ihre Integration in die Gesamtstruktur des Wellensystems. Je nach Belastungsart bei Bewegung und Kraftübertragung lassen sich Wellen in Spindeln, Antriebswellen und Drehwellen einteilen. Anhand ihrer Achsenform lassen sie sich außerdem in gerade Wellen, Exzenterwellen, Kurbelwellen und flexible Wellen unterteilen.
Spindeln
1.Feste Spindel
Dieser Spindeltyp nimmt nur Biegemomente auf und bleibt stationär. Aufgrund seiner einfachen Struktur und guten Steifigkeit eignet er sich ideal für Anwendungen wie Fahrradachsen.
2.Rotierende Spindel
Im Gegensatz zu festen Spindeln sind rotierende Spindeln während der Bewegung auch Biegemomenten ausgesetzt. Sie kommen häufig in Eisenbahnradachsen vor.
Antriebswelle
Antriebswellen dienen der Drehmomentübertragung und sind aufgrund der hohen Drehzahlen typischerweise länger. Um starke Schwingungen durch Fliehkräfte zu vermeiden, ist die Masse der Antriebswelle gleichmäßig über ihren Umfang verteilt. Moderne Antriebswellen sind oft hohl ausgeführt, was im Vergleich zu Vollwellen höhere kritische Drehzahlen ermöglicht und sie dadurch sicherer und materialeffizienter macht. Beispielsweise werden Antriebswellen in Kraftfahrzeugen üblicherweise aus gleichmäßig dicken Stahlplatten gefertigt, während bei Schwerlastfahrzeugen häufig nahtlose Stahlrohre zum Einsatz kommen.
Rotierende Welle
Die Besonderheit rotierender Wellen besteht darin, dass sie sowohl Biege- als auch Torsionsmomenten standhalten, was sie zu einer der am häufigsten vorkommenden Komponenten in mechanischen Geräten macht.
Gerader Schaft
Gerade Wellen haben eine lineare Achse und lassen sich in optische und gestufte Wellen unterteilen. Gerade Wellen sind typischerweise massiv, können aber auch hohl ausgeführt werden, um Gewicht zu sparen und gleichzeitig Steifigkeit und Torsionsstabilität zu erhalten.
1. Optischer Schaft
Diese Wellen sind einfach in der Form und leicht herzustellen und werden hauptsächlich für Kraftübertragungen verwendet.
2.Stufenwelle
Eine Welle mit gestuftem Längsquerschnitt wird als Stufenwelle bezeichnet. Diese Konstruktion erleichtert die Montage und Positionierung von Komponenten und führt zu einer effizienteren Lastverteilung. Ihre Form ähnelt zwar der eines Balkens mit gleichmäßiger Festigkeit, weist jedoch mehrere Spannungskonzentrationen auf. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Stufenwellen häufig in verschiedenen Getriebeanwendungen eingesetzt.
3.Nockenwelle
Die Nockenwelle ist ein kritisches Bauteil in Kolbenmotoren. Bei Viertaktmotoren dreht sich die Nockenwelle typischerweise nur halb so schnell wie die Kurbelwelle, behält aber 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 werden üblicherweise aus speziellem Gusseisen gefertigt, manche werden jedoch für eine längere Lebensdauer auch aus geschmiedetem Material hergestellt. Das Design der Nockenwelle spielt eine entscheidende Rolle für die gesamte Motorarchitektur.
4. Keilwelle
Keilwellen verdanken ihren Namen ihrem markanten Aussehen mit längs verlaufender Keilnut. Diese Keilnuten ermöglichen die synchrone Rotation rotierender Komponenten auf der Welle. Neben der Rotationsfunktion ermöglichen Keilwellen auch axiale Bewegungen. Einige Ausführungen verfügen über zuverlässige Verriegelungsmechanismen für Anwendungen in Brems- und Lenksystemen.
Eine weitere Variante ist die Teleskopwelle, die aus einem Innen- und einem Außenrohr besteht. Das Außenrohr ist innen verzahnt, das Innenrohr außen, sodass beide nahtlos ineinandergreifen. Diese Konstruktion überträgt nicht nur Drehmoment, sondern ermöglicht auch die Ausdehnung und Verkürzung der Länge, was sie ideal für den Einsatz in Getriebeschaltmechanismen macht.
5.Getriebewelle
Wenn der Abstand zwischen dem Fußkreis eines Zahnrads und dem Grund der Passfedernut minimal ist, werden Zahnrad und Welle zu einer Einheit, der sogenannten Zahnradwelle, zusammengefasst. Diese mechanische Komponente trägt rotierende Teile und überträgt gemeinsam mit ihnen Bewegung, Drehmoment oder Biegemomente.
6. Schneckenwelle
Eine Schneckenwelle wird normalerweise als einzelne Einheit konstruiert, die sowohl die Schnecke als auch die Welle umfasst.
7.Hohlwelle
Eine Welle mit hohlem Kern wird als Hohlwelle bezeichnet. Bei der Drehmomentübertragung erfährt die Außenschicht einer Hohlwelle die höchste Scherspannung, was einen effizienteren Materialeinsatz ermöglicht. Bei gleichem Biegemoment von Hohl- und Vollwellen reduzieren Hohlwellen das Gewicht deutlich, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
Kurbelwelle
Eine Kurbelwelle ist ein wichtiges Bauteil eines Motors und besteht typischerweise aus unlegiertem Baustahl oder Sphäroguss. Sie besteht aus zwei Hauptteilen: 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-Schiebemechanismus.
Exzenterwelle
Eine Exzenterwelle ist eine Welle, deren Achse nicht mit ihrem Mittelpunkt ausgerichtet ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wellen, die in erster Linie die Rotation von Bauteilen ermöglichen, können Exzenterwellen sowohl Dreh- als auch Rotationsbewegungen übertragen. Zur Einstellung des Achsabstands zwischen Wellen werden Exzenterwellen häufig in planaren Verbindungsmechanismen, wie beispielsweise Keilriemenantrieben, eingesetzt.
Flexible Welle
Biegsame Wellen dienen in erster Linie der Drehmoment- und Bewegungsübertragung. Aufgrund ihrer deutlich geringeren Biegesteifigkeit im Vergleich zur Torsionssteifigkeit können biegsame Wellen problemlos um verschiedene Hindernisse herumfahren und ermöglichen so die Übertragung von Antriebskraft und Arbeitsmaschine über große Entfernungen.
Diese Wellen ermöglichen die Bewegungsübertragung zwischen zwei relativ zueinander bewegten Achsen ohne zusätzliche Zwischengetriebe und eignen sich daher ideal für Anwendungen über große Entfernungen. Ihr einfaches Design und die 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 zählen handgeführte Elektrowerkzeuge, bestimmte Getriebesysteme in Werkzeugmaschinen, Kilometerzähler und Fernbedienungsgeräte.
1. Flexible Welle vom Power-Typ
Kraftflexible Wellen verfügen über eine feste Verbindung am weichen Wellengelenkende und sind mit einer Gleithülse im Schlauchgelenk ausgestattet. Diese Wellen sind primär für die Drehmomentübertragung ausgelegt. Eine Grundvoraussetzung für Kraftflexible Wellen ist eine ausreichende Torsionssteifigkeit. Typischerweise verfügen diese Wellen über Rücklaufsperren, um eine unidirektionale Kraftübertragung zu gewährleisten. Die Außenschicht besteht aus Stahldraht mit größerem Durchmesser. Einige Ausführungen verzichten auf einen Kernstab, was sowohl die Verschleißfestigkeit als auch die Flexibilität verbessert.
2. Flexible Welle vom Kontrolltyp
Steuerwellen dienen in erster Linie der Bewegungsübertragung. Das übertragene Drehmoment dient hauptsächlich dazu, das zwischen der Drahtwelle und dem Schlauch entstehende Reibungsmoment zu überwinden. Neben einer geringen Biegesteifigkeit müssen diese Wellen auch eine ausreichende Torsionssteifigkeit aufweisen. Im Vergleich zu Kraftwellen zeichnen sich Steuerwellen durch konstruktive Merkmale aus, darunter einen Kernstab, eine höhere Anzahl von Wicklungslagen und kleinere Drahtdurchmesser.
Aufbau der flexiblen Welle
Biegsame Wellen bestehen typischerweise aus mehreren Komponenten: Drahtbiegsame Welle, biegsame Wellenverbindung, Schlauch und Schlauchverbindung.
1. Drahtflexible Welle
Eine flexible Drahtwelle, auch flexible Welle genannt, besteht aus mehreren Lagen Stahldraht, die miteinander verwoben sind und einen kreisförmigen Querschnitt bilden. Jede Lage besteht aus mehreren gleichzeitig gewickelten Drahtsträngen, wodurch sie eine Struktur ähnlich einer mehrsträngigen Feder erhält. Die innerste Drahtlage ist um einen Kernstab gewickelt, wobei die benachbarten Lagen in entgegengesetzter Richtung gewickelt sind. Diese Konstruktion wird häufig in Landmaschinen eingesetzt.
2. Flexibles Wellengelenk
Das flexible Wellengelenk verbindet die Abtriebswelle mit den Arbeitskomponenten. Es gibt zwei Verbindungsarten: fest und gleitend. Die feste Ausführung wird typischerweise für kürzere flexible Wellen oder bei Anwendungen mit relativ konstantem Biegeradius verwendet. Die gleitende Ausführung hingegen wird eingesetzt, wenn sich der Biegeradius während des Betriebs stark ändert. Sie ermöglicht eine größere Bewegung innerhalb des Schlauchs, um Längenänderungen beim Biegen des Schlauchs auszugleichen.
3.Schlauch und Schlauchverbindung
Der Schlauch, auch Schutzhülle genannt, schützt die flexible Welle vor dem Kontakt mit externen Komponenten und gewährleistet so die Sicherheit des Bedieners. Zusätzlich kann er Schmiermittel speichern und das Eindringen von Schmutz verhindern. Während des Betriebs bietet der Schlauch Halt und erleichtert die Handhabung der flexiblen Welle. Insbesondere dreht sich der Schlauch während der Übertragung nicht mit der flexiblen Welle, was einen reibungslosen und effizienten Betrieb ermöglicht.
Das Verständnis der verschiedenen Wellenarten und -funktionen ist für Ingenieure und Konstrukteure entscheidend, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit mechanischer Systeme zu gewährleisten. Durch die Auswahl des passenden Wellentyps für spezifische Anwendungen lassen sich Effizienz und Langlebigkeit von Maschinen steigern. Für weitere Einblicke in mechanische Komponenten und ihre Anwendungen bleiben Sie über unsere neuesten Updates auf dem Laufenden!
Veröffentlichungszeit: 15. Oktober 2024
