Kardanwelle

Die Kardanwelle (benannt nach Gerolamo Cardano) ist eine klassische Ausführung einer Gelenkwellenkombination mit einem oder zwei Kreuzgelenken (auch Kardangelenke genannt). Sie ermöglicht die Drehmoment-Übertragung in einem geknickten Wellenstrang. Der Knickwinkel darf sich im Betrieb verändern.
Die Bezeichnung Kardanwelle wird gelegentlich auch für Wellen mit homokinetischen Gelenken oder für Wellen mit Hardyscheibe statt zweitem Kreuzgelenk (z. B. Renault Espace mit Verbundfaserwelle) verwendet. Diese haben einen schlechteren Wirkungsgrad als Kardanwellen mit Kreuzgelenken.

Kardangelenk

Kardangelenk in Rotation

Der Name Kardanwelle leitet sich von den verwendeten Kreuzgelenken (siehe Geschichte des Kreuzgelenks) ab.

Eigenschaften

Mit einem einfachen Kardangelenk ist besonders bei größeren Knickwinkeln keine gleichmäßige Kraftübertragung möglich, da die Winkelgeschwindigkeit der Antriebs- gegenüber der Abtriebsachse einer periodischen Schwankung unterliegt. Siehe: Kardanfehler
Durch die Anordnung von zwei Kreuzgelenken hintereinander können sich diese Abweichungen gegeneinander ausgleichen, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:

• Die Antriebsgabel des ersten Gelenks steht um 90° versetzt zur Antriebsgabel des zweiten Kreuzgelenks (d. h. die Achsen der beiden Gabeln des Zwischenstücks stehen parallel zueinander).
• An beiden Kreuzgelenken liegt der gleiche Knickwinkel vor.
• Die Drehachsen des Antriebs-, Abtriebs- und Zwischenstücks liegen in einer Ebene.

Ist der Knickwinkel einmal positiv und einmal negativ, ergibt sich die sogenannte Z-Anordnung mit parallelen Drehachsen an An- und Abtrieb, die in Fahrzeugen üblicherweise zur Kraftübertragung zwischen Motor und Antriebsachsen angewendet wird. Bei der W-Anordnung knicken beide Gelenke in die gleiche Richtung. Diese Konstellation findet gelegentlich in der Lenksäule Verwendung.

Auch wenn bei Doppel-Kardanwellen bzw. Doppel-Kreuzgelenken pulsierende Kraftstöße zwischen An- und Abtrieb ausgeglichen werden, so kann die Oszillation der Zwischenwelle unter ungünstigen Umständen dennoch zu Vibrationen führen. Diese können durch die Verwendung von Gummigelenken oder zwischengeschalteten Gummielementen weiter reduziert werden.

Technische Grenzen

Der Einsatz der Kardanwelle wird aus technischer Sicht durch mehrere Größen begrenzt:

• Eine Welle hat eine biegekritische Drehzahl oder Resonanzfrequenz, ab der Unwuchten zu einem Schlagen führen. Dieser Effekt begrenzt die maximale Drehzahl der Welle. Daher werden schnell drehende Wellen steif ausgeführt, typisch als Rohre mit großem Durchmesser. Die kritische Drehzahl lässt sich steigern, indem statt einer langen Welle mehrere kurze Wellen mit Zwischenlagern und zusätzlichen Gelenken verwendet werden. (Nachteil: Geräuschübertragung ins Fahrzeug durch die Zwischenlager).
• Mit steigendem Beugewinkel und steigendem Drehmoment sinkt der Wirkungsgrad der Gelenke. Bei falscher Auslegung (zu große Beugung oder zu große übertragene Leistung) kann die Erwärmung zur Zerstörung der Gelenke führen. Eine ideale gestreckte Welle (Beugewinkel β = 0°) hat theoretisch keine Verluste (η = 100 %), was jedoch in der Praxis aufgrund von Fertigungstoleranzen, Torsionsverlusten etc. nicht erreichbar ist.

Ausführungen und Anwendungen

Kardanwellen in Pkw und Lkw

Forwarder mit Allradantrieb

Aufgabe einer Kardanwelle ist die Drehmomentübertragung. In Kraftfahrzeugen mit Frontmotor und angetriebener starrer Hinterachse muss die Verbindung zwischen Getriebeausgang und dem Differential der angetriebenen Achse beweglich ausgeführt sein. Bei der Transaxle-Bauweise mit Frontmotor und Getriebe an der Hinterachse verbindet eine Antriebswelle, die in der Regel ohne Gelenke ausgeführt ist, den Motor mit dem Getriebe (beispielsweise Porsche 924). Das erste Automobil mit Kardanantrieb war vermutlich das 1898 erste von Louis Renault konstruierte und gefertigte Auto.

Mit der Ausgangswelle des Getriebes ist die Kardanwelle gelegentlich über eine Hardyscheibe verbunden, einer Gummischeibe, die zusätzlich zum Winkelausgleich Stöße in der Drehmomentübertragung abfedern kann. Bei langen Fahrzeugen wird die vordere Teilwelle kurz vor dem Kardangelenk mit einem Radiallager abgefangen, während bei kürzeren Fahrzeugen eines der Knickgelenke entfallen kann.

Gelenkwelle mit zwei Kardangelenken

Doppel-Gelenkwelle

Kardanwelle mit zwei Kardangelenken und einem zusätzlichen Schubgelenk (Passverzahnung) zum Längsausgleich (Gelenkwelle)

Wie oben beschrieben ist die Drehübertragung mittels Kardangelenk ungleichförmig, wenn am Gelenk ein Knickwinkel vorliegt. Der vom Antrieb vorgegebenen Drehfrequenz ist am Abtrieb eine kleine Schwankung der doppelten Frequenz überlagert. Mit zwei hintereinanderfolgenden Kardangelenken können sich die Übertragungsfehler gegeneinander aufheben, wenn beide Gelenke gleichermaßen geknickt sind.

Eine Gelenkwelle enthält daher meist zwei Kardangelenke und zusätzlich ein Schiebegelenk, das einen Längsausgleich ermöglicht. Typische Anwendungsfälle sind der Antrieb einer quer verfahrbaren Spindel einer Werkzeugmaschine sowie die Zapfwellen-Systeme zwischen Traktoren und gezogenen landwirtschaftlichen oder anderen Arbeitsmaschinen. Das zweite Kardangelenk und das zusätzliche Schubgelenk sind hier nötig, um die Drehmoment-Übertragung davon unabhängig zu machen, welche Bewegungen die gezogene Maschine relativ zur Zugmaschine ausführt.

Kardanantriebe bei Bahn-Triebfahrzeugen

In vergleichbarer Weise wie bei Kraftfahrzeugen mit Hinterachsantrieb erfolgt auch die Kraftübertragung insbesondere bei Diesellokomotiven und -triebwagen mit dieselmechanischer und dieselhydraulischer Kraftübertragung. Kardan- oder Gelenkwellen verbinden bei derartigen Fahrzeugen das im Rahmen gelagerte Getriebe, das damit zur gefederten Masse gehört, und ein achsreitendes Achsgetriebe auf der in der Regel nächstliegenden Treibachse. Bei allachsgetriebenen Fahrzeugen weisen diese Achsgetriebe einen Durchtrieb auf, über den eine weitere Gelenkwelle die Antriebsleistung auf den folgenden Radsatz überträgt. Mit Gelenkwellen werden auch bei Drehgestelltriebfahrzeugen die Relativbewegungen zwischen Fahrzeug- und Drehgestellrahmen beim Durchfahren von Bögen sowie Kuppen- und Wannenausrundungen ausgeglichen.

Auch bei Straßenbahntriebwagen wurden Kardanantriebe verwendet. Die Fahrmotoren wurden in diesem Fall gefedert in Fahrzeuglängsrichtung im Bodenrahmen oder Laufgestell gelagert. Auf den Radsatzwellen liegt auch in diesem Fall ein achsreitendes Winkelgetriebe auf. Die ungefederten Massen sind damit deutlich geringer als bei einem Fahrmotor, der sich in Tatzlageranordnung zur Hälfte auf der Achswelle abstützt.

Bei Pendolino-Triebwagen mit aktiver Neigetechnik werden die Fahrmotoren ebenfalls aus Platz- und Massegründen unter dem Bodenrahmen aufgehängt und mit dem Achsgetriebe des benachbarten Radsatzes ebenfalls durch eine Kardanwelle verbunden.

Eine Sonderform sind Kardanwellen in Form von Hohlwellen insbesondere bei leistungsfähigen und schnellfahrenden Lokomotiven und Triebwagen mit elektrischem oder dieselelektrischem Antrieb. Die Fahrmotoren können damit vollständig gefedert im Fahrzeug- oder Drehgestellrahmen aufgehängt werden. Das Großrad des Antriebes ist dann ebenfalls gefedert gelagert. Die Hohlwelle umgreift die Radsatzwelle, die Kardangelenke befinden sich einerseits am Großrad und andererseits an der gegenüberliegenden Radscheibe. Die Kardangelenke gleichen auch in diesem Fall die Relativbewegungen zwischen Fahrmotor und Radsatz aus.

Königswelle zur Drehmomentübertragung an einem Fahrrad. Da Hinterbaustreben und Tretlager eine Einheit bilden, sind keine Kardangelenke nötig.

Die Kardanwelle an Motor- und Fahrrädern

Die Kardanwelle an Motorrädern wird für die Drehmoment-Übertragung auf das Hinterrad verwendet. Häufig haben solche Wellen nur ein einzelnes Kreuz- oder Gummigelenk, um die Hubbewegung des Hinterrades beim Einfedern auszugleichen.

Beim Kardanantrieb von Fahrrädern handelt es sich zumeist um eine gelenklose Königswelle, siehe Kardanwellentrieb zum Hinterrad.

Frühe Versuche zur Realisierung des Kardanantriebs führten u. a. die Wanderer-Fahrradwerke durch.

Literatur

• Hans-Christoph Graf v. Seherr-Thoss, Friedrich Schmelz, Erich Aucktor: Gelenke und Gelenkwellen. Springer Berlin Heidelberg 2002, ISBN 978-3-642-62601-2 (Print).