Kardangelenk-Rechner

Ein gebeugtes Kardangelenk (Kreuzgelenk) treibt die Abtriebswelle nicht gleichförmig an: Sie wird bei jeder Umdrehung zweimal schneller und wieder langsamer. Sehen Sie, wie stark – und wie ein zweites, richtig ausgerichtetes Gelenk das ausgleicht.

TorqueMath.com · Kardangelenk-Rechner
Anordnung
Beugewinkel Gelenk 1
°
Beugewinkel Gelenk 2
°
°
0° heißt: Beide Gabeln der Zwischenwelle liegen in einer Ebene (richtig). 90° ist der klassische Montagefehler.
U/min
N·m
Die Zeiger drehen sich mit jeder Welle: Der Abtrieb eilt vor und bleibt zurück
Methode und AnnahmenMethode: Exakte Kinematik des Kardangelenks (Hooke'sches Gelenk): Abtriebswinkel, Drehzahlverhältnis, Ungleichförmigkeit und maximale Winkelbeschleunigung; Prüfung des Ausgleichs mit zwei GelenkenGrundlage: Starres Gelenk mit Beugewinkel β, Antriebswinkel ab der Gabelebene; konstante Leistung, das Drehmoment ändert sich daher umgekehrt zur Drehzahl; Versatz zwischen den GabelnGrenzen: Keine Lebensdauer der Nadellager, keine Drehmomentkapazität, keine Reibung im Schiebestück; nicht für Gleichlaufgelenke; Winkel über 15° nur bei langsamem LaufFormeln · So wurde dieser Rechner geprüft · TorqueMath v2.8

So wird gerechnet

Kardangelenk (Kreuzgelenk, Hooke'sches Gelenk) mit dem Beugewinkel β. θ₁ ist der Drehwinkel der Antriebswelle, gemessen von der Ebene der Antriebsgabel.

Abtriebswinkel tan θ₂ = tan θ₁ / cos β Drehzahlverhältnis ω₂ / ω₁ = cos β / (1 − sin²β · cos²θ₁) Bereich cos β ≤ ω₂/ω₁ ≤ 1 / cos β, Ungleichförmigkeit = 1/cos β − cos β Max. Beschleunigung α₂ ≈ ω₁² · sin²β · cos β · sin 2θ₁ / (1 − sin²β cos²θ₁)² Drehmoment T₂ = T₁ · ω₁ / ω₂ (Leistung bleibt gleich, das Moment steigt, wenn die Drehzahl fällt) Zwei Gelenke Abtrieb nur dann gleichförmig, wenn β₁ = β₂ und die Gabeln der Zwischenwelle in einer Ebene liegen (Z- oder W-Anordnung)

Faustregeln: Jeden Beugewinkel für lange Lebensdauer bei hoher Drehzahl unter etwa 3° halten, bei Pkw-Gelenkwellen höchstens etwa 6°; langsam laufende Industriewellen vertragen 15–25°. Ein sehr kleiner Winkel (unter etwa 0,5°) ist ebenfalls schlecht, weil die Nadellager nie abrollen und sich in das Kreuz einschlagen. Zwei Gelenke müssen auf etwa 0,5–1° gleiche Winkel haben, um sich gut auszugleichen.

Dieser Rechner zeigt, wie ein Kardangelenk (Kreuzgelenk, Hooke'sches Gelenk) Drehzahl und Drehmoment verändert, wenn es gebeugt läuft. Geben Sie Beugewinkel, Drehzahl und Drehmoment für ein einzelnes Gelenk oder eine Gelenkwelle mit zwei Gelenken in Z- oder W-Anordnung ein. Sie erhalten die Drehzahlschwankung am Abtrieb, den Winkelfehler, die maximale Winkelbeschleunigung, den Bereich des Abtriebsmoments und die Wirkung ungleicher Winkel oder eines Gabelversatzes. Mechaniker, Antriebsstrangbauer, Geländewagenfahrer, Maschinenkonstrukteure und Studierende nutzen ihn, um Schwingungen zu finden und Gelenkwellen richtig einzubauen.

Rechenbeispiel: Gelenkwelle mit 10° bei 3000 U/min

  1. Ein Gelenk mit β = 10°: cos 10° = 0,9848. Die Abtriebsdrehzahl schwankt also zwischen 3000 × 0,9848 = 2954 U/min und 3000 / 0,9848 = 3046 U/min, zweimal pro Umdrehung.
  2. Ungleichförmigkeit = 1/cos β − cos β = 1,0154 − 0,9848 = 3,06 %. Die Abtriebswelle eilt dem Antrieb um bis zu 0,44° vor bzw. nach.
  3. Maximale Winkelbeschleunigung am Abtrieb: mit ω₁ = 3000 × 2π / 60 = 314,2 rad/s erreicht α₂ = ω₁² · sin²β · cos β · sin 2θ₁ / (1 − sin²β cos²θ₁)² den Wert 3023 rad/s².
  4. Drehmoment: Die Leistung ist auf beiden Seiten gleich, aus 200 N·m (148 lb·ft) am Antrieb werden am Abtrieb 197,0 bis 203,1 N·m, die Spitze liegt 1,5 % über dem Antriebsmoment.
  5. Zwei Gelenke in Z-Anordnung, beide mit 10°, Gabeln der Zwischenwelle in einer Ebene: Das zweite Gelenk gleicht das erste aus, der Abtrieb läuft gleichförmig mit 3000 U/min, die Zwischenwelle schwankt aber weiter zwischen 2954 und 3046 U/min.
  6. Fehler: Läuft das zweite Gelenk mit 8° statt 10°, beträgt die Schwankung am Abtrieb 1,11 %. Sind die Gabeln um 90° versetzt montiert, addieren sich die Schwankungen: Der Abtrieb schwankt zwischen 2910 und 3093 U/min, also um 6,12 %.

Ein einzelnes Kardangelenk mit 10° lässt die Abtriebsdrehzahl zweimal pro Umdrehung um ±1,5 % schwanken. Eine richtig ausgerichtete Gelenkwelle mit zwei gleichen Winkeln gleicht das am Abtrieb aus; ungleiche Winkel oder falscher Gabelversatz bringen die Schwingung sofort zurück, und ein Versatz von 90° verdoppelt sie.

Häufige Fragen

Warum müssen die Gabeln einer Gelenkwelle ausgerichtet sein?

Ein gebeugtes Kardangelenk beschleunigt und verzögert den Abtrieb zweimal pro Umdrehung. Ein zweites Gelenk kann das genau ausgleichen, aber nur, wenn es im selben Moment die entgegengesetzte Drehzahländerung erzeugt. Das ist der Fall, wenn die beiden Gabeln der Zwischenwelle in einer Ebene liegen und beide Gelenke gleich gebeugt sind. Sind die Gabeln um 90° gegeneinander verdreht, addieren sich die Schwankungen, statt sich aufzuheben. Bei einer Gelenkwelle mit Schiebestück geht die Ausrichtung verloren, wenn die Verzahnung um einen oder mehrere Zähne versetzt zusammengesteckt wird.

Wie groß darf der Beugewinkel eines Kardangelenks sein?

Das hängt von der Drehzahl ab. Für lange Lebensdauer an Pkw- und Lkw-Gelenkwellen bei Fahrgeschwindigkeit jedes Gelenk unter etwa 3° und höchstens etwa 6° halten. Langsam laufende Industriewellen und Gelenkwellen an Zapfwellen landwirtschaftlicher Geräte laufen mit 15–25°, manche Gelenke sind bei sehr geringer Drehzahl für 30–45° ausgelegt. Die Ungleichförmigkeit wächst schnell mit dem Winkel: 0,27 % bei 3°, 1,1 % bei 6°, 6,9 % bei 15° und 29 % bei 30°, und die Nadellager werden mit größerem Winkel stärker belastet.

Warum verursacht ein Kardangelenk Schwingungen an der Gelenkwelle?

Ein Kardangelenk ist kein Gleichlaufgelenk. Beim Beugewinkel β schwankt die Abtriebsdrehzahl zweimal pro Umdrehung zwischen dem cos β- und dem 1/cos β-fachen der Antriebsdrehzahl. Die Welle wird also ständig beschleunigt und verzögert, und ihre Massenträgheit macht daraus eine Drehschwingung mit doppelter Wellendrehzahl – spürbar als Rütteln beim Beschleunigen oder als Vibration, die mit der Geschwindigkeit zunimmt. Übliche Ursachen sind ungleiche Beugewinkel, falscher Gabelversatz oder ein höher- oder tiefergelegtes Fahrzeug, bei dem sich die Winkel verändert haben.

Wie misst man die Beugewinkel der Kardangelenke?

Mit einem digitalen Winkelmesser oder Neigungsmesser, das Fahrzeug auf den Rädern in normaler Fahrhöhe. Messen Sie den Winkel des Getriebeabtriebs (oder Verteilergetriebes), des Gelenkwellenrohrs und des Achsantriebsritzels, alle in derselben senkrechten Ebene. Der Beugewinkel jedes Gelenks ist die Differenz der beiden Wellen, die es verbindet. In der Z-Anordnung sollen Getriebe und Ritzel parallel liegen, damit vorderer und hinterer Beugewinkel gleich groß und entgegengesetzt sind. Ziel sind 0,5–3° je Gelenk, und die beiden Winkel sollten nicht mehr als etwa 0,5–1° voneinander abweichen.

Darf ein Kardangelenk mit null Grad laufen?

Es kann, sollte es aber nicht lange. Bei genau 0° rollen die Nadellager im Kreuz nicht hin und her, dieselben Nadeln drücken ständig auf dieselbe Stelle von Lagerbüchse und Zapfen. Der Schmierstoff wird verdrängt, und die Oberflächen bekommen Eindrücke – ein Schaden, der als Brinelling oder Riffelbildung (False Brinelling) bekannt ist. Deshalb sieht man beim Einbau von Gelenkwellen meist einen kleinen Beugewinkel von etwa 0,5–1° oder mehr vor statt einer völlig geraden Linie.

Was ist der Unterschied zwischen Kardangelenk und Gleichlaufgelenk?

Ein Kardangelenk (Kreuzgelenk) besteht aus einem Kreuz mit vier nadelgelagerten Zapfen. Es ist robust, einfach und günstig, überträgt aber bei jedem Winkel über null eine ungleichförmige Drehzahl und braucht daher ein passendes zweites Gelenk zum Ausgleich. Ein Gleichlaufgelenk, etwa ein Kugelgleichlaufgelenk (Rzeppa) oder ein Tripodegelenk, hält seine Antriebskontakte in der Ebene, die den Wellenwinkel halbiert, sodass die Abtriebsdrehzahl bei jedem Winkel gleich der Antriebsdrehzahl ist. Gleichlaufgelenke sitzen an den Antriebswellen frontgetriebener Fahrzeuge, wo der Lenkeinschlag 40° und mehr erreicht.

Werkzeug für diese Aufgabe

Was Sie zum Bauen, Messen oder Prüfen des Ergebnisses brauchen.

Als Amazon-Partner verdient TorqueMath an qualifizierten Verkäufen. Preise und Verfügbarkeit stehen bei Amazon.

Geprüft: 10 Ergebnisse von einer separaten Prüfung mit Lehrbüchern, Normen und Herstellerangaben verglichen. Zu den Prüfungen →