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