Kleine Ausarbeitung zur Doppelgelenkwelle (28.08.2005). Oder auch: Wie fahre ich mir meine Vorderachse zu Klump? Originaltext: von Felix (28.08.2005) auf http://www.afrika-virus.de in der Rubrik Technik/Vorderachse (die Rubrik wurde gelöscht). Eins der meist diskutierten Themen in den Reihen der Allrad-LKW-Besitzer sind die Doppelgelenkwellen der Vorderachse. Es stimmt auch, dass man sich spätestens bei einer Umrüstung auf Einzelbereifung mit einem großen Raddurchmesser, welche ja für das Fahren auf weichen Untergründen unverzichtbar ist, über dieses Thema Gedanken machen sollte. Nach dem ich nun schon viele Halbwahrheiten oder aus der Luft gegriffenen Unsinn wie: "Bei dem Auto maximal Reifen xx, wenn der Reifen 2 cm höher ist, brechen deine Wellen!" gehört habe, habe ich mich mal ein wenig umgeschaut und mal etwas die Physik bemüht, um überhaupt heraus zu finden, in wie weit und unter welchen Umständen die Wellen überlastet sind. Im zweiten Teil habe ich mal ein paar Ideen gesammelt wie man eventuell verhindern könnte, dass die Doppelgelenkwellen überlastet werden, insbesondere ohne dafür auf eine schwerere Vorderachse umrüsten zu müssen und alle damit verbundenen Aufwände und Nachteile in Kauf zu nehmen. Vorweg: Wer gut schmiert der auch gut fährt! Trotz stärkeren Belastungen wie größere Reifen oder stärkere Motoren ist Spiel in den Gelenkbolzen immer noch die Hauptursache für einen Steckachsenbruch. Auch wenn die meissten unserer Autos aus Behördenbeständen stammen, wurde das Abschmieren der vorderen Doppelgelenke leider oft vernachlässigt. Ich habe auch schon mehrmals Besitzer getroffen, denen gar nicht bekannt war, dass die vorderen Doppelkreuzgelenke Abgeschmiert werden müssen. Doppelkreuzgelenke müssen jedoch grundsätzlich abgeschmiert werden, auch wenn dort keine Schmiernippel zu finden sein. In diesem Fall finden sich Schrauben auf den Gelenkkreuzen. Diese müssen herausgedreht und durch einen Schmiernippel ersetzt werden, welcher nach dem Abschmieren wieder demontiert wird. Die Reparatur einer trockengelaufenen Gelenkwelle ist empfindlich teuer, im Extremfall kann sie den Zeitwert eines Fahrzeuges durchaus überschreiten. 1. Die statische Belastung der Doppelgelenkwelle. 2. Sonderfall Differentialsperren. 3. Dynamik oder: Warum Antriebswellen sonst noch brechen. 4. Was bringt einem das in der Praxis? 5. Zum Schluss.

1. Die statische Belastung der Doppelgelenkwelle: Da der Grundsatz "Kraft = Gegenkraft" gilt, ergibt sich die an der Welle anliegende Belastung als das kleinste Drehmoment der auf beiden Seiten anliegende Drehmomente. Oder mit anderen Worten: Ich kann ruhig einen 1500PS Motor einbauen, so lange ich die Vorderachse aufbocke und die Räder frei in der Luft drehen ist die Welle nicht gefährdet. Oder umgekehrt: Wenn ich einen Pedalantrieb an stelle des Motors einbaue kann ich die Achse ruhig mit 15t belasten, nur durch die kleine Pedalkraft bekomme ich die Doppelgelenkwellen nicht zerstört. Die rechte Seite bzw. das vom Motor erzeugte Drehmoment an der Welle: "Mmot" bezeichnet hier das Motordrehmoment. Da dieses multiplikativ in das Drehmoment des Doppelgelenkwelle eingeht, sollte man sich bei starken Steigerungen der Motorleistung Gedanken machen ob die Belastungen für die Doppelgelenkwellen noch im "grünen Bereich" ist. Steigere ich z.B. das Motordrehmoment um 10% steigt auch die Belastung der Achsen um 10%. Mit den "i" werden hier die Untersetzungen der Getriebe bezeichnet. Daraus ergibt sich, das es für die Gelenkwellen erst wirklich kritisch wird, wenn man in einem kleinen Gang unterwegs ist (Gang klein -> Untersetzung i groß). Ein weiterer interessanter Faktor ist "V". Hierbei handelt es sich um das Verhältnis der Drehmomentverteilung im Verteilergetriebe. Das kann natürlich die Wellen zusätzlich schonen, da z.B. bei einem Mecur oder einem 170er Frontlenker mit einem Verhälniss � nur noch 33% des Motordrehmoments an der Vorderachse ankommen. Legt man die Mittendifferentialsperre ein, oder man hat eh nur einen zuschaltbaren, starren Allradantrieb wie er z.B. gerne in MB Kurzhauberfahrzeugen verbaut wurde ist das schöne Verteilungsverhältnis natürlich hin, es wird im Ernstfall das komplette Motordrehmoment auf ein Rad übertragen. In diesem Fall spielt das Motordrehmoment aber eh eine untergeordnete Rolle. Mehr da zu später.

Die linke Seite bzw. das durch die Haftreibung des Rades erzeugte Drehmoment an der Welle: Ein Wert, welcher sich nur vage abschätzen lässt, ist"µR". Dies ist der Reifenreibwert, also wie gut der Reifen auf dem Untergrund haftet. In der Praxis liegt dieser Wert zwischen 0,7 und 1. Da die Antriebswellen der Vorderachse ja aber auch auf gut haftenden Untergünden nicht brechen sollen, ist es ratsam für "µR" grundsätzlich einen hohen Wert von ~0,9 ein zu setzen. Der Faktor "1/iR" repräsentiert ein Radnabengetriebe. Dieses schont natürlich die Antriebswellen, ein Aussenplanetengetriebe mit einer Untersetzung von 1:2 halbiert die Belstungen der Antriebswellen. Daher erklärt sich das sperrbare Achsen meist immer Radnabengetriebe haben, weil Differentialsperren für gewöhnlich die maximale Belastung mindestens verdoppeln. Am häufigsten hat man zu aber mit den folgenden beiden Faktoren zu tun: - Der dynamische Radhalbmesser Rdyn: Wenn ich höhere Reifen auf mein Auto ziehe, steigt auch die Belastung für die Antriebswellen. Verwende ich 10% höhere Räder, steigt auch die Belastung der Antriebswellen um 10%. Hierbei ist noch zu beachten, dass man für das Verhäldniss nicht nur die Reifenhöhe beachtet, sondern das gesamte Rad. Des weiteren sollte man beachten das bei der Verwendung von Niederquerschnittbereifung der Reifen bei gleicher Belastung weniger einfedert und so der Rdyn bei solchen Reifen größer ist als bei einem gleich hohen Reifen mit einem gleichem Höhen- / Breitenverhältnis. Wobei sich der dynamische Radhalbmesser (Der reale Radradius bei belastetem Reifen) Rdyn wie folgt ergibt: In der Praxis ist es am besten, einfach die höhe des belasteten Reifens am Auto direkt zu messen und die Hälfte des Felgendurchmessers hinzu zu zählen. - Die Achslast Gx. Die Achslast geht dabei genau so multiplikativ in die Belastung der Wellen ein, wie der Reifendurchmesser. So sollte also Derjenige, der plant z.B. schwere Dieseltanks auf die Vorderachse zu stellen genau darüber nachdenken ob er seiner Achse dann auch noch größere Räder zumuten kann. Sehr unterschätzt wird, dass die Achslast im Fahrbetrieb alles andere als konstant ist. Fährt man Bergauf verschiebt sich die Achslast in Abhängigkeit vom FZ-Schwerpunkt auf die Hinterachse. Da sind die Wellen also relativ sicher. Gefährlich wird es wenn man rückwärts Bergauf fährt: Dann kann sich schnell die Achslast auf der Vorderachse verdoppeln (Wenn das FZ hinten schwerer ist) und so verdoppelt sich auch die Belastung der Antriebswellen. Der Motor kann nun ungehindert mit Hilfe der sehr kurzen Geländeuntersetzung die Doppelgelenkwellen zermahlen. Mehr da zu später. 2. Sonderfall Differentialsperre: Differentialsperren sind eine großartige Möglichkeit sich die Antriebswellen und auch andere Antriebskomponenten, wie die Kardanwellen oder das Verteilergetriebe zu Brei zu fahren. Lege ich Differentialsperren ein, setze ich die Ausgleichsgetriebe außer Gefecht. In diesem Fall gelten die oben genannten Formeln nicht mehr. Sperre ich das Mittendifferential deaktiviere ich die eventuell vorhandene Kraftverteilung. Also bekommt die Vorderachse im Ernstfall das gesamte vom Motor erzeugte Drehmoment ab, an stelle von z.B. nur 33% bei einem Verteilergetriebe mit einer 1:2 Drehmomentverteilung. Des weiteren verspannt sich bei Kurvenfahrt der Antriebsstrang und falls die Bodenhaftung der Hinterachse besser ist als die der Vorderachse muss diese Verspannung durch ein Durchrutschen der Vorderräder erfolgen. Also müssen nun die Antriebswellen mindestens den Drehmoment verkraften, welcher nötig ist um ein Rad durchdrehen zu lassen. Sperre ich nun auch die Vorderachse, wird es noch schlimmer. In diesem Fall kann es passieren, dass ein Großteil des Fahrzeuggewichts auf einem Vorderrad liegt. (Wenn man z.B. rückwärts Bergauf fährt und das Auto in eine Schräglage kommt) Da hier noch stärkere Verspannungen auftreten und zusätzlich die Radlast das im Ernstfall Dreifache oder mehr der normalen Radlast beträgt, kann man sich grob vorstellen, wie stark eine Antriebswelle dimensioniert werden muss um in dieser Situation noch zu halten. Deshalb sind Vorderachssperren nur an wenigen Fahrzeugen zu finden. Auch kann man so hervorragend selbst sehr stabil konstruierte Vorderachsen zerstören. 3. Dynamik oder: Warum Antriebswellen sonst noch brechen. Bisher haben wir nur die statische Belastung der Antriebswellen betrachtet. Zu den statischen Belastungen können sich aber auch noch dynamische Drehmomente addieren. Diese entstehen, wenn die Welle zusätzlich die Torsionsmasse (die Schwungmasse) des Antriebsstrangs beschleunigen bzw. verzögern (abbremsen) muss. Bei diesen Vorgängen beschränke ich mich auf verbale Beschreibung. So etwas in Formeln zu zwängen ist ein gigantischer Aufwand und benötigt Messwerte, welche nicht so mal eben mit einem Zollstock zu erlangen sind. Ein extremes Beispiel ist der Fall, wenn man mit dem LKW springt. Verlässt eine (oder auch beide) Achsen den Boden gibt es für den Motor kaum mehr einen Wiederstand und er wird das bzw. die frei in der Luft schwebenden Räder, und damit den gesamten Antriebsstrang sehr stark beschleunigen. In einer solchen Situation das Gaspedal derart präzise zu bedienen, dass die Geschwindigkeit des Antriebsstrangs beim Aufschlag auf den Erdboden genau mit der Geschwindigkeit des Fahrzeuges übereinstimmt, ist schlicht weg nicht menschenmöglich. Berührt nun das sich viel zu schnell drehende Rad wieder den Boden, muss der gesamte Antriebsstrang wieder auf die Geschwindigkeit des LKWs abgebremst werden. Dieses entspricht dem Drehstoß, und dieser kann bekanntlich sehr große Drehmomente hervorrufen. Analog verhält sich die Sache beim linearen Stoss, z.B. einem Hammer der einem auf den großen Zeh fällt. Welche Kräfte dabei auf den Zeh wirken, hängt dabei von der Masse des Hammers ab (respektive dem Torsionsmoment des Antriebsstrangs) und dem Weg auf dem die Verzögerung stattfindet. Wickel ich den Hammer z.B. dick in Schaumstoff ein, kann dieser auf einem langen Weg abgebremst werden und dem Zeh passiert nicht sonderlich viel. Es ist klar das die Meisten von uns nicht vor haben mit ihrem LKW zu springen. Zu mal man sich dabei auch noch über andere Komponenten des LKWs Gedanken machen sollte, als nur über den Antriebsstrang. Leider kommt aber ein LKW schneller ins springen, als man so gewöhnlich denkt. Genau das, was ich oben beschrieben habe passiert nämlich (Wenn auch nicht ganz so spektakulär) in dem Moment, wenn ein Rad des Fahrzeuges durchdreht: Wenn man nicht gerade einen geeigneten Boden unter den Rädern hat und nicht ganz so zärtlich mit dem Gaspedal umgeht, schaukelt sich ein durchdrehendes Rad auf. Dieses Aufschaukeln kann man hinter dem Steuer deutlich als Vibrieren spüren. Das kann man so weit treiben, dass der gesamte LKW wörtlich auf der Stelle hüft. Nicht vorhandene oder sehr schwache Stossdämpfer machen die Sache auch nicht besser. (ja, ja dieser Begriff für Schwingungsdämpfer ist schlecht, aber er ist gebräuchlich) Bei diesem Aufschaukeln hebt immer kurzzeitig das durchdrehende Rad ab und es treten die selben Effekte wie bei dem oben beschriebenden Sprung auf. Der einzige Unterschied zum Ralleysprung ist nur, dass sich das Rad eine kürzere Zeit frei in der Luft befindet. Also bleibt die Sache mit dem Hammer und dem Zeh die gleiche, nur das dieses mal die Werkbank nicht so hoch ist und der Hammer nicht so lange im freien Fall beschleunigt wird. Zusätzlich zu den durch ein Aufschaukeln des Fahrzeuges auftretenden Drehmomentimpulsen addiert sich noch das vom Motor erzeugte Drehmoment, da man ja bei durchdrehenden Rädern für gewöhnlich ordentlich auf dem Gaspedal steht. Außerdem ist auch die Achslast höher als bei dem ruhig auf der Ebene stehenden Auto. Das Auto spring ja, und so erhöht sich genau in dem Moment, in welchem die Räder den Boden berühren auch die Radlast. So kann man nicht hoffen das ein Durchrutschen des Rades die Drehmomentimpulse verpuffen lässt. Also sind auch durchdrehende Räder eine gute Grundlage für einen Achsbruch. Die Torsionsmasse des Rads selbst spielt hier bei übrigens für die Antriebswellen keine Rolle, das Rad befindet zwischen Welle und Boden und überträgt daher lediglich die Kräfte zwischen Boden und Welle. Um die Beschleunigung oder Verzögerung seiner eigenen Torsionsmasse muss sich der Reifen selbst kümmern. Zusätzlich gibt es bei Gelenkwellen im allgemeinen das Problem, dass sie mit steigendem Knickwinkel geringere Kräfte vertragen. Im Fall von Doppelgelenkwellen kann man das erst einmal vernachlässigen, da normalerweise bei stark eingeschlagener Lenkung nicht mehr das volle Drehmoment übertragen werden kann. Wenn natürlich eingeschlagene Räder durchdrehen und sich dann irgendwo verhaken, und so plötzlich Traktion bekommen, ist natürlich sehr schnell Ende mit den Antriebswellen. Deshalb sollte man bei eingeschlagener Lenkung sehr vorsichtig mit den Gassfuss sein. 1. Finger weg von den Differentialsperren! Die Dinger dürfen nur in besonderen Fällen eingelegt werden: - Wenn es bergauf, geht ist die Vorderachse geringer belastet, daher kann hier nicht so viel schiefgehen. Kritisch ist es nur, wenn zu Beginn der Steigung eine Kante zu überwinden ist oder die Steigung sehr steil beginnt. Je Steiler das Auto steht des so mehr Gewicht verlagert sich auf die Hinterachseund um besser geht es der Vorderachse. - Wenn das Auto in weichem Boden (z.B. Weichsand oder Schlamm) einzusinken droht. Auf solchem Boden ist der Reifenreibwert gering und außerdem ist es meist eben, so dass das Fahrzeuggewicht einigermaßen gut verteilt ist. - Wenn man einen steilen Hang bergab fährt. Da sind die vorderen Antriebswellen zwar nicht entlastet, aber so stellt man sicher, dass die Bremskräfte des Motors und auch der Betriebsbremse (einigermaßen) gleich auf die Räder verteilt sind und so das der LKW nicht plötzlich ins Schleudern gerät. Gebrochene Antriebswellen sind einem möglichen Überschlag und einem eventuellen Tod, zerquetscht zwischen Wrackteilen des Fahrerhauses, doch vor zu ziehen! 2. Nicht springen! So bald Räder durchdrehen, sofort den Fuss vom Gas, damit sich die Geschichte nicht auf schaukelt. 3. Die Vorderachse nicht überlasten. Auf die Gewichtsverteilung aufpassen: So viel von dem Gewicht wie irgend möglich auf die Hinterachse verlagern. Nicht rückwärts bergauffahren. Keine Fahrzeuge über die Front bergen welche unter einem Stehen. Am Heck können reißende Seile oder Gurte auch nicht so gefährlich werden. Was kann man am Auto ändern? - Niedrigere Reifen aufzihen. Leider verliert das Auto dann stark an Geländegänigkeit. (Bodendruck, Bodenfreiheit) breitere Reifen haben selbst bei gleichem Bodendruck einen höheren Fahrwiderstand und belasten konstruktionsbedingt die meist auch schon anfällige Lenkung stärker. - Stabilere Achsen unterbauen. Trivial! Leider bedeutet das einen sehr großen Aufwand, eine höhere ungefederte Masse und unter Umständen auch einige Probleme mit dem TÜV. Inzwischen habe ich noch 2 weitere Ideen bekommen: - in der Landwirtschaft oder auch z.B. bei mechanischen Seilwinden verwendet man Scherschrauben um den Antrieb vor Überlastungen zu schützen. Im Prinzip müsste man so auch die Doppelgelenkwellen vor einem Bruch schützen können, in dem man die Schrauben, mit denen die Antriebswelle mit der Radnabe verschraubt, ist durch Scherschrauben ersetzt. Dann hat man nur noch das Problem die abgebrochenen Schrauben aus den Gewindelöchern zu pfriemeln, die Steckachse ist aber heile geblieben. Dabei muss man aber aufpassen, dass sich die Schrauben nicht vollständig anziehen lassen (Begrenzte Gewindelänge in Kombination mit Federscheiben?) damit einem nicht die Reibung zwischen Mitnehmer und Radnabe nicht den Bruchdrehmoment vermurkst. Da müsst man mal berechnen, was für Schrauben in welcher Anzahl passend währen und wie präzise die Bruchkraft solcher Schrauben ist. Vielleicht weiß einer der Berufsingenieure da weiter? Dann müsste man eigentlich nur noch etwas basteln, dass die Welle bei abgebrochenen Schrauben nicht nach außen rutschen kann. - Das Problem bei durchdrehenden Rädern könnte man entschärfen in dem man ein Elastisches Element möglichst nah an die Doppelgelenkwellen in den Antriebsstrang einbaut. (Den Hammer mit Schaumstoff umwickeln) In der Radnabe ist dafür kein Platz, aber am Antriebsflansch der Vorderachse währe da durchaus etwas möglich. Solche elastische Kupplungen sind in der Industrie weit verbreitet, sie würde nicht nur im Ernstfall die Drehmomentimpulse glätten, sondern auch an sich die Lebensdauer des Antriebsstrangs erhöhen, da Schwankungen im Drehmoment ausgeglichen werden. Dafür werden sie in der Industrie verwendet. Leider passen die mir bekannten Kupplungen überhaupt nicht vernünftig. Außerdem muss die Kardanwelle weiterhin geführt werden, was bedeutet das man in die Kupplung eine Lagerung einbauen muss. Außerdem muss man dann die Kardanwelle kürzen (lassen) um Platz für die Kupplung zu schaffen.