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Kleine Ausarbeitung zur Doppelgelenkwelle. Eins der meist diskutierten Themen in den Reihen der Allrad-LKW-Besitzer sind die Doppelgelenkwellen der Vorderachse. Es stimmt auch, dass man sich sp�testens bei einer Umr�stung auf Einzelbereifung mit einem gro�en Raddurchmesser, welche ja f�r das Fahren auf weichen Untergr�nden unverzichtbar ist, �ber 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 2cm h�her ist brechen deine Wellen!� geh�rt habe, habe ich mich mal ein wenig umgeschaut und mal ein etwas die Physik bem�ht um �berhaupt heraus zu finden, in wie weit und unter welchen Umst�nden die Wellen �berlastet sind. Im zweiten Teil habe ich mal ein paar Ideen gesammelt wie man eventuell verhindern k�nnte, dass die Doppelgelenkwellen �berlastet werden, insbesondere ohne daf�r auf eine schwerere Vorderachse umr�sten zu m�ssen und alle damit verbundenen Aufw�nde und Nachteile in Kauf zu nehmen. Vorweg: Wer gut schmiert der auch gut f�hrt! Trotz st�rkeren Belastungen wie gr��ere Reifen oder st�rkere Motoren ist Spiel in den Gelenkbolzen immer noch die Hauptursache f�r einen Steckachsenbruch. Auch wenn die meissten unserer Autos aus Beh�rdenbest�nden stammen, wurde das Abschmieren der vorderen Doppelgelenke leider oft vernachl�ssigt. Ich habe auch schon mehrmals Besitzer getroffen, denen gar nicht bekannt war, das die vorderen Doppelkreuzgelenke Abgeschmiert werden m�ssen. Doppelkreuzgelenke m�ssen jedoch grunds�tzlich abgeschmiert werden, auch wenn dort keine Schmiernippel zu finden sein. In diesem Fall finden sich Schrauben auf den Gelenkkreuzen. Diese m�ssen 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 �berschreiten. 1. Die statische Belastung der Doppelgelenkwelle. 2. Sonderfall Differentialsperren. 3. Dynamik, oder: Warum Antriebswellen sonst noch brechen. 4. Etwas zum spielen. 5. Was bringt einem Das in der Praxis? 6. 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 R�der frei in der Luft drehen ist die Welle nicht gef�hrdet. 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 zerst�rt. 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 f�r die Doppelgelenkwellen noch im �gr�nen 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 f�r die Gelenkwellen erst wirklich kritisch wird, wenn man in einem kleinen Gang unterwegs ist (Gang klein -> Untersetzung i gro�). Ein weiterer interessanter Faktor ist V. Hierbei handelt es sich um das Verh�ldniss der Drehmomentverteilung im Verteilergetriebe. Das kann nat�rlich die Wellen zus�tzlich schonen, da z.B. bei einem Mecur oder einem 170er Frontlenker mit einem Verh�lniss � 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 sch�ne Verteilungsverh�ldniss nat�rlich hin, es wird im Ernstfall das komplette Motordrehmoment auf ein Rad �bertragen. In diesem Fall spielt das Motordrehmoment aber eh eine untergeordnete Rolle. Mehr da zu sp�ter. Die linke Seite bzw. das durch die Haftreibung des Rades erzeugte Drehmoment an der Welle:
Ein Wert, welcher sich nur vage absch�tzen l�sst ist �R. 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 Unterg�nden nicht brechen sollen, ist es ratsam f�r �R grunds�tzlich einen hohen Wert von ~0,9 ein zu setzen. Der Faktor 1/iR repr�sentiert ein Radnabengetriebe. Dieses schont nat�rlich die Antriebswellen, ein Aussenplanetengetriebe mit einer Untersetzung von 1:2 halbiert die Belstungen der Antriebswellen. Daher erkl�rt sich das sperrbare Achsen meist immer Radnabengetriebe haben, weil Differentialsperren f�r gew�hnlich die maximale Belastung mindestens verdoppeln. Am h�ufigsten hat man zu aber mit den folgenden beiden Faktoren zu tun: - Der dynamische Radhalbmesser Rdyn: Wenn ich h�here Reifen auf mein Auto ziehe, steigt auch die Belastung f�r die Antriebswellen. Verwende ich 10% h�here R�der, steigt auch die Belastung der Antriebswellen um 10%. Hierbei ist noch zu beachten, dass man f�r das Verh�ldniss nicht nur die Reifenh�he 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 gr��er ist als bei einem gleich hohen Reifen mit einem gleichem H�hen- / Breitenverh�ldniss. Wo bei der Dynamisch Radhalbmesser (Die reale Radradius bei belastetem Reifen) Rdyn sich wie folgt ergibt:
In der Praxis ist es am besten, einfach die h�he des belasteten Reifens am Auto direkt zu messen und die H�lfte des Felgendurchmessers hinzu zu z�hlen. - 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 dar�ber nachdenken ob er seiner Achse dann auch noch gr��ere R�der zumuten kann. Sehr untersch�tzt wird, dass die Achslast im Fahrbetrieb alles andere als konstant ist. F�hrt man Bergauf verschiebt sich die Achslast in Abh�ngigkeit vom FZ-Schwerpunkt auf die Hinterachse. Da sind die Wellen also relativ sicher. Gef�hrlich wird es wenn man r�ckw�rts Bergauf f�hrt: 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 Gel�ndeuntersetzung die Doppelgelenkwellen zermahlen. Mehr da zu sp�ter. 2. Sonderfall Differentialsperre: Differentialsperren sind eine gro�artige M�glichkeit 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 au�er 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 Vorderr�der erfolgen. Also m�ssen nun die Antriebswellen mindestens den Drehmoment verkraften, welcher n�tig 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 Gro�teil des Fahrzeuggewichts auf einem Vorderrad liegt. (Wenn man z.B. r�ckw�rts Bergauf f�hrt und das Auto in eine Schr�glage kommt) Da hier noch st�rkere Verspannungen auftreten und zus�tzlich die Radlast das im Ernstfall Dreifache oder mehr der normalen Radlast betr�gt, 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 zerst�ren. 3. Dynamik: Oder: Warum Antriebswellen sonst noch brechen. Bisher haben wir nur die statische Belastung der Antriebswellen betrachtet. Zu den statischen Belastungen k�nnen sich aber auch noch dynamische Drehmomente addieren. Diese entstehen, wenn die Welle zus�tzlich die Torsionsmasse (die Schwungmasse) des Antriebsstrangs beschleunigen bzw. verz�gern (abbremsen) muss. Bei diesen Vorg�ngen beschr�nke ich mich auf verbale Beschreibung. So etwas in Formeln zu zw�ngen ist ein gigantischer Aufwand und ben�tigt Messwerte, welche nicht so mal eben mit einem Zollstock zu erlangen sind. Ein extremes Beispiel ist der Fall, wenn man mit dem LKW springt. Verl�sst eine (oder auch beide) Achsen den Boden gibt es f�r den Motor kaum mehr einen Wiederstand und er wird das bzw. die frei in der Luft schwebenden R�der, und damit den gesamten Antriebsstrang sehr stark beschleunigen. In einer solchen Situation das Gaspedal derart pr�zise zu bedienen, dass die Geschwindigkeit des Antriebsstrangs beim Aufschlag auf den Erdboden genau mit der Geschwindigkeit des Fahrzeuges �bereinstimmt, ist schlicht weg nicht menschenm�glich. Ber�hrt 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 Drehsto�, und dieser kann bekanntlich sehr gro�e Drehmomente hervorrufen. Analog verh�lt sich die Sache beim linearen Stoss, z.B. einem Hammer der einem auf den gro�en Zeh f�llt. Welche Kr�fte dabei auf den Zeh wirken, h�ngt dabei von der Masse des Hammers ab (respektive dem Torsionsmoment des Antriebsstrangs) und dem Weg auf dem die Verz�gerung 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 �ber andere Komponenten des LKWs Gedanken machen sollte, als nur �ber den Antriebsstrang. Leider kommt aber ein LKW schneller ins springen, als man so gew�hnlich denkt. Genau das, was ich oben beschrieben habe passiert n�mlich (Wenn auch nicht ganz so spektakul�r) in dem Moment, wenn ein Rad des Fahrzeuges durchdreht: Wenn man nicht gerade einen geeigneten Boden unter den R�dern hat und nicht ganz so z�rtlich mit dem Gaspedal umgeht, schaukelt sich ein durchdrehendes Rad auf. Dieses Aufschaukeln kann man hinter dem Steuer deutlich als Vibrieren sp�ren. Das kann man so weit treiben, dass der gesamte LKW w�rtlich auf der Stelle h�ft. Nicht vorhandene oder sehr schwache Stossd�mpfer machen die Sache auch nicht besser. (ja, ja dieser Begriff f�r Schwingungsd�mpfer ist schlecht, aber er ist gebr�uchlich) 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 k�rzere 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. Zus�tzlich zu den durch ein Aufschaukeln des Fahrzeuges auftretenden Drehmomentimpulsen addiert sich noch das vom Motor erzeugte Drehmoment, da man ja bei durchdrehenden R�dern f�r gew�hnlich ordentlich auf dem Gaspedal steht. Au�erdem ist auch die Achslast h�her als bei dem ruhig auf der Ebene stehenden Auto. Das Auto spring ja, und so erh�ht sich genau in dem Moment, in welchem die R�der den Boden ber�hren auch die Radlast. So kann man nicht hoffen das ein Durchrutschen des Rades die Dehmomentimpulse verpuffen l�sst. Also sind auch durchdrehende R�der eine gute Grundlage f�r einen Achsbruch. Die Torsionsmasse des Rads selbst spielt hier bei �brigens f�r die Antriebswellen keine Rolle, das Rad befindet zwischen Welle und Boden und �bertr�gt daher lediglich die Kr�fte zwischen Boden und Welle. Um die Beschleunigung oder Verz�gerung seiner eigenen Torsionsmasse muss sich der Reifen selbst k�mmern. Zus�tzlich gibt es bei Gelenkwellen im allgemeinen das Problem, dass sie mit steigendem Kickwinkel geringere Kr�fte vertragen. Im Fall von Doppelgelenkwellen kann man das erst einmal vernachl�ssigen, da normalerweise bei stark eingeschlagener Lenkung nicht mehr der volle Drehmoment �bertragen werden kann. Wenn nat�rlich eingeschlagene R�der durchdrehen und sich dann irgendwo verhaken, und so pl�tzlich Traktion bekommen ist nat�rlich sehr schnell Ende mit den Antriebswellen. Deshalb sollte man bei eingeschlagener Lenkung sehr vorsichtig mit den Gassfuss sein. 4. Etwas zum spielen: Was bringen einem die vielen Worte und Formeln, wenn ich nun konkret wissen m�chte was mit meinen Doppelgelenkwellen geschieht, wenn ich z.B. gr��ere R�der oder einen st�rkeren Motor verbaue? Genau! Deshalb habe ich ein kleines Java-Applet geschrieben was einem die Belastung der Doppelgelenkwelle ausrechnet und das ganze graphisch darstellt. Eine kleine Anleitung: In dem Fenster befinden sich zwei blaue Linien. Diese stellen die Belastung der Antriebswelle dar, die eine (Mmot) ist der vom Motor erzeugte Drehmoment, die Andere (Mrad) zeigt den Drehmoment welcher n�tig ist um das Rad durchdrehen zu lassen. Eine Gr�ne Linie (Mmax) zeigt den maximalen Drehmoment an, welchen die Doppelgelenkwelle vertr�gt. Sollte das Minimum der beiden blauen Linien diese �berschreiten, wird der Bereich rot schraffiert. In diesem Bereich ist das Leben der Antriebswelle schon durch statische Belastungen gef�hrdet. Durch die Schalter unten im Applet kann man ausw�hlen, ob man auf der X-Achse entweder Mrad in Abh�ngigkeit der Achslast oder Mmot in Abh�ngigkeit des Motordrehmoments sehen m�chte. Ja nach dem ob man vor hat einen st�rkeren Motor oder gr��ere R�der zu verbauen... Ob man dem Ergebnis des Rechners vertrauen kann, h�ngt sehr davon ab wie gut die Werte sind, welche man im oberen Teil des Programms angibt. - Welchen Drehmoment die Achse maximal vertr�gt, ist nicht so leicht in Erfahrung zu bringen. Wenn sich der Hersteller �ber genaue Werte ausschweigt habe ich eine Liste im Netz gefunden, wo man an Hand der Abmessungen der Doppelgelenkwelle grob absch�tzen kann in welcher Region diese liegt. Die des 170ers liegt z.B. zwischen 4000Nmund 8000Nm. link - Die Achslast ermittelt man am Besten, in dem man beim n�chsten Schrottplatz auf die Waage f�hrt. Den Wert sollte man um den Betrag, was man auf Reisen noch so alles zu l�dt nach oben korrigieren. - Wie oben schon erw�hnt misst man am besten die reale Reifenh�he zur Felge (zum Felgenhorn, nicht bis zum Tragring), setzt den Wert als statische Reifenh�he ein und setzt daf�r die dynamische Radverformung gleich 0. - Wenn man kein Radnabengetriebe hat, kann man die Untersetzung und den Wirkungsgrad gleich 1 setzen. - Die Untersetzungen der Getriebe sind oft nicht leicht heraus zu bekommen, aber leider notwendig. Notfalls kann man die maximale Geschwindigkeit im k�rzesten Gang messen (GPS, Tacho taugt da nix) und die Gesamtuntersetzung an Hand der Motordrehzahl und dem Radumfang ausrechnen. Diese Untersetzung setzt man dann bei einem beliebigen Getriebe ein und setzt die Untersetzung der restlichen Getriebe gleich 1. - Wenn man die Wirkungsgrade der Getriebe nicht kennt ist das nicht so schlimm, die kann man ruhig irgendwo zwischen 0,9 und 1 ansetzen. Und nun viel Spa� und hoffentlich einen kleinen rot
schraffierten Bereich!
5. Was bringt einem Das in der Praxis? �berlegungen zum Fahrverhalten: 1. Finger weg von den Differentialsperren! Die Dinger d�rfen nur in besonderen F�llen 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 �berwinden 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) ein zu sinken droht. Auf solchem Boden ist der Reifenreibwert gering und au�erdem ist es meist eben, so dass das Fahrzeuggewicht einigerma�en gut verteilt ist. - Wenn man einen Steilen Hang herab f�hrt. Da sind die vorderen Antriebswellen zwar nicht entlastet, aber so stellt man sicher, dass die Bremskr�fte des Motors und auch der Betriebsbremse (einigerma�en) gleich auf die R�der verteilt sind und so das der LKW nicht pl�tzlich ins Schleudern ger�t. Gebrochene Antriebswellen sind einem m�glichen �berschlag und einem eventuellen Tod, zerquetscht zwischen Wrackteilen des Fahrerhauses, doch vor zu ziehen! 2. Nicht springen! So bald R�der durchdrehen sofort den Fuss vom Gas, damit sich die Geschichte nicht auf schaukelt. 3. Die Vorderachse nicht �berlasten. Auf die Gewichtsverteilung aufpassen: So viel von dem Gewicht wie irgend m�glich auf die Hinterachse verlagern. Nicht r�ckw�rts Bergauffahren. Keine Fahrzeuge �ber die Front bergen welche unter einem Stehen. Am Heck k�nnen rei�ende Seile oder Gurte auch nicht so gef�hrlich werden. Was kann man am Auto �ndern? - Niedrigere Reifen aufzihen. Leider verliert das Auto dann stark an Gel�ndeg�nigkeit. (Bodendruck, Bodenfreiheit) breitere Reifen haben selbst bei gleichem Bodendruck einen h�heren Fahrwiderstand und belasten konstruktionsbedingt die meist auch schon anf�llige Lenkung st�rker. - Stabilere Achsen unterbauen. Trivial! Leider bedeutet das einen sehr gro�en Aufwand, eine h�here ungefederte Masse und unter Umst�nden auch einige Probleme mit dem T�V. In zwischen habe ich noch 2 weitere Ideen bekommen: - In der Landwirtschaft oder auch z.B. bei mechanischen Seilwinden verwendet man Scherschrauben um den Antrieb vor �berlastungen zu sch�tzen. Im Prinzip m�sste man so auch die Doppelgelenkwellen vor einem Bruch sch�tzen k�nnen in dem man die Schrauben mit welchen die Antribswelle mit der Radnabe verschraubt ist durch Scherschrauben ersetzt. Dann hat man nur noch das Problem die abgebrochenen Schrauben aus den Gewindel�chern zu pfriemeln, die Steckache ist aber heile geblieben. Dabei muss man aber aufpassen das sich die Schrauben nicht vollst�ndig anziehen lassen (Begrenzte Gewindel�nge in Kombination mit Federscheiben?) damit einem nicht die Reibung zwischen Mitnehmer und Radnabe nicht den Bruchdrehmoment vermurkst. Da m�sst man mal berechnen was f�r Schrauben in welcher Anzahl passend w�hren und wie pr�zise die Bruchkraft solcher Schrauben ist. Vielleicht wei� einer der Berufsingenieure da weiter? Dann m�sste man eigentlich nur noch etwas basteln das die Welle bei abgebrochenen Schrauben nicht nach au�en rutschen kann. - Das Problem bei durchdrehenden R�dern k�nnte man entsch�rfen in dem man ein Elastisches Element m�glichst nah an die Doppelgelenkwellen in den Antriebsstrang einbaut. (Den Hammer mit Schaumstoff umwickeln) In der Radnabe ist daf�r kein Platz, aber am Antriebsflansch der Vorderachse w�hre da durchaus etwas m�glich. Solche elastische Kupplungen sind in der Industrie weit verbreitet, sie w�rde nicht nur im Ernstfall die Drehmomentimpulse gl�tten, sondern auch an sich die Lebensdauer des Antriebsstrangs erh�hen da Schwankungen im Drehmoment ausgeglichen werden. Daf�r werden sie in der Industrie verwendet. Leider passen die mir bekannten Kupplungen �berhaupt nicht vern�nftig. Au�erdem muss die Kardanwelle weiterhin gef�hrt werden, was bedeutet das man in die Kupplung eine Lagerung einbauen muss. Au�erdem muss man dann die Kardanwelle k�rzen (lassen) um Platz f�r die Kupplung zu schaffen. 6. Zum Schluss: Erst einmal Danke das Ihr bis hier hin durchgehalten habt, ist ja doch etwas mehr Text als geplant geworden! Falls euch irgendwelche Unstimmigkeiten oder Fehler auffallen bin ich f�r jeden Hinweis dankbar. Fallen Euch noch weitere M�glichkeiten ein, die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs der Doppelgelenkwellen zu verringern? Erreichen kann man mich per Email oder PM aus dem Forum., zum Schutz vor Spam m�chte ich meine Emailadresse hier nicht ins HTML schreiben. Hier
geht es zum 2.Teil: Die Praxis.
Immer ein paar Nm Reserve! Felix |
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