Eine Kardanwellenkupplung, oft einfach als Universalgelenkkupplung bezeichnet, ist eine mechanische Vorrichtung, die dazu dient, zwei Wellen, die nicht auf derselben geraden Linie liegen, zu verbinden und Drehmoment und Drehbewegung zu übertragen.
Strukturkomponenten einer Universalgelenkkupplung
Eine typische Kreuzgelenkkupplung besteht aus folgenden Hauptkomponenten:
1. Gabeln: An den beiden Antriebswellen befestigt und zur Verbindung der Querwellen verwendet.
2. Querwelle: Sie befindet sich in der Mitte der Kupplung und ist die Kernkomponente für die Drehmomentübertragung.
3. Nadellager oder Gleitlager: Stellen Sie sicher, dass sich die Querwelle frei drehen kann, um Reibung und Verschleiß zu reduzieren.
4. Verbindungsflansche oder Klemmvorrichtungen: Dienen zur Installation und Fixierung und gewährleisten die Zuverlässigkeit der Übertragung.
Hochleistungs-Kreuzgelenkkupplungen bestehen in der Regel aus legiertem Stahl oder wärmebehandeltem Stahl, um die Festigkeit und Verschleißfestigkeit zu verbessern.
Das Kompensationsprinzip der Kreuzgelenkkupplung
Universalgelenkkupplungenkann Drehmoment und Drehzahl übertragen, auch wenn zwei Wellen nicht kollinear sind. Ihre Kernfunktion besteht darin, Winkelfehler auszugleichen. Durch eine Kreuzwellenstruktur ermöglichen sie eine freie Drehung der Antriebs- und Abtriebswelle innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs. Wenn sich die Eingangswelle dreht, treiben die Gabeln an beiden Enden der Querwelle die Ausgangswelle mit wechselnden Winkelgeschwindigkeiten an, wodurch eine flexible Verbindung entsteht und Fehlausrichtungen ausgeglichen werden, die durch Installationsfehler oder betriebsbedingte Verformungen verursacht werden.
Einteilige Universalgelenke eignen sich für kleine Winkelabweichungen (3 Grad–15 Grad); Bei größeren Winkeln oder wenn eine konstante Drehzahlleistung erforderlich ist, werden typischerweise Doppelkreuzgelenke verwendet. Durch die Anordnung zweier Abschnitte in gleichen Winkeln werden die Eingangs- und Ausgangswinkelgeschwindigkeiten konsistent und eine reibungslose Übertragung erreicht.
Formel zur Berechnung der Winkelkompensation
Wenn der eingeschlossene Winkel zwischen den beiden Achsen beträgt, beträgt der Eingabeachsenwinkel θ und der Ausgabeachsenwinkel ψ. Ihre Bewegungsbeziehung ist wie folgt:
Daher kann das Winkelgeschwindigkeitsverhältnis erhalten werden:
Wie aus der Formel ersichtlich ist, schwankt die Winkelgeschwindigkeit bei Verwendung eines einzelnen Universalgelenks periodisch mit θ. Um Fehler zu reduzieren, wird empfohlen, dass der eingeschlossene Winkel kleiner oder gleich 10 Grad ist. Wenn es groß ist, kann eine doppelte Universalgelenkstruktur verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Winkel der beiden Gelenke gleich sind ( ₁=₂) und dass die Gabeln in Phase sind, also:
Erreichen Sie eine konstante Geschwindigkeitsübertragung
Tatsächliche Installations- und Kalibrierungsberechnungen
Beim Einbau der Kreuzgelenkkupplungen ermitteln Sie zunächst den tatsächlichen Versatzwinkel _actual zwischen An- und Abtriebsachse, der mit einem Winkelmesser oder Koordinatenmessgerät gemessen werden kann. Wenn der maximal zulässige Kompensationswinkel im Gerätedesign zulässig ist, muss Folgendes erfüllt sein:
Für allgemeine Industriemaschinen wird _allowable normalerweise auf 5 Grad bis 10 Grad festgelegt, während dieser Wert für Hochleistungsgetriebe auf 15 Grad gelockert werden kann. Wenn _actual den Grenzwert überschreitet, sollte der Versatz durch eine Anpassung der Einbaulage oder den Einbau einer Zwischenwelle reduziert werden.
Wenn bei einem Doppelkreuzgelenk der gesamte eingeschlossene Winkel _total ist, sollten die Verteilungswinkel der beiden Gelenke Folgendes erfüllen:
Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Winkelgeschwindigkeitsschwankungen der beiden Abschnitte gegenseitig aufheben, was zu einer reibungslosen Übertragung führt.
Beispiel für eine technische Anwendung
Unter der Annahme, dass der eingeschlossene Winkel _total=12 Grad nach der Installation der beiden Antriebswellen gemessen wird und eine doppelte Universalgelenkverbindung verwendet wird, sollte der Kompensationswinkel jedes Universalgelenks sein:
Wenn der Nennwinkel einer Einzelabschnittsstruktur 10 Grad beträgt, ist die Konstruktion sinnvoll und kann einen stabilen Betrieb gewährleisten. Wenn ein einzelnes Universalgelenk verwendet wird, kann die Schwankungsrate der Winkelgeschwindigkeit durch die folgende Formel angenähert werden:
Dies bedeutet, dass die Abtriebsgeschwindigkeit innerhalb eines Umdrehungszyklus um etwa 1,1 % schwankt. Die doppelte Universalgelenkstruktur kann diese Schwankung nahezu vollständig eliminieren.
Kreuzgelenkkupplungen gleichen Winkelversatz zwischen zwei Wellen durch ihre flexible Kreuzwellenstruktur effektiv aus. Der Kern der Kompensationsberechnung liegt in der genauen Messung des eingeschlossenen Winkels und der rationalen Zuordnung des Winkels entsprechend der Einzel---Abschnitt- oder Doppel---Abschnitt-Anordnung. Bei der praktischen Gestaltung sollte auf Folgendes geachtet werden:
1. _actual Kleiner oder gleich _allowable;
2. Doppel--Abschnittsstrukturen müssen gleiche Winkel und Phase beibehalten;
3. Bei Hochgeschwindigkeits- oder Hochpräzisionsgeräten sollte die Temperatur innerhalb von 5 Grad liegen.
Durch die Beherrschung der oben genannten Berechnungs- und Montageprinzipien kann die Lebensdauer und Übertragungsstabilität von Kreuzgelenkkupplungen deutlich verbessert werden.
