Was ist eine Achse?
Eine Welle ist im Grunde ein rotierendes Teil einer Maschine mit kreisförmigem Querschnitt, das zur Kraftübertragung von einem Teil auf ein anderes oder von einer Stromerzeugungsmaschine auf eine Kraft absorbierende Maschine dient. Zur Kraftübertragung wird ein Ende der Welle mit der Stromquelle und das andere Ende mit der Maschine verbunden. Wellen können je nach Wunsch massiv oder hohl sein, wobei Hohlwellen zur Gewichtsreduzierung beitragen und Vorteile bieten.
Allgemeine Beschreibung der Achse
Die Welle ist eines der sehr wichtigen Elemente, die in Maschinen verwendet werden. Sie dienen zur Lagerung rotierender Teile wie Riemenscheiben und Zahnräder. Ihre Lagerung erfolgt durch Lager im starren Maschinengehäuse. Auf den Wellen angebrachte Zahnräder und Riemenscheiben helfen bei der Bewegungsübertragung.
Viele andere rotierende Elemente sind auf der Welle aufgekeilt. Die Wellen sind aufgrund der Reaktionskräfte der von ihnen getragenen Elemente und des durch die Kraftübertragung erzeugten Drehmoments Biegemomenten und Torsionen ausgesetzt.
Der Schaft hat immer einen kreisförmigen Querschnitt und kann hohl oder massiv sein. Wellen können in Kurbelwellen, Linearwellen, Gelenkwellen oder flexible Wellen eingeteilt werden, jedoch werden Linearwellen üblicherweise zur Kraftübertragung eingesetzt.
Wellen werden üblicherweise als steile zylindrische Stäbe ausgeführt, so dass sie über ihre gesamte Länge unterschiedliche Durchmesser aufweisen, obwohl Wellen mit konstantem Durchmesser leicht herzustellen sind.
Die Größe der Spannung in einer abgestuften Welle variiert mit ihrer Länge. Wellen mit einheitlichem Durchmesser sind für die Demontage, Montage und Wartung nicht geeignet und führen zu Komplikationen bei der Befestigung der darauf montierten Teile, insbesondere der Lager.
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Wellentyp
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Getriebewelle
Bei diesen Wellen handelt es sich um abgestufte Wellen, die dazu dienen, Kraft zwischen einer Quelle und einer anderen Maschine zu übertragen, die die Kraft aufnimmt. Wird zur Bewegungsübertragung auf dem abgestuften Teil eines Wellenzahnrads, einer Nabe oder einer Riemenscheibe montiert.
Beispiele: Überkopfwellen, Spulen, Vorgelegewellen und alle Werkswellen.
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Mechanische Achse
Diese Achsen befinden sich innerhalb der Baugruppe und sind integraler Bestandteil der Maschine.
Beispiel: Die Kurbelwelle eines Automotors ist eine Maschinenwelle.
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Achswelle
Diese Wellen tragen rotierende Elemente wie Räder, die in Gehäusen mit Lagern montiert sein können, aber die Wellen sind nicht rotierende Elemente. Diese werden hauptsächlich in Fahrzeugen eingesetzt.
Beispiel: Achsen in Autos.
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Spindel
Dies sind die rotierenden Teile der Maschine, in denen sich die Werkzeuge oder der Arbeitsbereich befinden. Es handelt sich um kurze Wellen, die in Maschinen verwendet werden.
Beispiel: Spindel in einer Drehmaschine.
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Schaftmaterial
Typischerweise wird Weichstahl als Material für Wellen verwendet. Wenn eine hohe Festigkeit erforderlich ist, werden legierte Stähle wie Nickel-Chrom-, Nickel- und Chrom-Vanadium-Stahl verwendet. Sie werden durch Warmwalzen, Kaltziehen und Schleifen geformt. Die üblicherweise für herkömmliche Wellen verwendeten Materialien sind Kohlenstoffstahl der Güteklasse 50C12, 50C4, 45C8 und 40C8.
Das für den Schaft verwendete Material sollte folgende Eigenschaften aufweisen:
Materialien sollten eine hohe Festigkeit aufweisen;
Materialien sollten eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen;
Materialien sollten Wärmebehandlungseigenschaften haben;
Materialien sollten gute mechanische Eigenschaften haben;
Das Material muss eine geringe Kerbempfindlichkeit aufweisen.
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Standardgröße des Schafts
Mechanische Achse
Bis zu 25 mm in Schritten von 0,5 mm.
Getriebewelle
Standardschaftgröße - Schrittlänge;
25 mm bis 60 mm-5mm Schrittlänge;
60 mm bis 100 mm-10mm Schrittlänge;
110 mm bis 140 mm-15mm Schrittlänge;
140 mm bis 500 mm - 20mm-Schritte.
Maschinenachsen sind in Standardgrößen bis 25 mm in 5-mm-Schritten erhältlich. Bei Schächten liegen die Standardlängen bei 5 m, 6 m und 7 m, in der Regel sind es jedoch 1 m bis 2 m.
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Spannung im Schaft
Die in der Welle induzierte Spannung beträgt:
Schubbeanspruchung durch Drehmomentübertragung (Drehmoment durch Torsionsbelastung);
Biegebeanspruchungen, die Druck- oder Zugcharakter haben und durch Kräfte verursacht werden, die auf mechanische Elemente wie Riemenscheiben und Zahnräder einwirken, sowie durch das Eigengewicht der Welle;
Kombinierte Belastungen durch Biege- und Torsionsbelastungen.
Die maximal zulässige Scherspannung der Bemessungsspannung beträgt:
1. Die Welle hat eine Kraft von 56.000 kN/m2 und es gibt Platz für die Keilnut.
2. Die Welle hat eine Kraft von 42.000 kN/m2 ohne Passfedernutzugabe.
Die maximal zulässige Biegespannung beträgt:
1. Die Welle hat eine Kraft von 112.000 kN/m2 und es gibt Platz für die Keilnut.
2. Die Welle hat eine Kraft von 84.000 kN/m2 ohne Passfedernutzugabe.
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Wellenherstellung
Der Schaft wird im Warmwalzverfahren hergestellt. Die Festigkeit der Welle ist beim Kaltwalzen im Vergleich zum Warmwalzen höher, allerdings entstehen beim Kaltwalzen hohe Eigenspannungen, die dazu führen, dass sich die Welle bei der Verarbeitung verformt. Das Schmiedeverfahren dient zur Herstellung von Wellen mit größerem Durchmesser.
Nachdem das Walzen abgeschlossen ist, wird das Ende der Welle bearbeitet, ein Ende der Welle wird an der Inspektionsmaschine montiert und das andere Ende der Welle wird vom Revolver der Drehmaschine getragen. Um den Schaft fertigzustellen, wird das Werkzeug vom Werkzeughalter festgehalten, und wenn der Strom eingeschaltet wird, beginnt das Spannfutter, den Schaft zu drehen.
Messuhren werden verwendet, um die Konzentrizität der Welle vor der Bearbeitung zu prüfen und je nach Zweck verschiedene Vorgänge wie Drehen, Plandrehen, Nuten und Kegeldrehen durchzuführen. Großserien-, CNC- und andere Anwendungen eignen sich am besten für Endbearbeitungsprozesse. Es kann auch mit einer CNC-Doppelendmaschine bearbeitet werden, wobei die Achse zwischen der Werkzeugdrehung und der Vorrichtung eingespannt ist.
Um Konzentrizität und Rundheit zu erreichen, sollten rotierende Werkzeuge einander auf Mittellinien gegenüberstehen. Mit diesem Verfahren werden häufig Antriebswellen und Motoren hergestellt.
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Wellenantrieb
Wir wissen, dass die Welle zur Kraftübertragung verwendet wird, daher lautet die zur Berechnung der Kraftübertragung verwendete Formel: P=2πnT/60. Dabei ist P die übertragene Leistung (W); n ist die Umdrehungen pro Minute (U/min); T ist das Drehmoment in N·m.
Geschwindigkeit der Achsen für verschiedene Anwendungen:
1. Maschinen: 100~200;
2. Holzbearbeitungsmaschinen: 250~700;
3. Textilindustrie: 300~800;
4. Werkstatt für leichte Maschinen: 150~300;
5. Hilfswelle: 200~600.
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Schaftdesign
Wellen können anhand zweier unterschiedlicher Prozesse auf der Grundlage unterschiedlicher Belastungsaspekte konstruiert werden:
1. Festigkeitsbasiertes Wellendesign Antriebswellen sind normalerweise anfällig für Biegemomente, Drehmomente, axiale Zugkräfte und Kombinationen davon. Typischerweise werden Lager durch eine Kombination aus Torsions- und Biegespannungen belastet.
Lagerzugspannung:
Zugspannung=P/A
Darunter ist A=(π/4)xD2, D ist der Durchmesser der Welle in mm.
Lagerbiegemoment:
Biegespannung=(MbxY)/I
Darunter Mb=Biegemoment; Y=D/2, wobei D der Durchmesser ist; I=Trägheitsmoment=(πxD4)/64
Lagerdrehmoment:
Torsionsspannung=MtxR/J
Darunter Mt=twisting moment; R=D/2, wobei D der Durchmesser ist; J=polares Trägheitsmoment=(πxD4)/32
2. Wellendesign basierend auf Steifigkeit
Eine Antriebswelle gilt aufgrund der Torsionssteifigkeit als steif, wenn sich die Welle nicht zu stark verdreht.
{Mt/J}={(Gxθ)/L}
Darunter Mt=Drehmoment mm in N; J=polares Trägheitsmoment=(πxD4)/32; D=Durchmesser der Welle (mm); θ=Torsionswinkel; G=Steifigkeitsmodul N/mm2.
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Vor- und Nachteile von Wellen
Vorteile der Welle
Es ist weniger wahrscheinlich, dass sie stecken bleiben.
Sie erfordern weniger Wartung als Kettensysteme;
Sie haben eine hohe Torsionsfestigkeit;
Sie haben hohe polare Trägheitsmomente;
Sie sind sehr stark und es ist unwahrscheinlich, dass sie versagen.
Die Innenform von Hohlwellen ist hohl, sodass sie weniger Material benötigen;
Bei gleichem Drehmomentübertragungswert ist eine Hohlwelle leichter als eine Vollwelle;
Sie haben einen sehr großen Rotationsradius.
Nachteile der Welle
Sie haben einen Leistungsverlust aufgrund einer losen Kopplung;
Sie vibrieren, während sie sich drehen;
Sie erzeugen ein konstantes Geräusch;
Höhere Herstellungs- und Wartungskosten;
Schwierig herzustellen;
Die Geschwindigkeit einer Achse zu ändern ist nicht einfach;
Lange Ausfallzeiten aufgrund mechanischer Probleme;
Öltropfen auf obenliegenden Schächten;
Beim Einsatz von Elastomerkupplungen (z. B. Blattfederkupplungen) kann es zu Drehzahlverlusten zwischen den Wellen kommen;
Wenn eine Welle ausfällt, wird die Reparatur viel Zeit in Anspruch nehmen.
