Gleichlaufgelenk
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Gleichlaufgelenk
Gleichlaufgelenke sind homokinetische Gelenke, die auch bei größeren Beugungswinkeln die Drehbewegung gleichförmig übertragen können. Jede Antriebswelle besitzt an ihren Enden jeweils ein Gleichlaufgelenk kurz GLG genannt. Beim T3 syncro wurden viele verschiedene Gelenkwellen eingebaut. Inbesondere beim syncro 16" gab es vergrößerte Gelenkwellen. Dieser Beitrag soll etwas Licht in die Angelegenheit bringen, er soll aber nur als Ergänzung zur einschlägigen Literatur verstanden werden. Hierzu ist folgender Wikipedia Artikel zu empfehlen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Homokinetisches_Gelenk
Eine Anleitung zum Ein und Ausbau findet man hier Antriebswelle
Aufbau, Funktion und Arten von Gleichlaufgelenken
Die vergrößerten Gelenke für den syncro 16" sind glücklicherweise keine Spezialanfertigungen. Man hat vielmehr ins Audi Regal gegriffen, deshalb werden wir uns auch mit den Audi Teilen beschäftigen. Gelenkwellen bestehen aus einem inneren (getriebeseitigen) und einem äußeren (radseitigen) Gelenk, die gleich oder verschieden sein können und einer Profilwelle. Bei allen Gelenken handelt es sich um Gleichlaufgelenke (Constant Velocity Joint), die auf Alfred Rzeppa zurückgehen (Patent von 1927). Je 6 Kugeln, die in Rillen quer zur Drehbewegung laufen können, übertragen die Kräfte. Gleichlaufgelenke sind simpel im Aufbau und effektiv, neben den 6 Kugeln bestehen sie nur aus 3 weiteren Teilen, dem Gelenkstück (Gehäuse), der Nabe und dem Käfig, welcher die Kugeln am Ausbrechen hindert. Sie bestehen aber aus Präzisionsteilen, verschleissen und brauchen spezielles Schmierfett. Es gibt 2 grundlegend verschiedene Ausführungen:
1. Festgelenk (Rzeppa Fixed CV Joint): Gelenke ohne Längenausgleich aber mit einem zulässigen Knickwinkel von bis zu 47°. Diese werden vorne aussen (radseitig) eingebaut, da dort wegen des Lenkeinschlags hohe Knickwinkel auftreten. Die Kugeln laufen auf Kurvenbahnen.
2. Verschiebegelenk (Cross Groove CV Joint) : Gelenke mit bis zu 30mm Längenausgleich aber einem zulässigen Knickwinkel von nur 18°, die Kugeln laufen auf linearen Bahnen. In modernen Autos werden diese Gelenke vermehrt durch Tripodegelenke ersetzt, die einen etwas größeren Knickwinkel von bis zu 22° erlauben.
Jede Gelenkwelle muss wenigstens ein Verschiebegelenk haben, da sich wegen der Geometrie der Radaufhängung der Abstand zwischen Getriebeflansch und Radnabe beim Ein- und Ausfedern verändert. Jeden Typ gibt es wiederum in 2 Größen, also (AD=Aussendurchmesser):
- a Festgelenk, AD 90mm, 90g Fett, 25 Zähne, 251 498 099 E
- A Festgelenk, AD 98mm, 120g Fett, 28 Zähne, 251 498 099 C
- b Verschiebegelenk, AD 100mm, 90g Fett, 25 Zähne, 251 598 101, 251 498 103 AX
- B Verschiebegelenk, AD 108mm, 120g Fett, 28 Zähne, 431 498 103 CX
Unterschiede im Detail
Bei A sind die Durchmesser von Gehäuse, Nabe, Kugeln und Käfig um 9% größer als bei a. Diese Gelenke heißen Rzeppa Festgelenk (RF). RF-Gelenke werden wegen der Lenkung vorn außen eingesetzt, sie bieten einen hohen Knickwinkel, aber keine axiale Verschiebung. Die Festgelenke gibt es beim syncro jeweils nochmals mit einem unterschiedlichen Design der Gelenkschutzhüllen nämlich mit (4 Falten) und ohne Trapeznut (3 Falten). Die 1990 eingeführte Trapeznut soll ein Abrutschen der Gelenkschutzhülle verhindern. Es sind nurmehr Gelenke mit Trapeznut erhältlich. Möglicherweise gibt es bei den Typen a und b noch weitere unterschiedliche Ausführungen mit identischen Maßen, das sorgt immer wieder für Verwirrung, soll aber hier nicht das Thema sein.
B und b heißen Verschiebegelenk Löbro (VL), das sind die übrigen Gelenke. VL-Gelenke sind dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelbahnen zwar gerade sind, aber abwechselnd schräg (ca 16°) zur Achse verlaufen. Dadurch entstehen im Betrieb Rückstellkräfte, die die Gelenkteile in der Symmetrieebene des Gelenks halten. Dies ist wichtig, weil ansonsten bei einer Welle mit 2 VL-Gelenken (zB Hinterachse) die Position axial unbestimmt wäre. Die Kugeln übernehmen bei dieser Gelenkbauart zweierlei Aufgaben: einerseits übertragen sie die Kräfte, andererseits sorgt jede einzelne Kugel über den Käfig für die Steuerung der anderen Kugeln. Die Steuerung mit den schrägen Kugelbahnen funktioniert am besten, wenn das Gelenk Knickwinkel Null hat. Erhöht man den Knickwinkel, verschlechtert sich die Steuerung, bis die Kugeln anfangen zu klemmen. Man merkt das beim Durchdrehen per Hand an leichten Widerständen. Erhöht man den Knickwinkel weiter, dann blockieren die Kugeln und der Käfig bricht. Das ist dann sowas wie ein Überlastungsschutz. Erfinder der VL-Gelenke ist Erich Aucktor von der Firma Löhr & Bromkamp in Offenbach/Main (LÖBRO), Patentschrift DE 1232411 von 1967.
Die im Syncro verwendeten Verschiebegelenke b und B haben neben der verschiedenen Größe noch ein unterschiedliches Design der Gelenkschutzhülle. Da die Gelenke einen Längenausgleich durchführen, dürfen die Hüllen nicht hermetisch geschlossen sein. Typ B hat an der Getriebeseite eine Dichtung, auf der Profilwelle buchtet sich die Hülle zu einer Schmutzfalle aus, an der durch ein kleines Loch Luft eintreten kann. Typ b ist auf der Profilwelle hingegen mit einer Schelle dicht befestigt, die Luft kann offenbar durch den ungedichteten Flansch an der Getriebeseite einströmen. Achtung: befindet sich die Welle unter Wasser, können beim Ein- und Ausfedern Wasser (und Schmutz) in die Gelenke gepumpt werden! Beim Typ b befindet sich der Schmutz dann gleich im Gelenk. b muss mit einer Tellerfeder vorgespannt auf der Profilwelle montiert werden. Die (De)montage kann daher etwas tricky sein. Bei B entfällt dies. Außerdem muss man bei B bei der Montage keinen Schlauchbinder schließen. Bei Festgelenken ist die Schutzhülle luftdicht, deshalb soll man sie nach der Montage am kleinen Durchmesser zum Druckausgleich kurz anlüften.
Die Innenverzahnungen bei a und A sind verschieden, ebenso bei b und B. Man kann also nicht einfach das größere Gelenk auf die gleiche Profilwelle stecken. Die größeren Gelenke haben eine größere Verzahnung für ein größeres Drehmoment. Typ A und B haben zwar die gleiche Innenverzahnung (man kann also vermuten, dass sie für gleiche Drehmomente konzipiert sind), aber die Sicherungsringe liegen anders. Die Festgelenke a und A sind immer fest mit der Radwelle verbunden und werden daher stets als Aussengelenke eingesetzt. Der Sicherungring ist daher nur von der Innenseite her zugänglich. Ein Austausch mit Verschiebegelenken ist nicht möglich.
Es gibt auch Gelenke mit geradlinig achsparallelen Laufrillen, die Doppel-Offset Gelenke (DO). Hier ist die Situation genau umgekehrt. Die Kugelsteuerung funktioniert bei höheren Knickwinkeln eher besser. Bei Knickwinkel Null fällt die Kugelsteuerung aber praktisch aus und die Position der Gelenkteile ist völlig unbestimmt. Deshalb verwendet man diese Gelenke bei Autos kaum und wenn dann nur in Verbindung mit einem Festgelenk auf der anderen Seite der Welle. DO-Gelenke können bis zu 25° Knickwinkel vertragen. Da sie aber in der Regel über eine andere Bauform verfügen, sind sie nicht so ohne weiteres gegen die VL-Gelenke austauschbar.
VL-Gelenke vertragen nach Angaben der Maschinenbauer nur etwa 18° bis 20° Knickwinkel und dies ist der Maximalwert. Die Betriebswerte sollten deutlich darunter liegen. Berichte von Sandbuggyfahrern, die einzelnen VL-Gelenken bis zu 25° bzw 28° zusprechen, sind außerhalb der Herstellerspezifikation. Dafür sind diese Gelenke direkt mit unseren austauschbar: 100mm/22degree CVs - Porsche 924 or VW Type 4 und die Links darin: CV Joints 101
In den Sandbuggies werden Achsen verwendet, auf denen die Gelenke in der Verzahnung hin und her gleiten können. Das erlaubt es ihnen, sich zu zentrieren, was für das Ausschöpfen des max. Knickwinkels günstig ist. Dieses Gleiten ist aber auch verschleißträchtig. Die Firma Löbro gehört heute zum GKN Konzern, der einen Online Katalog im Netz hat. Die Gelenke im syncro sind im wesentlichen Standardbauteile, die sogar im Lehrbuch erwähnt werden: Seherr-Thoss, Schmelz, Aucktor, Gelenke und Gelenkwellen, Springer
Folgende Tabellenwerte finden sich in dem Buch:
Gelenktyp Außendurchmesser Achsdurchmesser Kugeldurchmesser Umlaufradius Dauerdrehmoment stat. Drehmeoment RF 95 90 mm 26 mm 11/16" = 17,462 mm 30,25 mm 360 Nm 2650 Nm VL 95 100 mm 26 mm 3/4" = 19,050 mm 30,00 mm 357 Nm 2650 Nm RF 107 98 mm 28 mm 3/4" = 19,050 mm 33,00 mm 460 Nm 3290 Nm VL 107 108 mm 28 mm 7/8" = 22,225 mm 31,95 mm 522 Nm 3300 Nm
Der Umlaufradius ist der Radius, mit dem die Kugeln um die Achse laufen. Er hängt unmittelbar mit dem Käfigdurchmesser zusammen; je größer der Umlaufradius ist, desto mehr Drehmoment kann das Gelenk übertragen. Das Dauerdrehmoment muß eingehalten werden, wenn man bei 100 U/min und einem Knickwinkel von 3° eine Lebensdauer von 1500 Stunden erreichen will. Das stat. Drehmoment gilt für Knickwinkel Null. Überschreitet man es, dann wird die max. zulässige Flächenpressung überschritten; die Kugelrillen erleiden dann bleibende Verformungen. Das Gelenk bricht zwar noch nicht auseinander, es ist aber damit zu rechnen, daß die Wellen abscheren oder brechen. Mit den Zahlen kann man einige interessante Rechnungen durchführen:
Beispiel 1: Drehmoment WBX 175Nm Übersetzung G-Gang 6,03, Achse 5,43 ergibt 175Nm x 6,03 x 5,43 = 5730 Nm. Das ist also deutlich mehr als das maximale statische Drehmoment sogar für das 16" Gelenk. Das Drehmoment wird nur erträglich, wenn es sich auf mehr als 1 Rad verteilt.
Beispiel2: Drehmoment AFN 235Nm Übersetzung G-Gang 6,03, kürzeste Achse 6,17 ergibt 235Nm x 6,03 x 6,17 = 8738 Nm. Hier wird die zulässige Flächenpressung selbst dann überschritten, wenn sich das Drehmoment gleichmäßig auf 2 Räder verteilt.
Wo wurde was eingebaut?
Beim syncro 16" wurde hinten innen und aussen Typ B verbaut. Da hier beide Gelenke einen Längenausgleich machen können, kann man die Welle mit der Hand in axialer Richtung verschieben. Die Gelenke mit Hülle stammen baugleich aus dem Audi 100 Typ44 bis Baujahr 1990. Hier wurden sie in Verbindung mit den 5 Zylinder Motoren verbaut. Erkenntlich ist das an der Ersatzteilnummer, die mit 431 beginnt. Sie wurden aber auch danach noch in vielen anderen Großserienfahrzeugen verbaut, so dass hier auch in Zukunft keine Lieferengpässe zu erwarten sind. Die Verbindung zwischen T3 und Audi Technik vermittelt ein spezieller Flansch am Getriebe (108mm Flansch), den es nur im syncro 16" gab und der bei VW leider sehr teuer ist (ca 220 Euro pro Stück), ET Nr 094 517 285 A.
Vorne aussen gab es den Typ a; nur der syncro 16" mit (werksseitiger) Differentialsperre vorn hatte den stärkeren Typ A. Das Teil ist also sehr selten. Achtung: so mancher (durchaus namhafte) Händler verkauft a für A. Wenn man die komplette Welle wechselt, dann merkt man das auch nicht so ohne weiteres. Wenn der Verkäufer also sagt, dass er das Gelenk einzeln nicht habe, aber gleichzeitig empfiehlt, man müsse ohnehin die komplette Welle wechseln, weil das andere Gelenk auch bald kaputt gehe, dann sollte man nochmal genau nachfragen.
Vorne innen hatten alle syncros stets das gleiche Gelenk vom Typ b. Dieses hat allerdings eine andere Teilenummer als das gleich große Gelenk bei den 14" hinten. Ob die Gelenke wirklich verschieden sind, bleibt unklar. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass vorn alle (kompletten) Gelenkwellen austauschbar sind. Eine Umrüstung von "ohne" auf "mit" Differentialsperre vorn ist möglich, erfordert aber den Kauf von 2 kompletten Gelenkwellen bei VW zum Preis von 615 Euro pro Stück (im Gebrauchthandel ist diese Welle praktisch nicht zu bekommen). Allerdings ist dann das "schwächere" Typ b mit dem "stärkeren" Typ A kombiniert.
Optimal wäre jedoch erst, wenn man vorne (analog zu hinten) komplett auf die größeren Gelenke A und B umrüsten würde. Das geht und die größeren Gelenke sind nicht einmal teurer als die kleinen. Man braucht aber 2 weitere 108mm Flansche aus dem hinteren Getriebe oder muss sich einen entsprechenden Adapter drehen.
Vorteile: - nur 1 Bauart von Verschiebegelenken wird verwendet (Mitnahme von Ersatzteilen auf Fernreisen). - alle Gelenke sind von gleicher Stärke (ist eventuell wichtig, wenn die Visco durch eine starre Hülse ersetzt wurde) und sind der Differentialsperre gewachsen. - bessere Gelenkschutzhülle bei B - die M8 Innensechskantschrauben vorn werden durch M10 Innenvielzahnschrauben (wie hinten) ersetzt.
Nachteile: - Weil alle Teile etwas größer dimensioniert sind, kann man nicht ausschließen, dass in ungünstigen Fällen irgendwo was schleift. - Zur Rückrüstung ist ein Flanschwechsel erforderlich.
B wird mit 6 Innenvielzahnschrauben M10 befestigt, bei b sind es 6 Innenvielzahnschrauben oder Innensechskantschrauben M8. Die Innensechskantschrauben drehen sich leicht rund, man sollte sie daher nach Möglichkeit durch Innenvielzahnschrauben ersetzen. Die Beschaffung der richtigen Schrauben (Länge) stößt allerdings auf Probleme, da geprüfte Schrauben der Festigkeitsklasse 12.9 gefordert sind! Anzugsmomente sind 35 Nm oder 45 Nm, möglicherweise gilt dies aber nur für M8 und der syncro 16" wurde schlichtweg vergessen. Audi verlangt für seine M10 jedenfalls 80 Nm. Bei den M10 Innenvielzahnschrauben gibt es noch 2 Typen: Der syncro 16" hatte welche für 10er Schlüssel, wie auch bei Audi: BM10x48 ET Nr N 900 972 02. Spätere Audis hatten dann welche für 12er Schlüssel M10x48 ET Nr N 906 682 01. Als Ersatzteil gibts auch nur letztere.
Unbekannter Autor im IG-Syncro 16" Wiki
