Radialkraft – Definition, Wirkung und Bedeutung in der Antriebstechnik

Die Radialkraft ist eine fundamentale Kraftkomponente in der Mechanik rotierender Systeme. Sie wirkt senkrecht zur Drehachse und spielt in der Auslegung von Lagern, Wellen und Getrieben eine entscheidende Rolle. Im technischen Sprachgebrauch ist sie auch als Zentralkraft oder Zentripetalkraft bekannt, da sie auf das Zentrum einer Kreisbewegung ausgerichtet ist. In vielen Anwendungen – von Elektromotoren über Pumpen bis hin zu Getrieben – stellt die Radialkraft eine der Hauptbelastungen für mechanische Komponenten dar. In diesem Beitrag erfahren Sie, was die Radialkraft ist, wie sie entsteht, wie man sie berechnet und welche Auswirkungen sie auf Konstruktion und Betrieb von Maschinen hat.

Was ist Radialkraft?

Die Radialkraft (engl. „radial force“) ist die Komponente einer Kraft, die senkrecht zur Rotationsachse eines sich drehenden Körpers wirkt. Sie sorgt dafür, dass ein Objekt auf einer Kreisbahn gehalten wird und nicht tangential wegfliegt. Physikalisch betrachtet handelt es sich um eine Zentripetalkraft, die immer in Richtung Mittelpunkt der Kreisbewegung zeigt.

In technischen Systemen tritt die Radialkraft häufig auf als:

• Belastung auf Wellen und Lager
• Reaktionskraft durch Unwuchten
• Kraftkomponente bei schräger Kraftübertragung über Zahnräder oder Riemen

Beispielhafte Situationen mit Radialkraft:

– Ein Zahnrad treibt ein anderes an: Die Kontaktkraft erzeugt eine Radialkraft auf die Welle.
– Ein Lüfterrad rotiert: Die Unwucht verursacht eine oszillierende Radialkraft.
– Ein Riemen überträgt Kraft auf eine Rolle: Die Zugkraft des Riemens erzeugt eine Radialbelastung der Lager.

Unterschied zwischen Radial- und Axialkraft

In der Wellen- und Lagertechnik wird zwischen zwei Hauptkraftkomponenten unterschieden:

Radialkraft (Fr):
Wirkt senkrecht zur Wellenachse – also „zur Seite“.

Axialkraft (Fa):
Wirkt entlang der Wellenachse – also „nach vorne/hinten“ auf die Lager.

Beide Kräfte müssen bei der Konstruktion berücksichtigt werden, insbesondere bei der Lagerauswahl.

Formel zur Berechnung der Radialkraft

Die grundlegende Formel zur Berechnung der Zentripetalkraft, also der erforderlichen Radialkraft für eine Kreisbewegung, lautet:

Fr = m · ω² · r

Dabei gilt:
– Fr: Radialkraft (N)
– m: Masse des rotierenden Körpers (kg)
– ω: Winkelgeschwindigkeit (rad/s)
– r: Radius der Kreisbahn (m)

Die Winkelgeschwindigkeit
𝜔
ω ist über die Drehzahl
𝑛
n (in Umdrehungen pro Minute) berechenbar:

ω = 2π · n / 60

Daraus ergibt sich für die Radialkraft:

Fr = m · (2π · n / 60)² · r

Diese Formel ist besonders wichtig in der Auslegung von Zentrifugen, Pumpenlaufrädern oder rotierenden Werkzeugen.

Radialkraft bei Zahnrädern und Riemenantrieben

Auch bei der Kraftübertragung über Zahnräder entstehen Radialkräfte – insbesondere bei schrägverzahnten Stirnrädern, Kegelrädern oder Schneckengetrieben. Dabei resultieren aus der Kontaktkraft immer:

– eine tangentiale Kraft (für die Drehmomentübertragung),
– eine radiale Kraft (senkrecht zur Zahnkontaktfläche),
– ggf. eine axiale Kraft (bei Schrägverzahnungen oder Kegelrädern).

Bei Riemenantrieben ergibt sich die Radialkraft aus der Zugspannung im Riemen, da dieser quer zur Welle zieht.

Auswirkungen der Radialkraft in technischen Systemen

1. Belastung von Lagern

Lager müssen Radialkräfte aufnehmen und übertragen. Je höher die Radialkraft, desto größer müssen die Lagerdimensionen bzw. deren Tragzahlen gewählt werden. Radialkräfte führen zu:

– Verschleiß am Lagerlauf
– Erhöhung der Betriebstemperatur
– Reduzierung der Lebensdauer

2. Biegebelastung von Wellen

Radialkräfte erzeugen Biegemomente in Wellen. Ist die Welle zu dünn dimensioniert oder schlecht gelagert, führt dies zu:

– Durchbiegung
– Unwucht und Schwingungen
– Ermüdungsrissen

3. Schwingungen und Unwuchten

Besonders bei hohen Drehzahlen wirken Radialkräfte dynamisch – sie können Vibrationen erzeugen, die sich auf Maschinenrahmen, Werkstücke oder empfindliche Sensoren übertragen.

4. Energieverlust durch Reibung

Hohe Radialkräfte verursachen stärkere Lagerreibung und somit Energieverluste. In energieeffizienten Anlagen ist daher die Minimierung unnötiger Radialkräfte ein wichtiges Kriterium.

Wie kann Radialkraft reduziert oder abgefangen werden?

• Optimierte Lagerwahl: Wälzlager (z. B. Rillenkugellager, Zylinderrollenlager) sind auf Radialbelastung ausgelegt
• Gute Lagerabstände: Je größer der Abstand zwischen Lagern, desto besser die Abstützung der Kraft
• Wellenverstärkung: Größerer Wellendurchmesser oder Versteifung verringert Durchbiegung
• Exakte Ausrichtung: Schiefe oder verspannte Montagen erzeugen zusätzliche Radiallasten
• Dynamische Auswuchtung: Reduziert oszillierende Radialkräfte bei rotierenden Massen

Radialkraft in der Praxis: Anwendungen

– In Getrieben: Zahnräder erzeugen Radialkräfte auf ihre Lager und Gehäuse. Diese müssen durch stabile Konstruktionen aufgenommen werden.
– In Pumpen: Das Laufrad erzeugt durch Strömungskräfte Radialkräfte auf die Antriebswelle.
– In Elektromotoren: Das Zusammenspiel von Rotor und Stator erzeugt eine gleichmäßige Radialkraftverteilung.
– In Werkzeugmaschinen: Seitlich angreifende Bearbeitungskräfte wirken radial auf Spindeln und Führungen.

Radialkraft bei Rehfuss Drive Solutions

Rehfuss berücksichtigt die auftretenden Radialkräfte bereits bei der Auslegung seiner Getriebe, Antriebe und Sonderlösungen. Unsere Produkte sind so konstruiert, dass sie auch bei hohen radialen Belastungen zuverlässig, ruhig und verschleißarm arbeiten. Typische Maßnahmen:

– Verwendung hochwertiger, radiallagerfähiger Lager
– Gehäuseverstärkungen zur Kraftaufnahme
– Berechnung der maximal zulässigen Radialkraft in Produktdatenblättern
– Optionale Zusatzlagerungen bei hohen Belastungen

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