02. November 2009

Richtungsänderung

Soll eine Längsbewegung in eine kreisförmige umgewandelt werden, braucht es zum Beispiel einen Kurbeltrieb. Diese kinematischen Richtungswandler studierten Kinder früher an Grossmutters Tretnähmaschine, auch bei Fahrrädern wird die Längsbewegung der Beine in eine Drehbewegung umgewandelt. Ähnlich macht das auch der Kurbeltrieb in der Kolbenmaschine. Die Kurbelwelle übernimmt die zusätzliche Aufgabe, die Kräfte aller Zylinder zu sammeln und sie an das Schwungrad bzw. an die Kupplung weiterzuleiten.

Richtungsänderung

Da die Pleuellager breiter sind als die Hauptlager, kann angenommen werden, dass diese Kurbelwelle von einem echten V-Motor stammt.

VON ANDREAS LERCH

Die Form einer Kurbelwelle ist abhängig von der Bauform des Motors und der Zylinderzahl. Die Anzahl der Zylinder bestimmt gleichzeitig die Anzahl der Kurbelzapfen und der Pleuellager. Die Form kann sich durch die Anzahl der Hauptlager verändern, also jener Lager, welche die Kurbelkräfte zum Motorgehäuse abstützen. Mit der Zunahme der Hauptlagerzahl nimmt die Lagerreibung zu, dafür wird die Welle (schwingungs-) stabiler. Deshalb hat sich für Reihenmotoren in den letzten Jahren die Hauptlagerzahl als Zylinderzahl plus ein Lager durchgesetzt.

Hub

Die Kurbelwelle ihrerseits, oder genauer die Auslenkung des Pleuels bestimmt den Hub des Motors. Befindet sich das Pleuelauge der Kurbelwelle genau unterhalb des Hauptlagers, befindet sich der Kolben im unteren Totpunkt (UT). Hat sich danach die Kurbelwelle um eine halbe Umdrehung gedreht, steht der Kolben im oberen Totpunkt (OT). Dabei hat er eine Längsbewegung von genau zweimal dem Kurbelradius zurückgelegt. Deshalb entspricht dieses Mass dem Hub.

Schwingungen

Durch die Zylinderzahl, die Gehäuse- und Kurbelwellenbauform werden die Schwingungseigenschaften des Kurbeltriebes beeinflusst. Dreh- oder Torsionsschwingungen entstehen an den Kurbelwellen aus der Wirkung von gegensinnigen Kräften. Zum einen wirken die Drehkräfte in den Pleuellagern an den Kurbelkröpfungen und andererseits wirken die Trägheitskräfte der anzutreibenden Massen und die allgemeinen Widerstandskräfte. Diese Kräfte unterscheiden sich in ihren Beträgen (Grössen), in den Wirkungsrichtungen und den Angriffspunkten, deshalb belasten sie die Kurbelwellen auf Torsion. Da sie zudem nicht phasengleich liegen (d.h. ungleiche Frequenz und Frequenz- bzw. Phasenlage), wirken die zähelastischen Kurbelwellen als Feder-Masse-Systeme.
Ein derartiges System (= Kurbelwelle) wird durch eine Kraft angeregt und verformt sich dabei elastisch. Wird die Kraft kleiner, wird durch die Elastizität die Verformung rückgängig gemacht. Wäre so nur eine Kraft wirkend, ergäbe sich eine periodisch regelmässige Schwingung. Da jedoch auch die Widerstandskräfte (an anderen Punkten der Welle) einwirken, ergibt sich ein sehr komplexes Schwingungssystem, welchem heute mit Gegengewichten und Ausgleichswellen begegnet wird.
Manche Motorbauformen wie beispielsweise der 6-Zylinder-Reihenmotor eliminieren viele dieser Schwingungen von selber. Andere Motorbauformen (2-Zyl. Reihe oder 4-Zyl.-V-Motoren) bzw. ihre Kurbelwellen werden extrem auf Schwingungen belastet und laufen kaum ohne Ausgleichssysteme.

Material

Kurbelwellen werden häufig aus Kugelgrafitguss gegossen. In Europa liegen die Schätzwerte der gegossenen Kurbelwellen bei ca. 60%, in Japan sind es gut ein Viertel. Der dabei verwendete Werkstoff ist häufig EN-GJS-700-2 (früher: GGG 70). Die etwas geringere Dichte und die differenziertere Formgebung verringern die Kurbelwellenmasse und auch die erforderliche mechanische Bearbeitung. Dafür müssen grössere Streuungen in den Festigkeitswerten durch Gefügeinhomogenitäten in Kauf genommen werden.
Bei den geschmiedeten Kurbelwellen unterscheiden sich die Werkstoffe durch die nachfolgenden Oberflächenbehandlungsverfahren. Gängige Stähle sind Ck45, 38MnS6, 42CrMo4 oder 31CrMoV9. Die Oberflächen der Kurbelwellen werden in den Lagerbereichen mechanisch, thermisch oder thermochemisch behandelt.
Bei der mechanischen Behandlung werden die Lagerstellen und die Übergangsradien mit Festwalzrollen (bei PW-Kurbelwellen) oder durch Schlagverfestigen mit Kugeln (bei grossen Dieselmotoren) teilplastisch kaltverformt. Durch die entstehenden Spannungen werden die Festigkeiten örtlich erhöht und die dynamische Belastbarkeit wird deutlich gesteigert.

Motorbauformen

Ein Reihenmotor ist giesstechnisch weniger aufwändig als ein V-Motor, baut jedoch länger und ist ab einer gewissen Zylinderzahl (heute 6) für den Quereinbau kaum mehr zulässig. Die V-Motoren sind kürzer, dafür wesentlich breiter als die Reihenmotoren mit gleicher Zylinderzahl. Die Mischform, die VR-Motoren, bauen kürzer als die Reihenmotoren und weniger breit als die V-Motoren. Ihr Nachteil ist der aufwändigere Kurbeltrieb. Boxer-Motoren bauen schliesslich sehr kurz aber breit, haben einen hervorragend tiefen Schwerpunkt und gleichen die Massenkräfte von selber relativ gut aus. Im Grunde genommen eine verlockende Bauart, doch können sie nur im Längseinbau eingesetzt werden.

Einzylinder-Kurbelwelle

Bei den Einzylindern bleiben dem Konstrukteur keine Variationsmöglichkeiten. Bestenfalls kann er zwischen Wälz- und Gleitlagerungen wählen. Die Wälzlagerungen bieten bei mehrfach gekröpften Kurbelwellen heute noch Schwierigkeiten, da sie zur Montage geteilt werden müssen.

Zweizylinder-Kurbelwelle

Bei Zweizylindermotoren gibt es bereits verschiedene Motoren­bauarten und daher auch mehrere Möglichkeiten für den Kurbelwellenbau. Zweizylindermotoren können in Reihe, als V- oder Boxer-Motoren (Motorräder) gebaut werden. Die Kurbelwellen und die Zündfolgediagramme für Reihen- und Boxermotoren zeigt Bild 2.
Die dritte Zeichnung im Bild 2 zeigt einen Zweizylinder-Reihenmotor mit gekröpfter Kurbelwelle. Fährt bei dieser Konstruktion ein Kolben von OT nach UT, wird der andere von UT nach OT getrieben. Das bedeutet, dass die beiden Zylinder Takte ausführen, welche nebeneinander liegen, z.B. Ansaugen und Verdichten, Arbeiten und Ausstossen usw. Die nebeneinander liegenden roten Felder im Diagramm belegen, dass der Motor nicht rund läuft. In zwei aufeinanderfolgenden Takten wird gearbeitet, dann werden in den nächsten 360° KW die folgenden Arbeitstakte vorbereitet…

Regelmässige Zweizylinder

Regelmässig arbeiten Zweizylinder-Motoren, wenn sie eine gekröpfte Kurbelwelle in einem Boxermotor oder in einem Reihen-Motor zwei parallel laufende Kolben haben. Der Boxer-Motor wird dabei rund und mit regelmässigem Zündabstand laufen. Bei BMW ist diese Motorenbauart im Motorradbau geachtet, können doch die herausragenden Zylinder durch den Fahrtwind gekühlt werden.
Der gleichmässig laufende Reihenmotor kämpft hingegen mit den Schwingungen. Die beiden Kurbelzapfen der Kurbelwelle weisen in die gleiche Richtung; das bedeutet, dass die Kolben in der gleichen Richtung laufen und so in jedem Umkehrpunkt mit ihren Fliehkräften auf die Hauptlager und das Motorgehäuse drücken.

Ungerade Zylinderzahlen

Die Fünfzylinder-Reihenmotoren haben sich in einem gewissen Hubraumbereich, knapp über 2 Liter, einigermassen etabliert. Viele Hersteller vergrössern jedoch lieber den Zylinderhubraum etwas und bauen dann Vierzylinder, oder verkleinern den Zylinderhubraum und bieten einen Sechszylinder an. Die Herstellung von Fünfzylinder-Kurbelwellen ist aufwändig, da die frisch geschmiedeten oder gegossenen Kurbelwellenkröpfungen noch vor dem Abkalten um eine genauen Winkel von 72° bzw. 144° abgebogen werden müssen.
Die Dreizylinder-Reihenmotoren fristen im Moment noch ein Schattendasein, doch hört man von verschiedenen Seiten, dass die Hersteller im Hubraumbereich 1 bis 1,4 Liter an diesen Motoren arbeiten.

VR-Motoren

Nachdem Lancia den Bau der V-Motoren mit engem Winkel schon früher aufgegeben hatte, nahm Volkswagen in den 90er Jahren diese Idee wieder auf und brachte sie erneut auf den Markt. Die Motoren bauen kurz und schmal, sind auch als 5- oder 6-Zylinder-Aggregate noch für den Quereinbau geeignet und weisen so einige Vorteile auf. Damit jedoch die Kühlfläche zwischen den Zylindern gewährleistet werden kann, müssen die Zylinder parallel nach aus­sen geschoben werden. Damit verschieben sich auch deren Mittellinien und treffen sich nicht mehr (wie bei einem V-Motor) in der Kurbelwellenmitte, sondern darunter. Dies bedeutet, dass die Pleuelstange nicht im OT und im UT eine gerade Linie zwischen Kolben und Kurbelzapfen bildet, sondern etwas daneben. Dadurch verändern sich die Winkel der Pleuelstangen auf die Kurbelzapfen und ebenfalls die Beanspruchungen der Kurbelwellen.

Vierzylinder-Motoren

Vierzylinder-Motoren eignen sich für das Viertaktprinzip sehr gut. In jedem Moment ist ein Zylinder am Arbeiten und es fliesst ständig Drehmoment auf die Kurbelwelle. Dieses ist nicht linear, da sich Kurbelwinkel und auch die Zylinderdrücke ständig verändern. Heutige Vierzylinder-Motoren werden in der Regel mit Ausgleichswellen ausgerüstet und erreichen damit schwingungsmässig einen gehobenen Komfortbereich.

Sechszylinder-Motoren

Diese Zylinderzahl wird im Bereich der oberen Mittelklasse favorisiert und deshalb werden auch verschiedene Bauformen wie Reihen-, V-, VR- und Boxer-Motoren angeboten. Während die Reihenmotoren schwingungstechnisch brillieren, bauen sie sehr lang und können eigentlich nur längs eingebaut werden. Die V-Motoren dagegen sind breit, und um den regelmässigen Motorlauf zu gewährleisten, müssen die Kurbelzapfen verdreht werden (Split-Pin-Kurbelwellen). Eigentlich müsste der V-Winkel eines V-Motors genau dem Zündabstand entsprechen. D.h. ein V6-Motor müsste einen V-Winkel von 120° aufweisen. Dieser Motor würde aber so breit, dass er kaum mehr eingebaut werden könnte. Deshalb wählen die Konstrukteure kleinere V-Winkel und verschränken die Kurbelzapfen so, dass die Zylinder wieder regelmässige Zündabstände erreichen.

V8-Motoren

Bei den V8-Motoren geht die Rechnung wieder auf: Mit 90° V-Winkel entsprechen sie genau dem Zündabstand. V8-Motoren werden in der Regel als echte V-Motoren gebaut, dh. auf dem gleichen Kurbelzapfen liegen jeweils zwei Pleuel (Bild 9). Befindet sich der eine Kolben im OT liegt der andere genau 90° davor. Somit können die Kurbelwellenkröpfungen in einer Ebene liegen oder um 90° abgewinkelt sein. Diese einfache Bauart machte die V8-Motoren lange Zeit sehr beliebt.
Mit den Bemühungen um kleinere CO2-Emissionen und den Downsizing-Bemühungen der Hersteller, werden die vielzylindrigen Motoren aber in Zukunft Kubikzentimeter um Kubikzentimeter (Hubraum) und damit auch Zylinder um Zylinder fallen lassen.

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