Kurbelwelle

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Animation einer Kurbelwelle (rot) einer Vierzylindermaschine

Eine Kurbelwelle ist eine spezielle Welle mit integrierten Kurbeln und wird insbesondere in Kolbenmaschinen eingesetzt. Sie setzt die hin- und hergehende Bewegung eines oder mehrerer Kolben mit Hilfe von Pleuelstangen in eine Drehbewegung um (oder umgekehrt). Die für die Umwandlung der einen Bewegungsart in die andere erforderlichen Bauteile ergeben zusammen den Kurbeltrieb.

Gelagert ist die Kurbelwelle im Kurbelgehäuse. Die Bauteil-Folge Wange - Hubzapfen - Wange wird als Kurbelwellenkröpfung bezeichnet.

Geschichte

Die Sägemühle von Hierapolis

Die erste bekannte Maschine, bei der eine Drehbewegung mithilfe von Kurbelwelle und Pleuelstange in eine lineare Bewegung umgesetzt wurde, ist die römische Sägemühle von Hierapolis (3. Jahrhundert).[1]

Der niederländische Erfinder Cornelis Corneliszoon nutzte eine Kurbelwelle, um durch eine Windmühle eine Sägemühle zu betreiben. 1597 erhielt er ein Patent auf seine Kurbelwelle.

Funktion

Die Kurbelwelle hat die Aufgabe, die Kolbenkräfte, die über die Pleuelstange geleitet werden, aufzunehmen, diese in ein Drehmoment umzuwandeln und dieses über die Kupplung an das Getriebe weiterzuleiten.

Kurbelwellen können auch höhenverstellbar gelagert werden, damit wird eine variable Verdichtung ermöglicht. Durch ein exzentrisch gelagertes Kurbelwellenlager wird die Kurbelwelle angehoben. Der Vorteil einer variablen Verdichtung ist ein im Teillastbereich um bis zu 25 % geringerer Verbrauch.[2]

Um zu Schmierungszwecken Motoröl innerhalb der einteiligen Kurbelwelle an die Haupt- und Pleuellager leiten zu können, ist die Kurbelwelle hohlgebohrt, das Öl wird durch ein Hauptlager zugeführt und tritt dann durch Bohrungen in den Wellen- und Hubzapfen aus. Bei gebauten Wellen sind die Haupt- und Pleuellager keine Gleitlager, sondern Wälzlager, diese benötigen keine Druckölschmierung, sondern werden durch den Ölnebel im Zylinder-Kurbelgehäuse mit Schmierstoff versorgt.

Schränkung

Bei einem geschränkten Kurbeltrieb in einem Hubkolbenmotor wird die Kurbelwelle seitlich gegenüber der Zylinderachse versetzt. Wenn der Kolben im oberen Totpunkt (OT) steht, liegt die Mittelachse des Pleuels nicht mehr in der parallelen Ebene der Zylinderachse.[3]

Die Schränkung kann zu verschiedenen Zwecken eingesetzt werden:

  • Eine Schränkung zur Gegendruckseite bewirkt, dass der Kolben früher kippt und die Anlagefläche an die Zylinderwand wechselt. Bei einem Kurbeltrieb ohne Schränkung passiert das nach OT, wenn bereits ein großer Verbrennungsdruck auf den Kolben lastet, so dass das Kippen (Wechsel der Anlageseite) zu erhöhtem Geräusch (NVH, Noise Vibration Harshness) führt[4].
  • Eine Schränkung zur Druckseite kann die Reibung reduzieren, da die Kolbenseitenkraft sinkt und damit auch die Reibung zwischen Kolbenhemd und Zylinderwand.[5] Dies bringt vor allem bei häufigem Volllastbetrieb (beispielsweise in Baumaschinen) Vorteile.
  • Bei VR-Motoren wird die Schränkung abwechselnd zur Druck- oder zur Gegendruckseite ausgeführt, was Gründe in der Geometrie (Durchdringung der Zylinder) hat. Dadurch stehen die Zylinderachsen "paralleler". Ohne dieses Schränkungsmuster würden sich die Zylinderlaufbahnen zu sehr durchdringen und die Kolben könnten sich berühren oder nicht den vollen Hub machen.

Die Schränkung wird oft durch die Desachsierung des Kolbenbolzens ergänzt.

Beispiele von ausgeführten Motoren:

  • 12 mm zur Gegendruckseite beim Mercedes-Benz OM 654[6],
  • 7 mm zur Druckseite bei der Nonroad-Motorenfamilie der FEV[5],
  • 14 mm beim 1.0-l-3-Zylinder-Turbomotor von Honda[7] (Richtung der Schränkung nicht angegeben),
  • 12,5 mm beim VW W12 TSI[8] jeweils in den beiden Blöcken des Motors und ebenso beim VR 5[9].

Die Schränkung erfordert auch Anpassungen bei den Steuerzeiten.

Aufbau

Eine Kurbelwelle besteht aus folgenden Elementen:

  • Wellenzapfen. Diese laufen in den Grundlagern (Hauptlagern) und definieren die Drehachse der Welle.
  • Pleuellager, auf denen die Schubstangen (Pleuel) gelagert sind. Sie beschreiben im Betrieb eine Kreisbahn um die Drehachse der Kurbelwelle. Der Durchmesser dieser Kreisbahn entspricht genau dem Kolbenhub der Kolben.
  • Kurbelwangen, die die Pleuellager mit den Wellenzapfen verbinden.
  • Zur Auswuchtung dienen in der Regel Gegengewichte, die an den Wangen angebracht werden (z. B. bei Reihenmotoren).

Die rotierenden Massenkräfte werden vollständig und die oszillierenden Massenkräfte erster Ordnung werden üblicherweise zu 50 % durch Anbringung von Gegenmassen ausgeglichen. Dies hat jedoch den Effekt eines höheren Gewichtes der Kurbelwelle. Eine weitere Reduktion oszillierender Massenkräfte erster und zweiter Ordnung erfolgt nicht über Maßnahmen an der Kurbelwelle, sondern über den Lanchester-Ausgleich.

Bauarten und Fertigung

Fertigung bei VW. (Bundesarchiv, B 145 Bild-F040736-0010 / Schaack, Lothar)

Man unterscheidet gebaute, also aus Einzelteilen zusammengesetzte Kurbelwellen und geschmiedete oder gegossene, also aus einem Stück hergestellte Kurbelwellen.

Literatur

  • Ritti, Tullia; Grewe, Klaus; Kessener, Paul: A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications. In: Journal of Roman Archaeology, Bd. 20: 2007, S. 138–163
  • Wilfried Staudt: Handbuch Fahrzeugtechnik Band 2. 1. Auflage, Bildungsverlag EINS, Troisdorf, 2005, ISBN 3-427-04522-6
  • Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. 1. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart, 1992, ISBN 3-613-01288-X

Weblinks

 Commons: Kurbelwelle – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Ritti, Grewe, Kessener (2007), S. 161
  2. www.fev.com, fortgeschrittene Konzepte, abgerufen am 17. November 2010
  3. Richard van Basshuysen, Fred Schäfer (Hrsg.), "Handbuch Verbrennungsmotor", Abschnitt "6.1.1 Aufbau und Funktion", 8. Auflage 2017, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ISBN 978-3-658-10901-1
  4. Günter P. Merker, Rüdiger Teichmann (Hrsg.), "Grundlagen Verbrennungsmotoren", Springer Fachmedien Wiesbaden, 7. Auflage 2014, Abschnitt "19.3.1 Alternative Konzepte", ISBN 978-3-658-03194-7
  5. a b Thomas Hamm, Michael Neitz, Vinod Rajamani, Sven Lauer: Nonroad-Motorenfamilie für aufstrebende Märkte. In: ATZ offhighway. Springer Fachmedien, 1. März 2016, ISSN 2191-1843.
  6. J. Liebl (Hrsg.): Mercedes-Benz E-Klasse. ATZ/MTZ-Typenbuch. Springer Fachmedien, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-18443-8.
  7. Tomonori Niizato, Mitsuhiro Shibata, Michael Fischer, Ulf Reinschmidt: Der neue 1,0-l-Dreizylinder-Ottomotor von Honda. In: MTZ Motortechnische Zeitschrift. Springer Vieweg, Springer Fachmedien, 1. Januar 2018, ISSN 0024-8525, Tabelle 1 Technische Daten.
  8. Friedrich Eichler, Wolfgang Demmelbauer-Ebner, Jürgen Strobel, Jens Kühlmeyer: Der neue W12-TSI-Motor des Volkswagen-Konzerns. In: MTZ Motortechnische Zeitschrift. Springer Vieweg / Springer Fachmedien, 1. Februar 2016, ISSN 0024-8525, Tabelle 1 Technische Daten des W12 TSI.
  9. Bern Ebel, Uwe Kirsch, Frank Thomas Metzner: Der neue Fünfzylindermotor von Volkswagen. In: MTZ Motortechnische Zeitschrift. Springer Vieweg / Springer Fachmedien, 1. Januar 1999, ISSN 0024-8525, Tabelle 1 Technische Daten.