Gedächtnisprotokoll SoSe22

    Hallo,


    Kurbelwelle

    1. Welche Verfahren der Kurbelwellenherstellung kennen Sie? Wo wird welches Verfahren vorzugsweise verwendet? Gehen Sie auf die Vor- und Nachteile der jeweiligen Verfahren ein. (S. 1-21)

    Beschreiben Sie in Stichworten den Herstellungsprozess einer im Gesenk geschmiedeten Kurbelwelle für einen 5-Zylinder-Reihenmotor.

    • Gießen: Ottomotoren (kleine, schnelllaufende Motoren)
    • Gesenkschmieden: Dieselmotoren, hochbelastete Ottomotoren
    • Freiformschmieden: Großmotoren

    Der Vollständigkeit halber ist zu erwähnen, dass Kurbelwellen auch aus dem Vollen gedreht werden können. Dies geschieht insbesondere bei Kleinserien oder Tuningbetrieben.



    2. Skizzieren und erläutern Sie die übliche Variante der Ölversorgung von den Haupt- und Pleuellagern einer Kurbelwelle. Kennen Sie weitere Systeme zur Ölversorgung der Lager?


    Werden Pleuellager für zwei Kolben ausgelegt (V-Motoren), so werden von einem Hauptlager zwei Pleuellager mit Öl versorgt (jeweils das rechte und das linke Pleuellager neben dem Hauptlager.

    Die große Öffnung am hinteren Wellenende zeigt, daß die Lager über eine sog. axiale Ölversorgung versorgt werden. Hierbei wird das Öl axial in die Welle gepumpt und von dort mittels Überdruck in die Lager befördert. Ein solches System garantiert durch die Überdruckversorgung einen ausreichenden Schmierfilm auch bei hohen Motordrehzahlen. Allerdings erfolgt die Ölzufuhr in die Welle aus dem Block heraus über eine schleifende Dichtung, z.B. einen Simmerring, was hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit nur bedingt empfehlenswert ist. Bei Rennmotoren ist dieser Aspekt jedoch untergeordnet.


    Irgendwo zwischen drin: Skizzieren Sie die beiden möglichen Kurbelwellen mit den entsprechenden Kröpfungen für den 2-Zylinder-Zweitakt-Motor schematisch. Welche Variante würden Sie bevorzugen? Begründen Sie bitte.

    Außerdem Massenkräfter 1. und 2. Ordnung in ein Diagramm einzeichnen, bei gegebener Formel.

    Beim Zweizylinder besteht die Möglichkeit, einen ungleichen Zündabstand zu akzeptieren und dadurch die Kräfte erster Ordnung ausgleichen zu können oder sowohl Massenkräfte erster und zweiter Ordnung auftreten zu lassen, dafür aber einen gleichen Zündabstand zu gewährleisten. Beides wird in einem unruhigen, rauen Motorlauf resultieren, wobei grundsätzlich die Kräfte erster Ordnung teilweise, jedoch nicht vollständig, durch die Gegengewichte an der Kurbelwange ausgeglichen werden können.

    Eine Möglichkeit zum Ausgleich kann über eine spezielle Mechanik erreicht werden. Abbildung 1_25 zeigt die Konstruktion für den nahezu vollständigen Ausgleich der Massenkräfte 1. Ordnung eines Zweizylindermotors. Dabei wird eine annähernd waagerecht angeordnete Ausgleichsschwinge eingesetzt. Sie ist einseitig gelagert und wird über ein Pleuel, welches mit der Kurbelwelle verbunden ist, in Bewegung versetzt. Die Kinematik ist so ausgelegt, dass sich das Ausgleichspleuel gegenläufig zu den beiden Motorpleueln bewegt. Hier werden die rotierenden Massenkräfte 1. Ordnung durch die Ausgleichsgewichte an den Wangen ausgeglichen und der oszillierende Anteil durch die translatorische Bewegung an den Kräften 1. Ordnung wird durch die Massenträgheit der Schwinge konterkariert. Die Kräfte 2. Ordnung sind hiervon nicht beeinflusst und wirken in voller Höhe.


    Pleuel

    3. Wo liegen die Vor- und Nachteile von schräg geteilten Pleueln? Bei welchen Motoren werden derartige Pleuel eingesetzt? (S. 2-8)


    Vor allem im Pkw-Sektor werden vornehmlich gerade geteilte Pleuel verwendet. Sie zeichnen sich durch eine eindeutige Lastbeaufschlagung der Pleuelschrauben als Zugkraft aufgrund der Massenkräfte aus. Allerdings baut der Pleuelfuß sehr breit, wodurch bei hochbelasteten Motoren mit geringer Bohrung Montageprobleme entstehen können.

    Genau dies ist der Grund, weswegen bei Lkw-Motoren (und größer) oftmals schräg geteilte Pleuel verwendet werden. Diese Pleuel sind bei abgenommenem Lagerdeckel im Fußbereich sehr viel schmäler und dadurch durch die Bohrung einzufädeln. Allerdings sind Querkräfte, welche auf die Pleuelschrauben wirken könnten, teilweise nicht zu vermeiden.

    Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass bei schräg geteilten Pleueln das obere Schraubengewinde besonders bruchgefährdet ist, da es direkt im Kraftfluss der Zug- Druckbeanspruchung liegt. Der Querschnitt muss entsprechend verstärkt werden und somit auch der gesamte Pleuelkopf.



    Lagerschalen

    4. Vergleichen Sie die Wälzlagerung mit der Gleitlagerung hinsichtlich der Vor- und Nachteile der einzelnen Konzepte.


    Das Thema Wälzlagerung wurde bereits hinsichtlich der Kurbelwelle diskutiert, weil es sehr eng mit diesem Thema verknüpft ist. Bei einem Zweitaktmotor ist wegen der begrenzten Schmierung eine Gleitlagerung schwierig. Diese Motoren sind oft wälzgelagert.

    Bei mehrzylindrigen Motoren ist dies ungleich schwieriger. Die Kurbelwelle wird aufgrund der Notwendigkeit, diese zu bauen, kompliziert und in der Regel auch weniger stabil. Hinzu kommen die erhöhte Geräuschentwicklung und problematische Wuchtung, da die Pleuel nur schwierig zu demontieren sind.



    Kolben

    5. Skizzieren Sie einen Leichtmetallkolben und einen Stahlkolben für einen Pkw-Dieselmotor. Wo liegen die Vor- und Nachteile von Stahlkolben?

    Insgesamt zeichnet sich der Stahlkolben gegenüber dem Leichtmetallkolben durch die folgenden Vorteile aus:

    • höhere Festigkeit (Spitzendruck)
    • thermische Belastung am Muldenrand
    • besseres Ausdehnungsverhalten (50%)
    • Körperschallverhalten
    • höhere Bauteiltemperaturen, dadurch besseres Zündverhalten bei Dieselmotoren
    • geringere Reibung (Kolbenschaft)
    • Bauhöhe des Motors


    Dem stehen die Nachteile gegenüber:

    • Wärmeleitfähigkeit
    • Gewicht
    • Kosten.

    6. Zeichnen Sie schematisch die beiden Möglichkeiten zur Lagerung des Kolbenbolzens

    • schwimmende Lagerung
    • Klemmpleuel



    Kolbenringe

    7. Zeichnen Sie die Kräfte am Kolbenring in einer schematischen Darstellung. Wie funktioniert die Abdichtung am Kolbenring? (S. 5-3)


    Der Kompressionsring muß sehr hohe Verbrennungsdrücke (bis 220 bar) abdichten und ist gleichzeitig sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Dies sind sehr herausfordernde Bedingungen, die dieses einfache Bauteil zu einer wichtigen Komponente im Gesamtverbund Motor macht. Hinsichtlich der Abdichtung weist er eine gewisse Federkraft auf und daher könnte der Eindruck entstehen, dass diese auch verantwortlich für das Abdichten des Rings gegenüber der Lauffläche wäre. Dem ist jedoch nicht so. Stattdessen ist die Gaskraft bzw. der Brennraumdruck die eigentlich abdichtende Größe, wie anhand der Kräftebetrachtung in Abbildung 5_1 verdeutlicht wird.

    Die Federkraft des Kolbenrings sorgt dafür, dass der Ring definiert an der Lauffläche anliegt. Erst durch den entstehenden Gasdruck im Arbeitsraum während der einzelnen Kolbenhubphasen wird ein perfektes Abdichten der Kolbenringe an der Zylinderwand gewährleistet. Der Brennraumdruck der Hubbewegung in der Aufwärtsbewegung bewirkt den Anpressdruck auf den Kolbenring gegen Zylinderwand und den Boden der Ringnut. Die Abwärtsbewegung baut den Druck entgegengesetzt auf, und somit wird der Ring gegen die Oberseite der Ringnut und die Zylinderwand gepresst. Die Kolbenringe führen also je nach Bewegungsrichtung des Kolbens einen Anlagewechsel in ihrer jeweiligen Ringnut aus. Dies kann bei bestimmten Drehzahlen zu Ringflattern führen (Schwingen des Ringes im Sitz) und in ungünstigen Fällen die Zerstörung eines Ringes bewirken. Problembehaftet ist die Abdichtung bei aufgeladenen Motoren, da hier der Ring bei der Abwärtsbewegung nicht gegen die Oberseite der Ringnut gepresst wird. Dadurch kann es im Verlauf des Ansaugvorgangs zu Undichtigkeiten zum Kurbelgehäuse kommen. Das führt unter Umständen zu Gasverlusten, erhöhten HC-Emissionen und Motorölverdünnung.

    Aufgrund der Nutzung der Gaskraft ergibt sich ein selbstverstärkender Effekt: je höher die geforderte Dichtwirkung aufgrund des hohen abzudichtenden Drucks wird, desto stärker wird der Ring gegen die Lauffläche gedrückt. Dies ist insofern ein sehr positiver Effekt, als einerseits auf diesem Wege die Abdichtung auch bei hohen Drücken möglich ist, andererseits sind die Anpressdrücke bei niedrigen Gasdrücken, also Teillast, gering. Damit sind auch die Reibungsverluste unter diesen Bedingungen deutlich reduziert.



    Kolbenbolzen

    8. Welche beiden Prinzipien der Kolbenbolzenlagerung kennen Sie? Erläutern Sie beide kurz. Was sind die individuellen Vor- und Nachteile der Systeme?


    Eine derartige Lösung ist nur dann sinnvoll, wenn es sich bei der Lagerung um eine sog. „schwimmende“ Lagerung handelt. Die Alternative hierzu wird als „Klemmpleuellagerung“ bezeichnet. Die Abbildung 6_9 zeigt die beiden Varianten im Vergleich.

    Bei der Ausführung einer schwimmenden Lagerung ist der Bolzen beweglich, sowohl im kleinen Pleuelauge des Pleuels, als auch im Kolben gelagert. Bei dieser Konstruktion sind Sicherungsringe in der Bolzennabe (Abb. 6_10) vorzusehen, die ein Herauswandern des Bolzens aus der Nabe nicht zulassen. Außerdem muss eine eigene Pleuelaugenlagerung vorgesehen werden, die mit aufwendigerer Fertigung und den damit verbundenen höheren Produktionskosten im Nachteil zum Klemmpleuel steht.

    Das „Klemmpleuel“ umfasst den Bolzen im Bereich des Pleuels durch eine Presspassung, so dass das Pleuel in diesem Bereich bei allen Temperaturen immer fest sitzt. In der Kolbennabe ist der Bolzen mit Spiel gelagert, das eine Relativbewegung zwischen Kolbennabe und Bolzen zulässt. Problematisch beim Klemmpleuel ist jedoch, dass die Lage immer fixiert ist. Eine Rotation im Betrieb ist wegen des Klemmsitzes nicht möglich. Dies wirkt einem gleichmäßigen Verschleiß entgegen. Daher werden bei Lkw und Pkw meist schwimmende Lagerungen bevorzugt.



    Laufbuchse

    9. Nennen Sie verschiedene Verfahren zur Beschichtung von Zylinderlaufflächen von Leichtmetall-Motorblöcken. (S. 7-15)

    • Chromal
    • Ferral
    • Nikasil


    Die Anwendung von Aluminiumlegierungen für Zylinder (Laufbuchsen) bietet neben der 3-4 mal höheren Wärmeleitfähigkeit gegenüber den Eisenwerkstoffen folgende Vorteile:

    • niedrige Bauteiltemperaturen (wichtig beim Ottomotor wegen der Klopfgrenze und dem Verdichtungsverhältnis)
    • bessere Laufruhe durch kleineres Laufspiel (gleiche Ausdehnung von Kolben und Zylinder)
    • Gewichtsverringerung


    Nachteilig sind die nicht ausreichenden Lauf- und Verschleißeigenschaften der Aluminiumlegierung, die eine Beschichtung erforderlich machen.



    Zylinderkopf

    10. Nennen Sie die Vor- und Nachteile des 4-Ventil-Zylinderkopfs im Vergleich zum 2-Ventiler.


    Aus diesen Randbedingungen leitet sich die Verwendung von zwei Einlass- und zwei Auslassventilen ab. Bei einem Vierventilzylinderkopf ergibt sich nahezu automatisch im Zentrum ein Bereich, in dem Komponenten wie die Zündkerze oder/und die Einspritzdüse Platz finden können.

    Allerdings wurden früher vornehmlich Zweiventilmotoren gebaut. Bei derartigen Konstruktionen wird der Raum im Brennraumzentrum durch die Ventile eingenommen. Daher kann die Zündkerze nur zur Seite versetzt positioniert werden. Damit ergeben sich einseitig lange Flammenwege, die bei hohen Verdichtungsverhältnissen die Gefahr der Selbstentzündung (Klopfen) mit sich bringen. Aus diesem Grund arbeiteten diese Motoren meist mit Quetschspalten, die eine hohe Turbulenz und Verwirbelung einbrachten. Die Folge war eine erhöhte Flammengeschwindigkeit und eine insofern wieder reduzierte Klopfneigung.

    Die direkteinspritzenden Dieselmotoren sind aufgrund der fehlenden Schusskanäle und der reduzierten Brennraumturbulenz sowie reduzierter Wärmeübergangsflächen (Wärmeverluste!) deutlich effizienter als die Vorkammermotoren. Allerdings sind hierfür erheblich höhere Einspritzdrücke notwendig. Der Brennraum befindet sich im Wesentlichen als Mulde im Kolben. Der Zylinderkopf ist brennraumseitig fast vollständig flach. Wie bei den Vorkammermotoren liegt die Begründung in der Problematik des notwendigen Volumens für die Gemischbildung (Muldenvolumen) und des bei gegebenem hohen Verdichtungsverhältnis zur Verfügung stehenden Kompressionsvolumens. Während in der Vergangenheit vielfach Zweiventilmotoren mit leicht aus der Mitte versetzter Einspritzdüse gebaut wurden, überwiegen heute die Varianten mit vier Ventilen. Der Vorteil liegt, wie bereits angesprochen, in der zentralen Lage der Einspritzdüse. Durch die zentrische Anordnung wird das Erreichen einer gleichmäßigen Tröpfchenverteilung innerhalb der Mulde einfacher als bei einer leicht aus der Mitte versetzten Anordnung. Daher wird die vierventilige Anordnung bevorzugt, obschon die Ventile sehr klein werden, da die Einspritzdüse aufgrund der vergleichsweise großen Bauform viel Platz in Anspruch nimmt und gleichzeitig auch noch die Glühkerze Platz finden muss.

    Auch bei den Ottomotoren dominieren die Vierventilmotoren. Der Trend zu dieser technischen Lösung ist hier älter als im Dieselsektor. Wie erwähnt ist hier neben den Vorteilen hinsichtlich des Ladungswechsels und der Baugröße der Ventile der große Pluspunkt die zentrale Lage der Zündkerze, wie auch aus dem Bild 9_8 ersichtlich.

    Ventilsteuerung

    11. Wie erfolgt der mechanische Ventilspielausgleich beim Tassenstößel und wie beim Schwinghebel. Skizzieren und erläutern Sie jeweils. (S. 11-35)


    Das Ventilspiel wird, wie oben angesprochen, manuell kontrolliert und eingestellt oder automatisch/hydraulisch. Zuerst soll auf die manuelle Ventiljustierung eingegangen werden. Die folgenden Abbildungen 11_61 und 11_62 zeigen die Möglichkeiten zur Justierung des Spiels bei den unterschiedlichen Varianten zur Ventilbetätigung.

    In der Regel arbeiten die Systeme mit Einstellschrauben, die gekontert werden. Eine Besonderheit stellt der Tassenstößel dar. Hier ist ein derartiges System nur schwerlich zu integrieren. Die Einstellung erfolgt hier über Abstandsplättchen, die in eine Vertiefung des Tassenstößels eingelegt werden. Sie können durch die Vertiefung nicht im Betrieb aus ihrem Sitz rutschen und haben eine definierte Dicke (siehe Abbildung 11_62). Dies bedeutet, wenn das Spiel ausgeglichen werden soll, so wird das aktuelle Spiel gemessen, das bestehende Ausgleichselement durch Herunterdrücken des Stößels entnommen und dessen Dicke gemessen. Unter Berücksichtigung des Zielwertes kann die neue Wunschdicke der Zwischenplatte ermittelt werden und aus einem entsprechenden Sortiment entnommen und eingelegt werden. Grundsätzlich bedient man sich bei der manuellen Einstellung einer Fühlerlehre, die die entsprechende Dicke aufweist, wie exemplarisch in Abbildung 11_63 dargestellt.

    Mechanische Ventilspiele sind sehr wartungsintensiv. Nach bestimmter Laufleistung, z. Bsp. 30.000 km, des jeweiligen Motors muss das Ventilspiel kontrolliert und nachgestellt werden. Daher wurde der wartungsfreie, hydraulische Ventilspielausgleich, wie in Abbildung 11_64 für den Tassenstößel dargestellt, entwickelt.

    Das Arbeitsprinzip der hydraulischen Ventilspielausgleichselemente basiert auf dem Öldruck, der im Motor erzeugt wird. Ein Druckbolzen wird mit geringem Spiel in einer becherförmigen Führungshülse geführt und bildet mit ihr den Arbeitsraum. Eine Spielausgleichsfeder (Schraubendruckfeder) im Inneren beaufschlagt den Bolzen, so dass der Hebel bzw. der Stößelkörper (beim Tassenstößel) immer spielfrei am Nocken anliegt. Im Druckbolzen befindet sich eine kleine Bohrung, die bei auflaufendem Nocken von einem Kugelventil (Rückschlagventil) verschlossen wird. Dadurch entsteht im mit Öl gefüllten Arbeitsraum zwischen Bolzen und Führungshülse eine hydraulisch starre Verbindung. Das gesamte Element verhält sich wie ein starrer Körper und drückt auf den Ventilschaft (beim Tassenstößel) beziehungsweise auf den Hebel (bei anderen Lösungen). Beim Ablaufen des Nockens drückt die Ausgleichsfeder den Druckbolzen nach oben. Im sich dadurch vergrößernden Arbeitsraum entsteht eine Sogwirkung, das Kugelventil öffnet und durch die Bolzenbohrung strömt Öl aus dem darüber liegenden Vorrats- oder Füllraum nach, bis der Bolzen wieder spielfrei anliegt. Im Betrieb auftretende Temperaturänderungen können bei den Bauteilen des Ventiltriebs geringe Größenänderungen (Wärmeausdehnung) verursachen. Diese werden ausgeglichen durch den so genannten Ringspalt, der durch den etwas kleineren Durchmesser des Druckbolzens mit der Führungshülse gebildet wird. Durch ihn kann überschüssiges Öl in geringen Mengen austreten. Als Hydraulikflüssigkeit dient das Motoröl, das ohnehin über die Druckumlaufschmierung dem Ventiltrieb zugeführt wird.