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Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
66 Konstruktionselemente von Konstruktionselemente von
HubkolbenmotorenHubkolbenmotoren
6.1 Kolben und Kolbenringe6.2 Pleuel6.3 Kurbelwelle6.4 Ventiltrieb6.5 Zylinderkopf6.6 Kurbelgehäuse und Zylinder
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
6.1 Kolben und Kolbenringe6.1 Kolben und Kolbenringe
6.1.1 Kolben-Hauptaufgaben und Beanspruchung-Begriffe und Kolbenhauptabmessungen-Kolbenkippen-Temperatur, Verformung und Kühlung-Werkstoffe und Fertigungsverfahren-Bauformen
6.1.2 Kolbenringe-Aufgabe von Kolbenringen-Kolbenringformen-Werkstoffe und Herstellung
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
6.1.1 Kolben6.1.1 Kolben
Hauptaufgaben des Kolbens:– Übertragung der Gaskraft– Aufnahme der Kolbenringe zur Abdichtung des
Brennraums gegenüber dem Kurbelgehäuse– Begrenzung und Gestaltung des Brennraums– kinematische Führung
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Beanspruchungen eines KolbensBeanspruchungen eines Kolbens
� Gas- und Massenkräfte� Wärmefluss vom Brennraum� Reibungskräfte am Schaft und in den Ringnuten� Kolbenkippen (Bewegungen quer zur Laufrichtung)
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Anforderungen an einen KolbenAnforderungen an einen Kolben
� Hohe Festigkeit bei möglichst kleiner Masse� Hohe zulässige Temperaturen durch geeignete Materialwahl, Kühlung und Formgebung (Wärmefluss)� Geeignetes Laufspiel bei allen Lastzuständen� Ruhiger Lauf durch Beschränkung des Kippens
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Begriffe und KolbenhauptabmessungenBegriffe und Kolbenhauptabmessungen
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
KolbenhauptabmessungenKolbenhauptabmessungen
0,15 – 0,220,06 – 0,100,055-0,07Bodendicke s/D (s/Dmax)0,20 – 0,350,20 – 0,350,25 - 0,35Nabenabstand AA/D0,5 – 0,650,4 – 0,50,55 – 0,7Schaftlänge SL/D1,75 – 3 mm1 - 1,75 mm1,2 –1,5 mmNutenhöhe für 1. Ring0,05 – 0,090,040-0,0550,045 – 0,061. Ringsteg ST/D4 – 15 mm2 – 8 mm2,5 - 3,5 mmFeuersteg F0,32 – 0,400,2 – 0,260,2 -0, 25Bolzendurchmesser BO/D0,5 – 0,60,3 – 0,450,4 – 0,55Kompressionshöhe KH/D0,8 – 0,950,6 – 0,70,8 - 1Gesamtlänge GL/D65 – 95 mm65 - 105 mm30 - 70 mmDurchmesser DViertakt (Pkw)ViertaktZweitaktDieselmotorenOttomotoren
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kolbenkippen in „Raten“ durch versetzte Kolbenkippen in „Raten“ durch versetzte
BolzenachseBolzenachse
Die höchsten auf den Kolben wirkenden Seitenkräfte treten im Expansionstakt kurz nach O.T. auf und führen zu einem heftigen Amlagenwechsel (Kippen). Dies kann durch eine druckseitige Versetzung (0,5-2%D) der Bolzenachse vermieden werden. Der Anlagenwechsel wird somit schon vor OT erzwungen.
Quelle: Pischinger
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Temperaturverteilung an einem Kolben Temperaturverteilung an einem Kolben
für einen Ottomotorfür einen Ottomotor
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Temperaturverteilung an einem Kolben Temperaturverteilung an einem Kolben
für einen Dieselmotorfür einen Dieselmotor
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kolbenverformung aufgrund ErwärmungKolbenverformung aufgrund Erwärmung
Quelle: Pischinger
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Schliffbild eines KolbensSchliffbild eines Kolbens
Quelle: Pischinger
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
BimetallregelkolbenBimetallregelkolben
Quelle: Pischinger
Geschlitzt, damit der Schaft frei arbeiten kann
Ins Leichtmetall eingegossene Stahleinlagen erzeugen einen Bimetall-Effekt, der die Ausdehnung senkrecht zur Bolzenachse verhindert und in Richtung der nicht tragenden Schaftpartie umgelenkt.
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Möglichkeiten der KolbenkühlungMöglichkeiten der Kolbenkühlung
Quelle: Pischinger
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kolbenwerkstoffe und Kolbenwerkstoffe und
FetrigungsverfahrenFetrigungsverfahren
� Die Anforderungen an einen Kolbenwerkstoff sind hohe Warmfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit, geringe Wärmeausdehnung und Dichte sowie gute Laufeigenschaften und geringer E-Modul� Überwiegend werden siliziumhaltige Aluminium-Legierungen eingesetzt� Kolben werden gegossen oder geschmiedet� Je nach Legierung und Herstellungsart erfahren Kolben eine ein- oder mehrstufige Wärmebehandlung� Die komplexen Außenformen werden auf CNC gesteuerten Formdrehmaschinen hergestellt
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Gegossener Gegossener VollschaftkolbenVollschaftkolben
Quelle: Mahle
Kolbenboden, Ringzone und Schaft bilden eine Einheit. Vollschaftkolbenhaben eine lange Lebensdauer und arbeiten in Otto und Dieselmotoren.
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Geschmiedeter Geschmiedeter VollschaftkolbenVollschaftkolben
Geschmiedete Vollschaftkolbenbesitzen eine höhere Festigkeit, was dünnere Wandstärken und somit geringeres Gewicht ermöglicht. Diese Kolben werden in hoch belasteten Serienmotoren oder in Rennmotoren eingesetzt.
Quelle: Mahle
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
AutothermikAutothermik®®--/ / HydrothermikHydrothermik®®--KolbenKolben
Quelle: Mahle
Eingegossene Stahlstreifen(hier nicht sichtbar)
Geschlitzter Übergang
Laufruhiger Kolben für den hauptsächlichen Einsatz im Pkw
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
AutothermatikAutothermatik®®--/ / HydrothermatikHydrothermatik®®--KolbenKolben
Quelle: Mahle
Eingegossene Stahlstreifen
Nicht geschlitzter Kolben für hoch belastete Otto- und Dieselmotoren
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
FormelFormel--1 Kolben1 Kolben
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Die Kompressionshöhe ist sehr gering und der Kolben extrem gewichtsoptimiert.
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
6.1.2 Kolbenringe6.1.2 Kolbenringe
Aufgaben von Kolbenringen:– Die Kompressionsringe dichten den Brennraum
zum Kurbelgehäuse ab– Der Ölabstreifring dichtet das Kurbelgehäuse
zum Brennraum ab– Die Kolbenringe regulieren den
Schmierölhaushalt an der Zylinderwand– Die Kolbenringen leiten Wärme vom Kolben in
die Zylinderwand ab
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kräfte am KolbenringKräfte am Kolbenring
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
KolbenringformenKolbenringformen
Quelle: Pischinger
Kompressionsringe Ölabstreifringe
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kolbenringwerkstoffe und Kolbenringwerkstoffe und
FertigungsverfahrenFertigungsverfahren
� Die Anforderungen an einen Kolbenringwerkstoff sind hohe Festigkeit, hohe Elastizität, geringer Verschleiß und geringe Reibung� Fast ausschließlich wird Grauguss eingesetzt� Nach dem Gießen werden die Ringe formgedreht und schließlich wird die Stoßöffnung herausgetrennt� Zur Verbesserung der Laufeigenschaften können die Kolbenringe oberflächenbeschichtet werden
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
6.2 Pleuel6.2 Pleuel
Hauptaufgaben des Pleuels:– Übertragung der Kolbenkraft und –bewegung auf
die Kurbelwelle– Gegebenenfalls Aufnahme von Bohrungen zur
Schmierölversorgung des Kolbens
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Begriffe und PleuelhauptabmessungenBegriffe und Pleuelhauptabmessungen
Quelle: Pischinger
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Wichtige Kriterien für die Gestaltung eines Wichtige Kriterien für die Gestaltung eines
PleuelsPleuels
� Ausreichende mechanische Festigkeit� Tragfähigkeit der Lagerstellen� Möglichst kleine Masse (Massenkräfte)� Optimale Länge (kurz wegen Motorhöhe und Masse, jedoch nicht zu kurz wegen Reibarbeit und Massenkräften 2. Ordnung)
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kolben und Pleuel eines Kolben und Pleuel eines SuperbikeSuperbike--
MotorsMotors
Quelle: Yamaha
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Pleuelwerkstoffe und FertigungsverfahrenPleuelwerkstoffe und Fertigungsverfahren
� Überwiegend werden Pleuels im Gesenkschmiedeverfahren hergestellt, ab es kommen auch Gießen und Sinterschmieden zum Einsatz� Als Schmiedewerkstoffe werden meistens mikrolegierte Stähle oder Kohlenstoff-Mangan Stähle verwendet� Als Gusswerkstoffe werden in erster Linie Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG-70) und Temperguss (GTS-70) verwendet� Für das Sintern stehen Pulvermetallwerkstoffe wie Sint F30 und F31 zur Verfügung� Im Rennsport sind Titanpleuels aufgrund der hohen Gewichtserleichterung weit verbreitet
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
6.3 Kurbelwelle6.3 Kurbelwelle
Hauptaufgaben einer Kurbelwelle:– Aufnahme und Übertragung der Pleuelkräfte– Übertragung des Drehmomentes zum
Schwungrad– Aufnahme von Ausgleichsmassen– Abtrieb für Ventiltrieb und Nebenaggregate– Aufnahme von Bohrungen zur
Schmierölversorgung der Lagerstellen
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Aufbau einer KurbelwelleAufbau einer Kurbelwelle
KurbelzapfenWellenzapfen
Kurbelwange
Gegengewicht freiesKurbelwellen-ende
Schwungrad-flansch
Ölkanal
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Wichtige Kriterien für die Gestaltung einer Wichtige Kriterien für die Gestaltung einer
KurbelwelleKurbelwelle
� Ausreichende mechanische Festigkeit in Bezug auf Biege- und Torsionsbeanspruchung infolge von Gas- und Massenkräften sowie überlagerten Drehschwingungen� Anzahl der Lagerstellen sowie Tragfähigkeit und Schmierung entsprechend der Belastung� Zylinderabstand entsprechend der Größe von Zylinderrohr und Kühlwasserraum bzw. entsprechend des Motorenkonzeptes (Reihen, Boxer- oder V-Motor)� Massenausgleich
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kurbelwellenwerkstoffe und Kurbelwellenwerkstoffe und
FertigungsverfahrenFertigungsverfahren
� Kurbelwellen werden gegossen oder geschmiedet� Bei gegossenen Kurbelwellen kommt Sphärogussoder Temperguss zum Einsatz� Bei geschmiedeten Kurbelwellen werden Vergütungsstähle wie z.B. Ck45 für niedrig-belastete oder z.B. 42CrMo4 für hochbelasteteWellen� Zur Erhöhung der Bauteilfestigkeit kann bei beiden Herstellungsverfahren eine Nachbehandlung wie z.B. das Radienrollen eingesetzt werden
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kurbeltrieb eines Motorradmotors mit Kurbeltrieb eines Motorradmotors mit
ungleichmäßiger Zündfolge („Big ungleichmäßiger Zündfolge („Big BengBeng“)“)
Quelle: Yamaha
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
6.4 Ventiltrieb6.4 Ventiltrieb
� Ventiltriebskonfigurationen und Nockenwellen� Tassenstößel� Ventile
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
VentiltriebskonfigurationenVentiltriebskonfigurationen
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Ventiltrieb mit oben liegender Ventiltrieb mit oben liegender
NockenwelleNockenwelle
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
TassenstößelTassenstößel
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Mechanischer Tassenstößelmit oben liegender Einstellscheibe
Mechanischer Tassenstößelmit gestufter Bodenstärke
Hydraulisch Tassenstößel
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Ventilaufbau und BezeichnungenVentilaufbau und Bezeichnungen
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Temperaturen an einem AuslassventilTemperaturen an einem Auslassventil
Quelle: Pischinger
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Ventilaufbau und VentilausführungenVentilaufbau und Ventilausführungen
Quelle: Mahle
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
6.5 Zylinderkopf6.5 Zylinderkopf
Hauptaufgaben des Zylinderkopfs:– Begrenzung des Arbeitsraumes– Abdichtung zum Zylinderrohr– Aufnahme der Kanäle, Zündkerze und/oder
Einspritzventil– Aufnahme der Ventiltriebskomponenten
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Beanspruchung des Zylinderkopfes im Beanspruchung des Zylinderkopfes im
BetriebBetrieb
� Gaskräfte� Einspannkräfte� Thermische Spannungen durch stark unterschiedlichen Wärmefluss von Brennraum, Auslasskanal, Ventilsitzen und –führungen zum Kühlmittel
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Einflussgrößen auf die ZylinderkopfEinflussgrößen auf die Zylinderkopf--
KonstruktionKonstruktion
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Werkstoffe und Fertigungsverfahren für Werkstoffe und Fertigungsverfahren für
ZylinderköpfeZylinderköpfe
� Aufgrund der besseren Wärmeleitfähigkeit und des geringeren Gewichtes werden im Pkw-Bereich heute fast ausschließlich Aluminiumlegierungen verwendet, während bei Großmotoren und Nutzfahrzeugen vielfach auch Gusseisenwerkstoffe zum Einsatz kommen.� Im Pkw-Bereich werden Zylinderköpfe überwiegend mit Kokillenguss hergestellt.
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Zylinderkopf eines Zweiventilmotors mit Zylinderkopf eines Zweiventilmotors mit
Rollenschlepphebeln (BMW V12)Rollenschlepphebeln (BMW V12)
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Zylinderkopf eines 4Zylinderkopf eines 4--Ventilmotors mit Ventilmotors mit
BenzindirekteinspritzungBenzindirekteinspritzung
Quelle: Porsche
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
6.6 Kurbelgehäuse und Zylinder6.6 Kurbelgehäuse und Zylinder
Hauptaufgaben des Kurbelgehäuses:– Lagerung der Kurbelwelle– Aufnahme von Gas- und Massenkräften– Aufnahme von Kühl- und Schmierkanälen– Aufnahme und Anschluss der Zylinder– Anschluss zu Getriebe, Ventilsteuerung und Nebenaggregaten– Verschluss des Kurbelraums nach außen– Anschluss zur Motorlagerung
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Beanspruchung des KurbelgehäusesBeanspruchung des Kurbelgehäuses
� Gaskräfte, die von der Zylinderkopfverschraubung und Kurbelwellenlagerung aufgenommen werden� Innere Massenkräfte und Massenmomente� Freie Massenkräfte und –momente, die von den Motorlagern aufgenommen werden� Innere Torsionsmomente zwischen den Zylindern� Reaktionskräfte in den Kurbelwellenlagern aufgrund des Kurbelwellendrehmomentes
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kurbelgehäuse HauptabmessungenKurbelgehäuse Hauptabmessungen
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
ClosedClosed Deck und Open Deck BauweiseDeck und Open Deck Bauweise
Closed Deck Open Deck
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Nasse und trockene ZylinderNasse und trockene Zylinder--
LaufbuchsenLaufbuchsen
Nasse Laufbuchse Trockene Laufbuchse
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Hauptlagerstuhl und HauptlagerdeckelHauptlagerstuhl und Hauptlagerdeckel
Quelle: van Basshuysen/Schäfer
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kurbelgehäusewerkstoffe und Kurbelgehäusewerkstoffe und
FertigungsverfahrenFertigungsverfahren
� Kurbelgehäuse kleinere und mittlerer Größe werden gegossen, bei Großmotoren werden auch Schweißkonstruktionen eingesetzt� Als Gusswerkstoffe werden verschiedene Gusseisenwerkstoffe oder Leichtmetalllegierungen eingesetzt� Je nach Konstruktion und Werkstoff kommen unterschiedliche Giesverfahren zum Einsatz, wie beispielsweise Druckguss, Kokillenguss oder Sandguss
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Zylinderrohrwerkstoffe und Zylinderrohrwerkstoffe und
ZylinderrohrlaufflächeZylinderrohrlauffläche
� Zylinderrohre sind entweder integraler Bestandteil des Kurbelgehäuses oder bestehen aus nassen bzw. trockenen Buchsen� Zylinderrohrwerkstoffe sind Grauguss oder Aluminiumlegierungen mit entsprechender Beschichtung� Nach dem Feindrehen oder –bohren wird die Zylinderlauffläche gehont (Schneidbewegung, die sich durch Überlagerung von einer rotierenden und translatorischen Bewegung des Werkzeugs ergibt)� Die Honriefen haben eine mittlere Rautiefe von 4 -10 μm und beeinflussen den Ölhaushalt der Zylinderlauffläche
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
HonenHonen eines Zylinderseines Zylinders
Quelle: MSI
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kurbelgehäuse und Zylinder eines 4Kurbelgehäuse und Zylinder eines 4--
Zylinder ReihenmotorsZylinder Reihenmotors
Quelle: Nagel
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog
Kurbelgehäuse und Zylinder eines V8Kurbelgehäuse und Zylinder eines V8--
MotorsMotors
Quelle: MSI
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