Hubkolbenmotor

Ein Hubkolbenmotor ist ein Motor, der die Volumenänderung eines Gases in eine Drehbewegung umsetzt. HKM.gif

Funktionsprinzip

Die Ausdehnung des Gases in einem Zylinder verrichtet Arbeit an einem Kolben, die durch eine Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen wird. So wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgesetzt (Abb. 1).

Beispiele für Hubkolbenmotoren sind:

der Verbrennungsmotor
- als Dieselmotor
- als Ottomotor
die Wärmekraftmaschine Stirlingmotor,
der Dampfmotor
der Gasexpansionsmotor

Massenkräfte

In Folge der Hubbewegung der Kolben und Pleuel sowie infolge des ungleichförmigen Übertragungsverhaltens des Kurbeltriebs treten Massenkräfte auf, die sich in den Motorlagern abstützen und benachbarte Strukturen zu Schwingungen anregen.

Die Massenkräfte der linear bewegten Teile des Kurbeltriebes (oszillierende Massen) lassen sich durch folgende Formel näherungsweise berechnen:

$\mathbf{F_{\rm osz} = m_{\rm osz} \cdot r \cdot \omega^{\rm 2} \cdot (\cos \omega t + \lambda \cos 2 \omega t) }$

$\mathbf{F_{\rm osz}}$ : Oszillierende Massenkraft
$\mathbf{m_{\rm osz}}$ : Oszillierende Masse
$\mathbf{r}$ : Kurbelradius
$\mathbf{\omega}$ : Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle
$\mathbf{\lambda = {r \over l}}$ : Verhältnis von Kurbelradius zu Pleuellänge
$\mathbf{t}$ : Zeit seit Durchlaufen des oberen Totpunktes

Hierbei sind die beiden Teile innerhalb der Klammer zu beachten, $\mathbf{\cos \omega t}$ ergibt die Massenkraft 1. Ordnung, $\mathbf{\lambda \cos 2 \omega t}$ ergibt die Massenkraft 2. Ordnung. Die Massenkraft 2. Ordnung oszilliert mit doppelter Kurbelwellendrehzahl, kann also nur mittels Ausgleichswellen oder Mehrzylinderanordnungen (mindestens 6 Zylinder) kompensiert werden.
Theoretisch treten nicht nur 1. und 2. Ordnung auf, sondern unendlich viele Ordnungen, die jedoch ab der 3. Ordnung aufgrund ihrer geringen Größe meistens vernachlässigbar sind.

Massenausgleich

Lanchester-Ausgleich.jpgDie rotierenden Massen des Kurbeltriebs können durch Gegengewichte an der Kurbelwelle ausgeglichen werden. Oszilierende Massenkräfte 1. und 2. Ordnung können bei Mehrzylindermotoren durch eine geschickte Anordnung der Zylinder vermieden oder vermindert werden. Bei Reihenmotoren mit weniger als 6 Zylindern und V-Motoren mit weniger als 8 Zylindern kommen oft Ausgleichswellen zum Einsatz.
Um Massenkräfte 2. Ordnung auszugleichen benötigt man mindestens 6 Zylinder beim Reihenmotor oder 8 Zylinder beim V-Motor, oder Ausgleichswellen, auf denen entsprechende Ausgleichsunwuchten mit doppelter Kurbelwellen-Drehzahl umlaufen (zum Beispiel Lanchester-Ausgleich (Abb.2)).

Drehungleichförmigkeit

Da Hubkolbenmotoren nicht wie etwa Turbinen kontinuierlich laufen, sondern einen in verschiedene Takte aufgeteilten Prozess durchlaufen, kommt es an der Kurbelwelle zu einer Drehzahl- und Momentenpulsation, die um einen stationären Mittelwert schwankt (Abb. 3). Drehungleichfoermigkeit.jpg

Die Form der Drehunförmigkeit wird bestimmt durch die Geometrie und Massen der Motorbauteile, dem Druckverlauf im Zylinder sowie dem Arbeitsverfahren (Zweitakt- bzw. Viertaktverfahren) sowie dem Betriebspunkt (Last/Drehzahl) des Motors. Der Nebenantrieb der Nockenwelle und der Sekundärantrieb von Nebenaggregaten können ebenfalls einen Einfluss haben.

Diese sog. Drehungleichförmigkeit ist die Ursache für Torsions-Schwingungen im nachgeschalteten Antriebsstrang, die häufig auch zu unangenehmen Motorgeräuschen führen. Um diese zu reduzieren kommen Zweimassenschwungräder oder Torsionsschwingungs-Tilger beziehungsweise -Dämpfer zum Einsatz.

Literatur

Richard van Basshuysen; Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. Wiesbaden: Vieweg, 3. Auflage 2005, ISBN 3528239336

Eduard Köhler: Verbrennungsmotoren. Motormechanik, Berechnung und Auslegung des Hubkolbenmotors. Wiesbaden: Vieweg, 3. Auflage 2002, ISBN 3528231084

Weblinks

^* Sehr gute Erklärung zu Motorbauformen und deren Vibrationen