Verbrennungsmotoren: Band 3 Konstruktion 978-3-540-51230-1, 978-3-642-97181-5

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Hochschultext

Alfred Urlaub

Verbrennungsmotoren Band 3 Konstruktion

Mit 138 Abbildungen

Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork London Paris Tokyo Hong Kong 1989

Prof. Dr.-lng.Alfred Urlaub Institut furVerbrennungskraftmaschinen und Flugtriebwerke Technische Universitat Braunschweig

CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Urlaub, Alfred: Verbrennungsmotoren/Alfred Urlaub. Berlin; Heidelberg; NewYork; London; Paris; Tokyo; Hong Kong: Springer 1989 (Hochschultext) Band 3: Konstruktion.-1989. ISBN-13: 978-3-540-51230-1 001: 10.1007/978-3-642-97181-5

e-ISBN-13: 978-3-642-97181-5

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Vorwort

In diesem dritten und letzten Band der kleinen Schriftenreihe iiber das Fachgebiet der Verbrennungsmotoren hat der Verfasser nun auch noch die von ibm an der Technischen Universitat Braunschweig abgehaltenen Vorlesungen iiber die Motorkonstruktion, in denen zur Themeneingrenzung bei den Gestaltungsfragen nur die Pkw- und Nutzfahrzeugmotoren beriicksichtigt werden, zu einem Buch ausgearbeitet. In Anpassung an den zeitlich verfiigbaren Vorlesungsrahmen wurde versucht, den in einer sehr umfangreichen Spezialliteratur behandelten Stoff wichtiger Teilgebiete der Bauteilgestaltung und Bauteilberechnung so zusainmenzustellen, daB die konstruktiven und rechnerischen Grundlagen in einer zwar stark komprimierten, aber doch umfassenden und flir eine Informationsbasis auch ausreichend detaiIlierten Form erlautert werden. Das Buch soIl in erster Linie dem Studenten eine weitere Lernhilfe bieten. Daneben kann es aber auch den jungen Motorenkonstrukteur mit der VielfaItigkeit seines Aufgabenbereichs vertraut machen und ibm einen zusammenfassenden Uberblick geben iiber die konstruktiven Berechnungsgrundlagen. Der Verfasser mochte auch an dieser Stelle der Motorenindustrie seinen Dank aussprechen fUr die Bereitstellung von Zeichnungsunterlagen, mit denen viele Einzelheiten der konstruktiven Ausflihrung moderner Verbrennungsmotoren wiedergegeben werden konnten. Den Herren Dipl.-Ing W.Aberle und Dipl.-Ing. U. Thiesen sei gedankt fUr die kritische Textdurchsicht und HerrnH.-W. Quast fUr die sorgfaItige Ausarbeitung des Bildmaterials.

Sickte, im Friihjahr 1989

Alfred Urlaub

Inhaltsverzeichnis

1

2

. . .

1

1.1 Konstruktionsvorbereitungen

1

1.2 Konstruktionsablauf

6

EinfUhrung

.

. . . .

• • • •

Triebwerksdynamik. . • . . .

. .

2.1 Bewegungsverhaltnisse und Kdifte am Kurbeltrieb •

4

.. .

8 15

2.3 Drehmomentenausgleich

33 43

.

Kolben

77

3.1 CJestaltung

77

3.2 Berechnung

87

. . . .

98

Plenel

4.1 CJestaltung

5

. .

2.2 Massenausgleich

2.4 Torsionsschwingungen

3

8

. . . . . .

. .. . ... .

98

4.2 Berechnung

104

Knrbelwelle . .

116

5.1 CJestaltung

116

5.2 Berechnung

. ..

.

124

6

..

Lager

7

8

133

6.1 Gestaltung

133

6.2 Berechnung

135

Kurbelgehiiuse

148

7.1 Gestaltung

148

7.2 Berechnung

163

. . .

167

Zylinder

167

8.1 Gestaltung

...

8.2 Berechnung

9

.

170

172

Zylinderkopf

.

9.1 Gestaltung

•

172 184

9.2 Berechnung

187

10 Ventiltrieb

....

10.1 Gestaltung

187

10.2 Berechnung .

194

11 Motorgesamtauibau

206

11.1 Pkw-Motoren

206

11.2 Nutzfahrzeugmotoren

213

Literaturverzeichnis

Sachverzeichnis

..

• .

. • • • • • .

. • .

. • • .

• • • • . "

. . . . . .. . .. . .. . .. . .... ..

220

226

1

Einfiihmng

1.1 Konstruktionsvorbereitungen

Vor Beginn der konstruktiven Entwicklung eines neuen Motors oder einer neuen Motorenbaureihe sind bereits etliche Vorentscheidungen zu treffen, die das Baukonzept ganz erheblich beeinflussen. Die wichtigste Konstruktionsgrundlage ist das Lastenheft, in dem die an die Neuentwicklung gestellten Anforderungen detailliert beschrieben und quantifiziert werden. Neben der Realisierung der geplanten Leistungsdaten und der Erfiillung alier gesetzlichen Vorschriften betreffen solche Forderungen z.B. den spezifischen Kraftstoffverbrauch, die Drehmomentcharakteristik, die Wartungsanspriiche, die Lebensdauer, das Kaltstartverhalten, die Motorleistung unter veranderten, yom Normzustand abweichenden Umgebungsbedingungen, das Vibrationsniveau, das Leistungsgewicht und die durch den verfiigbaren Einbauraum vorgegebenen Grenzen der auBeren Motorabmessungen. Bei der zahlenmaBigen Festlegung dieser Giitekriterien wird man sich zwar auch an den entsprechenden Werten neuer - und griindlich untersuchter - Konkurrenzprodukte orientieren. Dariiber hinaus sind aber unter Beriicksichtigung der Entwicklungszeit und einer wirtschaftlich vertretbaren Mindestnutzungsdauer alier motortyp- bzw. baureihenspezifischer Fertigungseinrichtungen auch schon die voraussichtlichen Marktsituationen der kommenden Jahre einzukalkulieren. Vorgaben, die eine den Marktbediirfnissen angepaBte Weiterentwicklung hemmen konnten, sind also genauso zu vermeiden wie unrealistische oder mit dem festgelegten Kostenrahmen unvereinbare Zielsetzungen. Dabei kann es allerdings auch notwendig sein, den konstruktiven Freiraum durch Auflagen zur Nutzung bereits vorhandener Bearbeitungsanlagen einzuengen. Weitere Lastenheftangaben beziehen sich auf die fUr die Wahl der Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren besonders wichtigen Stiickzahlplanungen, auf die Entwicklungstermine, auf die in Aussicht genommenen Nebeneinsatzgebiete oder auch auf Variationsmoglichkeiten. So wird beispielsweise bei Pkw-Antrieben oft vorausgesetzt, daB sie mit ei-

2 nem Minimum an BauteiHinderungen bzw. an fertigungstechnisch notwendigen Modifikationen in einer Otto- und Dieselmotorenausfiihrung produziert werden konnen. Schon dieser kurze Uberblick macht deutlich, daB die Erstellung eines in allen Teilen auBerst sorgfrutig durchdachten, zukunftsorientierten, in den Forderungen aber auch ausgewogenen Lastenheftes nur in einer Zusammenarbeit der Experten vieler Spezialabteilungen erfolgen kann. Es ist auch verstandlich, daB das Ergebnis dieser gemeinsamen Vorarbeiten oft nur ein, bestenfalls von allen Beteiligten gutgeheiBener, KompromiB sein wird. Zur Einleitung der Entwurfsarbeiten ist eine Reihe grundsatzlicher Gestaltungsdetails vorzugeben, von denen nachfolgend nur einige der wichtigsten angefiihrt werden sollen. Ausgehend von den Leistungs- und Nenndrehzahlangaben des Lastenheftes und von der hier nur fUr den Viertaktmotor angeschriebenen - Leistungsformel

(1.1)

mit den Abkiirzungen Pe VH Pe n z

= Leistung in kW, = Hubraum eines Zylinders in 1, = mittlerer effektiver Druck in bar,

= Drehzahl in 1/min, = Zylinderzahl,

besteht der erste Schritt in der Festlegung der Hauptabmessungen d (Zylinderdurchmesser) und s (Kolbenhub). Mit dem Hinweis auf die ausfiihrlichen Leistungsbetrachtungen in [1] sei hier nur kurz erwahnt, daB bei der Wahl dieser Hauptabmessungen aIle verfahrensund betriebstechnischen EinfluBfaktoren zu beriicksichtigen sind, die den mittleren effektiyen Druck, die mittlere Kolbengeschwindigkeit und den Variationsbereich des Hub-Bohrungsverhaltnisses begrenzen. Die Motorbauform (Bild 1.1) ist ill aligemeinen schon durch das Lastenheft vorgegeben. Die haufigste Zylinderanordnung ist die des Reihenmotors, den man bei Fahrzeugantrieben nicht nur aus Einbaugriinden, sondem auch wegen der bei zu langen Kurbelwellen kaum noch beherrschbaren Torsionsschwingungen (siehe Kap. 2.4 und 5.2) mit maximal sechs Zylindem ausriistet. GroBere Zylinderzahlen verlangen den Einsatz eines V-Motors, bei dem an einer Kurbelkropfung jeweils zwei Pleuelstangen - meist nebeneinander an einem Hubzapfen - angreifen. In einigen wenigen Fallen verwendet man auch die Boxerbau-

3

Reihenmotor

V-Motor

Boxermotor

Bild 1.1. Motorbauformen

art, bei der, im Gegensatz zum V-Motor, jeder Pleuelstange eine Kurbelwellenkropfung zugeordnet ist. Wenn auch die Bauform in der Regel schon im vorhinein festliegt, so hat man aber bei Mehrzylindermotoren noch zu entscheiden iiber die Anordnung der Kurbelkropfungen und bei V-Motoren auch iiber den Gabelwinkel. Kriterien hierfUr sind neben einer moglichst gleichmaBigen Ziindfolge die Qualitat des Massenausgleichs (siehe Kap. 2.2), die Lagerbelastungen (siehe Kap. 6.2) und das Drehschwingungsverhalten der Kurbelwelle. AuBerdem ist bei abgasturboaufgeladenen Motoren auch Riicksicht zu nehmen auf eine geeignete Zusammenfassung der Abgasleitungen. Der Gabelwinkel von V-Motoren, der auch durch den verfUgbaren Einbauraum mitbestimmt werden kann, wird bei einer Baureihe aus fertigungstechnischen Grunden natiirlich fUr alle Zylinderzahlen mit einem einheitlichen Wert festgelegt. Die bei Reihenmotoren unterschiedliche Betriebslage der Zylinderachsen ist bereits durch den Einsatzfall vorgeschrieben. Die hiiufigste Variante ist der mit vertikalen Zylinderachsen und obenliegendem Zylinderkopf montierte, stehende Motor. Als Unterflurmotor (z.E. fUr den Einbau in Autobussen) gelangt aber auch die Wher nur bei Stationarmotoren anzutreffende, liegende Bauart zur Anwendung. SchlieBlich konnen die zur Verringerung des Luftwiderstandsbeiwertes in der Rohe oft sehr knapp bemessenen Einbauraume von PkwMotoren auch eine geneigte Motorlage erforderlich machen. Neben dem Kolbenhub und der ZylinderbohrungsgroBe sind auch die Pleuelstangenlange und die Zylinderabstande mitbestimmend fUr die erzielbaren Motorgesamtabmessungen (und Motorgewichte). Kurze Pleuelstangen ergeben zwar geringe Motorbauhohen, ver-

4 starken aber die Kolbengleitbahn-Normalkriifte und die Massenkriifte zweiter Ordnung (siehe Kap. 2.1). Die heute iiblichen Werte fUr das sogenannte Pleuelstangenverhaltnis Ap = r/lp (r = Kurbelradius, lp = Mittenabstand der beiden Pleuelaugen) sind in TabelIe 1.1 zusammengestellt. Wie man sieht, sind sie fast unabhangig von der Motorenart. Die kleinen Unterschiede ergeben sich im wesentlichen durch die dem Verbrennungsverfahren angepaBte Formgebung des Kolbenbodens. Tabelle 1.1. Pleuelstangenverhaltnisse (Mittelwerte) Motorart Ap

Ottomotor 0,28

Pkw-Dieselmotor Nfz-Dieselmotor 0,31 0,30

Die - zumindest vorlaufige - Festlegung des Zylinderabstandes erfordert zunachst eine Entscheidung iiber die Ausfiihrung der Zylinderlaufbiichsen. Von den in Bild 1.2 schematisch dargestellten Varianten wird die integrale Bauweise, bei der die Zylinder und das Kurbelgehause eine GuBeinheit bilden, fur den Einsatz in Pkw-Motoren bevorzugt. Ohne Er6rterung der Vor- und Nachteile der verschiedenen Konstruktionen, mit denen wir uns in Kap. 8.1 beschaftigen werden, sei hier nur festgestellt, daB mit der integralen Bauweise die kleinsten Zylinderabstande verwirklicht werden k6nnen, siehe Tabelle 1.2. Der Einsatz trockener Zylinderlaufbiichsen ergibt aber nur wenig gr6.Bere Abstandswerte. Nutzfahrzeug-Dieselmotoren werden heute vornehmlich mit nassen Zylinderlaufbiichsen ausgerii-

az d

I I

ｦｾ＠

J=

--

d

I ｾ＠

--

I

-

I

I

-

I

Integral

d

-

-

｜ｾ＠

az

-

.:

---

az

(

ｾ＠

1 Trocken

I

Bild 1.2. Zylinderlaufbiichsen wassergekiihlter Motoren

Nan

5 Tabelle 1.2. Relative Zylinderabstande (Mittelwerte) Motorbauart Zylinderbiichse az/d

R-Motor integral trocken naB 1,17 1,19 1,25

V-Motor integral naB 1,23 1,30

R-Motor V-Motor luftgekiihlt 1,30 1,35

stet. Dabei kann der Zylinderabstand aber auch durch die Abmessungen der bei gro13eren Motoren iiberwiegend angewandten Einzelzylinderkopfe bestimmt werden. Das gilt auch fUr luftgekiihlte Reihenmotoren, wahrend der Zylinderabstand von V-Motoren abhangig ist von der Kurbelwellendimensionierung (Lange des Kurbelzapfens). Eine weitere Entscheidung betrifft die gerade schon angesprochene Ausfiihrung des Zylinderkopfes (siehe Kap. 9) entweder als Einzelkopf oder als eine mehrere oder alle Zylinder einer Reihe abdeckende Blockkonstruktion. Festzulegen ist auch das Konzept der Ventilsteuerung. Fiir die Lage der Nockenwelle wird bei Pkw-Motoren fast nur noch die ohc-Anordnung (over head camshaft) gewahlt, mit der die bei hohen Drehzahlen besonders strengen Forderungen nach moglichst geringer Masse und hoher Steifigkeit der Dbertragungselemente am besten zu erfiillen sind. Dagegen arbeitet man bei den langsamer laufenden Nutzfahrzeug-Dieselmotoren mit Nockenwellen, die im Kurbelgehiiuse gelagert sind. (Bei Verwendung von Einzelzylinderkopfen ist eine ohc-Steuerung ohnehin auszuschlle13en.) Zu kUiren sind dann die Fragen nach der Art und Anordnung des Nockenwellenantriebes und nach der Anzahl der VentHe. Fiir den Antrieb obenliegender, d.h. bier im Zylinderkopf gelagerter, Nockenwellen werden nur noch Rollenketten oder Zahnriemen verwendet. Der Antrieb untenliegender Nockenwellen erfolgt bei groBeren Dieselmotoren immer iiber Zahnriider, die hier auch rur die Dbertragung der sehr groBen EinspritzpumpenSpitzendrehmomente und der z.T. sehr leistungsstarken Nebenabtriebe benutzt und benotigt werden. Die unter dem Aspekt einer moglichst drehschwingungsfreien - und damit u.a. gerauscharmen - Drehmomenteniibertragung giinstigste Anordnung des Steuerungsantriebsrades im Bereich des Drehschwingungsknotens auf der Kupplungsseite der Kurbelwelle ist wegen ihrer Nachteile (z.B. schlechtere Zuganglichkeit des Riidertriebs, geringere Freiziigigkeit bei der Dimensionierung der Antriebsriider) nur bei groBeren Nutzfahrzeugmotoren anzutreffen. Die bei Pkw-Ottomotoren erst in jiingster Zeit eingefiihrten, mehrventiligen Ein- und AuslaBsteuerungen sind natiirlich wesentllch aufwandreicher als die ZweiventH-Konstruktionen. Thre Vorteile (Verbesserung des Liefergrades und Verringerung der Ladungswechselarbeit durch die Vergro13erung der Stromungsquerschnitte, ErhOhung der Klopffestigkeit

6 des Brennraums durch die bei zentraler Ziindkerzenlage verkiirzten Brennwege [1]) werden jedoch in zunehmendem MaBe genutzt. Als letzte, die Konstruktion aber entscheidend beeinflussenden Gestaltungsvorgaben seien schlieBlich noch die in den Lastenheftforderungen ebenfalls schon implizierten, materialbezogenen Angaben insbesondere iiber die Ausfiihrung des Zylinderkopfes und des Kurbelgehauses erwiihnt. Soweit es die Beanspruchungsverhaltnisse zulassen, werden die Zylinderk6pfe heute auch bei wassergekiihlten Motoren meist aus Leichtmetallegierungen gefertigt, die nicht nUT Gewichtseinsparungen, sondern aufgrund ihrer gegeniiber GuBeisen wesentlich hOheren Warmeleitfahigkeit auch eine Vergleichma6igung der Bauteiltemperaturen erm6glichen. (Verringerung der Klopfgefahr bei Ottomotoren durch den Abbau 10kaler Brennraumwand-Temperaturspitzen [1].) Die gr6Bten Gewichtsvorteile sind natiirlich zu erzielen, wenn auch das Kurbelgehiiuse als ein LeichtmetallguBteil ausgebildet wird. Die Materialfragen betreffen selbstverstandlich noch eine Vielzahl anderer Bauelemente, k6nnen aber z.T. erst anhand der Ergebnisse umfangreicher Labor- und Priifstandsuntersuchungen endgiiltig entschieden werden.

1.2 KOBstrnktionsablaur

Nach Festlegung der das Grundkonzept beschreibenden Gestaltungsmerkmale beginnt die - heute schon weitgehend rechnerunterstiitzte - Konstruktionsphase mit der Erarbeitung von Entwiirfen fiir den Gesamtaufbau des Motors und mit den dazu notwendigen Einzeluntersuchungen iiber die Ausfiihrung des Triebwerks, der Zylinder, des Kurbelgehiiuses, des Zylinderkopfes, der Ventilsteuerung, iiber die Anordnung der Hilfsgerate usw. Anhand dieser Vorentwiirfe kann dann eine Entscheidung getroffen werden iiber die als beste Lasung zu betrachtende Konstruktionsvariante, die schlieBlich nach weiterer Ausarbeitung die Basis fiir die nachfolgenden Detailkonstruktionen darstellt. Es ist selbstverstandlich, daB man sich bei jeder Entwurfseinzelheit darum bemiihen wird, die Forderungen nach einer

* funktionsgerechten,

* beanspruchungsgerechten, * fertigungsgerechten, * montagegerechten,

7

* wartungsgerechten und * reparaturgerechten Konstruktion optimal zu erfiillen. Es diirfte aber auch klar sein, daB die Arbeitsergebnisse diesem Anforderungskatalog nur dann gerecht werden konnen, wenn die GestaltungsvorschUige sehr eingehend mit den jeweils zustandigen Fachleuten des Motorenversuchs, des Werkstofflabors, der GieBerei, der mechanischen BearbeitungswerksHitten und des Montagebereichs besprochen, die Kalkulationsabteilungen friih genug eingeschaltet und neben allen einbautechnischen Gesichtspunkten auch die Erfahrungen der Kundendienste beriicksichtigt werden. Dariiberhinaus verlangt der KonstruktionsprozeB - genauso wie die spiitere Erprobungsphase - eine intensive Zusammenarbeit mit der Zulieferindustrie, die eine Vielzahl von Motorbauelementen bereitstellt. Dabei handelt es sich z.E. urn

* Kraftstoffeinspritzanlagen,

* Vergaser, * Ziindanlagen, * Kolben mit ZubehOr,

* Lagerschalen, * Ventile mit Zubehor,

* Dichtungen, * Wiirmetauscher, * Filter, * Aufladeeinrichtungen. Da auch diese Bauelemente und Baugruppen standig weiterentwickelt werden, sind genaue Kenntnisse iiber den aktuellen Stand der Technik und iiber Entwicklungstendenzen in der Zulieferindustrie zur Realisierung eines fortschrittlichen Motorkonzeptes unerliiBlich. AbschlieBend sei noch erwiihnt, daB man einen neuen Motor oft zuniichst als Einzylindervariante konstruiert und fertigt, urn damit in der Motorversuchsabteilung vor allem verfahrenstechnische Experimente durchzufiihren, deren Ergebnisse dann bei der Vollmotorenkonstruktion noch beriicksichtigt werden konnen.

2

Triebwerksdynamik

2.1 Bewegungsverhiiltnisse und Kriifte am Kurbeltrieb

Das Kurbelgetriebe eines Tauchkolbenmotors setzt sich zusammen aus dem Kolben, der am Kolbenbolzen und am Kurbelzapfen angreifenden Pleuelstange und der Kurbelwelle. Der Kolben, der hier - anders als bei Kreuzkopfmotoren - auch die Geradfiihrung iibernimmt, macht nur eine hin- und hergehende (oszillierende) Bewegung, wahrend sich die Kurbelkropfung, bestehend aus dem Wellenzapfen, den Kurbelwangen und dem Kurbelzapfen, nur drehend urn die Kurbelwellenachse bewegt. Dagegen fiihrt die Pleuelstange, die die oszillierende Kolbenbewegung in die Rotationsbewegung der Kurbelwelle umsetzt, eine schwingende Bewegung aus, wobei die mit dem Kolben geradgefiihrte Teilmasse oszilliert, die am Kurbelzapfen befindliche Teilmasse mit der Welle rotiert und der Schwerpunkt eine ellipsenahnliche Bahn beschreibt. Mit den Bezeichnungen von Bild 2.1, das einen normalen Kurbeltrieb darstellt (die Zylinderachse schneidet die Kurbe1wellenachse), gilt fUr den vom oberen Totpunkt aus gerechneten Kolbenweg x =r+ I-r COS\j) -I cos X

(Wir verwenden hier die iibliche Abkiirzung x fii.r den Kolbenweg, obschon wir spater die Richtung der Kurbelwellenachse als x-Koordinate einfiihren werden.) Zwischen dem Kurbelwinkel \j) und dem Pleuelstangen-Schwenkwinkel X besteht der Zusammenhang r sin\j)= 1 sin X •

(2.1)

Mit Beriicksichtigung von cos X = 11-sin 2

x

(2.2)

und Einfiihrung des bereits definierten Pleuelstangenverhaltnisses Ap erhaIt man fii.r den Kolbenweg die exakte Formel

9

o.T. x -L....C---t----{Dr'

Bild 2.1. Schema eines Kurbeltriebs

(2.3)

Zur Erleichterung weiterfiihrender Rechnungen ersetzen wir den Wurzelausdruck durch die Mac Laurin-Reihe

(2.4)

Mit den trigonometrischen Beziehungen

gilt dann flir den Kolbenweg

10

x =r [ 1 +

t

A

3A

3

+ 6: + ..•. -cos IP

(2.5)

Fill den theoretischen Grenzfall einer unencllich langen Pleuelstange ( f... p = 0) erhalt man natiirlich einen rein harmonischen Bewegungsablauf, dem sich im Realfall geradzahlige Harmonische h6herer Ordnung uberlagern. Es ist aber im allgemeinen v6llig ausreichend, in Gleichung 2.4 nur die ersten beiden Reihenglieder, d.h. nur noch die Harmonische zweiter Ordnung, zu berucksichtigen und fur den Kolbenweg anzuschreiben

X :::

r ( 1 + ｾ＠

- cos IP -

At

(2.6)

cos 21P )

Die Kolbengeschwindigkeit erhalt man dann aus _ dx ＠ｾ _ (. Ap. _ ｾ＠ c - dt - dIP dt -rw slnlP+2 sm21P

(w

)

(2.7)

= Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle) und die Kolbenbeschleunigung aus

dt::: r w2 ( coslP+ ..I\p

dc dc d,o a = CIT = dIP

cos 21P

)

(2.8)

Die Bilder 2.2 bis 2.4 zeigen Beispiele fur den Verlauf der relativierten Werte des Kolbenwegs, der Kolbengeschwindigkeit und der Kolbenbeschleunigung als Funktion des Kurbelwinkels. Zur Verdeutlichung des Einflusses der endlichen Pleuelstangenlange sind hier jeweils auch die Kurvenverlaufe fur f...p = 0 mit eingezeichnet. Wie aus den ersten beiden Bildern hervorgeht, erreicht die Kolbengeschwindigkeit etwa in der Halfte des Kolbenhubs ein Maximum. Wichtiger ist aber die Feststellung, daB die Kolbenbeschleunigungen und darnit auch die oszillierenden Massenkrafte im Bereich der o.T.-Stellung des Kolbens durch die endliche Pleuelstangenlange, d.h. durch die Wirkung der Harmonischen zweiter Ordnung, deutlich verstarkt werden. Fur die im Kurbeltrieb auftretenden und in Bild 2.5 dargestellten Krafte bzw. Kraftkomponenten wollen wir folgende Abkiirzungen einfiihren:

11

2 x r

1

90

180

ＲＷＰｾＳＶ＠

°KW Bild 2.2. Relativer Kolbenweg als Funktion des Kurbelwinkels

A.1"=O,30 --A.I"=O

1 ...f....

rw

ｏｾＭＬ＠

90

-1

Bild 2.3. Relative Kolbengeschwindigkeit als Funktion des Kurbelwinkels

1

-

-

A.p= 0,30 A.p= 0

a rw 2 0

-1

180

360

,_ ......

Bild 2.4. Relative Kolbenbeschleunigung als Funktion des Kurbelwinkels

12

h

Bild 2.5. Krafte am Kurbeltrieb

Fg = Gaskraft, F mh = Tragheitskraft des Kolbens und der mit ihm hin- und hergehenden Massen, FK = Kolbenbolzenkraft als Vektorsumme von F g und Fmh' FN = Kolbengleitbahn-Normalkraft, Fs = Pleuelstangenkraft, = Radialkraft, FR = Tangentialkraft, FT F mPr = Massenkraft (Fliehkraft) der mit dem Hubzapfen rotierenden Pleuelteilmasse, = Hubzapfenlagerkraft als Vektorsumme von Fs und F mPr' FH F mr = Massenkraft (Fliehkraft) aller um die Kurbelwellenachse rotierenden Unwuchtmassen, = Grundlagerkraft als Vektorsumme von F s und Fmr· FG Fur die Pleuelstangenkraft gilt

13

F

--DL

s - cosx

oder mit Beriicksichtigung von (2.1) und (2.2)

(2.9)

Die Reihenentwicklung ergibt

(2.10)

Die Pleuelstangenkraft unterscheidet sich also nur sehr wenig (maximal urn. etwa 5 %) von der Kolbenbolzenkraft, so daB naherungsweise auch mit Fs =FK gerechnet werden kann. Fiir die Kolbengleitbahn-Normalkraft

erhillt man mit (2.1) und (2.2)

(2.11)

oder angenahert

(2.U)

So wie die Massenkrafte zweiter Ordnung nehmen also auch die Kolbenseitenkrafte etwa linear mit dem Pleuelstangenverhilltnis zu. Auf diese negativen Wirkungen zu kurzer Pleuelstangen wurde schon in der Einfiihrung hingewiesen. Die Tangentialkraft

14

F =F sin (IJ)+XI =F T

5

K

sin(p+XI cos X

berechnet sich mit den Umformungen sin (19+ Xl = sinlJ) cosX + ｃｯｳｾ＠

ｳｩｮｬｊＩ｣ｯｾ＠

=

t

sin X

sin 21P

aus der Gleichung

(2.13)

oder naherungsweise aus

(2.14)

SchlieBlich kann noch fUr die Radialkraft

mit der weiteren Umformung COS

(IJ)+XI =coslJ)cosX -sinlJ)sinx

angeschrieben werden

(2.15)

oder angenahert

(2.16)

15 Die Tangentialkraft erzeugt an der Kurbelwelle das Drehmoment (2.17)

Dabei wirkt auf das Kurbelgehause das von der auBeren Motorlagerung aufzunehmende und mit dem Kurbelwellendrehmoment veranderliche Reaktionsmoment

Die Betragsgleichheit dieser beiden Momente wird sofort ersichtlich, wenn wir die Lange des Hebelarms h ersetzen durch h =r ｣ｯｳｾ＠

+

I cos X = r ( cos ｾＫ＠ Ｎ［ＺＬｾ＠

ｳｩｮｾ｣ｯ＠

X)

. ....:....:.---!.:... Sin X

Fill das Reaktionsmoment gilt dann

Damit sind aIle fur die nachfolgenden Triebwerksberechnungen benotigten Grundgleichungen zusammengestellt.

2.2 Massenausgleich

1m vorangegangenen Kapitel wurde darauf hingewiesen, daB das durch die Tangentialkraft erzeugte Kurbelwellendrehmoment ais Reaktionsmoment natilllich auch auf die auBere Motorlagerung ubertragen wird. Dabei ist dem bei einer bestimmten Motorbelastung konstanten und nur vom Gasdruckverlauf abhangigen (mittleren) Nutzdrehmoment ein mehr oder weniger stark ausgepragtes Wechselmoment uberlagert, das auch eine ungleichformige Kurbelwellenwinkeigeschwindigkeit verursacht (siehe Kap. 2.3). Wir hatten weiterhin festgesteIlt, daB die Tangential- oder Drehkraft sowohl durch die Gaskraft als auch durch die oszillierende Massenkraft mitbestimmt wird. (Die meist nur sehr geringe Beeinflussung der Tangentialkraft durch das Massendrehmoment der mit dem Schwerpunkt bewegten Pleuelstangenteilmasse und durch die ungleichformige Drehbewegung der Kurbelwelle ist zu vernachlassigen [2].) Wahrend aber die puisierenden Gasdrucke, die ja von den gaskraftfuhrenden Bauelementen in geschlossenen Kraftflussen innerhalb des Motors aufgenommen werden, abgesehen von Gehauseverformungen nur durch die schwingungserre-

16

gende Wirkung des Wechselmoments in unerwiinschter Weise nach auBen hin in Erscheinung treten und die Standruhe des Motors beeintrachtigen, konnen die Massenkrafte auch noch unmittelbar als freie Krafte oder Momente auf die auBere Motorlagerung einwirken und starke Erschiitterungen des Motors und des Fahrzeugrahmens hervorrufen. Es ist nun eine der Zielsetzungen des Massenausgleichs, solche freien Massenkrafte und Massenmomente moglichst weitgehend auszuschalten. Urn die Tragheitswirkung der unterschiedlich bewegten Triebwerkselemente in einfacher Weise beschreiben zu konnen, ist es vorteilhaft, die Bauteilmassen auf ein System von Punktmassen zurUckzufiihren, das in seinem dynamischen Verhalten dem realen Triebwerk entspricht. Untersuchen wir zunachst die Aufteilung der Pleuelstangenmasse, Bild 2.6, deren Gesamtmasse mp durch eine Zerlegung in einfach zu berechnende Teilkorper mit den Massen mi und mit den z.E. auf die Yl-Achse bezogenen Schwerpunktsabstanden xi bestimmt werden kann. Die Lage des Pleuelstangenschwerpunktes ergibt sich dann aus der statischen Momentengleichgewichtsbedingung (2.18)

Ersetzt man die Pleuelstange durch drei starr miteinander verbundene Punktmassen, die im Zentrum des kleinen und mit dem Kolben hin- und herbewegten Pleuelauges (mph)' in

-x

x

a

b

Bild 2.6. Aufteilung der Pleuelstangenmassen

17

der Mitte des gro6en, mit dem Kurbelzapfen rotierendenPleuelauges (mpr) und im Pleuelstangenschwerpunkt (mps) angeordnet sind, dann hat dieses Punktmassensystem die gleiche dynamische Wirkung wie die reale Pleuelstange, wenn die Gleichungen (2.19) (2.20) (2.21)

erfiillt sind. Die Gesamtmassen, die Schwerpunktslagen und die Massentragheitsmomente - bezogen auf die zur Kurbelwellenachse parallele Schwerpunktsachse des Pleuels mit dem Massentragheitsmoment@ps - mussen also identisch sein. Da die Schwerpunkts-Teilmasse mps im allgemeinen aber nur einen relativ kleinen Wert annimmt, ist es vollig ausreichend, wenn man sie im reziproken Verhaltnis der Schwerpunktsabstande auf die beiden Pleuelaugenmassen aufteilt. Das Ergebnis entspricht dann einer Massenaufteilung, bei der nur die Gleichungen 2.19 und 2.20 beriicksichtigt werden. Man erhalt dann

(2.22)

fiir den oszillierenden Pleuelmassenanteil und

(2.23)

fiir den rotierenden Pleuelmassenanteil. Es sei noch darauf hingewiesen, daB diese Aufteilung fiir die Massenkrafte exakte Ergebnisse liefert, wenn der Pleuelstangenschwerpunkt auf der Pleuelaugenmittellinie liegt. (Die z.E. mit einer Schragteilung des unteren Pleuelauges verbundene und nur sehr geringe, seitliche Schwerpunktsverschiebung ist aber praktisch bedeutungslos.) Die Nichtberiicksichtigung der Bedingung (2.21) wirkt sich dann nur auf die Massendrehmomente aus. Wie oben schon erwahnt, ist auch dieser EinfluB der Schwerpunktsmassenbewegung zu vernachlassigen. Die rotierenden Unwuchtmassen einer Kurbelkropfung, Bild 2.7, werden zweckmaBigerweise auf den Kurbelradius reduziert. Zur ErmittIung der reduzierten Massen einer Kurbelkropfung

18

Scheibenelement mj

Bild 2.7. Aufteilung einer Kurbelwange in Scheibenelemente

(2.24)

zerlegt man die Kurbelwangen in kleine - in den SchnittfHichen weiter unterteilte - Scheibenelemente, deren Massen mi und Schwerpunktsabstande rsi von der Kurbelwellenachse in einfacher Weise berechnet werden k6nnen. Bezeichnen wir die Summe der Massen des Kolbens, der Kolbenringe und des Kolbenbolzens mit mKo' dann gilt fUr die gesamte oszillierende Masse (2.25)

und flir die auf den Kurbelradius reduzierte, rotierende Gesamtmasse (2.26)

Betrachten wir jetzt zunachst die M6glichkeiten des Massenausgleichs an einem Einzylindertriebwerk. Die durch die rotierenden Massen erzeugte Fliehkraft (2.27)

kann durch die in entgegengesetzter Richtung wirkende Fliehkraft einer Ausgleichsmasse v611ig kompensiert werden. Dazu muB die Einzelmasse der an beiden Kurbelwangen angeordneten Gegengewichte jeweils den Wert

m

Gr

=-'-2 m

r

_r_ r sG

(2.28)

19 aufweisen. In dieser Gleichung ist rsG der Abstand der Gegengewichtsschwerpunkte von der Kurbelwellenachse. Wesentlich schwieriger ist ein Ausgleich der nur in Richtung der Zylinderachse wirkenden, oszillierenden Massenkraft. Mit Beriicksichtigung der Bescbleunigungsgleichung 2.8 gilt fUr diese Massenkraft (2.29)

Sie kann also niiherungsweise zusammengesetzt werden aus einer mit der Kurbelwellendrehfrequenz periodisch veranderlichen Massenkraft 1. Ordnung FmhI-- -m h r

w2cos 19

(2.30)

und einer schwacheren, mit doppelter FreQuenz wirkenden Massenkraft 2. Ordnung (2.31)

Wie in Bild 2.8 dargestellt, kann die Massenkraft 1. Ordnung ersetzt werden durch die Fliebkraftwirkung zweier, urn die Kurbelwellenachse gegeulaufig rotierender Massen, die so dimensioniert sind, daB sie jeweils eine dem halben Maximalwert von F mhI entsprechende Radialkraft liefem. Der zeitliche Verlauf der Vektorsumme ihrer Vertikalkomponenten entspricht dann dem Verlauf der oszillierenden Massenkraft 1. Ordnung, wiihrend die Vektorsumme ihrer Horizontalkomponenten bei jeder Kurbelstellung verschwindet. Werden nun an den Kurbelwangen auBer den Innr-Massen noch Zusatzgegengewichtsmassen mit der GesamtgroBe Innz = 0,5 mh angeordnet, dann wird die oszillierende Massenkraft F mhI urn die Halfte reduziert. Die gesamte Gegengewichtsmasse einer Kurbelwange ergibt sich aus

(2.32)

Es sei dahingestellt, ob diese GegengewichtsgroBe konstruktiv in jedem Fall zu realisieren ist. Dabei solI auch noch darauf hingewiesen werden, daB ein solcher Ausgleich nur eine teilweise Richtungsumlenkung freier Massenkrafte bewirkt. Wie aus Bild 2.8 ersichtlich, erscheint n3.mlich jetzt der Maximalwert des in Zylinderachsrichtung abgebauten Massenkraftanteils in Form der Resultierenden F m,res der oszillierenden Massenkraft und der rotierenden Massenkraft der Zusatzgewichte als ein mit konstantem Betrag entgegen der Kurbelwellendrehrichtung umlaufender Kraftvektor. Dieser Kraftvektor kann natiirlich ebenfalls eliminiert werden durch ein zur Kurbelwelle gegeulaufiges Ausgleichsgewicht. In entsprechender Weise konnten schlieBlich auch noch die Massenkrafte 2. Ordnung durch

20

Zusotzgegengewichtsgesomtmosse

mGz

=-t

mh

Bild 2.8. Teilausgleich der Massenkrafte 1. Ordnung (50 %iger Ausgieichsgrad)

ｬＺｴｌＭＱｾﾱ［ＩＧ

Ausgleich von Fmh Il

Ausgleich von Fmh I

Ausgleich von

Fmr

Bild 2.9. Vollstandiger Massenausgieich eines Einzylindertriebwerks

zwei gegenHiufige und mit doppelter Kurbelwellendrehzahl rotierende Gegengewichte ausgeglichen werden. Bild 2.9 zeigt beispielhaft die Anordnung der Gegengewichte fiir einen solchen vollstandigen Massenausgleich eines Einzylindertriebwerks.

21

y

Zyl.1\

Bild 2.10. Massenkrafte 1. Ordnung einer V-Motoreneinheit

Der oben vorgenommene Ersatz der oszillierenden Massenkrafte durch gegenUiufig rotierende Kraftvektoren ist auch ein sehr geeignetes Hilfsmittel zur Untersuchung der MassenkraftverhaItnisse an V-Motoren [3]. Bild 2.10 zeigt beispielsweise die Wirkung der Massenkrafie 1. Ordnung an einer aus zwei Zylindem bestehenden V-Motoreneinheit. Die Tragheitskraft der bier in der oberen Totpunktlage befindlichen oszillierenden Masse des ..c--Zylinders 2 wird wieder ersetzt durch die mit FI2 und FI2 bezeichneten, gegenlaufigen Kraftvektoren mit dem in der Skizze angegebenen Betrag. Relativ zur Achse des Zylinders 1 sind dann die den oszillierenden Massen dieses Zylinders zugeordneten Kraftvektoren jeweils urn den Gabelwinkel y versetzt. (Bei einer entsprechenden Darstellung der den doppelten Gabelwinkel versetzt Massenkrafte 2. Ordnung miiBten diese Vektoren werden.) Fiir die Summe der im Drehsinn der Kurbelwelle umlaufenden Vektoren gilt also ｾ＠

urn

(2.33)

fUr die Summe der entgegengesetzt umlaufenden Vektoren

Fxres =mhr w2cos y

(2.34)

und fUr den Hochstbetrag der oszillierenden Massenkraft 1. Ordnung (2.35) ,r-...

Man sieht sofort, daB bei einem Gabelwinkel von y = 900 der Kraftvektor FIres eliminert wird und die oszillierenden Massenkrafte 1. Ordnung allein durch Gegengewichte an der

22 Kurbelwelle auszugleichen sind. Unter Mitberiicksichtigung des Fliebkraftausgleichs der Kurbelkropfung und der zwei rotierenden Pleuelmassenanteile erh3.1t man fUr die GroBe des Gegengewichts pro Kurbelwange

(2.36)

Eine entsprechende Behandlung der Massenkrafte 2. Ordnung ergibt fUr den mit doppelter Kurbelwellendrehzahl in Drehrichtung der Kurbelwelle umlaufenden Kraftvektor

(2.37)

fUr den gegenUi.ufigen Vektor

- Fo: -

res

=mh r

W2

Ap cos .12 y

(2.38)

und demnach fUr den Hochstbetrag der freien Massenkrafte 2. Ordnung

Fmh nmax

=mh r w2 Ap (cos

f

+

I cos

ｾ＠ Y I)

(2.39)

Fill unsere weiteren Betrachtungen fiber die Massenkraftwirkung von Mehrzylinder-Triebwerken sei vorausgesetzt,. daB die rotierenden Triebwerksmassen - abgesehen von den Gegengewichten - und die oszillierenden Massen der einzelnen Zylinder (wie gerade schon bei der V-Motoreneinheit angenommen) sowie die Zylinderabstande gleich groB sind, was im allgemeinen auch der Fall ist. Sollen bei Mehrzylindermotoren gleiche Ziindabstande eingehalten werden, dann sind die Kurbelkropfungen - und die beiden Zylinderreihen von V-Motoren - bei Viertaktern urn den Winkel

(2.40)

zu versetzen. Die Kropfungsanordnung kann sehr einfach durch einen Kurbelstern dargestellt werden, der in einer Stirnansicht der Kurbelwelle die Richtung der einzelnen Krop-

23

'Pz=360 0 1

ｾ＠

rh ＲｾＳ＠

240 0

180 0

1440

1

1

1

_h

_h

V 2 3

ＴｑＬｊｾＵ＠ ｾｊｦＨ＠

120 0

ｾ＠ 43

I

2*3 ｾ＠

1

25

Kurbelsterne 1.0rdnung 1

-li

ｾ＠

3

1

i

2

Ｍｾ

1 2

I

1

4i

5 52

i \

Kurbelsterne 2.0rdnung Bild 2.11. Kurbelsteme von Viertakt-Reihenmotoren mit gleicbmiiBiger Ziindfolge

fungen angibt. Es sind zugleich die Wirkungslinien der rotierenden Massenkrafte. Da die oszillierende Massenkraft 1. Ordnung ersetzt werden kann durch einen mit dem Kurbelarm umlaufenden Kraftvektor, von dem natiirlich nur die auf die Zylinderachse projizierte Komponente wirksam ist, bezeichnet man diese Kropfungsdarstellung auch als Kurbelstem 1. Ordnung. In gleicher Weise kann dann die Wirkung der Massenkrafte 2. Ordnung veranschaulicht werden durch einen Kurbelstern, bei dem die z.E. von der Kropfungsebene des ersten Zylinders aus gezahlten Winkelabstande der iibrigen Kropfungen verdoppelt werden. Ermittelt man flir die in Bild 2.11 wiedergegebenen Kurbelsteme durch vektorielle Addition der Einzelkrafte die Kraftresultierenden, dann stellt man sofort fest, daB diese Vektorsummen bei allen zentralsymmetrischen Kurbelstemen zu Null werden. Bei mehrzylindrlgen Triebwerken konnen also freie Massenkrafte nur beim Zwei- und Vierzylindermotor auftreten. Beim Zweizylindermotor sind es sowohl die rotierenden als auch die oszillierenden Massenkrafte 1. und 2. Ordnung. (Nimmt man bei einem Zweizylindermotor ungleicbmiiBige Ziindfolgen in Kauf, versetzt also die beiden Kropfungen - so wie bei einem Zweizylinder-Zweitaktmotor - urn 180 °KW, dann wirken nur noch die Massenkrafte 2. Ordnung als freie Krafte.) Da die beim Vierzylindermotor vervierfachten Einzelmassenkrafte 2. Ordnung die Laufkultur schnellaufender Motoren beeintrachtigen, werden sie

24

2

1

3

&z

4

I 4 - Zylinder

5

1 ＡＮｹｯｾ＠

ｭＭＮ［ｾＧ＠

.

Oz

I ••

T---'--;;;;;"'" I

I

Momentenbezugspunkt

az

ｾＮ＠

az

X

5 - Zy lin d er

J. J az

Bild 2.12. Uingsansichten von Reihenmotor-Kurbelwellen

manchmal durch gegenUiufig und mit doppelter Kurbelwellendrehzahl rotierende Gegengewichte ausgeglichen [4]. Es ist nun weiterhin zu beriicksichtigen, daB die bei Mehrzylinder-Triebwerken wirkenden Massenkrafte in Uingsrichtung der Kurbelwelle versetzt sind und dadurch freie Massenmomente hervorrufen konnen. Bild 2.12 zeigt z.B. die Kurbelwellen eines Vier- und Fiinfzylindermotors. (Siehe hierzu auch die Kurbelsteme von Bild 2.11.) Man erkennt gleich, daB bei einem Vierzylindermotor wegen der zur Mittelebene symmetrischen Kropfungsanordnung weder die rotierenden noch die oszillierenden Massenkrafte 1. und 2. Ordnung freie Momente erzeugen. Das gilt natiirlich auch fiir alle anderen, sogenannten vollsymmetrischen Kurbelwellen, die nicht nur einen zentralsymmetrischen Kurbelstem, sondem auch eine in der Uingsansicht zur Mittelebene symmetrische Kropfungsanordnung aufweisen. Bei der Kurbelwelle des Fiinfzylindermotors ist eine solche Vollsymmetrie nicht vorhanden. Es treten also freie, von der auBeren Motorlagerung aufzunehmende Momente (Uingskippmomente) auf, die wir bier zunachst auf grafischem Wege °ermitteln wollen. Wahlt man als Momentenbezugspunkt den Schnittpunkt der Kurbelwellenachse (x-Achse) mit der z-Achse des mittleren Zylinders, dann gilt z.B. fiir die auf die rotierende Massenkraft F mr und auf den Zylinderabstand 3.z bezogenen Momente der einzelnen Zylinder

25

-+z

Momentenplon

'*5 1

• .- 1 - - -

Y

3

M

2

Monstob:

mr,res

Oz Fmr

Kurbelstern 1. Ordnung

=0 449 '

M=1

"':"':"'';:'''':''--1

1-1

Bild 2.13. Massenmomente 1. Ordnung eines Fiinfzylindermotors

Die in Bild 2.13 vorgenommene Addition der vorerst in Kropfungsrichtung aufgetragenen Momentenvektoren ergibt fUr die Resultierende den Wert Mres = 0,449. Sie liegt in der zur Kropfung des ersten Zylinders urn ｾ＠ = 54 0 versetzten und mit der Kurbelwelle rotierenden Wirkungsebene des Uingskippmomentes. Den durch die Bewegungsrichtung einer rechtsgangigen Schraube dargestellten, resultierenden und relativierten Momentenvektor Mmr,res/az F mr erhalt man schlieBlich durch eine Drehung des Mres-Pfeils urn 900 entgegen dem Uhrzeigersinn. Die genauen Zahlenwerte fUr den Winkel ｾ＠ und fUr die Resultierende Mres wurden natiirlich nicht der Grafik entnommen, sondern aus den Komponenten-Gleichgewichtsbedingungen berechnet. Mit den in Bild 2.13 definierten Winkeln \5 1 und 6 2 gilt fUr die z-Komponenten

Mz.res =2 - sin 54

0

-3 sin 18 0

=0,264

26 fUr die y-Komponenten ｍｹＮｲ･ｳ］ＭＱ｣ｯｓｾＲ＠

ＭＱ｣ｯｳｾＬ＠

ＫＲ｣ｯｳｾＬ＠

My.res =-cos54°+cos18° =0.363

und fUr ihre Vektorsumme

-Mres =i 0.363 2 + 0.264 2 = 0.449 Den

ｾ＠

-Winkel erhalt man aus

r.l=orcton 0.363 =540 I-' 0.264

FUr das durch die rotierenden Massenkrafte hervorgerufene - und durch Gegengewichte auszugleichende - Liingskippmoment kann schlieBlich angeschrieben werden Mmr = 0.449 mr r

w20 z

(2.41)

Da die Vektordarstellung von Bild 2.13 auch fUr die oszillierenden Massenkrafte 1. Ordnung gilltig ist, wobei selbstverstandlich nur die jeweiligen z-Komponenten der resultierenden M-Werte bzw. die y-Komponenten der resultierenden Momentenvektoren wirksam sind, erreichen die freien Massenmomente 1. Ordnung den Maximalwert (2.42) Durch Gegengewichte an der Kurbelwelle konnte dieses Kippmoment hOchstens urn die Halfte abgebaut oder, genauer gesagt, in einen mit dem halben Maximalwert entgegen der Kurbelwellendrehrichtung rotierenden Momentenvektor urngewandelt werden. Bild 2.14 zeigt die Vektordarstellung fiir die Massenmomente 2. Ordnung. Der Maximalwert wird hier (2.43) Um die groBe Bedeutung einer geeigneten Kropfungsanordnung aufzuzeigen, ist in Bild 2.15 auch der Momentenplan fUr einen Fiinfzylinder-Kurbelstem 1. Ordnung dargestellt, bei dem die Richtung der den Zylindem 3 und 5 zugeordneten Kurbelkropfungen im Vergleich zu der Anordnung von Bild 2.13 vertauscht wurden. Dabei entsteht mit einer Momentenresultierenden von 1\es = 3,69 ein urn mehr als das achtfache hOheres Kippmoment. Nach [5] erhalt man eine hinsichtlich der freien Massenmomente giinstige Kropfungsanordnung, wenn bei einem Reihenmotor mit z Zylindem die Kurbeln 1 und z, 2 und

27

,-}
rehzahl bei ｾｭ｡ｸ＠

46001/min 96Nm 24001/min

Abgesehen von den hier auch zwischen den Zylindern vorhandenen Kiihlwasserraurnen (azl d :: 1,16) gleicht das GrauguBkurbelgehiiuse in seinem Grundaufbau dem des Ottomotors von Bild 11.1. I>urch eine geeignete GuBlegierung wird erreicht, daB auch bei einem Betrieb mit verschleiBfordernden I>ieselolqualitaten (erhOhter Schwefelgehalt) der Zylinderbiichsenabrieb klein genug bleibt. I>er Leichtrnetall-Blockzylinderkopf und der ebenfalls aus Leichtmetall gegossene Nokkenwellentrager werden durch die (zehn) Zylinderkopfschrauben miteinander verbunden. 1m Unterschied zu dem Ausfiihrungsbeispiel von Bild 9.2 sind die Ein- und AuslaBkaniile auf der gleichen Zylinderkopfseite angeordnet. Auf der anderen Seite befinden sich die Wirbelkamrnern mit den im WachsausschInelzverfahren aus einem hochwarmfesten Werkstoff hergestellten Karnrnereinsatzen. Zurn Ausgleich von Fertigungstoleranzen wird die I>icke der Zylinderkopfdichtung in einem Bereich von 1,3 bis 1,6 rnrn variiert, womit das Nenn-Verdichtungsverhiiltnis in engen Grenzen eingehalten werden kann. I>ie Regelkolben mit hartanodisierten KolbenbOden sind in der ersten, durch einen Ringtrager arrnierten Ringnut mit einem verchromten Rechteckring (SphiiroguB), in der zweiten Nut mit einem ferrooxidierten ｾｵｴ･ｮｲｩｧ＠ (StandardguB) und in der Olringnut mit einem verchromten Schlauchfeder-I>achfasenschlitzring ausgeriistet. Sie werden durch Spritz61 gekiihlt, das aus einer Bohrung am groBen Pleuelauge austritt. I>ie TemperguB-Pleuelstangen entsprechen der Ausfiihrung von Bild 4.2. I>ie SpharoguBkurbelwelle hat acht angegossene Gegengewichte. I>ie Ubergangsradien der induktiv geharteten Hub-und Grundlagerzapfen sind rollverdichtet. Ein Torsionschwingungsdiirnpfer, der mit Riicksicht auf die Kurbelwellenbeanspruchung nicht erforderlich ware, dient nur zur Verbesserung der ｾｯｴｲｬ｡ｵｦｫＮ＠ I>ie Einrnetall-EinlaB- und die Bimetall-AuslaBventile werden durch FeinguB-Schlepphebel betatigt, die sich auf Bolzen mit hydraulischen Spielausgleichern ("Hydrobolzen") abstiitzen. Zur VergleichmiiBigung der Ventiltellertemperaturen gelangen Ventildrehvorrichtungen zurn Einsatz. I>ie GrauguBnockenwelle wird von der Kurbelwelle iiber einen Zahnriemen angetrieben, der auch die Verteiler-Einspritzpumpe und die in einem Lagertragerexzenter zur Einstellung der Riemenspannung verdrehbare Wasserpurnpe antreibt. I>ie Schmierolforderung erfolgt auch bei diesem ｾｯｴｲ＠ durch eine Siche161pumpe.

211

Bild 11.2a. Querschnitt eines Vierzylinder-Pkw-Dieselmotors (Opel)

212

Bild 11.2b. Uingsschnitt des Motors nach Bild 11.2a

213

11.2 Nutzfahrzeugmotoren

Der mit einer kombinierten Abgasturbo-Resonanzaufladung [7], Lade1uftkiihlung und direkter Einspritzung arbeitende, Sechszylinder-Nutzfahrzeugdieselmotor der MAN Nutz[ahrzeuge GmbH von Bild 11.3 hat fo1gende technischen Daten: Hubraum Hub Bohrung Verdichtungsverhaltnis Nennleistung Nenndrehzahl 11ax.Drehmoment Drehzahl bei 11max

11,9671 155mm 128mm 15,5 265kW 22001/min 1500Nm 15001/min

Die Ausbildung des stark verrippten GrauguBkurbe1gehauses (siehe auch Bild 7.3) mit tief herabgezogenen und in einen kraftigen Flansch iibergehenden Triebwerksraumwanden, mit durchgehenden Wasserraumzwischen- und bombierten Wasserraumseitenwanden ergibt eine hohe Formstabilitat und ermoglicht eine weitgehend biegemomentenfreie Gaskraftiibertragung von den Zylinderkopfen zu den Grund1agem. Ein eingegossener Kiih1wasserverteilkanal beaufschlagt die nassen, durch O-Ringe abgedichteten Zy1inderbiichsen (siehe Bild 8.1) nach dem Querstromprinzip, mit dem eine wesentlich einheitlichere Temperaturverteilung an den Wanden der einzelnen Zylinder zu erzie1en ist als bei einer Langsdurchstromung des Zylinderb10cks [71]. Die Zylinder haben einen re1ativen Abstand von azl d =1,26. Die guBeisemen Einzelzylinderkopfe (Bild 9.3) werden jeweils mit sechs Schrauben befestigt. Eine geeignete Fiihrung des vom Kurbelgehause in die Zylinderkopfe iibertretenden Kiihlwassers gewahrleistet eine intensive Kiihlung der Ventilstegzonen und der auf den Seiten der EinlaBdrallkanale angeordneten Einspritzdiisenpfeifen. Die Vollschaftko1ben werden durch feststehende Spritzdiisen mit Kiihlol beaufschlagt. Sie sind in der ersten, armierten Nut mit einem Doppe1trapezring, in der zweiten Nut mit einem 11inutenring und in der Olringnut mit einem Schlauchfeder-Dachfasenschlitzring bestiickt. Diese Kolbenringe sind alle verchromt. Entiastungstaschen in der Ko1benbolzenbohrung und der zusatzliche Einsatz von Formbolzen sorgen fiir eine ausreichende Begrenzung der Nabenspannungen.

214

Bild 11.3a. Querschnitt eines Sechszylinder-Nutzfahrzeugdieselmotors (MAN)

215

216 Die Pleuel und die mit acht angeschraubten Gegengewichten und einem Torsionsschwingungsdampfer ausgestattete, auch an den Ubergangsradien der Hubzapfen gehartete Kurbelwelle sind identisch mit den Beispielen von Bild 4.3 bzw. 5.4. Die Betatigung der EinlaB- und AuslaBbimetallventile erfolgt von der Stahlnockenwelle liber SchalenhartguBstoBel, Vollmaterial-StoBstangen und geschmiedete Kipphebel. Die Anordnung des schwungradseitigen Radertriebs geht aus Bild 10.11 hervor. Bild 11.4 zeigt schlieBlich noch einen luftgekiihlten, direkteinspritzenden und abgasturboaufgeladenen V-Achtzylinder-Nutzfahrzeugdieselmotor der Klockner-Humboldt-Deutz AG [41] mit den nachstehend angegebenen technischen Daten. Hubraurn Hub Bohrung Verdichtungsverhaltnis Nennleistung Nenndrehzahl ｾ｡ｸＮｄｲ･ｨｭｯｮｴ＠

Drehzahl bei ｾ｡ｸ＠

12,7631 130mm 125mm 15,8 235kW 23001/min 1170Nm 15001/min

Das bereits in Bild 7.5 in der Sechszylinderversion dargestellte, durch kraftige Seitenwandund Lagerstlltzwandverrippungen verstarkte GrauguBkurbelgehause, das bei diesem luftgeja nur eine relativ geringe Bauhohe aufweist, ist zur weiteren Steifigkeitskiihlten ｾｯｴｲ＠ erhOhung durch Querverschraubungen mit den seitlich eingepaBten Grundlagerdeckeln verbunden. Neben dieser versteifenden Wirkung der Querverschraubungen ergeben ihre ReibschluBkrafte natiirlich auch noch eine Entlastung der vertikalen Grundlagerdeckelschrauben. Die verrippten und an den Laufflachen phosphatierten GrauguBzylinder - siehe auch die Erlauterungen zu Bild 8.2 - sind mit jeweils drei Dehnschrauben zwischen dem Kurbelgehause und den Zylinderkopfen eingespannt. (Die Aufgaben der zwischen dem Zylinder und dem Zylinderkopf eingebauten SpharoguBringe wurden bereits in Kap. 9.2 angesprochen.) FUr den relativen Zylinderabstand ergibt sich ein Wert von azJd ::: 1,34. In den aus einer ａｬｾｧｓｩｃｯＭｌ･ｲｵｮ＠ gefertigten Einzelzylinderkopfen - siehe auch Bild 9.5 - sind die Ventile etwas geneigt angeordnet, urn damit die Warmeabfuhr aus den Ventilstegbereichen zu erleichtern. Der AnschluBflansch des EinlaBdrallkanals befindet sich auf der oberen Zylinderkopffliiche und ergibt dadurch eine stromungsgiinstige Kanalfiihrung. Durch einen EinguB von Titan-Stegblechen (siehe Kap. 9.1) wird die StegriBgefahr eliminiert.

217

Bild 1l.4a. Querschnitt eines V-Achtzylinder Nutzfahrzeugmotors (KHD)

218

219 Die Vollschaft-Kiihlkanalkolben, die von Kurbelgehause-Spritzdiisen mit Kiihlol versorgt werden, sind mit drei Kolbenringen bestiickt. Die beiden Kompressionsringe sind als Doppeltrapezringe ausgefiihrt, wobei der obere, molybdiinbeschichtete Ring von einem Niresist-Ringtriiger aufgenommen wird. Der zweite Verdichtungsring und der Olabstreifring sind verchromt. Eine Uberbeanspruchung der Kolbenbolzennaben wird durch den Einsatz von Formbolzen vermieden. Die Ausfiihrung der Pleuelstangen wurde schon anhand von Bild 4.5 beschrieben. Hier sei nur noch erwiihnt, daB die bei diesem Motor aus Montagegriinden nicht erforderliche Schriigteilung deshalb gewiihlt wurde, weil sich damit eine flir die Gestaltung des Kurbelgehiiuses etwas giinstigere Form der sogenannten "Pleuelstangengeige" (das ist die Kontur des fUr den Bewegungsablauf der Pleuelstange benotigten Freiraums in der y-z-Ebene) ergab. AuJ3erdem konnen mit einer solchen Schriigteilung - bei Aufnahme der Querkraft durch Nut und Feder - auch die erforderlichen Verspannungskriifte der Pleuelschrauben verringert werden. Die Grundform der aus dem Vergiitungsstahl 34 CrNiMo 6 geschmiedeten und mit sechs angeschraubten Gegengewichten ausgestatteten Kurbelwelle entspricht der in Bild 5.6 wiedergegebenen Sechszylindervariante. Sie ist an allen Hohlkehlen induktionsgehiirtet und am vorderen Ende mit einem Torsionsschwingungsdiimpfer ausgeriistet. Die Ventile beider Zylinderreihen werden fiber Stahlkipphebel, StahlrohrstoBstangen mit angeschweiBten Druckstiicken und HartguJ3stoBel von einer im V-Steg des Kurbelgehauses gelagerten Nockenwelle betiitigt. Der Antrieb der Nockenwelle - und der mit ihr gekoppelten Hilfsaggregate - erfolgt durch ein in die Kurbelwelle eingeschnittenes Ritzel auf der Kupplungseite des Motors. Einzelheiten fiber die Anordnung des Riidertriebs konnen der Darstellung von Bild 10.13 entnommen werden. Die Drehzahl des fiber eine hydraulische Kupplung - mit dem Motorol als Arbeitsmedium - angetriebenen KUhlluftgebliises wird zur Anpassung der KUhlluftmenge an die Motorbelastung in Abhiingigkeit von der Abgastemperatur geregelt.

Literaturverzeichnis

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221 14 Haug,K: Die Drehschwingungen in Kolbenmaschinen. Berlin: Springer 1952 15 Hafner,KE., Maass,H.: Die Verbrennungskraftmaschine, Neue Folge BdA. Torsionsschwingungen in der Verbrennungskraftmaschine. Wien: Springer 1985 16 Nestrorides,E.J.: A handbook on torsional vibration. Cambridge: B.I.C.E.R.A 1958 17 Holzer,H.: Die Berechnung der Drehschwingungen. Berlin: Springer 1921 18 Zurmiihl,R.: Praktische Mathematik fUr Ingenieure und Physiker. Berlin: Springer 1965 19 Pflaum, W., Tandara,V.: Zur Kavitation an Zylinderlaufbiichsen von Dieselmotoren. MTZ 30 (1969) 3 20 R6hrle,M.: Beeinflussung der Gerauschbildung bei Dieselmotoren durch den Kolben. MTZ 37 (1976) 7/8, 10 21 Schellmann,K, Mezger,H., Binder,R.: Der Porsche-V8-Motor Typ 928. MTZ 38 (1977) 7/8 22 ---: Mahle-Kolbenkunde, Nr.2. Funktion des Kolbens. Stuttgart: Mahle GmbH 23 Miinnighoff,H., Kusebauch,K: Die neue Vierzylinder-Motorenbaureihe von Audi/VW mit 1,6 und 1,8 Liter Hubraum. MTZ 44 (1983) 2 24 Abthoff,J., Briiggemann,H., Hiittebraucker,D.-H., Zeilinger,K: Konzeption des neuen Mercedes-Benz-Motors mit vier Ventilen pro Zylinder fur den 190 E 2.3-16. MTZ 45 (1984) 7/8 25 Mischke,A, Kliinder,K: Die Entwicklung der Mechanik der neuen Mercedes-BenzNutzfahrzeugmotoren OM 442 A und OM 4421A. MTZ 47 (1986) 2 26 ---: Niiral-Kolben-Handbuch. Nlirnberg: Alcan Aluminiumwerk Niirnberg GmbH 1983 27 Mischke,A, Koppenh6fer,D.: Die neuen Mercedes-Benz-Nutzfahrzeug-Dieselmotoren OM 442 A/OM 442 LA. ATZ 87 (1985) 9 28 Weitzel,H.: Der neue 1,6-Liter-Dieselmotor von Opel- Teill. MTZ 45 (1984) 2 29 Brandstetter,W., Dziggel,R.: Ein Vierzylinder-Turbodieselmotor mit Ladeluftkiihlung fur Volkswagen und Audi. MTZ 47 (1986) 10 30 ---: KS Technisches Handbuch. Neckarsulm: Karl Schmidt GmbH 1967 31 ---: Mahle Kolbenkunde, Nr.3. Bauelement Kolben. Stuttgart: Mahle GmbH

222 32 ---: Mahle Kolbenkunde, Nr.5. KolbenzubehOr. Stuttgart: Mahle GmbH 33 Wiemann,L.: Die Blldung von Brandspuren auf den LauffHichen der Paarung Kolbenring-Zylinder in Verbrennungsmotoren. MTZ 32 (1971) 2 34 Briiggemann,H., Schafer,M., Gobien,E.: Die neuen Mercedes-Benz 2,6 und 3,0-UterSechszylinder-Ottomotoren fUr die neue Baureihe 124 - Telll. MTZ 46 (1985) 7/8 35 Hahn,H.G.: Methode der finiten Elemente in der Festigkeitslehre. Wiesbaden: Akademische Verlagsgesellschaft 1982 36 Schwarz,H.R.: Methode der finiten Elemente. Stuttgart: B.G. Teubner 1984 37 Schl3fk:e,K.: Zur Berechnung von Kolbenbolzen. MTZ 1 (1940) 4 38 Baumann,A: Berechnung von gekriimmten Staben. ZVDI, Bd.52, Nr.9 (1908) 39 ---: Dubbel, Taschenbuch fUr den Maschinenbau. Berlin: Springer 1983 40 Kuhm, M.: Das Problem des Kolbenbolzens im Kurbeltrieb. MTZ 25 (1964) 2 41 Ungeringer,G., Garthe,H.: Die neue Baureihe luftgekiihlter Deutz-Dieselmotoren B/FL513. MTZ45 (1984) 12 42 Schwarzel,W., Haas,W.: Fortschritt im Opel-Motorenbau - der neue 1,3-Uter-Ottomotor. MTZ 40 (1979) 9 43 Lang,O.R.: Triebwerke schnellaufender Verbrennungsmotoren. Grundlagen zur Berechnung und Konstruktion. Konstruktionsbiicher, Bd.22. Berlin: Springer 1966 44 Agatonovic,P.: Verhalten von Schraubenverbindungen bei zusammengesetzter Beanspruchung. Dissertation Technische Universitat Berlin, 1973 45 Neuendorfer,K.: Ein Balkenmodell fUr die Berechnung des elastischen Verhaltens hochbeanspruchter Schraubenverbindungen. Dissertation Technische Universitat Berlin, 1975 46 ---: VDI-Richtlinien 2230. Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen. VDI-GKE-AusschuB Schraubenverbindungen. Berlin: Beuth 1977 47 Junker,G.H.: Die Montagemethode - ein Konstruktionskriterium bei hochbeanspruchten Schraubenverbindungen. VDI-Z 121 (1979) 12 48 Krause,R.: Gegossene Kurbelwellen - konstruktive und werkstoffliche M6glichkeiten fUr den Einsatz in modemen Personenwagenmotoren. MTZ 38 (1977) 1

223 49 Albrecht,K-H., Emanuel,H., Junk.H.: Optimierung von Kurbelwellen aus GuBeisen mit Kugelgraphit. MTZ 47 (1986) 7/8 50 Schulz,K: Ermittlung des physikalischen Verhaltens von hochviskosen Flussigkeiten bei harmonischer Schubbeanspruchung. Dissertation Technische UniversWit Berlin, 1979 51 Hartmann,R.: Berechnung des dynamischen Verhaltens von Viskosedrehschwingungsdampfem. Dissertation Technische Universitat Berlin, 1982 52 Eberhard,A.: BinfluB der Formgebung auf die Spannungsvertellung von Kurbelkropfungen mit l1ingsbohrungen - Tell 1 und 2. MTZ 34 (1973) 7, 9 53 Maass,H.: Betrachtungen zur Gestaltfestigkeit von Kurbelwellen. MTZ 31 (1970) 2, 7, 12 54 Hauk,F., Gruber,G.: Bin neuer Audi Funfzylinder-Ottomotor mit 20 Ventilen. MTZ 48 (1987) 12 55 Schwarzel,W., Bartsch,G.: Die neuen 4-Zylinder-OHC-Motoren von Opel mit 1,6 Liter Hubraum. MTZ 42 (1981) 9 56 Tholl,M.: Ein 16-Ventil-Motor von Opel mit 2,4 Liter Hubraum. MTZ 41 (1980) 10 57 Kamps,R.: Lager- und Schmiertechnik. Dusseldorf: VDI-Verlag GmbH 1957 58 Lang,O.R., Steinhilper,W.: Gleitlager. Konstruktionsbucher Bd.31. Berlin: Springer 1978 59 Ederer,U.G.: Lager fur hohe Belastungen in Zweitakt- und Viertakt-Dieselmotoren. MTZ 44 (1983) 11 60 Roemer,E.: Die Berechnung des PreBsitzes von Gleitlagerschalen. MTZ 22 (1961) 2 61 ButenschOn,H.J.: Das hydrodynamische Radiallager endlicher Breite unter instationarer Belastung. Dissertation Universitat Karlsruhe, 1976 62 Holland,J.: Beitrag zur Erfassung der SchmierverhaItnisse in Verbrennungskraftmaschinen. VDI-Forschungsheft 475. Dusseldorf: VDI-Verlag 1959 63 Radermacher,H.W.: Das zylindrische Gleitlager endlicher Breite unter zeitlich veranderlicher Belastung. Dissertation Technische Hochschule Karlsruhe, 1962

224 64 LOnne,K: Das Goetze-ZylinderverzugsmeBsystem und M6glichkeiten zur Reduzierung der Zylinderverziige. Festschrift Goetze Dichtungsentwicklung. 100 Jahre Erfahrung. Burscheid: Goetze AG 1987 65 Scheiterlein,A: Die Verbrennungskraftmaschine, Bd.1I. Der Aufbau der raschlaufenden Verbrennungskraftmaschine. Wien: Springer 1964 66 Ziirner,H.: Gestaltung von Zylinderbuchsen und Kolben in Fahrzeugdieselmotoren. ATZ 73 (1971) 4 67 ---: Mahle Kolbenkunde, Nr.6. Zylinder und Zylinderb16cke. Stuttgart: Mahle GmbH 68 Obliinder,K, Strauber,H.-J., Ohlendorf,R.: Die neuen Mercedes-Benz V8-Leichtmetall-Motoren. MTZ 41 (1980) 5 69 Fischer,A, Gaede,G., G6schel,B., Schlott,H., Tischer,J.: Der neue BMW-12-ZylinderMotor mit 5 1 Hubraum - TeilI. MTZ 48 (1987) 9 70 Erker,A, R6sch,F.: UngleichmiiBige Temperaturen als Ursache fUr Eigenspannungen und Verzug in Bauteilen aus GuBeisen. MAN-Forschungsheft Nr.14, 1968/69 71 Held,W.: Untersuchungen fiber die Verdampfungskiihlung an Nutzfahrzeugdieselmotoreno Dissertation Technische Universitiit Braunschweig, 1986 72 Krenkler,H.: Flachdichtungen am Motor. Heute - und in der asbestfreien Zukunft. MTZ 48 (1987) 9 73 ZerfaB,H.-R., Majewski,K-P.: Asbestersatz bei Zylinderkopfdichtungen. Festschrift Goetze Dichtungsentwicklung. Hundert Jahre Erfahrung. Burscheid: Goetze AG 1987 74 Gronie,H., Wagenplast,D.: Asbestfreier Dichtungswerkstoff mit neuer Konzeption. MTZ 49 (1988) 5 75 LOnne,K: Veranderung der statischen Zylinderverziige durch den Motorbetrieb. Goetze AG, Fachschrift D 7 76 LOnne,K, Majewski,K-P.: Die gleitende Zylinderkopfdichtung - eine LOsung fUr hochbeanspruchte Motoren. Goetze AG, Fachschrift D 10 77 Karner,J.: Die nachziehfreie Zylinderkopf-Verspannung. MTZ 41 (1980) 3 78 Stahl,G.: Zylinderkopf-Dichtverbindungen. Auslegung, Eigenschaften und Nachziehfreiheit. MTZ 42 (1981) 7/8, 10

225 79 Stadelmann,W.: Die Zylinderkopfdichtung als Teil det Motorkonstruktion. ATZ 70 (1968) 5, 6 80 Stecher,F.: Schwingungen am DichtspaIt von Verbrennungsmotoren. ATZ 70 (1968) 6 81 Teucher,S., Stecher,F.: Neuartige Zylinderkopfdichtungen flir Hochleistungsmotoren. MTZ 31 (1970) 9 82 Maus,K.-H.: Zur Optimierung der Verspannung von Zylinderkopfdichtungen. Goetze AG, Fachschrift D 9 83 Daniel,K.: Hydraulischer Ventilspielausgleich - Aufbau, Funktion, Entwicklungsgrundlagen. MTZ 41 (1980) 12 84 Will,H., Jandera,E., Naumann.: Entwicklung eines verbesserten hydraulischen Tassensto13els flir Audi-/VW-Motoren. MTZ 48 (1987) 5 85 Deuring,H.: Funktion und Gebrauchsdauer von Ventilschaftabdichtungen flir PkwMotoren. Festschrift Goetze Dichtungsentwicklung. Hundert Jahre Erfahrung. Burscheid: Goetze AG 1987 86 Zinner,K.: Untersuchungen zum Verschleill an Einla13ventilen von Dieselmotoren. MAN-Forschungsheft Nr.11, 1963/64 87 ---:Teves-Thompson Handbuch, 4.Auflage. Barsinghausen/Hannover: Teves-Thompson GmbH 1977 88 Bensinger,W.D.: Die Steuerung des Gaswechsels in schnellaufenden Verbrennungsmotoren. Konstruktionsbiicher Bd.16. Berlin: Springer 1964 89 Pischinger,A.: Die Verbrennungskraftmaschine, Bd.9. Die Steuerung der Verbrennungskraftmaschine. Wien: Springer 1948 90 Brosinsky,H.J.: Untersuchungen an einer Ventilsteuerung. MTZ 15 (1954) 9 91 Kurz,D.: Entwurfund Berechnung ruckfreier Nocken. ATZ 56 (1954) 11 92 Foppl,L.: Drang und Zwang, Bd.3. Miinchen: Leibniz Verlag 1947 93 Miiller,R.: Der EinfluB der Schmierverhiiltnisse am Nockentrieb. MTZ 27 (1966) 2 94 Derndinger,H.O.: Verbrennungsmotor-Ausflihrung. Bussien: Automobiltechnisches Handbuch, Bd.I. Berlin: Technischer Verlag Herbert Cram 1965

Sachverzeichnis

Aluminium-Silicium-Legierung, eutektische 77 -, iibereutektische 78, 168 Aluminium-Zinnlegierung 134 Arbeit, innere 35, 41 ArbeitsiiberschuB 38, 39 Armierung 78 Ausgleichsmasse 18 Bauteiltemperatur 6, 172 Bauteiltemperaturgradient 172 Bewegungsgleichung 44, 46, 60, 61 Biege-Nennspannungsausschlag 126 Biegefonnzahl128, 129, 130 Biegemoment107,109 Biegemomente, innere 29,148 Biegemomentenplan 29, Biegeschwingung 44 Biegespannung 171 Biegespannungsausschlag 125, 129 Bimetal1ventil 191 Blei-Indium-Legierung 134 Blei-Zinn-Legierung 134 Bleibronze 133 Blockzylinderkopf 5, 177 Bolzennabe 80 Boxermotor 2 Brennweg6 Bundlager 134 Dachfasenschlitzring 86 Dampfer, federloser 55, 56 Dampferfeder 55 Dampferparameter, optimale 132 Dampfung46 Dampfung,absolute 76 Dampfung, relative 76

Dampfungsarbeit 51 DampfungsmaB 46, 47, 50, 54 DampfungsmaB, optimales 54, 55, 56 Dehnschraube 111, 115, 168, 186 Doppelzylinderkopf 182 Drallkanal 182 Drehfederkonstante 44 Drehkraftschwankung 35 Drehmoment 15, 35 Drehschwingungsknoten 5 Dreistofflager 133 Druck, mittlerer indizierter 37 Druckeigenspannungen 117 Druckverteilungsgleichung 141 Diinnschaftschraube 18() Eigenkreisfrequenz 45,47,48,60,63,132 Eigenschwingungsform 59 Einbettfahigkeit 134 Einmassen-Ersatzsystem 131,132 Einzelzylinderkopf 5, 177, 182 Einzylindermotor 7, 35, 43 Eisenschicht 168 Elastizitatsmodul 137, 150 Energiesatz 37, 41,75 Entlastungstaschen 80 Erregeramplitude 69 Erregerarbeit 51,69 Erregermoment 47,48,50, 63 Ersatz-Torsionsfeder 131 Ersatzerregermoment 69, 70, 74, 132 -, spezifisches 70, 72, 73 Ersatzmasse 131 Ersatzsystem 56 Ersatztragheitsmoment 57 Ersatzwelle 57 Ersatzwellenlange 59

227 Exzentrizitiit, relative 141, 146 Fahrzeugmotor 37 53, 65, 104 Ferrooxidieren 86 Festsitz 135 Feuersteg 78 -Strablung 78 -Spiel 78 Flachenmoment, axiales 2. Ordnung 59, 91, 96, 105 Flachenmoment, polares 2. Ordnung 45, 58 Flachenpressung 163 Formbohrung80 Formbolzen 83 Gabelwinkel13, 21, 27 Gasdichtlippe 191 Gaskraft 12,104 Gaskraftfiihrung 148 Gas-Tangentialdruck 34, 64 Gas-Tangentialdruck-Harmonische 64,65, ｇ･ｧｮｾ｣ｨｴＱＸＬ＠ 117 Gehausebiegemomente 29, 32 Gehauseverformung 15 Geradfiihrung 8, 76 Gerauschabstrablung 149 Gleichlaufst6rung 37 Gleitlager 133 ff Gleitmodul44 Graphitschicht 86 GrauguBgehause 137, 150, 163 Grenzschichtdicke 170 Grundlager 28, 165 ff Grundlagerkraft 12 ｇｲｵｮ､ｳ｣ｨｾｧ＠ 60, 63 ｇｵｭｩｴｯｲｳｮ｣ｨｾｧ､｡ｰｦ･＠ 123 GuBeisen 6, 78, 86, 177 GuBkolben 78 Hartanodisierung 80 Hartchromschicht 87,168 Hauptbarmonische 71, 72 Hilfsgedite 6 Hoblschaftventil191 Honbearbeitung 167 Hubzapfenlagerkraft 12 Kanalverchromung 87

Kavitationsschaden 80 Kipphebel 187, 194 Klopffestigkeit 5 Knickspannung 105 Kolben-Arbeit 35 -Bescbleunigung 10 -Boden 4, 80 -Einbauspiel 82 Ｍｇ･ｳ｣ｨｾ､ｩｧｫｴ＠ 10, -Gleitbahnnormalkraft 4, 12, 13, 17 -Gleitbahnpressung 87, 88 -Gleitbahnschmierung 77 -Hauptabmessungen 79 -Kippbewegung 80 -KompressionshOhe 78 -Laufflachenbeschichtung 83 -Laufspiel78 -Olkiihlung 81 -Reibung 75 -Schaft 77, 78 -Schliffbild 83 -Temperatur 77 -Weg 8, 9,10, Kolbenbolzen 77, 83 -Desachsierung 80 -Durchbiegung 88, 94 -Kraft 12, 13 -Lage 79 -Nabenpressung 88 -Ovalverformung 88, 94 Kolbenring 77, 84, 85 -Anpre8druck 97 -Biegebeanspruchung 97 -Hauptabmessungen 86 -Laufflachenbewehrung 86 Kompressionsring 84 Kontinuitatsgleichung 140, 143 Kopfschieben 183 Kreisbogennocken 194 Kreuzkopfmotor 8 Kr6pfungsanordnung 22, 26 Kr6pfungsanordnung, symmetrische 24 Kr6pfungsanordnung, vollsymmetrische 24, 33 KugelgraphitguB 86 Kugelstrablen 98 Kiihlkanalkolben 83 Kiihlwasserraum 149, 150, 168

228 Kurbelkr6pfungs-Hauptabmessungen 58 -Massen, reduzierte 17 Kurbelstem 22 -, zentralsymmetrischer 23, 33 Kurbeltrieb 8, 9 Kurbelwellen-Axialfiihrung 134 -Beanspruchung 124 ff -Hauptabmessungen 123 -Tragheitsmoment 39 Ladungswechselarbeit 5 Lagerbreitenverhaltnis 141 Lagerbiichse 133, 135 Lagerkraft 106,141 -Plan 29,30 -Polardiagramm 137 Lagerschale 133, 135 Lagerschalen-Radialdruck 109 -Fixierung 134 -Tangentialspannung 112 -UbermaB 135, 137 Lagerschicht 133 Lagerspiel, relatives 141 Lagerstiitzwand 149 Langskippmoment 26, 27, 35 Lastenheft 1 Laufschicht 134 Leichtmetallkurbelgebause 137, 150, 163, 168 Leistungsformel 2 Liefergrad 5, 182 Massenausgleich, partieller 19 -, vollstandiger 20 ,Massenausgleichsbutzen 98 Massendrehmoment 15,17 Massenkraft 4, 12, 15, 19,21, 22, 32, 33, 104 Massenkraft, freie 16 Massenmoment 25 ff, 33 Massenmoment, freies 16, 24,148 Massenmomentenausgleich 28 Massen-Tangentialdruck 34 Massen-Tangentialkraft 33 Mehrmassensystem 61,62,131 Mehrzylindermotor 3, 22, 34 MetalljWeichstoff-Zylinderkopfdichtung 182 Minutenring 85

Molybdanschicht 87 Momentengleichgewicht 47 Momentenlinie 29 Motor-Hauptabmessungen 2 Motorbauform 2 Motorbauh6he 3 Motordrehzahl, kritische 74 Motorlagerung, auBere 16 N abenrill 80, 83 N adellager 133 Nebenabtriebe 5 Nebenharmonische 71,72 Nickeldamm 134 Nickeldispersionsschicht 168 Nocken, Hertz'sche Pres sung 200 -, Kriimmungsradius 199 -, Ruckfreiheit 195 ff -, Schmierzah1202 Nockenwelle, gegossen 189 -, geschmiedet 189 -, obenliegend 5, 177 -, untenliegend 5 N ockenwellenantrieb 5 Notlaufeigenschaften 134 Nullphasenwinke145, 46, 65 Nutzdrehmoment 15, 148 Nutzfahrzeugdieselmotor 5,117,77, 123, 168,177,187,189,213,216 Olabstreifring 84 Olschlitzring 86 Olspritzdiise 82 Olverdrangung 143 Olverteilnut 134 Olwannenflansch 150 Ordnungszahl 65 Passungsrost 168 Phasenverschiebungswinke149, 69,70,71 Phosphatschicht 83 Pkw-Dieselmotor 123 Pkw-Motor 1, 4, 5,117, 167, 177, 187, 189 Pkw-Ottomotor 123, 206 Pkw-Wirbelkammerdieselmotor 137, 209 Pleuelaugen-Schragteilung 16, 98, 104 -Trennflachenverzahnung 98,104,113, Pleuelschrauben 110 ff

229 Pleuelstange, gegossen 98, 104 -, geschmiedet 98, 104 -, pulvergeschmiedet 98 Pleuelstangen-Beanspruchung 104 ff -Kraft 12, 13 -Lange 3 -Massenaufteilung 16 -Massentragheitsmoment 16 -Schwerpunkt 16 -Verhaltnis 4, 8 PreBkolben 78 Proportionalitatsgrenze 105 Punktmassen 16 Querkontraktionszahl 137 Querkraft 98, 107, 109 Radialkraft 12, 14, 19 Radialspannung 136 Reaktionsmoment 15 Rechteckring 85 Regelkolben 82 Reibungsdampfer 55 Reihenmotor 2, 5, 29, 57 Relativausschlag 62, 132 Resonanzabstimmung 53 Resonanzdrehzahl 73 Resonanzkreisfrequenz 53 Richtungsstern 70, 71 Rillenlager 134 Ringtrager 80 Rollenkette 5, 189 SchalenhartguB 189 Schiebesitzlaufbiichse 169 Schlauchfeder-Dachfasenschlitzring 86 Schlepphebel 189, 194 SchleuderguB 167 Schmierfilmdruck 141 Schmierolbohrungen 116, 137 SchmierOlspalt 137 ff Schmierolverdrangung 75 Schrauben-Betriebskraft 112 -Kraft-Verformungsschaubild 112 -Montagevorspannkraft 114 -Spannungsausschlag 114 -Vergleichsspannung 115 -Vorspannung 111, 112, 113,

-Vorspannungsverlust 114, 184 Schubspannungsgleichgewicht 138 Schwingungs-Amplitude 45, 46 -Dampfer 51 -Form 63 -Knoten 44, 59, 60 -Tilger 53 Schwungrad 39, 40 Sechszylinder-Reihenmotor 43 Sommerfeldzahl 144 ff Spaltstromung 138 Spannungsausschlag 104, 105 SpharoguBkurbelwelle 117, 123 Sputterlager 134 Stahlkurbelwelle 117, 123 Stahlpleuel 137 Stahlstiitzschale 133 Standruhe 16 Stationarmotor 3 Stauchgrenze 137 StegriB 177,216 StoBel 187, 189 StoBeldurchmesser 203 StoBstange 187 StromungsablOsung 182 Tangential-Massenkraft 63 Tangentialdruck, mittlerer 34, 37 Tangentialdruckdiagramm 34, 35, 36 Tangentialkraft 12, 13, 15, 33 Tangentialspannung 135, 170 TassenstOBel 189 Tauchkolbenmotor 8 TemperguBpleuel 98, 104 Torsions-Eigenschwingungszahl44, 117 -Forrnzahl128,130 -Nennspannungsausschlag 128 -Schwingungsdampfer 131 -Schwingungsersatzsystem 59, 60 -Spannungsausschlag 131 -Winkel 44 Trapezring 85 UbermaBkolben 167 UberschuBarbeit 41 Umkehrprinzip 168 UngleichfOrmigkeitsgrad 37,39,40 Unterflurmotor 3

230 V-Motor 2,3,5,29,32,57, 150 Ventil189 -drehvorrichtung 194 -federeigenschwingungszahl 205 -federtorsionsspannung 205 -fiihrung 194 -hub 191 -kegelstiicke 194 -schaftabdichtung 191 -sitzwinkell94 -spieleinstellschraube 189 -spielausgleich, hydraulischer 189 -steuerung 5, 187 Vergleichsspannung 95 Vergleichsspannungsausschlag 131 Vergro.Berungsfunktion 48,49,53,54,55, 132 Vergiitungsstahl 98, 117 Verlagerungswinkell45,146 Verlustdruck, mechanischer 37 Verschleillfestigkeit 77, 134 Viertakt-Ottomotor 34, 35, 36 Viertaktmotor 22, 23, 34, 71 Vierventilanordnung 182, 209 Vierzylindermotor 43 Viskosetorsionsschwingungsdampfer 123 Vollast-Indikatordiagramm 34 Vollmeta11-Zylinderkopfdichtung 183 Vollschaftkolben 80, 82, 83 Warmeausdehnung 78, 137, 185

Warmeleitfahigkeit 6, 78 Warmfestigkeit 77 Wechselmomentl5,16 Widerstandsmoment, polares 128 Winkelgeschwindigkeit, hydrodynamisch wirksame 143 Winkelgeschwindigkeitsschwankungen 37, 40 Zahmader 5, 187 Zahmiemen 5, 189 Zapfenverlagerungsbahn 137 ff Ziindfolge 3, 72 Ziindkerzenlage 6 Ziindwinkelabstand 70 Zusatzgegengewichtsmasse 19 Zusatzschwungmasse 52 Zweimassen-Torsionsschwinger 44, 45 Zweizylinder-Viertaktmotor 37 Zweizylinder-Zweitaktmotor 23 Zylinderabstand 4, 5, 24, 167 Zylinderblock 148, 149 Zylinderdeformation 150, 182, 183 Zylinderkopfdichtung 163, 177, 182 Zylinderkopfschraube 184 ff Zylinderlaufbiichse, eingeschrumpfte 168 -, integrale 4, 149, 167, 169 -, luftgekiihlte 168 -, nasse 4, 168 -, trockene 4, 149, 167, 168 -, umgossene 168

A. Urlaub, Technische Universitiit Braunschweig

Verbrennungsmotoren Band 2: Verfahrensfheorie Hochschultext

1989. VIII, 227 S. 93 Abb. Brosch. DM 38,ISBN 3-540-50509-1 Inhaltsiibersicht: Ladungswechsel. - Ziindung und Verbrennung. - Gemischbildung. - Motorkiihlung.

Band 1: Grundlagen Hochschultext

1987. VIII, 190 S. 110 Abb. Brosch. DM 38,ISBN 3-540-18318-3 Inhaltsiibersicht: Einfiihrung. - Kreisprozesse. Der reale Motor. - Ziindung und Verbrennung. Gemischbildung. - Aufladung. - Literaturverzeichnis. - Sachverzeichnis.

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Das dreibandige Lehrbuch behandelt alle Teilbereiche und Aspekte von Verbrennungsmotoren in komprimierter aber dennoch leicht versilindlicher Darstellung, die dem Leser einen raschen Uberblick verschaffi: iiber die wichtigsten Zusammenhange motorischer ProzeBabIaufe und Konstruktionsdetails.

H. Klingenberg

Automobil..MeBtechnik Band A: Akustik 1988. XXI, 252 S. 232 Abb. Geb. DM 98,ISBN 3-540-19318-9 Inhaltsiibersicht: Ubersicht. - Physikalische Grundlagen. - Schallwahrnehmung des Menschen. - Gerauschquellen des Fahrzeugs. - Schalldiimpfung und Schalldammung im Fahrzeug. - MeBgerate und MeBsysteme. - MeBraume und Anwendungsbeispiele. - Priifvorrichtungen. Innengerausch-Untersuchungen. - AuBengerauschUntersuchungen. - Literaturverzeichnis. - Sachwortverzeichnis.

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Das vierbandige Werk behandelt in voller Breite die MeBtechnik in der Forschung und Entwicklung der Automobilindustrie. Der Autor kann dabei auflangjiihrige Erfahrungen als Leiter der MeBtechnik-Abteilung des gr6Bten deutschen Automobilherstellers zuriickgreifen. Die einzelnen Bande beschaftigen sich mit den MeBverfahren der Kraftfahrzeugentwicklung, insbesondere mit der Akustik (Band A) und der Optik (Band B). Neben den klassischen Standard-Methoden werden moderne Verfahren (Laser etc.) erlautert. 1m weiteren widmet sich der Autor den AbgasmeBverfahren (Band C) und den MeBmethoden in der Fahrzeugsicherheitstechnik (Band D). Obgleich die Bande, die fur die Fahrzeugentwicklung relevante MeBtechnik zum Thema haben, kann das Gesamtwerk als wichtiges Hand- und Lehrbuch der allgemeinen MeBtechnik angesehen werden, da viele auch fur andere Gebiete der Technik verwendbare Verfahren enthalten sind.