2003:C3:6735:D00:B02C:77CD:355C:6B9F: kann? Das Fahren mit Anhänger kann das Fahrverhalten eines PKW verändern. Division durch Null kann nicht erlaubt sein.

2024-09-03T02:12:28Z

kann? Das Fahren mit Anhänger kann das Fahrverhalten eines PKW verändern. Division durch Null kann nicht erlaubt sein.

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[[Datei:HKM.gif|miniatur|Abb. 1: Schemazeichnung einer Hubkolbenmaschine]]

In einem '''Hubkolbenmotor''' führt die Expansion eines [[Gas]]es über eine [[Schubkurbel]] dazu, dass mechanische Energie abgegeben bzw. [[Arbeit (Physik)|Arbeit]] verrichtet wird. Hubkolbenmotoren zählen zu den [[Kolbenmaschine]]n.

== Funktionsprinzip ==

Die Ausdehnung des Gases in einem [[Zylinder (Technik)|Zylinder]] verrichtet Arbeit an einem [[Kolben (Technik)|Kolben]], die durch eine [[Pleuel]]stange auf die [[Kurbelwelle]] übertragen wird. So wird die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine [[Drehbewegung]] umgesetzt, und die Kolben können Arbeit über die Pleuel an die Kurbelwelle abgeben (Abb. 1). Zwei Bauformen sind bekannt:
* Beim '''Standmotor''' ist das Motorgehäuse mit den Zylindern fixiert und die Kurbelwelle dreht sich. Diese Bauform ist heute die Regel.
* Beim [[Umlaufmotor]] dreht sich das Motorgehäuse um die Kurbelwelle. Sie kann stillstehen oder sich ebenfalls drehen, wobei sie mit dem Motorgehäuse über Zahnräder gekoppelt ist, zum Beispiel beim [[Megola]]-Motorrad. Die Zylinder kreisen um die Kurbelwellenachse. Die Hubzapfen sind exzentrisch angeordnet, wodurch der Hub der einzelnen Kolben in den Zylindern zustande kommt, genau wie beim Standmotor. Frühe Flugmotoren waren häufig [[Sternmotor|Stern]]-Umlaufmotoren.
Betrachtet man nur die Bewegung der Teile relativ zueinander, unterscheiden sich die beiden Bauformen nicht. Die Zylinder eines Sternmotors sind [[Symmetrie (Geometrie)#Rotationssymmetrie / Drehsymmetrie|drehsymmetrisch]] um die Kurbelwelle angeordnet, wodurch Unwucht vermieden wird.

Beispiele für Hubkolbenmotoren sind:
* [[Verbrennungsmotor]]en mit innerer Verbrennung, speziell [[Dieselmotor]] und [[Ottomotor]]
* Verbrennungsmotoren mit äußerer Verbrennung und
** geschlossenem Kreislauf des Arbeitsfluids, wie [[Stirlingmotor]]en oder [[Dampfmotor]]en
** offenem Kreislauf des Arbeitsfluids, wie [[Dampfmaschine]]n
* [[Gasexpansionsmotor]]en

Hubkolbenmotoren werden auch nach der Zahl und Anordnung der Kolben je Brennraum eingeteilt:
* normaler Hubkolbenmotor mit einem Kolben je Brennraum (bei weitem am häufigsten)
* [[Doppelkolbenmotor]] mit U-Zylinder mit zwei Kolben in parallelen Zylindern, mit gemeinsamem Brennraum und gekoppelter Hubbewegung
* [[Gegenkolbenmotor]] mit zwei gegeneinander arbeitenden Kolben und gekoppelter Hubbewegung im gleichen Zylinder
* [[Doppeltwirkender Verbrennungsmotor]] mit zwei Brennräumen je Zylinder

Sie werden auch nach der Zahl und Anordnung der Zylinder eingeteilt:
* [[Reihenmotor]]
* [[V-Motor]]
* [[Boxermotor]]
* [[Sternmotor]]
* [[W-Motor]] (und weitere)

== Begriffe und Bezeichnungen ==

* Der '''[[Kurbeltrieb]]'''<ref name="ftn2">Richard van Basshuysen; Fred Schäfer (Hrsg.), "''Handbuch Verbrennungsmotor''", Abschnitt 6.1 „''Kurbeltrieb''“, 8. Auflage 2017, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ISBN 978-3-658-10901-1.</ref> wandelt die Kraft der Gasexpansion und die oszillierende Bewegung des Kolbens in eine rotierende Bewegung der [[Kurbelwelle]] um und steuert den Ablauf des Gasaustauschprozesses, sowie ggf. weitere synchrone Vorgänge. Zum Kurbeltrieb gehören der Kolben, der [[Pleuel]] und die Kurbelwelle.
* Im '''[[Zylinder (Technik)|Zylinder]]''' gleitet der Kolben auf und ab. Zwischen Kolben und Zylinder dichten die '''Kolbenringe''' den Expansionsraum so ab.
* Der '''[[Kolben (Technik)|Kolben]]''' bildet im Expansionsraum eine bewegliche Wand. Durch die Bewegung wird die Expansion des Gases in mechanische Arbeit umgewandelt. Daneben kann der Kolben in manchen Bauformen (speziell [[Zweitaktmotor]]en) den Gaswechsel (bei innerer Verbrennung auch als [[Ladungswechsel]] bezeichnet) steuern.
* In den '''[[Totpunkt]]en''' kehrt der Kolben seine Bewegung um. Der '''obere Totpunkt''' (OT) ist erreicht, wenn das '''Kompressionsvolumen''' (VC) das kleinste Volumen hat. Der '''untere Totpunkt''' (UT) ist erreicht, wenn der Expansionsraum sein größtes Volumen hat.
* Der '''[[Hubraum]]''' (VH) ist die Differenz zwischen dem Zylindervolumen im UT und im OT.
* Das geometrische '''[[Verdichtungsverhältnis]]''' (ε) ist nach DIN 1940 das Verhältnis vom maximalen Brennraumvolumen zum minimalen Kompressionsvolumen (ε = 1 + VH / VC); ε ist stets größer als 1 und umso größer, je ''stärker verdichtet'' wird. Außerhalb von Fachliteratur wird oft der Kehrwert 1:ε angegeben.
* Die '''Bauform''' beschreibt die Anordnung der Zylinder bei Motoren mit mehr als einem Zylinder. Häufig verwendete Bauformen sind [[Reihenmotor]], [[V-Motor]] und [[Boxermotor]]. [[H-Motor]], [[W-Motor]], [[Sternmotor|Stern-]], Doppelkolbenmotoren mit U-Zylinder und als Gegenkolbenmotoren sind nur selten anzutreffen.
* '''Massenkräfte''' entstehen durch die Bewegung des Kurbeltriebs an jedem Zylinder. Ursache ist die oszillierende Bewegung des Kolbens, die rotierende Bewegung der [[Hubzapfen]] an der Kurbelwelle und die Überlagerung beider Anteile beim Pleuel.
* Durch den Ausgleich von Massenkräften können die Vibrationen des Motors reduziert werden. Dazu werden '''[[Ausgleichswelle]]n''' verwendet. Sie drehen mit gleicher oder doppelter Drehzahl der Kurbelwelle (Beispiel [[Lanchester-Ausgleich]]<ref name="ftn1">Eduard Köhler; Rudolf Flierl, „''Verbrennungsmotoren''“, Abschnitt 5.2.1.3.1 „''Ausgleich von Massenkräften durch Ausgleichswellen; Möglichkeiten und Anwendungen''“, 6. Auflage 2011, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011, ISBN 978-3-8348-1486-9.</ref>). Es gibt auch Systeme mit Ausgleichsmassen, die über Pleuel und Hebel von der Kurbelwelle angetrieben werden<ref name="ftn0">Richard van Basshuysen; Fred Schäfer (Hrsg.), "''Handbuch Verbrennungsmotor''", Abschnitt 8.3.1.2 „''Zweizylindermotoren''“, 8. Auflage 2017, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ISBN 978-3-658-10901-1.</ref> (beispielsweise [[BMW F 800#Motor|BMW F800]]).
* '''Massenmomente''' entstehen auch um den Schwerpunkt des gesamten Motors. Durch geeignete Anzahl und Anordnung der Zylinder können Massenmomente eliminiert werden.
* Der '''Kurbelwinkel''' wird am Hubzapfen der Kurbelwelle gemessen und in Richtung der Kurbelwellendrehung gezählt. Beim Ottomotor wird der [[Zündzeitpunkt]] (Zündwinkel) auf den Kurbelwinkel bezogen, negative Winkel werden häufig als „φ Grad ''vor'' OT“ angegeben. Die Zählung wird beim Viertakt-Motor gelegentlich über alle Arbeitstakte (2 Kurbelwellenumdrehungen) fortgesetzt, so dass der Kurbelwinkel zwischen 0 und 720° liegen kann.
* '''[[Drehschwingung]]en''' entstehen durch die ungleichmäßige Geschwindigkeit der Kolben und die periodische Anregung durch die Gaskräfte. Sie erzeugen eine ungleichförmige Geschwindigkeit und ein ungleichmäßiges Drehmoment an der Kurbelwelle.
* Die '''[[Zündfolge]]''' eines Verbrennungsmotors (auch bei Dieselmotoren so bezeichnet) gibt die Reihenfolge der Verbrennungen bei Mehrzylindermotoren an. In der Regel wird darauf geachtet, dass die Zündungen bezogen auf den Drehwinkel der Kurbelwelle in gleichen Abständen erfolgen, um Drehschwingungen zu reduzieren.
* Das '''[[Schwungrad]]''' in Form einer Kupplung und Dämpfung dient ebenfalls zur Begrenzung der Drehschwingungen und als Zwischenspeicher für die Energie zum Gaswechsel (Ausstoßen und Ansaugen) und zum Verdichten vor der Verbrennung.
* Der Gaswechsel wird durch Ventile (Viertakt- und einige Zweitakt-Großmotoren), [[Drehschieber]]<ref name="ftn3">Richard van Basshuysen; Fred Schäfer (Hrsg.), "''Handbuch Verbrennungsmotor''", Abschnitt 10.1 „''Gaswechseleinrichtungen beim Viertaktmotor''“, 8. Auflage 2017, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ISBN 978-3-658-10901-1.</ref> (Zweitakter, selten Viertakter), Lamellen- oder [[Schnüffelventil]]e<ref name="ftn4">Richard van Basshuysen; Fred Schäfer (Hrsg.), "''Handbuch Verbrennungsmotor''", Abschnitt 10.3.2 „''Gaswechselorgane''“, 8. Auflage 2017, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ISBN 978-3-658-10901-1.</ref> (Zweitakter) oder Schlitze (vor allem Zweitakt- und Wankelmotoren) gesteuert.

== Massenkräfte ==

Infolge der Hubbewegung der [[Kolben (Technik)|Kolben]] und [[Pleuel]] sowie infolge des ungleichförmigen Übertragungsverhaltens des [[Kurbeltrieb]]s treten [[Massenkraft|Massenkräfte]] auf, die sich in den Motorlagern abstützen und benachbarte Strukturen zu [[Schwingung]]en anregen.

Die Massenkräfte der linear bewegten Teile des Kurbeltriebes (oszillierende Massen) lassen sich durch folgende Formel näherungsweise berechnen:
:<math>F_\mathrm{osz} = m_\mathrm{osz} \cdot r \cdot \omega^{2} \cdot (\cos (\alpha ) + \lambda \cdot \cos (2\,\alpha ))</math>
mit
:<math>\lambda = \tfrac{r}{l}</math>
:<math>F_\mathrm{osz}</math>: Oszillierende Massenkraft
:<math>m_\mathrm{osz}</math>: Oszillierende Masse
:<math>r</math>: Kurbelradius
:<math>\omega</math>: Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle
:<math>\alpha</math>: Kurbelwinkel
:<math>l</math>: Pleuellänge
:<math>t</math>: Zeit seit Durchlaufen des oberen Totpunktes

=== Massenkräfte 1. und 2. Ordnung ===

Da es sich bei dem Ausdruck in der Klammer um die ersten zwei Glieder einer [[Reihenentwicklung]] handelt, bezeichnet man <math>\cos (\alpha )</math> als Massenkraft 1. Ordnung, <math>\lambda \cdot \cos(2\,\alpha )</math> als Massenkraft 2. Ordnung.

Theoretisch treten nicht nur 1. und 2. Ordnung auf, sondern unendlich viele ganzzahlige Ordnungen, die jedoch ab der 4. Ordnung aufgrund ihrer geringen Größe meistens vernachlässigbar sind.

== Massenausgleich ==
[[Datei:Lanchester-Ausgleich.jpg|miniatur|Abb. 2: Lanchester-Ausgleich]]

Die rotierenden Massen des Kurbeltriebs können durch Gegengewichte an der Kurbelwelle ausgeglichen werden. Oszillierende Massenkräfte 1. und 2. Ordnung können bei Mehrzylindermotoren durch eine geschickte Anordnung der Zylinder vermieden oder vermindert werden. Um diese Massenkräfte völlig auszugleichen, benötigt man mindestens sechs Zylinder beim Viertakt-[[Reihenmotor]] oder acht Zylinder beim [[V-Motor]]. Bei Motoren mit weniger Zylindern kommen oft [[Ausgleichswelle]]n zum Einsatz, auf denen entsprechende Ausgleichsunwuchten mit einfacher oder doppelter Kurbelwellen-Drehzahl umlaufen (zum Beispiel [[Lanchester-Ausgleich]] (Abb. 2)).

Eine andere Möglichkeit, einen perfekten Massenausgleich zu erreichen (und zwar nicht nur näherungsweise), besteht in der Verwendung von zwei gegenläufig rotierenden Kurbelwellen, wie zum Beispiel beim Tandemmotor und beim [[H-Motor]].

== Tabelle ==
{| class="sortable wikitable"
|- style="line-height:120%"
!rowspan="2"| Zylinderzahl
!colspan="2"| Freie Kräfte (Ordnung)
!colspan="2"| Freie Momente (Ordnung)
!rowspan="2"| Zündabstände bei Viertaktmotoren
|-
! 1.
! 2.
! 1.
! 2.
|-
| 1 || 2 || 3 || - || - || 720°
|-
| 2 Reihe<ref name="HKT">Braess, Seiffert (Hrsg.): ''Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik''. 6. Auflage. Vieweg+Teubner. Wiesbaden. 2012. ISBN 9783834882981. S. 165 ff.</ref> (180°)|| 0 || 2 || 2 || 0 || 180°/540°

|-
| 2 Twin (360°) || 2 || 3 || 0 || 0 || 360°
|-
| 2 (V 90°) || 1 || 3 || - || - || 270°/450°
|-
| 2 (V 60°) || 2 || 3 || - || - || 300°/420°
|-
| 2 (Boxer) || 0 || 0 || 2 || 3 || 360°
|-
| 3 (Reihe 120°) || 0 || 0 || 2 || 3 || 240°
|-
| 4 (Reihe) || 0 || 3 || 0 || 0 || 180°/180° oder 270°/90°
|-
| 4 (V 90°){{FN|1}} || 0 || 3 || 2 || 0 || 90°/270°
|-
| 4 (Boxer 180°) || 0 || 0 || 0 || 2 || 180°/180°
|-
| 5 (Reihe) || 0 || 0 || 2 || 2 || 144°/144°
|-
| 6 (Reihe) || 0 || 0 || 0 || 0 || 120°/120°
|-
| 6 (V 90°){{FN|1}} || 0 || 0 || 3 || 3 || 150°/90° oder 120°/120° (um 30° versetzte Hubzapfen)
|-
| 6 (V 60°)<ref name="HKT" /> {{FN|1}} || 0 || 0 || 3 || 3 || 120°/120° (um 60° versetzte Hubzapfen)
|-
| 6 (Boxer 120°) || 0 || 0 || 1 || 2 || 120°/120°
|-
| 8 (V 90°) || 0 || 0 || 1 || 0 || 90°/90°/
|-
| 12 (V 60°) || 0 || 0 || 0 || 0 || 60°/60°
|}

'''Legende'''<ref>Helmut Werner Bönsch: ''Einführung in die Motorradtechnik.'' 3. Auflage. Motorbuch-Verlag Stuttgart 1981, ISBN 3-87943-571-5., S.
191.</ref><ref>Bosch: ''Kraftfahrtechnisches Taschenbuch.'' 28. Auflage, Mai 2014. ISBN 978-3-658-03800-7, S. 452.</ref> 
&emsp;0: voll ausgeglichen 
&emsp;1: voll auszuwuchten 
&emsp;2: teilweise auszuwuchten 
&emsp;3: nicht auszuwuchten
{{FNBox|
{{FNZ|1|Vier- und Sechszylinder-V-Motoren (außer Rennmotoren) werden in der Regel mit versetzten Kurbelzapfen ausgeführt, damit sich gleiche Zündabstände ergeben.}}
}}

== Ungleichförmige Bewegungsabläufe ==

=== Drehungleichförmigkeit ===
Da Hubkolbenmotoren nicht wie etwa [[Turbine]]n 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).

[[Datei:Drehungleichfoermigkeit.jpg|miniatur|Abb. 3: Momentenpulsation und Drehungleichförmigkeit]]

Die Form der Drehungleichförmigkeit wird bestimmt durch die Anzahl der Zylinder, den Druckverlauf im Zylinder, die Geometrie und die Massen der Motorbauteile sowie das Arbeitsverfahren (z. B. [[Zweitaktmotor|Zweitakt-]] bzw. [[Viertaktmotor|Viertaktverfahren]]) sowie den Betriebspunkt (Last/Drehzahl) des Motors. Der Nebenantrieb z. B. einer Nockenwelle und der Sekundärantrieb von Nebenaggregaten haben ebenfalls einen Einfluss.

Diese sogenannte Drehungleichförmigkeit ist die Ursache für [[Drehschwingung|Torsions-Schwingungen]] im nachgeschalteten [[Antriebsstrang]], die häufig auch zu unangenehmen [[Motorgeräusch]]en führen. Um diese zu reduzieren, kommen [[Zweimassenschwungrad|Zweimassenschwungräder]] oder Torsionsschwingungs-[[Schwingungstilger|Tilger]] beziehungsweise -[[Schwingungsdämpfer|Dämpfer]] zum Einsatz. Auch ein [[Wandlergetriebe]] dämpft die Stöße.

=== Kolbenhub und Verdichtung ===
Durch die [[Knickpleuel]]technik und andere Methoden, einen [[Variabler Kurbeltrieb|variablen Kurbeltrieb]] zu erreichen, sollen unter anderem Verdichtungsverhältnis und -verlauf gesteuert werden.

== Literatur ==
* Richard van Basshuysen, Fred Schäfer (Hrsg.): ''Handbuch Verbrennungsmotor : Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven'' (= ''ATZ-MTZ-Fachbuch''). 3., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. Vieweg, Wiesbaden 2005, ISBN 3-528-23933-6.
* Eduard Köhler: ''Verbrennungsmotoren. Motormechanik, Berechnung und Auslegung des Hubkolbenmotors.'' 3. Auflage. Vieweg, Wiesbaden 2002, ISBN 3-528-23108-4.

== Weblinks ==
* {{DNB-Portal|4133462-0}}
* [https://web.archive.org/web/20130422084854/http://www.brucewilles.de/massenausgleich.html ''Massenausgleich und Laufruhe von Hubkolbenmotoren''] (animiert, 2009, Archivlink April 2013)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{NaviBlock
|Navigationsleiste Motorbauweise
|Navigationsleiste Hubkolbenmotoren
}}

{{Normdaten|TYP=s|GND=4133462-0}}

[[Kategorie:Fluidkraftmaschine]]
[[Kategorie:Kolbenmaschine]]

Hubkolbenmotor - Versionsgeschichte

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