Kurbelwelle

Animation: Kurbelwelle (rot) eines Vierzylindermotors

Eine Kurbelwelle ist eine Aneinanderreihung mehrerer Kurbeln. Die Wellenstümpfe der inneren Drehgelenke der Kurbeln fluchten untereinander und bilden eine unterbrochene Welle. Ihre Teilstücke sind über die Arme der Kurbeln und deren äußere Wellenstümpfe miteinander verbunden. Die Verbindung wird dadurch möglich, dass jede einzelne Kurbel zwei Kurbelarme (Kurbelwangen) hat. Die Kurbeln sind im Allgemeinen in der Wellenachse gegeneinander verdreht.

Der Aneinanderreihung von Kurbeln zu einer Kurbelwelle entspricht die Aneinanderreihung mehrerer Kolben und Zylinder in einem Reihenmotor oder einer anderen mehrzylindrigen, meist als Kraftmaschinen arbeitenden Hubkolbenmaschine (z. B. Verbrennungsmotor). Zusammen mit den Pleueln und den Hubkolben bilden sie mehrere Schubkurbelgetriebe, die einzeln als Kurbeltrieb bezeichnet werden.

Die Bauteil-Folge   Wange – Hubzapfen (äußerer Wellenstumpf) – Wange   wird als Kurbelwellenkröpfung bezeichnet.

Geschichte

Die Sägemühle von Hierapolis

Die erste bekannte Maschine, bei der eine Drehbewegung mithilfe einer Kurbel in einer Schubstange in eine lineare Bewegung umgesetzt wurde, war die römische Sägemühle von Hierapolis (3. Jahrhundert).[1]

Der niederländische Erfinder Cornelis Corneliszoon nutzte ein solches Getriebe, um durch eine Windmühle eine Sägemühle zu betreiben. 1597 erhielt er ein Patent auf seine Kurbelwelle.

Reiffenstuelsche Kolbendruckpumpe im Salinenpark Traunstein

Bei der Reiffenstuelschen Kolbendruckpumpe wurde die Kraft von einem oberschlächtigen Wasserrad über eine Welle mit drei Kröpfungen auf drei Pumpenkolben übertragen. Diese Pumpe wurde 1612 von Simon Reiffenstuel für die „erste Pipeline der Welt“, die Soleleitung von Reichenhall nach Traunstein, entwickelt.

Funktion

Die Kurbelwelle hat die Aufgabe, die Kolbenkräfte, die über die Pleuelstange geleitet werden, aufzunehmen, diese in ein Drehmoment umzuwandeln und dieses über die Kupplung an das Getriebe weiterzuleiten.

Kurbelwellen können auch höhenverstellbar gelagert werden, damit wird eine variable Verdichtung ermöglicht. Durch ein exzentrisch gelagertes Kurbelwellenlager wird die Kurbelwelle angehoben. Der Vorteil einer variablen Verdichtung ist ein im Teillastbereich um bis zu 25 % geringerer Verbrauch.[2]

Um zu Schmierungszwecken Motoröl innerhalb der einteiligen Kurbelwelle an die Haupt- und Pleuellager leiten zu können, ist die Kurbelwelle hohlgebohrt, das Öl wird durch ein Hauptlager zugeführt und tritt dann durch Bohrungen in den Wellen- und Hubzapfen aus. Bei gebauten Wellen sind die Haupt- und Pleuellager keine Gleitlager, sondern Wälzlager, diese benötigen keine Druckölschmierung, sondern werden durch den Ölnebel im Zylinder-Kurbelgehäuse mit Schmierstoff versorgt.

Durch Schränkung wird die Kurbelwelle oft seitlich aus der Zylindermittelachse versetzt. Dies wird meist durch eine Desachsierung des Kolbenbolzens ergänzt. Dadurch ergeben sich verschiedene Vorteile hinsichtlich der Reibungsverluste und Geräuschemission (NVH).

Aufbau

Eine Kurbelwelle besteht aus folgenden Elementen:

  • Wellenzapfen. Diese laufen in den Grundlagern (Hauptlagern) und definieren die Drehachse der Welle.
  • Pleuellager, auf denen die Schubstangen (Pleuel) gelagert sind. Sie beschreiben im Betrieb eine Kreisbahn um die Drehachse der Kurbelwelle. Der Durchmesser dieser Kreisbahn entspricht genau dem Kolbenhub der Kolben.
  • Kurbelwangen, die die Pleuellager mit den Wellenzapfen verbinden.
  • Zur Auswuchtung dienen in der Regel Gegengewichte, die an den Wangen angebracht werden (z. B. bei Reihenmotoren).

Die rotierenden Massenkräfte werden vollständig und die oszillierenden Massenkräfte erster Ordnung werden üblicherweise zu 50 % durch Anbringung von Gegenmassen ausgeglichen. Dies hat jedoch den Effekt eines höheren Gewichtes der Kurbelwelle. Eine weitere Reduktion oszillierender Massenkräfte erster und zweiter Ordnung erfolgt nicht über Maßnahmen an der Kurbelwelle, sondern über den Lanchester-Ausgleich.

Bauarten und Fertigung

(c) Bundesarchiv, B 145 Bild-F040736-0010 / Schaack, Lothar / CC-BY-SA 3.0
Fertigung bei VW (Bundesarchiv, B 145 Bild-F040736-0010 / Schaack, Lothar)

Man unterscheidet gebaute, also aus Einzelteilen zusammengesetzte Kurbelwellen und geschmiedete oder gegossene, also in einem Stück hergestellte Kurbelwellen.

Literatur

  • Tullia Ritti, Klaus Grewe, Paul Kessener: A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications. In: Journal of Roman Archaeology, Bd. 20: 2007, S. 138–163.
  • Wilfried Staudt: Handbuch Fahrzeugtechnik Band 2. 1. Auflage, Bildungsverlag EINS, Troisdorf, 2005, ISBN 3-427-04522-6.
  • Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. 1. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart, 1992, ISBN 3-613-01288-X.

Weblinks

Commons: Kurbelwelle – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Ritti, Grewe, Kessener (2007), S. 161.
  2. fev.com: Fortgeschrittene Konzepte. Abgerufen am 17. November 2010.

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Kurbelwelle für PKW, Gusseisen, Sandguss
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Crankshaft animation.
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Es folgt die historische Originalbeschreibung, die das Bundesarchiv aus dokumentarischen Gründen übernommen hat. Diese kann allerdings fehlerhaft, tendenziös, überholt oder politisch extrem sein. Info non-talk.svg
VW-Werk Salzgitter
Kurbelwellenfertigung
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Crankshaft of a four-cylinder internal combustion engine - from the blank through forging and machining to the final product. Photo taken during a presentation by Škoda Auto in Mladá Boleslav.
Römische Sägemühle.svg
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Darstellung der römischen Steinsägemühle von Hierapolis. Die Wassermühle aus dem 3. Jh. n. Chr. gilt als die erste bekannte Maschine mit Kurbelwelle und Pleuel überhaupt.
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Gratlos geschmiedete Zweizylinderkurbelwelle
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A marine motor stainless steel crankshaft
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Nachbau einer Reiffenstuelschen Kolbendruckpumpe im Salinenpark Traunstein