Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

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4.4 Motormechanik und Wärmehaushalt 305

4.4.2 Beanspruchung und Anpassung der Motorkomponenten

Die Komponenten vom Kurbel- und Ventiltrieb sowie der Zylinderkopf, die Lauf-

buchse und das Kurbelgehäuse werden unterschiedlich beansprucht. Während die

brennraumbegrenzenden Bauteile (Zylinderkopf, Kolben, Laufbuchse) einer ho-

hen thermischen Belastung durch die heißen Brennraumgase unterliegen, sind alle

kraftübertragenden Komponenten mechanisch hoch beansprucht. Der Ventiltrieb

wird bei Downsizing-Konzepten im Vergleich zu konventionellen Motorkonzep-

ten eher geringfügig zusätzlich belastet.

Eine detaillierte Beurteilung der Gestaltfestigkeiten der einzelnen Bauteile er-

fordert die Kenntnis der jeweiligen Randbedingungen und macht umfangreiche

Berechnungen nötig. Daher werden die Beanspruchungen der einzelnen, relevan-

ten Motorkomponenten im Folgenden überwiegend qualitativ aufgezeigt und

Maßnahmen zur Darstellung der gewünschten Lebensdauer diskutiert.

Zylinderkopf

Beim Zylinderkopf haben sich Grauguss und AlSi-Legierungen als Werkstoff

durchgesetzt. Die hohen Zünddrücke moderner, direkteinspritzender Diesel- und

Ottomotoren erfordern generell einen Werkstoff, der hinsichtlich Zugfestigkeit,

Kriechbeständigkeit, Duktilität und Elastizität, Wärmeleitfähigkeit, Thermo-

schockfähigkeit sowie guten Gießeigenschaften bei geringer Warmrissanfälligkeit

höchsten Ansprüchen genügen muss. Neben der richtigen Werkstoffwahl haben

auch das Gießverfahren und die Wärmebehandlung einen entscheidenden Einfluss

auf die physikalischen Eigenschaften. Diese Prozesse sind sehr sorgfältig auf den

Werkstoff abzustimmen.

Bei der Mehrzahl der aktuellen Dieselmotoren ist der Zylinderkopf das Le-

bensdauer begrenzende Bauteil, wobei im Allgemeinen nicht die Festigkeit der

kritische Faktor ist, sondern die thermomechanische Wechselbeständigkeit

[LAN04]. Der Teil des Zylinderkopfes, der die Grenze zum Brennraum darstellt,

sowie die Stege im Bereich des Auslasskanals sind bei modernen Dieselmotoren

hohen Temperaturen bis über 220 °C ausgesetzt [FUC03]. Insbesondere hier be-

steht die Gefahr von Werkstoffermüdung, die sich durch eine Abnahme der me-

chanischen Eigenschaften wie beispielsweise Zugfestigkeit, Streckgrenze und

Härte äußert und zum Werkstoffversagen durch Rissbildung führen kann. Neben

der Weiterentwicklung hoch belastbarer Werkstoffe sind auch neuartige Kühlkon-

zepte und konstruktive Lösungen zur intensiven Wärmeabfuhr Ziel führend.

Durch die Darstellung eines intelligenten Kühlkonzeptes, das geringe Tempera-

turgradienten innerhalb des Bauteils ermöglicht, kann die Problematik infolge

thermisch bedingter Ermüdungserscheinungen spürbar gesenkt werden.

Darüber hinaus bietet auch ein lokales Werkstoffengineering in Form von ge-

teilt ausgeführten Zylinderköpfen, das z.B. bei Porsche eingesetzt wird [KNI03],

Vorteile. Hier wird der geringer beanspruchte, obere Teil aus einer günstigen

306 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Standardlegierung vergossen, während der hoch beanspruchte, untere Bereich aus

einer hochwarmfesten Legierung gefertigt wird.

Für weiter verschärfte Einsatzbedingungen bietet auch Vermiculargraphitguss

(GGV, GJV), der bereits als Werkstoff für hochbelastete Kurbelgehäuse bei Die-

selmotoren Verwendung findet, trotz des durch die geringere Wärmeleitfähigkeit

höheren Temperaturniveaus beachtliches Potenzial. Aufgrund des Gewichtsnach-

teils im Vergleich zu Aluminium sind solche Eisen-Konzepte jedoch nur als kon-

sequente Dünnwand-Konstruktionen denkbar, die hohe Anforderungen an den

Gießprozess stellen.

Kurbelgehäuse und Zylinderlauffläche

Die Beanspruchung des Zylinderkurbelgehäuses (ZKG) erfolgt zum einen mecha-

nisch mit der Folge hoher Spannungen in den kraftführenden Bereichen sowie der

Anregung von Gehäuseschwingungen (Geräusch). Auf der anderen Seite führen

die im Brennraum umgesetzten Energiemengen zu einer hohen thermischen Belas-

tung des oberen Laufbuchsenbereiches, sodass hier eine intensivere Kühlung er-

forderlich ist. Die hohen inneren Triebwerkskräfte von Hochlastkonzepten sowie

hohe Drehmomente führen zu einer verstärkten mechanischen und tribologischen

Belastung, der einerseits durch geeignete Werkstoffe und andererseits durch eine

intelligente konstruktive Ausführung im Sinne einer verspannungs- und verfor-

mungsarmen Kraftführung begegnet werden muss. Wie schon beim Zylinderkopf

beschrieben, sind die physikalischen Eigenschaften der Werkstoffe auch beim

Kurbelgehäuse von dem gewählten Gießverfahren sowie der Wärmebehandlung

abhängig.

Der Anteil des Kurbelgehäuses an der Gesamtmasse des Motors beträgt etwa

25-35% und ist grundsätzlich abhängig von der Motorgröße, der Bauart und dem

Brennverfahren. Schon früh haben daher Bestrebungen stattgefunden, das Gewicht

des Kurbelgehäuses zu reduzieren. Nachdem beim Ottomotor die AlSi-

Legierungen als ZKG-Werkstoff einen sehr hohen Anteil erreicht haben, werden

auch die Kurbelgehäuse von modernen Dieselmotoren zunehmend aus diesen

Leichtmetalllegierungen hergestellt [KÖH02]. Die begrenzenden Faktoren für

diese Entwicklung stellen die Struktursteifigkeit sowie die Anforderungen an die

Zylinderlauffläche dar. Durch lange Zuganker und zusätzliche Stahleinlagen sind

mit AlSi-basierten Kurbelgehäusen zwar Spitzendrücke bis 200 bar darstellbar

[SCH04a], jedoch bedeuten diese strukturversteifenden Maßnahmen einen nicht

unwesentlichen Aufwand. Auch die Lagerstühle müssen bei Al-ZKG aus anderen

Werkstoffen gefertigt werden, da Aluminium mit den Eigenschaften hohe Wär-

medehnung und geringe Steifigkeit im Motorbetrieb zu hohen Schmieröldurchsät-

zen aufgrund großer Lagerspiele und zu plastischer Verformung infolge hoher

Lagerkräfte führt.

Hinsichtlich der Kosten, der Gießbarkeit und des NVH-Verhaltens sind den-

noch sowohl der lamellare Grauguss (GJL) als auch die hochfesten GJV-

Legierungen und GGG für Spitzendrücke um 200 bar als Werkstoff für Zylinder-

kurbelgehäuse den Aluminiumlegierungen überlegen. Das höhere spezifische

Gewicht von Grauguss kann über geschickte, konstruktive Gestaltung mit innerer

4.4 Motormechanik und Wärmehaushalt 307

Tragholmstruktur zu einer Reduzierung des Gewichtsvorteils von Aluminium

führen, sodass Grauguss nach wie vor interessante Eigenschaften bietet, zumal

keine zusätzlichen Maßnahmen für die Zylinderlauffläche erforderlich sind.

Um die positiven Eigenschaften von Grauguss und Aluminium bzw. Magnesi-

um verbinden zu können, werden zunehmend Verbundkonstruktionen eingesetzt.

Hoch belastete Bereiche des Kurbelgehäuses (Deckplatte, Hauptlager, Zylinder-

stege) können damit gezielt durch entsprechend geeignete Werkstoffe ausgeführt

werden. Die BMW AG hat als erster Hersteller eine Aluminium-Magnesium-

Verbundkonstruktion entwickelt [LAN03], die einen interessanten Ansatz für

Leichtbau im Kurbelgehäuse darstellt. Allerdings bieten diese Varianten bei ver-

gleichsweise hohem Aufwand nicht das Potenzial zur Spitzendrucksteigerung über

200 bar wie Graugusswerkstoffe.

Effiziente Brennverfahren mit hohen Spitzendrücken führen zu einer ausge-

prägten Strukturanregung durch das direkte und indirekte Verbrennungsgeräusch.

Ein vorteilhaftes NVH-Verhalten ist zum einen über eine hohe Struktursteifigkeit

und zum anderen über geringe Anregung durch die resultierenden, inneren Trieb-

werkskräfte zu erreichen [GEB03]. Motoren mit wenigen Zylindern oder hohen

bewegten Massen schneiden daher prinzipbedingt schlechter ab als Motoren mit

hoher Zylinderzahl oder geringen bewegten Massen.

Der Zylinderlauffläche als eine wesentliche Komponente des Kurbelgehäuses

kommt eine besondere Bedeutung zu. Die hohen Zylinderdrücke von Hochlast-

konzepten führen zu einer ausgeprägten, tribomechanischen Belastung der Zylin-

derlaufbahn. Hier werden besonders hohe Anforderungen an den Werkstoff und

die Oberflächenstruktur gestellt, damit einerseits ein reibungs- und verschleißar-

mer Betrieb und andererseits geringer Ölverbrauch und niedrige Blow-by-Verluste

möglich sind. Konventionelle AlSi-Legierungen kommen diesen Anforderungen –

speziell bei Dieselmotoren – nicht ausreichend nach, sodass geeignete Beweh-

rungsmaßnahmen durch lokales Werkstoffengineering durchzuführen sind. Neben

eingegossenen kommen eingepresste Graugussbuchsen ebenso zum Einsatz, wie

spezielle Beschichtungen, die z.B. über einen Plasmaspritzprozess oder über gal-

vanische Abscheidung aufgebracht werden. Für Ottomotoren genügen in der Re-

gel übereutektische AlSi-Legierungen, deren Siliziumgehalt oberhalb von 12%

liegt. Auch mit Aluminiumschmelze infiltrierte Preforms stellen für Ottomotoren

geeignete Werkstoffe für die Laufbuchse dar.

Abseits des Werkstoffes ist die Oberflächentopografie der Zylinderlaufbahn ein

zentraler Einflussparameter für das tribologische Betriebsverhalten. Diese Ober-

flächenstruktur wird klassischerweise durch das spanende Bearbeitungsverfahren

Honen hergestellt. Durch eine kombinierte Rotations- und Hubbewegung des

Werkzeuges (Honleisten) entsteht eine Kreuzriefenstruktur, die eine ausgezeichne-

te Adhäsion des Schmieröls ermöglicht. Die kanalförmigen Vertiefungen stellen

jedoch auch ein sogenanntes kommunizierendes Kanalsystem dar, welches infolge

der oszillierenden Kolbenbewegung den Eintritt von Schmieröl in den Brennraum

fördert. Dies führt zu erhöhten HC- und Partikelemissionen. Um eine gute Dicht-

wirkung im Kolbenring-Zylinder-Verbund zu gewährleisten, werden die Kolben-

ringe vergleichsweise stark vorgespannt. Hierdurch werden jedoch sowohl die

Reibungsverluste als auch der Verschleiß erhöht.

308 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Neuartige Honverfahren, die eine sehr niedrige Grundrauhigkeit ermöglichen,

erzeugen in Kombination mit einer Laserstrukturierung deterministische Oberflä-

chentopografien, die eine gezielte Beeinflussung der tribologischen Eigenschaften

hinsichtlich hoher Verschleißfestigkeit, geringer Reibungsverluste sowie niedri-

gem Ölverbrauch versprechen [GOL01, GOL02a, GOL02b, GOL04a, ABE04].

Abb. 4.115 zeigt den Unterschied zwischen stochastischer und deterministischer

Zylinderlaufbahn-Oberflächentopografie auf.

Abb. 4.115. Stochastische und deterministische Oberflächen für Zylinderlaufbahnen

Die sehr geringe Grundrauheit (glatte Oberfläche) bewirkt gute Gleiteigen-

schaften, und der hohe Materialtraganteil führt zu einer höheren tribologischen

Belastbarkeit der Oberfläche. Beide Eigenschaften sind speziell für Hochlastkon-

zepte von Bedeutung. Um genügend Öl zur Schmierung vorhalten zu können,

werden gezielte Vertiefungen, sogenannte Mikrodruckkammern, in die Oberfläche

eingebracht. Durch Form, Ausrichtung und Anzahl dieser Mikrodruckkammern

kann das Ölhaltevolumen und damit das Ölangebot zwischen Kolbenring und

Buchse gezielt beeinflusst werden, und zwar unabhängig vom Werkstoff.

[GOL04a] hat entsprechende Reibungs- und Verschleißuntersuchungen an Nfz-

und Pkw-Motoren durchgeführt. Verglichen wurde eine konventionelle Plateau-

honung (Grundrautiefe

= 4,12 µm) mit einer sehr feinen Honung (R

= 0,91

µm), die über mit Lasermaterialbearbeitung eingebrachte, längliche Taschen, siehe

Abb. 4.115, verfügt. Die Ergebnisse der Reibkraftmessungen nach dem Verfahren

von [FUR79, KES99] sind in Abb. 4.116 dargestellt.

Die an der Kolbengruppe wirkenden Reibkräfte können durch den Einsatz neu-

artiger Oberflächenstrukturen deutlich reduziert werden. Insbesondere in den

Totpunkten mit erhöhten Mischreibungsanteilen, aber auch in Bereichen erhöhter

Kolbengeschwindigkeit sinken die Reibkraftspitzen signifikant ab. Das Potenzial

zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs zeigt sich sehr anschaulich in den Reibmit-

teldrücken, die um bis zu 50% abgesenkt werden können. Ursache hierfür ist ne-

ben der geringen Rauheit der laserstrukturierten Oberfläche das erhöhte, lokale

Ölhaltevolumen durch die Mikrodruckkammern.

4.4 Motormechanik und Wärmehaushalt 309

Abb. 4.116. Vergleich der Reibkraftverläufe der Kolbengruppe von konventioneller Ho-

nung und neuartiger, laserstrukturierter Glatthonung [GOL04a]

Dieses erhöhte Ölangebot äußert sich in ansteigenden Ölfilmdicken zwischen

dem obersten Kolbenring und der Laufbuchse im laserstrukturierten Buchsenbe-

reich, Abb. 4.117.

Abb. 4.117. Ölfilmdickenverlauf zwischen oberstem Kolbenring und Laufbuchse im gefeu-

erten Motorbetrieb [GOL04a]

310 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Der Ölfilmdickenverlauf konnte am selben Motor mittels induktiver Messtech-

nik [GOL02c] im gefeuerten Betrieb gemessen werden und liefert die Begrün-

dung, warum auch die Verschleißraten spürbar geringer ausfallen als bei der se-

rienmäßigen Oberflächenstruktur. Im Rahmen weiterführender Untersuchungen an

einem Pkw-Ottomotor konnten detailliertere Aussagen über das Verschleißverhal-

ten gemacht werden. Abb. 4.118 zeigt die aus der 3D-Vermessung der Oberfläche

berechneten Verschleißraten der untersuchten Zylinderlaufbahnen. Hierbei kam

neben der konventionellen Struktur (zweistufige Glätthonung) eine laserstruktu-

rierte Variante mit näpfchenförmigen Mikrodruckkammern zum Einsatz. Im Ver-

gleich zur Standardhonung konnte der Verschleiß um etwa 25% gesenkt werden.

Insgesamt eignen sich diese Oberflächen hervorragend für thermomechanisch

hochbelastete Motoren.

Abb. 4.118. Näpfchenförmige Mikrodruckkammer-Struktur und Verschleißraten von kon-

ventioneller und laserstrukturierter Zylinderlaufbahn [GOL04a]

Auch eine Oberflächenbehandlung mittels UV-Laser-Verfahren, bei dem einer-

seits Graphitausscheidungen freigelegt werden und andererseits ein Stickstoffein-

trag in die Oberfläche erfolgt, wirkt sich vorteilhaft auf die tribologischen Eigen-

schaften der Zylinderlaufbahn sowie auf den Ölverbrauch aus [LIN03]. Jedoch ist

dieses Verfahren ausschließlich auf Grauguss als Werkstoff für die Zylinderlauf-

bahn angewiesen und kommt daher für Aluminium basierte Werkstoffe nicht in

Betracht.

Kolben und Kolbenringe

Der Kolben als zentrales Bauteil des Triebwerks hat die Aufgabe, die bei der Ver-

dichtung und anschließenden Verbrennung resultierenden Zylinderdrücke und

Wärmeströme aufzunehmen und mit möglichst geringen thermodynamischen und

mechanischen Verlusten weiterzuleiten. Da der Kolben sowohl thermisch als auch

4.4 Motormechanik und Wärmehaushalt 311

mechanisch hoch beansprucht wird, hat er besondere Anforderungen zu erfüllen.

Über seine konstruktive Gestaltung und Dimensionierung übt der Kolben darüber

hinaus einen spürbaren Einfluss auf das Motorgeräusch bzw. das NVH-Verhalten,

den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen aus.

Steigende Leistungsdichten führen zu einer zunehmenden thermischen und me-

chanischen Belastung des Kolbens. Die bei Hochlastkonzepten charakteristischen

hohen Zylinderspitzen- und Mitteldrücke bewirken zum einen hohe Druckbelas-

tungen, die eine Anpassung des Kolbenbolzens sowie des kleinen Pleuellagers

erfordern. Zum anderen müssen auch steigende absolute Wärmeströme – verbun-

den mit hohen Wärmestromdichten – an das Kühlmittel bzw. das Öl abgeführt

werden. Beim Dieselmotor ist die Verbrennungsmulde die thermisch am höchsten

beanspruchte Zone. Hier treten bei Aluminium-Kolben Bauteiltemperaturen nahe

400 °C auf, die bei Stahlkolben noch deutlich höher ausfallen [ISS04a]. Hochbe-

lastete Kolben erfordern daher eine Kolbenkühlung durch Anspritzen der Kolbe-

ninnenseite mit Öl bzw. durch separate Kühlkanäle innerhalb des Kolbens, die

ebenfalls eine Wärmeabfuhr über eingespritztes Öl gestatten.

Der Motorbetrieb bei unterschiedlichen Drehzahlen und Lasten sowie das in-

homogene Temperaturfeld führen zu zeitlich und örtlich abhängigen Spannungs-

zuständen innerhalb des Kolbens und dadurch bedingt zu Ermüdungserscheinun-

gen. Unterschieden werden hier die hochfrequente Ermüdung innerhalb eines

Zyklus (H

igh Cycle Fatigue, HCF) – maßgeblich ist hier der Zylinderspitzendruck

– sowie die niederfrequente thermomechanische Ermüdung (L

ow Cycle Fatigue,

LCF), wobei letztere hauptsächlich durch die maximale Wärmestromdichte beein-

flusst wird. Sowohl HCF als auch LCF reduzieren die Lebensdauer des Kolbens.

Eine geeignete Kennzahl zur Beschreibung der vom Kolben zu ertragenden Be-

lastung stellen Leistungs- und Drehmomentdichte sowie die sogenannte Kolben-

flächenleistung dar. Sie berechnet sich aus dem Produkt von Leistungsdichte und

Hub:

spni

 



(4.88)

Da bei der Kolbenflächenleistung Mitteldruck und Nenndrehzahl gleichwertig

behandelt werden, ist eine Beurteilung sowohl von Hochlast- als auch Hochdreh-

zahlkonzepten möglich. Abb. 4.119 zeigt die Kolbenflächenleistung von aktuellen

Otto- und Dieselmotoren in Abhängigkeit der Nenndrehzahl.

Mit zunehmender Kolbenbelastung kommen hochwarmfeste Werkstoffe als

Einzelgussteile oder aus mehreren Teilen zusammen gesetzt zum Einsatz. Gebaute

Kolben mit Stahloberteil ertragen die höchsten Beanspruchungen, haben jedoch

Nachteile bezüglich des Gewichtes. Hochwarmfeste Aluminium-Legierungen für

Kolben können bis etwa 200 bar Spitzendruck eingesetzt werden. Hohe Bauteil-

festigkeiten für Dieselkolben sind zudem mit lokal eingegossenen Keramikfasern

im Muldenrandbereich möglich. Geschmiedete Stahlkolben erlauben – bei nahezu

gleichen Bauteilgewichten – die Ausweitung des Betriebs zu Spitzendrücken von

240 bar [JUN03] oder sogar auf über 250 bar [ISS04b]. Dabei darf nicht außer

Acht gelassen werden, dass der Übergang zu Stahl als Kolbenwerkstoff auch mit

312 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

steigenden Temperaturen verbunden ist, die generell einen negativen Einfluss auf

die Stickoxidemission haben.

Abb. 4.119. Kolbenflächenleistung von Otto- und Dieselfahrzeugmotoren in Abhängigkeit

der Nenndrehzahl

Neben dem Kolben sind auch die Kolbenringe extremen Belastungen ausge-

setzt. Mit den hohen Zylinderdrücken sind hohe Anpresskräfte verbunden, die

insbesondere den obersten Kompressionsring intensiv gegen die Laufbuchse pres-

sen. Zudem bewirkt das höhere Temperaturniveau eine Senkung der Ölviskosität.

In der Summe führt der Hochlastbetrieb zu einer Reduzierung des tragenden Öl-

filmes zwischen Ring und Buchse, sodass die Verluste durch Kolbenringreibung

und der Verschleiß zunehmen. Zur Kompensation ist das Tribosystem Kolben-

ring/Laufbuchse entsprechend auszulegen. Als Maßnahmen kommen hier die

Verwendung eines hinsichtlich der Viskosität angepassten Schmieröls sowie die

Modifizierung von Werkstoff und Oberflächentopografie der Reibpartner in Be-

tracht, wobei stets das Schadstoffemissionsverhalten des Motors berücksichtigt

werden muss.

Für hohe Belastungen bei Dieselmotoren kommen auf der Kolbenringseite

Chrom-Keramik-Beschichtungen zum Einsatz, die aus einer mit Al

-Partikeln

versetzten, galvanisch aufgetragenen Hartchromschicht bestehen. Gegenüber

reinen Chromschichten erhöht der Keramikanteil die Brandspurfestigkeit, verrin-

gert den Schichtverschleiß und eignet sich daher nach wie vor für die meisten

Anwendungen. Für noch höhere thermomechanische Beanspruchungen eignen

sich diamantbesetzte Chromschichten. Hiermit können noch geringere Ringver-

schleißraten und eine höhere Brandspurfestigkeit erreicht werden [ESS04]. Hin-

sichtlich des Reibungsverhaltens interagieren der Kolben und die Kolbenringe mit

der Zylinderlaufbuchse. Dem entsprechend erfordert die Umsetzung reibungsre-

duzierender Maßnahmen stets die Betrachtung beider Komponenten.

4.4 Motormechanik und Wärmehaushalt 313

Pleuel und Kurbelwelle

Das Pleuel überträgt die Kraft vom Kolben auf den Hubzapfen der Kurbelwelle

und wird in erster Linie auf Zug und Druck beansprucht. Bei sehr hohen Drehzah-

len kann die Biegebeanspruchung aufgrund der Massenkräfte nicht mehr vernach-

lässigt werden. Eine Auslegung hat daher hinsichtlich der zulässigen Spannungen

und der Knicksicherheit zu erfolgen. Darüber hinaus sind geringe Verformungen

von großem und kleinem Pleuelauge zu gewährleisten, um die Funktionsfähigkeit

der darin befindlichen Lager aufrecht erhalten zu können. Wie auch bei den ande-

ren Bauteilen führt der Motorbetrieb mit hohen Zylinderdrücken zu einer gestei-

gerten mechanischen Beanspruchung des Pleuels.

Im Gegensatz dazu sind Kurbelwellen – insbesondere von Dieselmotoren – re-

lativ hoch beanspruchte Motorkomponenten. Die einzelnen, entlang der Kurbel-

wellenlängsachse einwirkenden dynamische Lasten führen zu Biege- und Torsi-

onsbeanspruchungen, wobei auch Torsionsschwingungen einen erheblichen Anteil

an den mechanischen Spannungen haben. Kritische Bereiche sind die Hohlkehlen.

Niedrige Zylinderzahlen bewirken lange Zündabstände, die in Verbindung mit

hohen Zylinderspitzendrücken unstetige und hohe Belastungen ergeben. Die For-

derung nach geringen Reibungsverlusten der Gleitlager von Hub- und Grundzap-

fen kann durch geringe Zapfendurchmesser erfüllt werden. Allerdings führt das zu

geringen Überlappungen der Zapfen, sodass die Kurbelwellensteifigkeit und damit

die Gestaltfestigkeit, die Lagerbelastung sowie das NVH-Verhalten negativ beein-

flusst werden.

Trotz der hohen Belastungen gelten das Pleuel und in der Regel auch die Kur-

belwelle nicht als kritische Bauteile, um Hochlastkonzepte realisieren zu können.

Die im Rahmen der konventionellen Auslegung durchgeführten Festigkeitsrech-

nungen bieten unter Berücksichtigung der erhöhten mechanischen Belastungen

eine gute Grundlage, um diese Bauteile mit ausreichender Gestaltfestigkeit

darstellen zu können.

Haupt- und Pleuellager

Die Lager im Triebwerk eines Verbrennungsmotors – kleines und großes Pleuel-

lager sowie die Grund- oder Hauptlager – waren lange Zeit die lebensdauerbe-

stimmenden Komponenten hochbelasteter Motoren und sind mit etwa 20-25% an

den gesamten Reibungsverlusten des Motors beteiligt.

Bei heutigen Verbrennungsmotoren kommen fast ausschließlich Gleitlager zum

Einsatz, wobei über wälzgelagerte Kurbeltriebe umfangreiche Erfahrungen vor

allem aus früherer Zeit vorliegen. Gegenüber Wälzlagern weisen Gleitlager zwar

höhere Reibungsverluste und geringere Lagerbelastungen auf, sie sind jedoch

unempfindlich gegen Stoßbelastung, aufgrund geteilter Ausführungen sehr einfach

zu montieren, erfordern radial geringen Platzbedarf und weisen ein günstigeres

Akustikverhalten auf. Zudem sind sie einfach herzustellen und damit sehr preis-

günstig. Nachteilig ist bei Gleitlagern der höhere Öldurchsatz, der eine größere

Ölpumpe erfordert und damit die mechanischen Verluste durch Antrieb der Ne-

benaggregate negativ beeinflusst [SPE03].

314 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Neben der konstruktiven Gestaltung bestimmen die Lagerwerkstoffe und das

Belastungskollektiv die Leistungsfähigkeit eines Lagers. Kurzzeitige, örtlich be-

grenzte Belastungen infolge der Gaskraft sind bei Gleitlagern eher zu beherrschen

als Kräfte, die über einen längeren Zeitraum einwirken, wie z.B. die Massenkräfte.

Im Folgenden soll zunächst dargestellt werden, welche Kräfte auf das jeweilige

Lager einwirken. Dabei werden vereinfachende Annahmen bezüglich der Kinetik

des Pleuels und der Kinematik getroffen.

Das kleine Pleuellager wird von der Pleuelkraft beaufschlagt. Der Betrag dieser

Kraft entspricht demnach der Lagerbelastung im kleinen Pleuelauge:

PPPL

FFF

(4.89)

Greifen an einem Lager mehrere Kräfte an, so sind diese vektoriell zu addieren,

um die resultierende Lagerkraft berechnen zu können. Die Hubzapfenkraft als

Belastung des großen Pleuellagers setzt sich aus der Pleuelkraft und der rotieren-

den Massenkraft des Pleuels zusammen. Für den Betrag dieser Kraft gilt:

BFFAFFFF

ProtPMProtPMHZHZ



(4.90)

Die Faktoren

A und B sowie die rotierende Massenkraft des Pleuels berechnen

sich zu

sin

1 

(4.91)

MMM

cossincos

sin



(4.92)

,,,

 rmF

rotProtPM

(4.93)

Bei allen Motoren wirken sich Form und Lage des Druckverlaufes auf die re-

sultierenden Kräfte im Kurbeltrieb aus. Werden die für Downsizing-Konzepte

erforderlichen hohen Mitteldrücke durch „breite“ Druckverläufe erzeugt, die ih-

rerseits mit dem Ziel einer Begrenzung des Spitzendruckes gewählt werden und

thermodynamisch eher ungünstig sind, führt das zu einer länger bzw. über einen

größeren Kurbelwinkelbereich andauernden Lagerbelastung. Dadurch wird die

Verdrängung von Schmiermittel innerhalb des Lagers begünstigt. Im Falle einer

Steigerung des Spitzendruckes erfährt das Lager eher eine stoßende Belastung mit

hohen Kraftspitzen. Beide Belastungsarten machen grundsätzlich eine Anpassung

der Lagerauslegung notwendig, wobei eine stoßende Belastung aufgrund der

Dämpfungswirkung moderner Gleitlager eher zu ertragen ist als eine lang andau-

ernde und in eine Richtung wirkende Kraft. In der Praxis gehen höhere Zünddrü-

cke stets mit breiteren Druckverläufen einher, da höhere Ladedrücke erforderlich

sind. Die resultierende Hauptlagerkraft setzt sich aus der Radialkraft, der Tangen-

tialkraft sowie den rotierenden Massenkräften von Kurbelkröpfung

M,KR,rot

, Pleuel