Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von...

58
Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6 6 Konstruktionselemente von Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Hubkolbenmotoren 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.2 Pleuel 6.3 Kurbelwelle 6.4 Ventiltrieb 6.5 Zylinderkopf 6.6 Kurbelgehäuse und Zylinder

Transcript of Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von...

Page 1: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

66 Konstruktionselemente von Konstruktionselemente von

HubkolbenmotorenHubkolbenmotoren

6.1 Kolben und Kolbenringe6.2 Pleuel6.3 Kurbelwelle6.4 Ventiltrieb6.5 Zylinderkopf6.6 Kurbelgehäuse und Zylinder

Page 2: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

6.1 Kolben und Kolbenringe6.1 Kolben und Kolbenringe

6.1.1 Kolben-Hauptaufgaben und Beanspruchung-Begriffe und Kolbenhauptabmessungen-Kolbenkippen-Temperatur, Verformung und Kühlung-Werkstoffe und Fertigungsverfahren-Bauformen

6.1.2 Kolbenringe-Aufgabe von Kolbenringen-Kolbenringformen-Werkstoffe und Herstellung

Page 3: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

6.1.1 Kolben6.1.1 Kolben

Hauptaufgaben des Kolbens:– Übertragung der Gaskraft– Aufnahme der Kolbenringe zur Abdichtung des

Brennraums gegenüber dem Kurbelgehäuse– Begrenzung und Gestaltung des Brennraums– kinematische Führung

Page 4: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Beanspruchungen eines KolbensBeanspruchungen eines Kolbens

� Gas- und Massenkräfte� Wärmefluss vom Brennraum� Reibungskräfte am Schaft und in den Ringnuten� Kolbenkippen (Bewegungen quer zur Laufrichtung)

Page 5: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Anforderungen an einen KolbenAnforderungen an einen Kolben

� Hohe Festigkeit bei möglichst kleiner Masse� Hohe zulässige Temperaturen durch geeignete Materialwahl, Kühlung und Formgebung (Wärmefluss)� Geeignetes Laufspiel bei allen Lastzuständen� Ruhiger Lauf durch Beschränkung des Kippens

Page 6: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Begriffe und KolbenhauptabmessungenBegriffe und Kolbenhauptabmessungen

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 7: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

KolbenhauptabmessungenKolbenhauptabmessungen

0,15 – 0,220,06 – 0,100,055-0,07Bodendicke s/D (s/Dmax)0,20 – 0,350,20 – 0,350,25 - 0,35Nabenabstand AA/D0,5 – 0,650,4 – 0,50,55 – 0,7Schaftlänge SL/D1,75 – 3 mm1 - 1,75 mm1,2 –1,5 mmNutenhöhe für 1. Ring0,05 – 0,090,040-0,0550,045 – 0,061. Ringsteg ST/D4 – 15 mm2 – 8 mm2,5 - 3,5 mmFeuersteg F0,32 – 0,400,2 – 0,260,2 -0, 25Bolzendurchmesser BO/D0,5 – 0,60,3 – 0,450,4 – 0,55Kompressionshöhe KH/D0,8 – 0,950,6 – 0,70,8 - 1Gesamtlänge GL/D65 – 95 mm65 - 105 mm30 - 70 mmDurchmesser DViertakt (Pkw)ViertaktZweitaktDieselmotorenOttomotoren

Page 8: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kolbenkippen in „Raten“ durch versetzte Kolbenkippen in „Raten“ durch versetzte

BolzenachseBolzenachse

Die höchsten auf den Kolben wirkenden Seitenkräfte treten im Expansionstakt kurz nach O.T. auf und führen zu einem heftigen Amlagenwechsel (Kippen). Dies kann durch eine druckseitige Versetzung (0,5-2%D) der Bolzenachse vermieden werden. Der Anlagenwechsel wird somit schon vor OT erzwungen.

Quelle: Pischinger

Page 9: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Temperaturverteilung an einem Kolben Temperaturverteilung an einem Kolben

für einen Ottomotorfür einen Ottomotor

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 10: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Temperaturverteilung an einem Kolben Temperaturverteilung an einem Kolben

für einen Dieselmotorfür einen Dieselmotor

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 11: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kolbenverformung aufgrund ErwärmungKolbenverformung aufgrund Erwärmung

Quelle: Pischinger

Page 12: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Schliffbild eines KolbensSchliffbild eines Kolbens

Quelle: Pischinger

Page 13: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

BimetallregelkolbenBimetallregelkolben

Quelle: Pischinger

Geschlitzt, damit der Schaft frei arbeiten kann

Ins Leichtmetall eingegossene Stahleinlagen erzeugen einen Bimetall-Effekt, der die Ausdehnung senkrecht zur Bolzenachse verhindert und in Richtung der nicht tragenden Schaftpartie umgelenkt.

Page 14: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Möglichkeiten der KolbenkühlungMöglichkeiten der Kolbenkühlung

Quelle: Pischinger

Page 15: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kolbenwerkstoffe und Kolbenwerkstoffe und

FetrigungsverfahrenFetrigungsverfahren

� Die Anforderungen an einen Kolbenwerkstoff sind hohe Warmfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit, geringe Wärmeausdehnung und Dichte sowie gute Laufeigenschaften und geringer E-Modul� Überwiegend werden siliziumhaltige Aluminium-Legierungen eingesetzt� Kolben werden gegossen oder geschmiedet� Je nach Legierung und Herstellungsart erfahren Kolben eine ein- oder mehrstufige Wärmebehandlung� Die komplexen Außenformen werden auf CNC gesteuerten Formdrehmaschinen hergestellt

Page 16: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Gegossener Gegossener VollschaftkolbenVollschaftkolben

Quelle: Mahle

Kolbenboden, Ringzone und Schaft bilden eine Einheit. Vollschaftkolbenhaben eine lange Lebensdauer und arbeiten in Otto und Dieselmotoren.

Page 17: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Geschmiedeter Geschmiedeter VollschaftkolbenVollschaftkolben

Geschmiedete Vollschaftkolbenbesitzen eine höhere Festigkeit, was dünnere Wandstärken und somit geringeres Gewicht ermöglicht. Diese Kolben werden in hoch belasteten Serienmotoren oder in Rennmotoren eingesetzt.

Quelle: Mahle

Page 18: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

AutothermikAutothermik®®--/ / HydrothermikHydrothermik®®--KolbenKolben

Quelle: Mahle

Eingegossene Stahlstreifen(hier nicht sichtbar)

Geschlitzter Übergang

Laufruhiger Kolben für den hauptsächlichen Einsatz im Pkw

Page 19: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

AutothermatikAutothermatik®®--/ / HydrothermatikHydrothermatik®®--KolbenKolben

Quelle: Mahle

Eingegossene Stahlstreifen

Nicht geschlitzter Kolben für hoch belastete Otto- und Dieselmotoren

Page 20: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

FormelFormel--1 Kolben1 Kolben

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Die Kompressionshöhe ist sehr gering und der Kolben extrem gewichtsoptimiert.

Page 21: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

6.1.2 Kolbenringe6.1.2 Kolbenringe

Aufgaben von Kolbenringen:– Die Kompressionsringe dichten den Brennraum

zum Kurbelgehäuse ab– Der Ölabstreifring dichtet das Kurbelgehäuse

zum Brennraum ab– Die Kolbenringe regulieren den

Schmierölhaushalt an der Zylinderwand– Die Kolbenringen leiten Wärme vom Kolben in

die Zylinderwand ab

Page 22: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kräfte am KolbenringKräfte am Kolbenring

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 23: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

KolbenringformenKolbenringformen

Quelle: Pischinger

Kompressionsringe Ölabstreifringe

Page 24: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kolbenringwerkstoffe und Kolbenringwerkstoffe und

FertigungsverfahrenFertigungsverfahren

� Die Anforderungen an einen Kolbenringwerkstoff sind hohe Festigkeit, hohe Elastizität, geringer Verschleiß und geringe Reibung� Fast ausschließlich wird Grauguss eingesetzt� Nach dem Gießen werden die Ringe formgedreht und schließlich wird die Stoßöffnung herausgetrennt� Zur Verbesserung der Laufeigenschaften können die Kolbenringe oberflächenbeschichtet werden

Page 25: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

6.2 Pleuel6.2 Pleuel

Hauptaufgaben des Pleuels:– Übertragung der Kolbenkraft und –bewegung auf

die Kurbelwelle– Gegebenenfalls Aufnahme von Bohrungen zur

Schmierölversorgung des Kolbens

Page 26: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Begriffe und PleuelhauptabmessungenBegriffe und Pleuelhauptabmessungen

Quelle: Pischinger

Page 27: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Wichtige Kriterien für die Gestaltung eines Wichtige Kriterien für die Gestaltung eines

PleuelsPleuels

� Ausreichende mechanische Festigkeit� Tragfähigkeit der Lagerstellen� Möglichst kleine Masse (Massenkräfte)� Optimale Länge (kurz wegen Motorhöhe und Masse, jedoch nicht zu kurz wegen Reibarbeit und Massenkräften 2. Ordnung)

Page 28: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kolben und Pleuel eines Kolben und Pleuel eines SuperbikeSuperbike--

MotorsMotors

Quelle: Yamaha

Page 29: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Pleuelwerkstoffe und FertigungsverfahrenPleuelwerkstoffe und Fertigungsverfahren

� Überwiegend werden Pleuels im Gesenkschmiedeverfahren hergestellt, ab es kommen auch Gießen und Sinterschmieden zum Einsatz� Als Schmiedewerkstoffe werden meistens mikrolegierte Stähle oder Kohlenstoff-Mangan Stähle verwendet� Als Gusswerkstoffe werden in erster Linie Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG-70) und Temperguss (GTS-70) verwendet� Für das Sintern stehen Pulvermetallwerkstoffe wie Sint F30 und F31 zur Verfügung� Im Rennsport sind Titanpleuels aufgrund der hohen Gewichtserleichterung weit verbreitet

Page 30: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

6.3 Kurbelwelle6.3 Kurbelwelle

Hauptaufgaben einer Kurbelwelle:– Aufnahme und Übertragung der Pleuelkräfte– Übertragung des Drehmomentes zum

Schwungrad– Aufnahme von Ausgleichsmassen– Abtrieb für Ventiltrieb und Nebenaggregate– Aufnahme von Bohrungen zur

Schmierölversorgung der Lagerstellen

Page 31: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Aufbau einer KurbelwelleAufbau einer Kurbelwelle

KurbelzapfenWellenzapfen

Kurbelwange

Gegengewicht freiesKurbelwellen-ende

Schwungrad-flansch

Ölkanal

Page 32: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Wichtige Kriterien für die Gestaltung einer Wichtige Kriterien für die Gestaltung einer

KurbelwelleKurbelwelle

� Ausreichende mechanische Festigkeit in Bezug auf Biege- und Torsionsbeanspruchung infolge von Gas- und Massenkräften sowie überlagerten Drehschwingungen� Anzahl der Lagerstellen sowie Tragfähigkeit und Schmierung entsprechend der Belastung� Zylinderabstand entsprechend der Größe von Zylinderrohr und Kühlwasserraum bzw. entsprechend des Motorenkonzeptes (Reihen, Boxer- oder V-Motor)� Massenausgleich

Page 33: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kurbelwellenwerkstoffe und Kurbelwellenwerkstoffe und

FertigungsverfahrenFertigungsverfahren

� Kurbelwellen werden gegossen oder geschmiedet� Bei gegossenen Kurbelwellen kommt Sphärogussoder Temperguss zum Einsatz� Bei geschmiedeten Kurbelwellen werden Vergütungsstähle wie z.B. Ck45 für niedrig-belastete oder z.B. 42CrMo4 für hochbelasteteWellen� Zur Erhöhung der Bauteilfestigkeit kann bei beiden Herstellungsverfahren eine Nachbehandlung wie z.B. das Radienrollen eingesetzt werden

Page 34: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kurbeltrieb eines Motorradmotors mit Kurbeltrieb eines Motorradmotors mit

ungleichmäßiger Zündfolge („Big ungleichmäßiger Zündfolge („Big BengBeng“)“)

Quelle: Yamaha

Page 35: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

6.4 Ventiltrieb6.4 Ventiltrieb

� Ventiltriebskonfigurationen und Nockenwellen� Tassenstößel� Ventile

Page 36: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

VentiltriebskonfigurationenVentiltriebskonfigurationen

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 37: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Ventiltrieb mit oben liegender Ventiltrieb mit oben liegender

NockenwelleNockenwelle

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 38: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

TassenstößelTassenstößel

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Mechanischer Tassenstößelmit oben liegender Einstellscheibe

Mechanischer Tassenstößelmit gestufter Bodenstärke

Hydraulisch Tassenstößel

Page 39: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Ventilaufbau und BezeichnungenVentilaufbau und Bezeichnungen

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 40: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Temperaturen an einem AuslassventilTemperaturen an einem Auslassventil

Quelle: Pischinger

Page 41: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Ventilaufbau und VentilausführungenVentilaufbau und Ventilausführungen

Quelle: Mahle

Page 42: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

6.5 Zylinderkopf6.5 Zylinderkopf

Hauptaufgaben des Zylinderkopfs:– Begrenzung des Arbeitsraumes– Abdichtung zum Zylinderrohr– Aufnahme der Kanäle, Zündkerze und/oder

Einspritzventil– Aufnahme der Ventiltriebskomponenten

Page 43: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Beanspruchung des Zylinderkopfes im Beanspruchung des Zylinderkopfes im

BetriebBetrieb

� Gaskräfte� Einspannkräfte� Thermische Spannungen durch stark unterschiedlichen Wärmefluss von Brennraum, Auslasskanal, Ventilsitzen und –führungen zum Kühlmittel

Page 44: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Einflussgrößen auf die ZylinderkopfEinflussgrößen auf die Zylinderkopf--

KonstruktionKonstruktion

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 45: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Werkstoffe und Fertigungsverfahren für Werkstoffe und Fertigungsverfahren für

ZylinderköpfeZylinderköpfe

� Aufgrund der besseren Wärmeleitfähigkeit und des geringeren Gewichtes werden im Pkw-Bereich heute fast ausschließlich Aluminiumlegierungen verwendet, während bei Großmotoren und Nutzfahrzeugen vielfach auch Gusseisenwerkstoffe zum Einsatz kommen.� Im Pkw-Bereich werden Zylinderköpfe überwiegend mit Kokillenguss hergestellt.

Page 46: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Zylinderkopf eines Zweiventilmotors mit Zylinderkopf eines Zweiventilmotors mit

Rollenschlepphebeln (BMW V12)Rollenschlepphebeln (BMW V12)

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 47: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Zylinderkopf eines 4Zylinderkopf eines 4--Ventilmotors mit Ventilmotors mit

BenzindirekteinspritzungBenzindirekteinspritzung

Quelle: Porsche

Page 48: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

6.6 Kurbelgehäuse und Zylinder6.6 Kurbelgehäuse und Zylinder

Hauptaufgaben des Kurbelgehäuses:– Lagerung der Kurbelwelle– Aufnahme von Gas- und Massenkräften– Aufnahme von Kühl- und Schmierkanälen– Aufnahme und Anschluss der Zylinder– Anschluss zu Getriebe, Ventilsteuerung und Nebenaggregaten– Verschluss des Kurbelraums nach außen– Anschluss zur Motorlagerung

Page 49: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Beanspruchung des KurbelgehäusesBeanspruchung des Kurbelgehäuses

� Gaskräfte, die von der Zylinderkopfverschraubung und Kurbelwellenlagerung aufgenommen werden� Innere Massenkräfte und Massenmomente� Freie Massenkräfte und –momente, die von den Motorlagern aufgenommen werden� Innere Torsionsmomente zwischen den Zylindern� Reaktionskräfte in den Kurbelwellenlagern aufgrund des Kurbelwellendrehmomentes

Page 50: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kurbelgehäuse HauptabmessungenKurbelgehäuse Hauptabmessungen

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 51: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

ClosedClosed Deck und Open Deck BauweiseDeck und Open Deck Bauweise

Closed Deck Open Deck

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 52: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Nasse und trockene ZylinderNasse und trockene Zylinder--

LaufbuchsenLaufbuchsen

Nasse Laufbuchse Trockene Laufbuchse

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 53: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Hauptlagerstuhl und HauptlagerdeckelHauptlagerstuhl und Hauptlagerdeckel

Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Page 54: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kurbelgehäusewerkstoffe und Kurbelgehäusewerkstoffe und

FertigungsverfahrenFertigungsverfahren

� Kurbelgehäuse kleinere und mittlerer Größe werden gegossen, bei Großmotoren werden auch Schweißkonstruktionen eingesetzt� Als Gusswerkstoffe werden verschiedene Gusseisenwerkstoffe oder Leichtmetalllegierungen eingesetzt� Je nach Konstruktion und Werkstoff kommen unterschiedliche Giesverfahren zum Einsatz, wie beispielsweise Druckguss, Kokillenguss oder Sandguss

Page 55: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Zylinderrohrwerkstoffe und Zylinderrohrwerkstoffe und

ZylinderrohrlaufflächeZylinderrohrlauffläche

� Zylinderrohre sind entweder integraler Bestandteil des Kurbelgehäuses oder bestehen aus nassen bzw. trockenen Buchsen� Zylinderrohrwerkstoffe sind Grauguss oder Aluminiumlegierungen mit entsprechender Beschichtung� Nach dem Feindrehen oder –bohren wird die Zylinderlauffläche gehont (Schneidbewegung, die sich durch Überlagerung von einer rotierenden und translatorischen Bewegung des Werkzeugs ergibt)� Die Honriefen haben eine mittlere Rautiefe von 4 -10 μm und beeinflussen den Ölhaushalt der Zylinderlauffläche

Page 56: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

HonenHonen eines Zylinderseines Zylinders

Quelle: MSI

Page 57: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kurbelgehäuse und Zylinder eines 4Kurbelgehäuse und Zylinder eines 4--

Zylinder ReihenmotorsZylinder Reihenmotors

Quelle: Nagel

Page 58: Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente - thm.de · Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog 6.1 Kolben und Kolbenringe 6.1.1 Kolben

Kolbenmaschinen 6 Konstruktionselemente von Hubkolbenmotoren Herzog

Kurbelgehäuse und Zylinder eines V8Kurbelgehäuse und Zylinder eines V8--

MotorsMotors

Quelle: MSI