Wie der Kurbelmechanismus des Motors funktioniert
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Der Kurbelmechanismus des Motors wandelt die Hin- und Herbewegung der Kolben (aufgrund der Verbrennungsenergie des Kraftstoffgemisches) in die Drehung der Kurbelwelle um und umgekehrt. Hierbei handelt es sich um einen technisch komplexen Mechanismus, der die Grundlage eines Verbrennungsmotors bildet. In dem Artikel werden wir das Gerät und die Funktionen des KShM im Detail betrachten.
Geschichte
Die ersten Belege für die Verwendung der Kurbel wurden im 3. Jahrhundert n. Chr. gefunden, im Römischen Reich und in Byzanz im 6. Jahrhundert n. Chr. Ein perfektes Beispiel ist das Sägewerk von Hierapolis, das eine Kurbelwelle verwendet. In der römischen Stadt Augusta Raurica in der heutigen Schweiz wurde eine Metallkurbel gefunden. Auf jeden Fall ließ ein gewisser James Packard die Erfindung 1780 patentieren, obwohl Beweise für seine Erfindung bereits in der Antike gefunden wurden.
Bestandteile von KShM
Die Komponenten des KShM sind herkömmlicherweise in bewegliche und feste Teile unterteilt. Zu den beweglichen Teilen gehören:
- Kolben und Kolbenringe;
- Stäbe verbinden;
- Kolbenbolzen;
- Kurbelwelle;
- Schwungrad.
Die festen Teile des KShM dienen als Basis, Befestigungselemente und Führungen. Diese beinhalten:
- Zylinderblock;
- Zylinderkopf;
- Kurbelgehäuse;
- Ölwanne;
- Befestigungselemente und Lager.
Feste Teile von KShM
Kurbelgehäuse und Ölwanne
Das Kurbelgehäuse ist der untere Teil des Motors, der die Lager und Ölkanäle der Kurbelwelle enthält. Im Kurbelgehäuse bewegen sich die Pleuel und die Kurbelwelle dreht sich. Eine Ölwanne ist ein Behälter für Motoröl.
Der Boden des Kurbelgehäuses ist im Betrieb ständigen thermischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt. Daher werden an dieses Teil besondere Anforderungen an Festigkeit und Steifigkeit gestellt. Für seine Herstellung werden Aluminium- oder Gusseisenlegierungen verwendet.
Das Kurbelgehäuse ist am Zylinderblock befestigt. Zusammen bilden sie den Rahmen des Motors, den Hauptteil seines Körpers. Die Zylinder selbst befinden sich im Block. Der Kopf des Motorblocks ist oben montiert. Um die Zylinder herum befinden sich Hohlräume zur Flüssigkeitskühlung.
Standort und Anzahl der Zylinder
Die folgenden Arten sind derzeit am häufigsten:
- Vier- oder Sechszylinder-Reihenmotor;
- Sechszylinder 90° V-Position;
- VR-förmige Position in kleinerem Winkel;
- entgegengesetzte Position (Kolben bewegen sich aus verschiedenen Richtungen aufeinander zu);
- W-Stellung mit 12 Zylindern.
Bei einer einfachen Reihenanordnung sind die Zylinder und Kolben in einer Reihe senkrecht zur Kurbelwelle angeordnet. Dieses Schema ist das einfachste und zuverlässigste.
Zylinderkopf
Der Kopf wird mit Stehbolzen oder Bolzen am Block befestigt. Es deckt die Zylinder mit Kolben von oben ab und bildet so einen abgedichteten Hohlraum – den Brennraum. Zwischen Block und Kopf befindet sich eine Dichtung. Der Zylinderkopf beherbergt auch den Ventiltrieb und die Zündkerzen.
Zylinder
Die Kolben bewegen sich direkt in den Motorzylindern. Ihre Größe hängt vom Kolbenhub und seiner Länge ab. Zylinder arbeiten bei unterschiedlichen Drücken und hohen Temperaturen. Im Betrieb sind die Wände ständiger Reibung und Temperaturen bis zu 2500 °C ausgesetzt. Besondere Anforderungen werden auch an die Materialien und die Verarbeitung der Zylinder gestellt. Sie bestehen aus Gusseisen, Stahl oder Aluminiumlegierungen. Die Oberfläche der Teile muss nicht nur langlebig, sondern auch leicht zu bearbeiten sein.
Die äußere Arbeitsfläche wird Spiegel genannt. Es ist verchromt und auf Hochglanz poliert, um die Reibung bei eingeschränkten Schmierbedingungen zu minimieren. Zylinder werden zusammen mit dem Block gegossen oder in Form abnehmbarer Hülsen hergestellt.
Bewegliche Teile von KShM
Kolben
Die Bewegung des Kolbens im Zylinder erfolgt durch die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches. Es entsteht ein Druck, der auf den Kolbenboden wirkt. Die Form kann je nach Motortyp unterschiedlich sein. Bei Benzinmotoren war der Boden zunächst flach, dann begann man, konkave Strukturen mit Nuten für Ventile zu verwenden. Bei Dieselmotoren wird im Brennraum Luft vorverdichtet, kein Kraftstoff. Daher hat auch der Kolbenboden eine konkave Form, die Teil des Brennraums ist.
Die Form des Bodens ist von großer Bedeutung für die Erzeugung der richtigen Flamme für die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches.
Der Rest des Kolbens wird Schaft genannt. Dabei handelt es sich um eine Art Führung, die sich im Zylinder bewegt. Der untere Teil des Kolbens bzw. Kolbenschafts ist so gefertigt, dass er während seiner Bewegung nicht mit der Pleuelstange in Berührung kommt.
An der Seitenfläche der Kolben befinden sich Nuten bzw. Nuten für Kolbenringe. Oben befinden sich zwei oder drei Kompressionsringe. Sie sind notwendig, um eine Kompression zu erzeugen, das heißt, sie verhindern das Eindringen von Gas zwischen den Wänden des Zylinders und dem Kolben. Die Ringe werden gegen den Spiegel gedrückt, wodurch sich der Spalt verringert. Unten befindet sich eine Nut für den Ölabstreifring. Es dient dazu, überschüssiges Öl von den Zylinderwänden zu entfernen, damit es nicht in den Brennraum gelangt.
Kolbenringe, insbesondere Kompressionsringe, arbeiten unter ständiger Belastung und hohen Temperaturen. Für ihre Herstellung werden hochfeste Materialien verwendet, beispielsweise legiertes Gusseisen, das mit porösem Chrom beschichtet ist.
Kolbenbolzen und Pleuel
Die Pleuelstange ist mit einem Kolbenbolzen am Kolben befestigt. Es handelt sich um ein massives oder hohlzylindrisches Teil. Der Stift wird im Loch im Kolben und im oberen Kopf der Pleuelstange installiert.
Es gibt zwei Arten der Befestigung:
- feste Passform;
- mit schwimmender Landung.
Am beliebtesten ist der sogenannte „Floating Finger“. Zur Befestigung werden Sicherungsringe verwendet. Fest wird mit Presspassung installiert. In der Regel wird eine Wärmeanpassung verwendet.
Die Pleuelstange wiederum verbindet die Kurbelwelle mit dem Kolben und erzeugt Drehbewegungen. In diesem Fall beschreiben die Hin- und Herbewegungen des Pleuels die Zahl Acht. Es besteht aus mehreren Elementen:
- Stab oder Basis;
- Kolbenkopf (oben);
- Kurbelkopf (unten).
In den Kolbenkopf ist eine Bronzebuchse eingepresst, um die Reibung zu verringern und die zusammenpassenden Teile zu schmieren. Der Kurbelkopf ist zusammenklappbar, um die Montage des Mechanismus zu gewährleisten. Die Teile sind perfekt aufeinander abgestimmt und werden mit Schrauben und Kontermuttern befestigt. Zur Reduzierung der Reibung sind Pleuellager eingebaut. Sie bestehen aus zwei Stahlauskleidungen mit Schlössern. Die Ölzufuhr erfolgt über Ölnuten. Die Lager sind exakt auf die Gelenkgröße abgestimmt.
Entgegen der landläufigen Meinung werden die Laufbuchsen nicht durch Sperren am Drehen gehindert, sondern durch die Reibungskraft zwischen ihrer Außenfläche und dem Pleuelkopf. Somit kann der äußere Teil des Gleitlagers bei der Montage nicht geschmiert werden.
Kurbelwelle
Die Kurbelwelle ist sowohl konstruktiv als auch fertigungstechnisch ein komplexes Bauteil. Es nimmt Drehmomente, Drücke und andere Belastungen auf und besteht daher aus hochfestem Stahl oder Gusseisen. Die Kurbelwelle überträgt die Drehung von den Kolben auf das Getriebe und andere Fahrzeugkomponenten (z. B. die Antriebsriemenscheibe).
Die Kurbelwelle besteht aus mehreren Hauptkomponenten:
- einheimische Hälse;
- Pleuelhälse;
- Gegengewichte;
- Wangen;
- Schaft;
- Schwungradflansch.
Die Gestaltung der Kurbelwelle hängt maßgeblich von der Zylinderzahl des Motors ab. Bei einem einfachen Vierzylinder-Reihenmotor befinden sich auf der Kurbelwelle vier Pleuelzapfen, auf denen die Pleuel mit Kolben gelagert sind. Entlang der Mittelachse der Welle sind fünf Hauptlagerzapfen angeordnet. Sie werden in den Lagern des Zylinderblocks oder Kurbelgehäuses auf Gleitlagern (Laufbuchsen) eingebaut. Die Hauptlagerzapfen werden von oben mit verschraubten Deckeln verschlossen. Die Verbindung bildet eine U-Form.
Als Lagerzapfen bezeichnet man einen speziell bearbeiteten Drehpunkt zur Montage eines Lagerzapfens Bett.
Haupt- und Pleuelhals sind durch die sogenannten Wangen verbunden. Gegengewichte dämpfen übermäßige Vibrationen und sorgen für eine reibungslose Bewegung der Kurbelwelle.
Die Kurbelwellenzapfen sind wärmebehandelt und poliert, um eine hohe Festigkeit und präzise Passform zu gewährleisten. Die Kurbelwelle ist außerdem sehr präzise ausgewuchtet und zentriert, um alle einwirkenden Kräfte gleichmäßig zu verteilen. Im zentralen Bereich des Wurzelhalses sind an den Seiten des Trägers stabile Halbringe angebracht. Sie sind notwendig, um axiale Bewegungen auszugleichen.
Die Steuerräder und die Antriebsriemenscheibe des Motorzubehörs sind am Kurbelwellenschaft befestigt.
Schwungrad
Auf der Rückseite der Welle befindet sich ein Flansch, an dem das Schwungrad befestigt ist. Dabei handelt es sich um ein Gusseisenteil, bei dem es sich um eine massive Scheibe handelt. Aufgrund seiner Masse erzeugt das Schwungrad die für den Betrieb der Kurbelwelle notwendige Trägheit und sorgt zudem für eine gleichmäßige Drehmomentübertragung auf das Getriebe. Am Rand des Schwungrads befindet sich ein Zahnkranz (Krone) zur Verbindung mit dem Anlasser. Dieses Schwungrad dreht die Kurbelwelle und treibt die Kolben an, wenn der Motor startet.
Der Kurbeltrieb, das Design und die Form der Kurbelwelle sind seit vielen Jahren unverändert. In der Regel werden nur geringfügige bauliche Veränderungen vorgenommen, um Gewicht, Trägheit und Reibung zu reduzieren.
