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12.07.2012

Betrachtungen zum Verschleiß im Motor, Grundlagen.

Einige Betrachtungen zum Verschleiß im Motor.
Quellen: Wiki, Schulbuchzentrum, eigene und Forumsbilder, Internet, rudimentäre Erinnerungen an frühere Ausbildungen :lol: 

Als Einstieg und Erinnerung eine kleine Animation des 4 Takt Otto Motors:

Bild Bild

Um zu verstehen, wo und wodurch Verschleiß entsteht, müssen die wirksamen Kräfte bekannt sein.

Bild

Das Bild ist gut, es zeigt, dass sich die Kraft p, die von oben auf den Kolben drückt (in unserer Animation Takt 3), sich in 2 Kräfte zerlegt. 
Nämlich Fp (geht ins Pleuel und dreht die Kurbelwelle) und in FN (drückt den Kolben seitlich an die Zylinderwand.
Diese Verteilung dieser Kräfte ist abhängig von der Stellung und Länge der Pleuelstange. Steht die waagerecht, existiert der größte Hebel und es wirkt die größte Kraft auf die Kurbelwelle. Steht die Senkrecht, knallt die ganze Kraft über Kolbenbolzen, Pleuellager in die Kurbelwellenlager ohne eine Drehbewegung zu erzeugen (OT und UT).

Es dürfte bekannt sein, dass der Zündzeitpunkt schon vor OT Ende des 2. Taktes erfolgt. Der Grund liegt darin, dass unser Kraftstoff-Luftgemisch eine gewisse Zeit zum Verbrennen und Druckaufbau benötigt. Damit der Motor, der ja nur im Arbeitstakt Energie liefert, überhaupt läuft, muss ich diese irgendwie Speichern.
Sonst würde es beim 1-Zylinder den Kolben nach unten hämmern, fertig. Das Geschieht über die Schwungmasse. Sie bewirkt auch, dass die Bereiche OT und UT schnell überwunden werden. Eine grosse Schwungmasse bewirkt einen runden Motorlauf, aber auch träges Ändern der Drehzahl auf Grund der Massenträgheit.
Hochverdichtete Rennmotoren mit sehr kleinem Schwungrad benötigen daher eine höhere Leerlaufdrehzahl.

Zu niedrige Drehzahl erhöht die Lagerbelastung stark, der Motor zündet vor OT, da er nun langsamer als vorgesehen läuft, erfolgt die Kraftentfaltung auf den Kolben u.U. schon in OT und dann knallt es auf die Lager.

Zurück zum Bild mit dem Pleuel, erhöhe ich bei gleichem Abstand von der Kurbelwelle zum Zylinder den Hub (wird bei der 624 er gemacht, Bohrung bleibt gleich wie bei der 535 er, nur Hub erhöht sich), steht das Pleuel zwischen OT und UT natürlich schräger und die Kraft FN erhöht sich. 
Kann jeder selbst testen, einen Nagel ins Holz hauen, steht der schräg, kippt er seitlich weg.

In der Praxis haben wir im Arbeitstakt die höchsten Kräfte, in der Animation dreht die Kurbelwelle nach links, dass Pleuel steht also dann logischerweise schräg nach rechts geneigt, die Zylinderwand hat rechts den stärksten Abrieb im oberen Bereich, nach unten nehmen die Kräfte langsam ab.

Verschleiß entsteht da, wo 2 Materialien Kontakt haben und gegeneinander bewegt werden.
Kolben zu Zylinder, Lager, Nockenwelle zu Stößeln oder Kipphebel, Ventile etc.

Wovon ist nun die Höhe des Abriebs abhängig?
Einmal von der Geschwindigkeit mit der sich die Oberflächen gegeneinander Bewegen und natürlich vom Druck mit dem die Flächen gegeneinander gepresst werden.

Am Beispiel eines Kolbens recht gut zu verdeutlichen, dreht sich der Motor schneller, muss er folgen. 
Allerdings bedeutet mehr Drehzahl bei verschiedenen Motoren nicht automatisch eine höhere Kolbengeschwindigkeit. 

Eine 535 er Enfield hat 90mm, die 624 er 105mm Hub. 
Bei 5000 1/min 15 m/s zu 17,5 m/s. Ab 20 m/s wird es im Serienbereich langsam komisch :lol: 
Kolben wird von 0 (OT) auf maximalen Speed beschleunigt und dann wieder auf 0 (UT) abgebremst.
Je schwerer der Kolben, umso hoher die Kräfte auf Kolbenbolzen, Pleuellager und den Kolben selbst, 
wenn er abreisst, dann im Regelfall oberhalb des Kolbenbolzens.

Daher sind Gewicht und Festigkeit des Kolbens entscheidende Faktoren, Stichwort geschmiedete Kolben.
Diese benötigen allerdings mehr Einbauspiel, da sie sich bei Erwärmung stärker ausdehnen. 
Klappern kalt gerne, auch etwas höherer Ölverbrauch ist möglich.

Zwecks Übersicht geht es im 2. Teil weiter :mrgreen:

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