Kolbenweg, Geschwindigkeit und Beschleunigung

Themen:

Einführung
Primäre und sekundäre Kolbenbewegungen
Kolbengeschwindigkeit
Kolbenbeschleunigung
Vollständiger Überblick über Kolbenweg, Geschwindigkeit und Beschleunigung

Einführung:
Die Auf- und Abbewegung (Translatorbewegung) des Kolbens wird durch den Kurbel-Pleuel-Mechanismus in eine Drehbewegung umgewandelt. Der Kolben bewegt sich geradlinig auf und ab. Dies wird als primäre Kolbenbewegung bezeichnet. Allerdings bewegt sich die Pleuelstange nicht nur auf und ab, sondern auch seitwärts. Durch die seitliche Bewegung der Pleuelstange legt der Kolben einen etwas größeren Weg zurück. Zusätzlich zum vergrößerten Weg hat der Kolben zu diesem Zeitpunkt auch seine höchste Bewegungsgeschwindigkeit erreicht. Diese zusätzliche Distanz wird als sekundäre Kolbenbewegung bezeichnet.

Die Abbildung zeigt die Kolbenbewegung. Der obere blaue Kolben zeigt an, wo sich der OT (oberer Totpunkt) befindet. Der blaue Kolben in der Mitte rechts zeigt die Distanz der Primärkolbenbewegung an (d. h. bei der die Pleuelstange nicht schief geworden ist). Der untere rote Kolben zeigt den zusätzlichen Weg an, der durch die Drehung der Kurbelwelle und die Neigung der Pleuelstange entsteht; Dies ist die sekundäre Kolbenbewegung.

Wenn die Kurbelwelle um 90 Grad gedreht wurde, ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens am höchsten. Die sekundäre Kolbenbewegung sorgt für einen größeren zurückgelegten Weg. Durch Addition der Distanz der Sekundärbewegung zu der Distanz der Primärbewegung lässt sich die Gesamtdistanz ermitteln, die der Kolben zurücklegt.

Das Verhältnis zwischen der Länge des Kurbelzapfens und der Länge der Pleuelstange bestimmt die Größe der Sekundärbewegung. Die sekundäre Kolbenbewegung hat auch Auswirkungen auf die Kolbengeschwindigkeit und Kolbenbeschleunigung.

Primäre und sekundäre Kolbenbewegungen:
Die Bewegung des Primär- und Sekundärkolbens wird in diesem Abschnitt in Diagrammen als zurückgelegte Wegstrecke dargestellt. Die Summe der Primär- und Sekundärkolbenbewegung ergibt die Gesamtkolbenbewegung. Nachfolgend wird der Aufbau des gesamten Kolbenwegs erläutert.

Primäre Kolbenbewegung:
Die Kraft in Richtung TDC zu TDC und die Kraft von ODP zu TDC verursachen zusammen eine Vibration, die einmal pro Kurbelwellenumdrehung auftritt. Deshalb wird diese Kraft auch Primärkraft genannt. Die Primärkraft macht eine Primärbewegung.

Die primäre Kolbenbewegung beträgt 0 bei 0° Kurbelwellendrehung und ebenfalls 180 bei 0°;
Betrachtet man ausschließlich die primäre Kolbenbewegung, so befindet sich der Kolben bei 90° Kurbelwellendrehung in der Mitte des Hubs (auch in der Mitte des Zylinders), nämlich bei 90 mm.

Sekundärkolbenbewegung:
Die seitliche Bewegung der Pleuelstange sorgt für die sekundäre Kolbenbewegung. Je größer das Verhältnis zwischen Hubzapfen- und Pleuellänge ist, desto größer ist die Sekundärkraft und damit die Sekundärbewegung.

Am oberen Totpunkt ist die Sekundärbewegung 0;
Bei 90° Kurbelwellendrehung ist die Sekundärbewegung maximal;
Den Weg, den der Kolben bei der Sekundärbewegung zurücklegt, addieren wir zur Primärbewegung. Dies ist der tatsächliche Weg, den der Kolben zurückgelegt hat.

Tatsächliche Kolbenbewegung:
Die eigentliche Kolbenbewegung ergibt sich aus der Summe der primären und sekundären Kolbenbewegung. Dies kann in der Grafik als „gesamt“ gelesen werden.

Der Kolben befindet sich bereits zur Hälfte seines Hubs im Zylinder, bevor sich die Kurbelwelle um 90 Grad gedreht hat. In der Grafik sehen wir, dass der Kolben bei 110 Grad einen Weg von 90 mm zurückgelegt hat. Das sind 61 % des gesamten Schlaganfalls;
Die Länge des Kurbelzapfens und damit das Kurbel-Pleuel-Verhältnis (oft als Lambda bezeichnet) bestimmt den sekundären und damit gesamten Kolbenweg.

Die sekundäre Kolbenbewegung verstärkt die Motorvibrationen. Bei einem Motor mit vier oder weniger Zylindern, bei dem die Sekundärkräfte relativ groß sind, Ausgleichswellen werden eingesetzt, um Motorvibrationen zu begrenzen.

Kolbengeschwindigkeit:
Während des Arbeitsvorgangs kehrt der Kolben seine Bewegungsrichtung bei ODP und TDC um. Bei ODP und TDC ist die Kolbengeschwindigkeit Null. Dies liegt daran, dass der Kolben an diesen Stellen seine Richtung ändert. Während sich der Kolben vom OT zum ODP bewegt, erhöht sich die Kolbengeschwindigkeit. Die Primärkolbengeschwindigkeit erreicht ihren Maximalwert etwa bei 90 Grad Kurbelwellendrehung. Dies ist das Ergebnis der positiven Beschleunigung des Kolbens während der Abwärtsbewegung. Mit zunehmendem Pleuelwinkel kommt jedoch die Geschwindigkeit des Sekundärkolbens ins Spiel. Die sekundäre Kolbengeschwindigkeit hängt mit der Neigung der Pleuelstange zusammen und leistet einen zusätzlichen Beitrag zur Gesamtkolbengeschwindigkeit. Diese sekundäre Kolbengeschwindigkeit führt dazu, dass die Gesamtkolbengeschwindigkeit ihren Maximalwert früher erreicht, als es die primäre Kolbengeschwindigkeit allein bewirken würde. Dies geschieht typischerweise vor dem 90-Grad-Kurbelwellenwinkel. In der Grafik unten sehen wir, dass die Gesamtkolbengeschwindigkeit bereits bei ca. 75 % maximal ist.

Kolbenbeschleunigung:
Die Kolbengeschwindigkeit wurde im vorherigen Absatz besprochen. Die Grafik zeigt, dass die Kolbengeschwindigkeit am TDC und ODP 0 beträgt und die Geschwindigkeit während der Abwärts- und Aufwärtsbewegung zunimmt und abnimmt. Bei der Kolbenbeschleunigung betrachten wir die Beschleunigung und Verzögerung des Kolbens im Zylinder.

Wenn der Kurbelwinkel 0 Grad beträgt, befindet sich der Kolben am oberen Ende seines Hubs und ist bereit, seine Abwärtsbewegung zu beginnen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Kolbenbeschleunigung maximal. Dies ist auf die abrupte Änderung der Bewegungsrichtung des Kolbens zurückzuführen, vom Stoppen am höchsten Punkt zum Beginn der Abwärtsbewegung. Während man sich dem oberen Totpunkt nähert, nimmt die Beschleunigung ab. Die Primärkolbenbeschleunigung beträgt 0 bei 90 Grad Kurbelwellendrehung. Im vorherigen Absatz können wir sehen, dass die Kolbengeschwindigkeit bei 90 Grad wieder abnimmt. Zwischen 90 und 180 Grad Kurbelwelle bremst der Kolben bis zum oberen Totpunkt ab. In der Grafik sehen wir Bremsen als negative Beschleunigung.

Die sekundäre Kolbenbeschleunigung entsteht wiederum durch die Kippung der Pleuelstange. Bei einem Motor mit außerachsiger Pleuelstange befindet sich die Pleuelstange bereits in einem kleinen Winkel, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet. Durch die Sekundärkolbenbeschleunigung erhöht sich die Gesamtkolbenbeschleunigung in den ersten Kurbelwellengraden.

Gesamtübersicht über Kolbenweg, Geschwindigkeit und Beschleunigung:
In den vorherigen Absätzen wurden die primären, sekundären und gesamten Bewegungen und Geschwindigkeiten für jedes Diagramm erläutert. In dieser Übersicht sehen wir die Summen in einer Grafik.

Wenn sich der Kolben nach unten bewegt, erhöht sich das Kolbengewicht (von 0 auf 180°);
Der Kolben hat seine Bewegungsrichtung zwischen dem vorherigen Hub und dem aktuellen Hub umgekehrt. Aufgrund der plötzlichen Änderung der Bewegungsrichtung ist die Kolbenbeschleunigung ab 0 Kurbelwellengrad maximal;
Die Kolbengeschwindigkeit steigt allmählich an und erreicht ein Maximum, bevor sich die Kurbelwelle um 90° gedreht hat;
Bei 180° sind sowohl Kolbengeschwindigkeit als auch Kolbenbeschleunigung 0;
Beim Hochfahren zum oberen Totpunkt kehren sich die Diagramme der Kolbenbeschleunigung und -geschwindigkeit um.

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