4. Berechnung und Auslegung von Bauteilen

Gegenstand der Erörterung sind die mechanischen Kernkomponenten des Hubkolbenmotors. Auf Funktion, Anforderungen, Beanspruchung und daraus resultierender konstruktiver Gestaltung der Motorkomponenten wird jeweils ausführlich eingegangen. Die Bauteilberechnung beruht einerseits auf analytischen Ansätzen für die überschlägige Auslegung, andererseits auf in ihren Grundzügen vorgestellten modernen Berechnungsmethoden.

Das Pleuel, Bindeglied im Hubkolbentriebwerk, überträgt die auf den translatorisch bewegten Kolben wirkende Gaskraft und die oszillierende Massenkraft auf einen rotierenden Hubzapfen der Kurbelwelle.

Der Kolben ist die zentrale Komponente des Hubkolbenmotors. Die Ausführungen konzentrieren sich auf Tauchkolben. Der Kolben begrenzt den mit der Hubbewegung veränderlichen Zylinderraum und dichtet diesen im Zusammenwirken mit den Kolbenringen gegen den Kurbelraum ab. Mit der Form des Kolbenbodens nimmt er Einfluss auf die Gestalt des Brennraums. Der Kolben wird dabei thermisch durch heiße Verbrennungsgase und mechanisch durch Gas-, Massen- und Seitenkraft stark beansprucht. Bei Dieselmotoren werden Aluminium-Kolbenlegierungen aufgrund grenzwertiger Temperatur des Muldenrands der Brennraummulde im Kolbenboden „top down“ zunehmend durch Stahl substituiert.

Die Kolbenringe werden nach Funktionsgesichtspunkten ausgewählt und im Motorversuch erprobt. Kriterien sind die Minimierung von Ölverbrauch, Gasdurchlass („Blow-by“) und Reibungsverlusten. Erstere reagieren sehr sensibel auch auf kleine konstruktive und technologisch bedingte Merkmale der Kolbenringe und der Kolbenringnuten. Die Berechnung dieser primär funktionsrelevanten Größen gelingt allerdings aufgrund hoher Komplexität des Systems quantitativ noch nicht voll befriedigend.

Die Anforderungen an die Kurbelwelle ergeben sich aus ihrer zentralen Funktion, der Umsetzung der translatorischen Hubbewegung in eine Drehbewegung. Dies setzt eine „gekröpfte“ Bauweise voraus. Auf die Kurbel einer Kröpfung wirkt senkrecht die Tangentialkraft, eine Richtungskomponente der Pleuelstangenkraft. Erstere erzeugt mit dem Radius der Kurbel das anteilige Drehmoment. Die Kurbelwelle unterliegt im Betrieb einer vielfältigen dynamischen Beanspruchung. Dies erfordert unter Festigkeitsgesichtspunkten spezielle Maßnahmen im Zapfen-Wangen-Übergang. Die Kurbelwelle trägt auch die Gegengewichte für den Massenausgleich 1. Ordnung.

Der Motorblock, in der Fachsprache das Zylinderkurbelgehäuse, ist die zentrale Motorgehäuseeinheit. Im Pkw-Bereich und für spezielle Anwendungen kann Grauguss durch geeignete Aluminium-, noch selten Magnesiumlegierungen, substituiert werden. Neben monolithischer Gehäusebauweise kommen Zylinderlaufbuchsen unterschiedlicher Werkstoffe und Ausführung sowie spezielle Zylinderlaufflächentechnologien zur Anwendung. Die Zylinder werden vom Verbrennungsdruck beaufschlagt. In der Lagergasse des Zylinderkurbelgehäuses ist die Kurbelwelle gelagert, wobei sich die Kurbeltriebkräfte in den Kurbelwellenhauptlagern abstützen. Dies erfordert zylinderkopf- und hauptlagerseitig funktionssichere Verschraubungen. Auch die Schmierölverteilung im Rahmen der Druckumlaufschmierung, der drucklose Ölrücklauf und die optional interne Gehäuseentlüftung sind in dieses komplexe Bauteil integriert.

Der Zylinderkopf, zweiter wesentlicher Bestanteil des Motorgehäuses, ist in konstruktivgestalterischer Hinsicht sehr anspruchsvoll. Er beinhaltet die zunehmend komplexen Steuerorgane des Ladungswechsels. Auch über die Gestaltung der Ladungswechselkanäle und seine an das Brennverfahren angepasste Brennraumform nimmt er Einfluss auf die Güte der Verbrennung.

Die Zylinderkopf-Dichtungstechnik hat sich durch Einführung der Mehrlagen-Stahl-Dichtung enorm weiterentwickelt. Ihr kommt im Hinblick auf eine sichere und dauerhafte Motorfunktion bei unterschiedlichen, mitunter ungünstigen Betriebsbedingungen größte Bedeutung zu. Sie hat primär die Aufgaben, die Brennräume, den Kühlmittel- und den Schmierölbereich sicher abzudichten.