Schwingungen bei Hubkolbenmotoren

Hallo zusammen,
ich hab ein paar Fragen zum Motorbau und würde mich freuen, wenn mir
jemand diese ohne zu viel Formelsprache, dafür aber mit praktischen
Beispielen beantworten könnte:
1.) Wie unterscheiden sich Schwingungen 1. und 2. Ordnung voneinander?
(Das hab ich von allem wohl am wenigstens verstanden!)
1.1) Sind Schwingungen 1. Ordnung schlechter bei einem Motor als welcher
2. Ordnung? Welche Auswirkungen können sie haben?
2.) Konkret beim Vergleich des Reihen-6-Zylinders mit dem V6: Braucht
jeder V6 eine Ausgleichswelle oder geht das auch mit Gegengewichten an
der Kurbelwelle?
2.1) Leider finde ich keine Abbildungen, wie so eine Kurbelwelle mit
Gegengewichten oder mit Ausgleichswelle aussieht, hat da hier jemand
einen Link parat?
2.2) Thema Reibung: Hat ein V6 durch die doppelte Anzahl an Nockenwellen
eine höhere Reibung und damit einen niedrigeren Wirkungsgrad als ein
Reihen-6-Zylinder?
Mich würde das wundern, denn beim V6 sind die Wellen ja kürzer und haben
daher insgesamt wohl etwa die gleiche Lagerzahl.
2.3) Aus welchem Konzept kann man unter extremen Bedingungen (Rennsport,
wo Kosten keine entscheidene Rolle spielen) mehr Leistung rausquetschen,
aus a) einen freisaugenden V6 oder b) einen freisaugenden R6?
Welcher ist drehzahlfester (bitte mit Begründung!)?
Gruß, Tom
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Tom M.
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Tom M. schrieb:
Die 1. Ordnung lassen sich prima auswuchten. Die höherer Ordnung nicht mehr. Vibrationen und Lärm sind die Folge.
Eine Ausgleichswelle kann nur die 1. Ordnung eliminieren. Vielzylindermotoren baut man gerne, um auf Ausgleichswellen verzichten zu können. Wenigzylindermotoren haben sie viel nötiger. Im Prinzip könnte man für jede Ordnung eine eigene Ausgleichswelle verwenden. Dann wird das Teil aber bald unbezahlbar und bringen tut's wg. grundsätzlicher Probleme auch nicht besonders viel.
Nicht oder, sondern und. So ziemlich jede Kurbelwelle mit "vernünftiger Drehzahl" verfügt aus gutem Grund über Gegengewichte. Ausgleichswellen werden verwendet, um die Schwingungen höherer Ordnung in den Griff zu bekommen, was jedoch nie 100%ig funktionieren kann. Aber helfen tun sie schon.
Denke, dass das eher eine rein akademische Frage ohne praktischen Wert ist. Die Unterschiede dürften im allgemeinen Rauschen unter gehen. Ob man eine V- oder Reihenanordnung wählt, hängt vor allem von den Einbauverhältnissen und der Kühlung ab. Eine V-Anordnung dürfte auch etwas ruhiger laufen.
Im Rennsport wird man eher auf eine V-Anordnung setzen, weil diese etwas kürzer gebaut werden kann. Das hebt die Eigenfrequenzen an, so dass diese erst bei höheren Drehzahlen zu befürchten sind.
Servus Christoph Müller
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Christoph Müller
Christoph Müller schrieb:
Schwingungen bzw. Vibrationen welcher Ordnung sind denn beim V6 zu befürchten?
Ich hatte gehört, daß ein R6 oder V12 schwingungstechnisch optimal sein sollen, ist ein V6 da nun schlechter, oder ebenbürdig?
Ich wundere mich halt, falls der R6 einen runderen Lauf haben sollte, daß die meisten mir bekannten Hersteller heutzutage auf V6-Motoren setzen, obwohl einige davon früher R6 gebaut haben.
Was mich auch wundert ist, daß ich noch nie etwas von einem 7- oder 9-Zylindermotor gelesen habe. Könnte man einen 7-Zylinder in Reihe bauen und hätte der gegenüber einen R6 gar Nachteile oder eher Vorteile?
Ebenso scheint mir, als würden die 5-Zylinder-Reihenmotoren immer seltener werden, was sind dafür die Gründe?
Was läßt sich aus schwindungstechnischer Sicht zu den VR5- oder VR6-Motoren von VW sagen? Sind die in ihrem Verhalten dichter am V- oder eher am Reihenmotor. In wie weit spielt der Umstand der verschränkten Zylinderbänke da eine Rolle?
Welcher läßt sich im allgemeinen besser kühlen?
Das wußte ich nicht, kannst Du das näher erklären? Ist ein V6 damit drehzahlfester als ein R6, oder hat das damit nichts zu tun?
Gruß, Tom
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Tom M.
X-No-Archive: Yes
begin quoting, Christoph Müller schrieb:
Das dürfte wohl vom Amplitudenspektrum der Oberschwingungen abhängen.
Wieso nicht? Prinzipiell brauchte man nur zwei spiegelbildlich identische Boxer-Motoren zusammenzubauen, dann ist das resultierende Aggregat komplett vibrationsfrei. (Warum macht man das eigentlich nicht so?)
2 1 1,2 __ __ | ___ | | | | . | | |/ | |/ | | | | / / | - | - /_____ /_____ . --|-|-|-|-|-- / / - | - / / | | | /| | /| . | | | |__| |__| |___| | 3 4 3,4
Vibrationsfreier Vierzylinder-Boxermotor mit doppelter Kurbelwelle: Rechte Kurbelwelle (Zylinder 1, 4) rechtslaufend, linke Kurbelwelle (Zylinder 2, 3) linkslaufend.
In der dargestellten Position sind die Zylinder 1 und 3 aufwärtsgehend und die Zylinder 2 und 4 abwärtsgehend. Im Viertaktbetrieb ergibt sich (z. B.) die Zündfolge 1, 3, 4, 2.
Konstruktiv ist lediglich die Auswuchtung der Kurbelwellen mit den Pleuelstangen erforderlich, weitere Schwingungsdämpfungsmaßnahmen sind überflüssig.
Gruß aus Bremen Ralf
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Ralf Kusmierz
Tom M. schrieb:
Im Prinzip ist das komplette Spektrum zu erwarten, weil die Kolbenbewegung deutlich von einer Sinusbewegung abweicht. Schließlich wird der Kolben aus praktischen Gründen nicht über eine Sinusschleife, sondern über ein Pleuel angelenkt. (Rotierende Bewegungen sind wesentlich einfacher und billiger handhabbar als lineare.) Im unteren Totpunkt verbleibt der Kolben relativ lang, während er im oberen nur sehr kurz bleibt. Um diese Bewegung mit Sinuswellen anzunähern, braucht man sehr viele (eigentlich unendlich) davon.
Je mehr Zylinder, desto ruhiger läuft eine Maschine. Eine Boxeranordnung wäre optimal. Aber dafür fehlt i.d.R. der Platz. Also macht man einen Kompromiss zwischen Reihen- und Boxermotor. Das ist dann der V-Motor.
warum sollte er?
Reihenmotoren werden quasi in einer Ebene gebaut. Fertigungstechnisch ist das viel einfacher zu realisieren als zwei Ebenen.
Mit ungeradzahliger Zylinderzahl bleibt immer ein Restmoment übrig, das für Schwingungen sorgt, weil kein halbwegs passendes "Gegenstück" existiert.
Genau kann ich's dir nicht beantworten. Aber eine Ahnung davon habe ich schon. Das Teil ist deutlich teurer als ein 4-Zylinder. Zündkerzen werden üblicherweise im 2er oder 4er-Pack angeboten - das geht nie auf und verkrätzt die Kundschaft. Der Motor ist vom Fahrzeugwert her nur EIN Teil von vielen anderen, die durchaus ähnlich teuer sind. Sitze, Klima, Computer, Hydraulik, ... Am Gesamtpreis spielt die Zylinderzahl also nicht mehr die zentrale Rolle. Mit wenig Aufpreis kann man deshalb schon einen 6-Zylinder haben, der dann deutlich ruhiger läuft.
Ein V- oder Boxermotor. Da ist die Oberfläche von Haus aus schon mal größer und die Wasserwege sind kürzer.
Eine Kurbelwelle muss viel aushalten, weshalb sie ziemlich schwer ist. Man kann sie als Stab auffassen. Je länger ein Stab ist, desto niedriger ist seine Eigenfrequenz. Weil man in Rennfahrzeugen aber sehr geringes Gewicht anstrebt, um bessere Beschleunigungswerte zu bekommen, muss der Motor schnell drehen (-> niedriges Drehmoment bei gleicher Leistung -> wenig Werkstoffeinsatz). Deshalb braucht er eine möglichst hohe Eigenfrequenz, die am Besten mit einer kurzen Bauart realisierbar ist.
Hoffe, das eben erklärt zu haben.
Servus Christoph Müller
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Christoph Müller
Ralf Kusmierz schrieb:
Klar. Aber dieses ist kein Zufall, sondern hängt in erster Linie mit der Art der Anregung zusammen, der in der Abweichung von der Sinusbewegung des Kolbens und des Pleuels begründet liegt. Erst dann kommt der Zufall ins Spiel mit diversen Feder-Masse-Systemen, die unterschiedliche Frequenzen unterschiedlich stark betonen oder eliminieren.
Es bleiben immer noch Drehschwingungen übrig. In deinem Bild 3,4 wäre die Drehachse senkrecht zur Zeichenebene.
Zwei Drehrichtungen sind aber teuer. Such' mal mit Google nach "Rhombengetriebe". Dieses lässt sich in der Tat 100% auswuchten und findet gerne in Stirlingmotoren Einsatz, weil sich damit auch noch die nötigen 90° Versatz elegant realisieren lassen. Aber wie gesagt - teuer. Deshalb kommt dieses Getriebe für Otto- und Dieselmotoren meines Wissens nicht zum Einsatz.
Aus eben diesem Grund war der VW Käfer ja auch legendär. Andere Hersteller brauchten Jahrzehnte, um eine ähnliche Laufruhe hin zu kriegen. Sie hatten und haben noch immer mit diversen Schwingungsmaxima zu kämpfen, die ihre Ursache in der Drehfrequenz des Motors und ihrer schlechten Kräftekompensation haben. Den Käfer konnte man von niedrigen bis zu hohen Drehzahlen durchfahren, ohne dass da irgendwas besonders zu schwingen angefangen hätte. Physikalisch gesehen gab der Motor ein ziemlich gutes weißes Rauschen ab, was ihn wirklich einzigartig machte.
Das Problem des Boxerkonzeptes ist, dass die Wege zur Ver- und Entsorgung ziemlich weit sind. Das erfordert viel Platz und Werkstoff. Platz ist in modernen Fahrzeugkonzepten so ziemlich das knappste verfügbare Gut. Dicht gefolgt vom Materialpreis und Gewicht. Da setzt man halt lieber etwas mehr Hirnschmalz in die Konstruktion als auf die naturgegebenen Vorteile des Boxers zu setzen. Wie man sieht - so halbwegs hat man die Schwingungen ja auch ohne Boxerkonzept in den Griff bekommen.
Servus Christoph Müller
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Christoph Müller
Tom M. schrieb:
Beim R6 sind sechs Zylinder hintereinander, beim V6 nur drei. Das lässt sich viel besser in einem Auto unterbringen! Gerade bei Frontantrieb, wo der Motor üblicherweise quer liegt, wäre für einen Reihenmotor absolut kein Platz.
Tobi
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Tobias Meyer
vibrationsfreiheit ist nicht das einzige zielmerkmal bei der konstruktion eines motors, und die variante mit zwei kurbelwellen fuehrt zudem noch zwingend zu einem kippmoment um den abtrieb.
der hauptnachteil von boxer und flat-V-motoren ist die grosse breite, deshalb werden sie im massenmarkt eigentlich nicht mehr verwendet.
der grosse vorteil von reihenmotoren ist die einfache anordnung von ventilsteuerung und ansaug/abgastrakt, deshalb werden sie neben den V-motoren immer noch in massen verwendet.
wenn man sich in der automobilgeschichte umschaut, wurde so ziemlich jede zylinderanordnung mit den unterschiedlichsten kurbelwellen irgendwann mal von irgendwem gebaut, und nur wenig ausfuehrungen haben sich dann im massenmarkt bewaehren koennen.
sowas aehnliches wie von dir angedacht wurde zum beispiel von BRM realisiert, unter der bezeichnung H16 wurden da zwei flat-V-8 zusammengebaut. das dingen erwies sich aber aus vielen gruenden als eine untaugliche idee, und hatte mangels echter boxer-kurbelwelle natuerlich auch noch vibrationstechnische nachteile.
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frank paulsen
Christoph Müller schrieb:
Warum baut man eigentlich keine Dieselmotoren als Boxer, oder gibts sowas?
Ich hab mal gehört, daß es beim Boxer Probleme geben kann, weil die Kolben die Luft und das Öl im Kurbelgehäuse verdichten können und somit weiter das Öl aufheizen und für Bläschenbildung im Öl sorgen können, ist da was drann?
Gruß, Tom
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Tom M.
Tom M. schrieb:
Naja, je mehr Zylinder, desto teurer. Dem gegenüber stehen gewisse Vorteile beim natürlichen Ausgleich der Massenkräfte und -momente, die aber die Nachteile nicht überwiegen müssen.
Allgemein kann man sagen, dass beim Reihenzweitakter mit gerader Anzahl Zylinder keine unausgeglichenen Umlaufmomente auftreten. Dafür entstehen bei Reihenzweitaktern mit ungerader Anzahl Zylinder die ersten unausgeglichenen Massenlängskräfte erst in einer Harmonischen, die der doppelten Zylinderzahl entspricht, nicht schon in der Harmonischen, die der Zylinderzahl entspricht, wie beim Reihenzweitakter mit gerader Zylinderzahl.
Beim Reihenviertakter ist es etwas komplizierter:
Zylinderzahl durch 4 teilbar: kleinste unausgeglichene Längskraft in Harmonische = Zylinderzahl/2 keine Umlaufmomente
Zylinderzahl gerade aber nicht durch 4 teilbar: kleinste unausgeglichene Längskraft in Harmonische = Zylinderzahl kleinstes unausgeglichenes Umlaufmoment in Harmonische = Zylinderzahl/2
Zylinderzahl ungerade und > 1: kleinste unausgeglichene Längskraft in Harmonische = Zylinderzahl*2 kleinstes unausgeglichenes Umlaufmoment in Harmonische = Zylinderzahl
Evtl. die ungleichmäßige Zündfolge?
Gruß Johannes
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Johannes Kerstiens
Waren bei den "alten" Audi 100 die 5-Zylinder nicht auch längs eingebaut, weil's eben auch eine quattro-Version gab? Wie auch immer: Bauraumbedarf im Zielkonflikt mit dem Insassenschutz, da paßt ein "kleiner" Motor einfach besser ins Konzept.
Heiko
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Heiko Aßmus
Das ist zwar richtig, aber dabei sollte man Massenausgleich nicht mit Ungleichförmigkeitsgrad verwechseln: Der sinkt nämlich zwingend mit der Zylinderzahl.
Weil dort im Gegensatz zum V6 die 1. und 2. Ordnung ausgeglichen ist.
3- oder 5-Zylinder existieren dennoch. :)
Klar, mehr Material. :)
Dürfte den Hersteller nicht interessieren, weil er seine Zündkerzen nicht im Baumarkt kauft. Werkstätten tun das auch nicht. Insofern dürfte das allenfalls die Schrauber/Drittbesitzer stören.
... und mit wieder wenig Aufpreis einen 7-Zylinder, der ja bekanntlich der Verkaufsschlager schlechthin ist. :)
Heiko
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Heiko Aßmus
Tom M. schrieb:
Davon ist mir nichts bekannt. In LKWs sollte ja eigentlich etwas mehr Platz vorhanden sein als in PKWs. Aber da ist ein großer Drehzahlbereich auch nicht so wichtig. Als Dauerläufer geht's da wohl vor allem um den Wirkungsgrad, der nur in einem sehr schmalen Drehzahlbereich zu haben ist. Drum setzt man lieber ein Getriebe mit vielen Gängen dran. Die im Vergleich zum PKW geringen Stückzahlen lassen eine entsprechend weniger automatisierte Fertigung erwarten. Man wird sich also sehr am vorhandenen Maschinenpark orientieren, wenn es darum geht, welcher Motortyp produziert werden soll. Man wird sich hüten, eigens neue und teure Sondermaschinen anzuschaffen, nur um einen anderen Motortyp zu haben. Da müssten die Vorteile schon erheblich sein.
Das Problem gibt es mit jedem anderen Motor auch, weshalb man ja auch eigens mit Ölwannen, Ölpumpen und Kurbelgehäusebelüftungen arbeitet. Mag sein, dass das eine oder andere Problem konzeptbedingt etwas größer oder kleiner ist. Aber so etwas kriegt man offensichtlich in den Griff. Sonst hätte der Käfer nicht millionenfach gebaut werden können.
Servus Christoph Müller
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Christoph Müller
Johannes Kerstiens schrieb:
Bei einem Vierzylinder-Viertakt hat man immer zwei Zylinderpaare, die sich exakt gegenläufig bewegen und sich damit gegenseitig ausgleichen. Was macht der fünfte Zylinder dabei? Ich denke, dass man für einen vernünftigen Ausgleich bei fünf Zylindern eine recht komplizierte Kurbelwelle brauchen wird.
BTW: In welchem Auto gab es eigentlich Fünfzylinder-Reihenmotoren? Ich kenne nur die Fünfzylinder-V-Motoren von VW.
Tobi
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Tobias Meyer
Tom M. schrieb:
Die Büssing-Unterflurmotoren waren doch Boxermotoren, oder?
Tobi
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Tobias Meyer
Zwar richtig, aber
... stimmt so pauschal leider nicht.
Er geht seiner Arbeit nach? :)
"Ausgleich" ist eben relativ. Die Hubzapfenanordnung leitet sich da nicht anders ab als bei anderen Reihenmotoren.
Zum Beispiel im Audi 100 (C2 und C3). Mein Vater hatte einen 2.3E, den fand ich sehr angenehm zu fahren. Und für so ein großes Fuhrwerk hat der trotzdem mit seinen 100 kW für ganz passable Fahrleistungen gesorgt. Und der Volvo 850 hatte auch einen (quer eingebaut).
Heiko
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Heiko Aßmus
Tobias Meyer schrieb:
- Audi in den 80'ern in diversen Baureihen (Coupe,90,100). - Aktuell im Ford Focus ST, das ist aber ein Volvo Motor der auch in derren Modellen zu finden ist. - Fiat Stilo Abarth
Gruß, Christian
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Christian Karsten
Tobias Meyer schrieb:
Keine Ahnung, die kenne ich nicht!
Aber z.B. in Autobussen stelle ich mir so einen Boxer schon sehr angenehm vor, die Motoren, die ich dort meist Antreffe vibrieren doch ziemlich stark.
Als weiteres in Luxuslimousinen mit 6-, 8- und 10-Zylinder-Dieselmotoren, wäre da nicht ein Boxer ideal um den Fahrkomfort deutlich zu steigern?
Gruß, Tom
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Tom M.
Christian Karsten schrieb:
Gibts das nicht auch im Fiat Coupe? Ich hab da mal öfter einen vorbeifahren hören, der klang _richtig_ gut! :)
Gruß, Tom
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Tom M.
Tom M. schrieb:
Wie jetzt, 5l-V8 im Fiat?
SCNR Tobi
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Tobias Meyer

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