Kurbelwellen Bahnsporttechnik.de

Aufgabe der Kurbelwelle (1) ist es die Auf- und Abbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umzuwandeln. Gleichzeitig muß sie den auf den Kolben wirkenden Verbrennungsdruck in ein Drehmoment umwandeln, welches dann über die Kupplung auf das Getriebe, bzw. bei Speedwaybikes auf das Vorgelege, übertragen wird. Durch die Kurbelwelle werden noch weitere Teile, wie z.B. die Ölpumpe, die Zündanlage sowie die Nockenwelle und die Ventilsteuerung, angetrieben. Kurbelwellen für Bahnmotorräder sind teilbar ausgeführt und bestehen im wesentlichen aus den beiden Kurbelwangen (2), die gleichzeitig als Schwungscheiben dienen und bei denen das Gegengewicht durch gebohrte Löcher oder Ausspaarungen hergestellt wird. Eine teilbare Kurbelwelle ist notwendig, weil hier, anders als im Automobilbau, die Pleuel mit unteilbaren Nadellagern (6) versehen sind. Die Käfige dieser Lager sind versilbert und vertragen dank ihrer präzisen Verarbeitung sehr hohe Drehzahlen. Die beiden Kurbelwangen werden mittels eines Hubzapfens (5), miteinander verpreßt. Der Hubzapfen verbindet die Kurbelwelle mit der ebenfalls unteilbaren Pleuelstange und ist extrem hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die hochwertige Ausführung dieser Motor-Komponente ist entscheidend für die Haltbarkeit und Langlebigkeit eines jeden Motors. Der Abstand des Hubzapfens vom Mittelpunkt der Kurbelwelle bestimmt dabei den Weg, den der Kolben zwischen seiner untersten und obersten Stellung zurücklegt, den Hub. Für die Lagerung im Kurbelgehäuse besitzt jede Kurbelwelle Wellenzapfen (3+4) die in einer Achse liegen. Durch die Kurbelwangen werden Hubzapfen und Wellenzapfen miteinander verbunden. Der Wellenzapfen rechts und der Hubzapfen sind hohlgebohrt. Durch die Hohlbohrung wird Öl für die Pleuellagerschmierung axial in den Hauptlagerzapfen (3) gepumpt und gelangt dann, durch eine Bohrung im Innern der Kurbelwange, in den hohlgebohrten Hubzapfen (5) und von da aus über eine weitere Bohrung zum Pleuellager. Die Wellenzapfen werden aus legiertem Stahl geschmiedet und oberflächengehärtet. Sie werden verdrehsicher in den Kurbelwangen verpresst und mit Nadellagern versehen. Außen laufen die Nadellager in den Hauptlagerbuchsen (8) die in den Kurbelgehäusehälften ebenfalls verdrehsicher verpreßt sind. Rollenlager eignen sich besser, um die Biegekräfte der nur zweifach gelagerten Kurbelwelle aufzunehmen. Rollenlager sind auch toleranter gegenüber Versatz der beiden Kurbelwellenzapfen. Die Käfige der Lager sind aus vergütetem Stahl gefertigt, verschleißarm, von hoher Festigkeit und haben große, schmiertechnisch günstig gestaltete Führungsflächen. Nach außen hin sind die Lagerzapfen durch einem im Kurbelgehäuse eingepreßten Simmerung Öldicht verschlossen. Herstellung der Kurbelwangen Um den starken Belastungen standhalten zu können verfügen Kurbelwellen über einen zähen Kern und eine gehärtete Oberfläche. Sie werden deshalb aus legiertem Stahl (in der Regel 42CrMo4 oder höher) geschmiedet und bieten daher eine große Festigkeit. Bei Bahnmotoren kommen sogenannte Vollwangen- Kurbelwellen zum Einsatz. Durch die Vollmetallausführung der Kurbelwangen erhöht sich die Schwungmasse was sich durch ein höheres Drehmoment bemerkbar macht. Links sind alle zur Zeit von Jawa/Eso lieferbaren Kurbelwellen zu sehen (außer die Ø 157 mm für Eisspeedwaymotoren). Bei den 250er Kurbelwellen (1+1a) sind die Lagerzapfen fest mit den Kurbelwangen verbunden und nicht einzeln austauschbar. Was sofort auffällt, ist die unterschiedliche Färbung der Kurbelwangen. Die Farben entstehen durch das Anlassen der Öberfläche welches nach dem härten erfolgt. Beim Härten wird der Stahl auf ca. 800 - 900° Grad erhitzt und dann abgeschreckt wodurch er eine hohe Festigkeit und Härte erhält. Zum Anlassen, wird der Stahl danach nochmals auf 540 bis 680° erwärmt und dann langsam abkühlen lassen, wodurch oberflächlich etwas von der Härte und den inneren Spannungen im Werkstück, zugunsten der Zugfestigkeit und besserer Zähigkeit, zurückgenommen wird. Die Anlass- temperatur hängt dabei von der gewünschten Endhärte ab und wird durch die verschiedenen Farben ermittelt. Außerdem werden durch das Anlassen Oberflächenrisse vermieden und die Korrossionsbeständigkeit erhöht. Die Anlasstiefe der Oberfläche beträgt dabei nur Ein- bis drei Hundertstel Millimeter. Um die durch Kurbelzapfen und Pleuel verursachte Unwucht auszugleichen, werden bei den meißten Kurbelwangen durch- gehende Bohrungen oberhalb oder neben dem Pleuelzapfen angebracht (2+3). Bei der sogenannten „Pocket“ Kurbelwelle (4) werden zum Gewichtsausgleich, links und rechts Taschen (Pockets) neben der Pleuelzapfenbohrung, ausgefräst. Bei den Excentrischen Kurbelwangen (5) sind die Hauptlagerzapfen geringfügig (hier 2,5 mm) aus der Mitte in Richtung Hubzapfen versetzt wodurch die eigentlich Kreisrunde Kurbelwange ein wenig Höhenschlag bekommt. Da beim Viertaktmotor nur bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung eine Verbrennung und somit eine Leistungsentfaltung stattfindet, kommt für die restlichen Takte die Schwungmasse der Kurbelwangen ins Spiel. Da Bahnmotoren, kein separates Schwungrad besitzen, sind die Kurbelwangen hier als Vollwangen ausgeführt. Diese müssen so groß und schwer dimensioniert sein, das sie die Kurbelwelle während der drei übrigen Takte nahtlos mit Kraft versorgen und in eine gleichmäßige Drehbewegung halten können. Allerdings ergibt sich durch Wangen und Hubzapfen ein Ungleichgewicht der Massenverteilung welche durch das Gegengewicht der Wangen ausgeglichen wird. Da dies aber nicht immer zu 100% gelingt, verursacht die Unwucht starke Vibrationen die sich auf das gesamte Motorrad übertragen. Deshalb ist es wichtig das der gesamte Kurbeltrieb für eine ansprechende Laufkultur ausgewuchtet wird. Dieses kann entweder statisch oder durch spezielle Maschinen dynamisch erfolgen. In beiden Fällen spielt der sogenannte Wuchtfaktor eine entscheidene Rolle. Um den Wuchtfaktor zu bestimmen muß man folgenden Hintergrund kennen: Beim Kurbeltrieb haben wir es mit zwei verschiedenen Kräften zu tun die aus verschiedenen Richtungen auf die Kurbelwelle wirken. Einmal die in Richtung der Zylinderachse wirkenden „translatorischen“(oszillierenden) Kräfte, die durch das Beschleunigen und Verzögern des hin- und herfahrenden Kolbens verursacht werden und zum anderen die „Rotationskräfte „ die duch die Drehung der Kurbelwelle verursacht werden. Eine Kurbelwelle kann aber entweder zu 100 % die rotierenden Massen ausgleichen, dann aber zu 0 % die translatorischen, oder umgekehrt. Beim Wuchten sucht man daher einen Kompromiss, das heißt, wenn z.B. 60 % der translatorischen und 40 % der rotierenden Unwucht eliminiert werden, wäre das dann ein Wuchtfaktor von 60. Der Wuchtfaktor entscheidet dabei nicht unbedingt darüber, wie stark ein Motor vibriert oder nicht, sondern hauptsächlich darüber, in welche Richtung der Motor vibriert: Mehr in horizontaler oder mehr in vertikaler Richtung. Da die Vibrationen in Fahrzeuglängsrichtung als weniger störend empfunden werden, kann bei liegend eingebauten Motor (je nach Neigungsgrad) der Wuchtfaktor kleiner ausfallen und liegt deshalb in der Regel weit unter 50% Kurbelwelle Dynamisch wuchten Um eine Speedwaykurbelwelle dynamisch wuchten zu können muß das Pleuel entfernt werden. Dazu wird mittels einer Hydraulikpresse der Hubzapfen ausgepresst, Pleuel und Pleuellager entfernt und der Bolzen wieder eingepresst. Danach muß die Welle mittels zweier Meßuhren auf Seitenschlag geprüft werden. Eine Seitenschlagkorrektur kann mit Hilfe eines Kupferkeils der zwischen den Kurbelwangen getrieben wird, durchgeführt werden und erfordert einiges an Erfahrung und Feingefühl. Danach muß noch das Gewicht der translatorischen (oszilierenden) Massen ermittelt werden. Dazu gehören: Der Kolben mit Ringen und Kolbenbolzen, das obere Pleuellager und die obere Hälfte des Pleuels. Das Pleuel zählt nämlich sowohl zur translatorischen als auch zur rotierenden Masse, hier wird nur die obere Hälfte der translatorischen Masse zugeordnet. Während das Gewicht des Kolbens samt Ringen, Bolzen und Lager leicht mit einer Feinwaage bestimmt werden kann, gestaltet sich die Ermittlung des Gewichts der Oberen Pleuelhälte schon schwieriger. Dazu bedarf es einer besonderen Abrollvorrichtung so wie auf dem Bild links zu sehen. Die Aufnahme für das kleine Pleuelauge wird auf eine Feinwaage gestellt, die auf einen waagerechten Untergrund steht. Nun müssen die beiden unteren Pleuelaufnahmen auf exakt gleiche Höhe gebracht und die Waage genau auf Null kallibriert werden. Jetzt kann das Pleuel aufgelegt werden, welches sich dann genau bei 90° einpendelt. Das nun angezeigte Gewicht entspricht dem der oberen Pleuelhälte und muß zur translatorischen Masse hinzuaddiert werden. Zum Schluß muß noch das Gesamtgewicht des Pleuels inclusive Pleuellager ermittelt werden. Die so ermittelten Gewichte dienen zur Berechnung des sogenannten Meistergewichts, welches symetrisch um den Hubzapfen angebracht wird um anteilig das Gewicht der rotierenden und oszillierenden Massen des Kolbens und der Pleuelstange zu simulieren. Hier ein Rechenbeispiel zur Bestimmung des Meistergewichts. Die rotierende Masse wird zu 100 % berechnet und die tranlatorische Masse prozentual je nach gewünschtem Wuchtfaktor, hier der Einfachheit halber zu 50 %. 1. Gewicht des Kolbens (incl.Bolzen Ringe und Lager) = 400 Gr. 50 % = 200 Gr. 2. Gewicht des Pleuel obere Pleuelhälfte = 180 Gr. 50 % = 90 Gr. 3. Gewicht Pleuel untere Hälfte (600 Gr - 180 Gr.) = 420 Gr. 100 % = 420 Gr. Somit muß das Meistergewicht 710 Gramm betragen ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Der Wuchtvorgang Der Auswuchtvorgang einer Speedwaykurbelwelle soll hier einmal anhand einer Wuchtmaschine der Ital. Firma CEMB gezeigt werden, wie sie bei TORNADO Racing zum Einsatz kommt. Die Kurbelwangen sind hier mit dem Hubzapfen und den beiden Hauptlagerzapfen bestückt. Zum Wuchten wird das oben ermittelte Meister-gewicht symetrisch um den Kurbelzapfen angebracht. (Auf dem Foto lks. sind einige Meistergewichte zu sehen). Nun wird die Welle mit den Hauptlagerzapfen auf die beiden rollengelagerten Schwingungsaufnehmer (1+2) plaziert. Anders als beim statischen Wuchten kommt hier eine zwei Ebenen Wuchtung zum tragen, bei der die Unwucht von linker und rechter Kurbelwange einzeln ermittelt wird. Auf einer Seite der Wuchtmaschine ist eine Photozelle angebracht die auf den Hauptlagerzapfen ausgerichtet ist und die Drehzahl sowie den Drehwinkel der Welle erfaßt. Um den Dreh- winkel bestimmen zu können wird auf der Welle eine Referenzmarkierung angebracht. Für den Wuchtvorgang wird die Welle mittels eines Flachriemens angetrieben, der durch einen einstellbaren Arm auf den Haupt- lagerzapfen gedrückt wird. Die Drehzahl liegt dabei zwischen 500 und 1000 Umdrehungen pro Minute. Bevor aber der eigentliche Wuchtvorgang beginnen kann, müssen einige Eingaben gemacht und die Maschine kalibriert werden. Das ist einmal der Abstand der beiden Lagerstellen zueinander und der Abstand der Kurbelwangen zu den Sensoren. Auch der Radius der Kurbelwangen und der Durchmesser der Hauptlagerwelle zählen zu den Eingaben die für den Wuchtvorgang benötigt werden. Der Durchmesser der Lagerwelle ist dabei wichtig um die Drehzahl und den Drehwinkel der Welle zu berechnen. Die beiden Sensoren messen die Maximale Schwingung der Welle, die sogenannten Amplituden, ein Begriff aus der Physik, der angibt wieweit die maximale Auslenkung der Schwingung einer Welle von ihrem Gleichgewichtszustand entfernt ist und ordnen sie einem bestimmten Drehwinkel zu. Nun kann die Maschine gestartet werden und nach ca. 15 - 20 Sekunden bekommt man das Wuchtergebnis auf den links zu sehenden Bildschirm angezeigt. Hier zeigt die Maschine für die linke Kurbelwange eine Unwucht von 41,7 Gramm und für die Rechte Wange 7 Gramm an. Die dritte Anzeige von links zeigt an, das die Korrektur der Unwucht durch Ausbohren von Material ausgeglichen werden soll. Für die linke Wange wird hier noch kein Drehwinkel für die Korrektur angezeigt, rechts soll die Ausgleichsbohrung bei einem Drehwinkel von 60 angebracht werden. Welchen Durchmesser die Ausgleichbohrung haben muß und wie tief sie sein muß, kann man Anhand der Dichte des Werkstoffs ausrechnen. Beim Werkstoff 42CrMo4 beträgt die Dichte z.B. 7,72 g/cm3. Bei größerer Unwucht müssen unter Umständen mehrere Bohrungen angebracht werden. Die Unwuchtkorrektur kann mit einem speziellen Bohrungssystem direkt auf der Maschine ausgeführt werden. Wegen der Nitierung der Wangenoberfläche muß dafür ein spezieller Hartmetallbohrer verwendet werden. Nach der Korrektur muß die Welle nochmals gewuchtet werden um den Erfolg der Korrekturmaßnahme zu überprüfen. Eine Restunwucht von 2 Gramm fällt dabei in die Toleranzgrenze und wird von den meißten Maschinen auch gar nicht mehr angezeigt. Neben dem hier gezeigten dynamischen Wuchten gibt es noch das statische Wuchten ohne Maschine, bei dem die prozedur manuell, mit montierten Pleuel, auf einer speziellen Abrollvorrichtung durchgeführt wird. Diesen Vorgang werde ich eventuell später an dieser Stelle auch einmal beschreiben. Schneller und präzieser ist aber das dynamische Wuchten. Ich danke Friedhelm Großewächter für seine Zeit, die er für mich aufgebracht hat um mir diese ganzen komplexen Vorgänge zu erklären.

Die Pilgrim Ölpumpe für Motorräder kam 1926 auf den Markt und war auf Anhieb ein Erfolg. Sie wurde seither in unzähligen Varianten hergestellt und gehörte jahrzehnte lang bei über 100 Herstellern zur Standartausrüstung. Der Grund für den Erfolg lag in dem Schauglas , durch dem der Fahrer den blasenfreien Durchfluß des Lebensnotwendigen Schmierstoffs jederzeit im Blick hatte. Außerdem entfiel der lästige Druckaufbau von Hand wie er vorher üblich war. Die Pumpe leitete das Öl ins Kurbelghäuse und bei einigen Herstellern auch direkt in die Kurbelwelle um die Schmierung des Pleuels zu verbessern. Die Pumpe verfügte außerden über einen außen angebrachten Stutzen von dem aus das Öl, mittels eines am Zylinder ent-langeführten Metallrohrs, zum Zylinderkopf geführt wird. War die Pumpe zunächst nur als Einkolbenpumpe ausgelegt, so gab es später auch eine Zweikolbenpumpe (Duplexpumpe), die vor allem bei Zweitakt und Speedwaymotoren zum Einsatz kam. Diese Pumpe wurde bis Ende der 1980er Jahre von JAP, JAWA, WESLAKE, GODDEN u.s.w. verwendet, bis Umweltauflagen ein geschlossenes Schmiersystem verlangten und die Ölpumpen innerhalb des Motors verlegt wurden. Die Pilgrim Duplex Pumpe besteht im wesentlichen aus einem Aluge-häuse im dem eine Antriebsschnecke die beiden Pumpenkolben in eine Drehbewegung versetzt. Die Kolben sind federbelastet und an einer Seite Nockenförmig ausgelegt. Die Nockenbahn läuft an den Stellschrauben entlang und versetzt so die Kolben in einer hin- und hergehenden Pumpbewegung. In den Kolben sind zwei Öffnungen so eingeschnitten das sie sich im richtigen Moment öffnen und schließen, so das Öl von der Zufuhrseite angesaugt und in den oberen Schaukasten gepumpt wird. Federbelastete Kugelventile verhindern dabei ein zurücklaufen des Öls. Anschließend gelangt das Öl durch eine Bohrung zurück zur Druckseite des Kolbens, von wo aus es, durch den Pumpenkolben unter Druck gesetzt, ins Kurbelgehäuse und über die Außenleitung zum Zylinderkopf gepumpt wird. Der Motorseitige Kolben bedient dabei den Zylinderkopf, während der äußere Kolben das Öl in die Kurbelwelle bzw. Kurbelgehäuse befördert. Die beiden Pumpenkolben sind unterschiedlich und sollten bei einer Demontage nicht vertauscht werden. Die Fördermenge kann durch die Stellschrauben reguliert werden und sollte grundsätzlich so eingestellt werden, das in den Kurbelmechanismus mehr Öl gelangt als in dem Zylinderkopf. Bei hineingedrehten Schrauben legt der Kolben nur einen Teil seines Hubwegs zurück und fördert dementsprechend weniger Öl, während bei herausgedrehten Stellschrauben mehr gefördert wird. Der Antrieb der Pumpe erfolgt von einem Zwischenrad aus welches sich zwischen Kurbelwelle und Nockenwellenantrieb befindet und daher nur mit halber Motordrehzahl läuft. Würde die Ölpumpe direkt von der Kurbelwelle angetrieben, wäre, mit zunehmender Drehzahl, die Fördermenge so hoch das sie mit den Stellschrauben nicht mehr regulierbar wäre. Über den Betrieb der Pumpe gibt es wenig zu sagen, da das Schauglas jederzeit Auskunft über die Funktion der Ölpumpe gibt. Sollte der Schaukasten der Pumpe nach dem Abstellen des Motors vollaufen, so muß das Schauglas abgeschraubt und die beiden Überlaufrohre mit einer kleinen Flachzange vorsichtig nach oben herausgezogen werden und die darunter liegenden Federn mit der Absperrkugel entfernt und gereinigt werden. Sollte eine Demontage der Pumpe aus irgendeinen Grund jemals erforderlich sein, so sind zuerst die Zufuhr und die Austrittsleitung zum Zylinderkopf zu entfernen, bevor die mit zwei Schrauben befestigte Pumpe vom Gehäuse abgenommen werden kann. Jetzt kann die Öldüse samt Feder, die sich in der Bohrung der Kurbelwelle befindet, sowie die Dichtung entfernt werden. Zum Zerlegen der Pumpe wird zuerst die Lagerbuchse der Antriebswelle, welche entgegen der Drehrichtung der Pumpe herausgeschraubt wird, entfernt. Nun kann die Antriebswelle herausgezogen werden. Danach wird der, mit 3 Schrauben befestigte, seitliche Anschlagdeckel entfernt so das die Pumpenkolben samt Federaufnahme und Feder entfernt werden können. Achtung: Da die Kolben unterschiedlich sind, dürfen sie beim Einbau nicht vertauscht werden. Zuletzt wird der, ebenfalls mit 3 Schlitzschrauben befestigte, gegenüberliegende Deckel mit den zwei Regulierschrauben entfernt. Nun können das Gehäuse und die Einzelteile mit Bremsenreiniger, Waschbenzin o.ä. gereinigt werden. Nachdem alles gereinigt und auf Verschleiß geprüft wurde, werden als erstes die Pumpenkolben mit Feder und Federaufnahme eingesetzt und der Deckel mit neuer Dichtung befestigt. Die Deckeldichtung und auch alle anderen Dichtungen sollten grundsätzlich beim Zusammenbau erneuert werden. Auch der Gegenüberliegende Deckel mit den zwei Regulierschrauben kann nun wieder montiert werden. Als nächstes wird die Antriebsschnecke durch leichtes drehen eingesetzt und mit der Messingmutter fixiert. Jetzt die Pumpe auf die Seite mit der Förderkammer nach oben drehen und mit Öl füllen. (Dort wo das Öl in die Pumpe eintritt). Nun den Ölzulaufstutzen einschrauben und mit einem nach oben gerichteten Schlauch versehen und diesen ebenfalls mit Öl befüllen. Nun bei vollständig zurückgedrehten Regulierschrauben die Pumpe aufrecht stellen und die Antriebsschnecke von Hand im Uhrzeigersinn drehen bis Öl aus den Löchern der beiden Förderrohre im Schaukasten blasenfrei austritt. Dann die Kugeln mit der Feder und die Förderrohre einsetzen. Danach den Schaukasten mit Öl befüllen und das Schauglas mit dem Rahmen befestigen. Die Förderkammer ist nun gefüllt so das die Pumpe jetzt montiert werden kann. Dafür zuerst die Öldüse mit der Feder in die Öffnung der Kurbelwelle setzen, die Dichtung fixieren und das Ende der Antriebsschnecke so ausrichten das es in den Schlitz des Zwischenrades eingreift. Nachdem alles ausgerichtet ist können die zwei Befestigungsschrauben eingedreht werden. Als letztes den Zulaufschlauch und die Förderleitung zum Zylinderkopf montieren, den Öltank auffüllen und den Motor im Leerlauf laufen lassen. Durch das hineindrehen der beiden Regulierschrauben kann nun die Fördermenge eingestellt werden. Die Enstellung ist dann korrekt wenn der Schaukasten in allen Drehzahlbereichen immer etwa zu dreiviertel gefüllt ist und keine Luftblasen zu sehen sind. Die Peparatur einer Pilgrim Pumpe ist hier in einem YouTube Video erklärt. https://www.youtube.com/watch?v=skryoG86U1Y Auch die erste von Jawa konstruierte Innenliegende Ölpumpe funktionierte nach dem Pilgrim Prinzip ---->>> Ersatzteile sind bei folgenden Händlern zu bekommen: