Kurbelwelle

Zurück zur gebauten Kurbelwelle?

04.05.2010 | Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Matthias Brendel, Dr.-Ing. Stefan Dengler / Ute Drescher

Mittels Hirthverzahnung lassen sich gebaute Kurbelwellen montieren. Bilder: Audi
Mittels Hirthverzahnung lassen sich gebaute Kurbelwellen montieren. Bilder: Audi

Ein überlegenswerter Ansatz: die gebaute Kurbelwelle mit Hirthverzahnung in Kombination mit neuen Kurbeltriebstechnologien an aufgeladenen R4-Ottomotoren.

Gebaute Kurbelwellen, die mittels Hirthverzahnungen montiert werden, sind der Motorenfachwelt keineswegs neu. Allerdings finden sich die meisten Beispiele für gebaute Kurbelwellen entweder im Bereich von Großmotoren oder im Museum.

Die Hirthverzahnung, deren Name auf ihren Erfinder Albert Hirth zurück geht, wird häufig auch als Plankerbverzahnung bezeichnet. Aufgrund ihres axialen Formschlussprinzips ist sie sehr leistungsfähig hinsichtlich der Drehmomentübertragung zwischen mehreren Bauteilen bei minimalem radialen Bauraumbedarf.

Eine Hirthverzahnung bietet darüber hinaus die Vorteile, dass sie im montierten Zustand absolut spielfrei sowie selbst zentrierend arbeitet. Außerdem kann sie mit sehr hoher Wiederholgenauigkeit demontiert und erneut montiert werden. Aufgrund dieser Eigenschaften wurde die Hirthverzahnung bereits vom Erfinder selbst für die Herstellung von gebauten Kurbelwellen für Verbrennungsmotoren genutzt und 1920 patentiert.

Gerade bei hoch entwickelten PKW-Motoren taucht das Thema gebaute Kurbelwellen regelmäßig wieder auf. Vor dem Hintergrund der aktuellen Bemühungen den Verbrauch zu reduzieren rücken die Handlungsfelder Reibungsminimierung und neuartige Kurbeltriebe in den Fokus der Diskussion. Es stellt sich die Frage, ob eine gebaute Kurbelwelle an einem modernen, aufgeladenen Reihen-Vierzylinder-Otto-Motor umsetzbar ist.

Wie die Hirthverzahnung ausgelegt ist

Die Hirthverzahnung für die hier beschriebene, gebaute R4-Kurbelwelle wurde mit der Auslegungssoftware PKV der Forschungsvereinigung Antriebstechnik berechnet. Die Auslegung der Verzahnungen erfolgte dabei anhand einer kombinierten Torsions-Biege-Belastung, die in einer Kurbelwellen-Dynamikrechnung an dieser Welle ermittelt wurden. [1]

Die betrachtete Kurbelwelle verfügt über fünf Hauptlager, vier Pleuellager sowie acht Gegengewichte und ist für 1,8l-TFSI-Motoren geeignet. Als Werkstoff wurde der für hoch beanspruchte Kurbelwellen gebräuchliche 42CrMo4 in vergütetem Zustand (Rm=1100 N/mm², RP0.2 > 900 N/mm²) ausgewählt.

Zähnezahl und Zahnbreite bestimmen den Sicherheitsfaktor

In zahlreichen Auslegungsrechnungen wurden innerhalb der konstruktiv umsetzbaren Grenzen die entscheidenden Geometriegrößen Zähnezahl und Zahnbreite für den bei Hirthverzahnungen üblichen Spitzenwinkel von 60° variiert. Wie in Bild 1 zu sehen, nimmt der Sicherheitsfaktor gegen Dauerbruch SD bei konstanter Zahnbreite mit einer Erhöhung der Zähnezahl zu.

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