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Über die Laufruhe von Motoren

Die Anzahl der Zylinder hat nicht primär mit der Laufruhe eines Motors zu tun, das Ausschlaggebende ist die Bauweise - Reihen-, V-, oder Boxermotor. Im Folgenden werden die einzelnen Konzepte hier ein wenig erlätert.

Der Einzylindermotor (Generelles)

Ein Einzylinder-Viertaktmotor liefert nur im Verbrennungs- bzw. Arbeitstakt Energie (der Kompressionstakt verschlingt sogar welche), also, gemessen an der Drehung der Kurbelwelle, nur alle 720°. Um diese sehr ruckartige Kraftabgabe gleichmäßiger zu gestalten, braucht man ein Schwungrad (welches dem Motor die Spontaneität nimmt) - oder aber mehr Zylinder.
Eine Erhöhung der Zylinderzahl bedeutet nämlich, bezogen auf die Laufruhe, nichts anderes, als daß pro Kurbelwellenumdrehung mehr Arbeitstakte stattfinden, die Leistungsabgabe somit also gleichmäßiger erfolgt. Bei vier Zylindern findet alle 720° / 4 = 180° ein Arbeitstakt statt, bei acht alle 90° und bei zwölf sogar alle 60° (3: 240°, 5: 144°, 6: 120°, 10: 72°).

Hinzu kommen nun noch die Vibrationen, die die beweglichen Teile im Inneren des Motors verursachen. Ich werde mich hier lediglich auf Kolben und Pleuel beschränken, nicht nur da diese die Hauptursache der Vibration sind, sondern auch, um das Ganze überschaubar zu halten.
Kolben und Pleuel bewegen sich auf und nieder, ohne daß diese Bewegung der Massen - durch Gegengewichte etwa - ausgeglichen würde. Zudem findet natürlich auch noch eine seitliche Bewegung statt, die allerdings nur das Pleuel betrifft, und deswegen, da dessen Masse nicht so groß ist, auch kleiner als die vertikale Bewegung ist.


Die Kurbelwelle eines Einzylindermotors.
Auf die Darstellung der Gegengewichte,
die die Unwucht des Hubzapfens ausgleichen,
wird hier zugunsten der Übersichtlichkeit verzichtet.


Der Zweizylinder-Reihenmotor

Da ein Zweizylinder einmal alle 360° zündet, folgt daraus, daß die Kolben in die gleiche Richtung laufen, beide sich also gleichzeitig hinauf- und hinabbewegen müssen. Die dadurch entstehenden Vibrationen sind doppelt so groß wie beim Einzylinder, da sich die Kräfte beider Zylinder addieren. Diese Motorbauweise liefert die stärksten Vibrationen und ist daher die am wenigsten verbreitetste.


Die Kurbelwelle eines Zweizylinder-Reihenmotors.


Der Dreizylinder-Reihenmotor

Beim Dreizylinder zünden die Brennräume im Abstand von 240°. Wie man an der Frontalansicht der Kurbelwelle erkennen (und errechnen) kann ist, daß in jeder beliebigen Kurbelwellenposition der Schwerpunkt immer zentral in der Mitte liegt, und somit keine Vibrationen entstehen. Doch das ist nicht richtig. Sowohl die Ansicht als auch die Berechnung lassen die dritte Dimension außer Acht. Die Kolben sind nämlich nicht in einer Ebene, sondern hintereinander angeordnet. Während im vorderen Zylinder eine Kraft nach oben entsteht, erzeugen Kolben und Pleuel im hinteren eine entgegengesetzte Kraft, und zwar nach unten. Da diese Kräfte nun an verschiedenen Enden des Motors angreifen, vibriert er nicht insgesamt, sondern nur an den Enden, da der mittlere Zylinder sich im Schwerpunkt befindet, und damit quasi den Drehpunkt darstellt.


Die Kurbelwelle eines Dreizylinder-Reihenmotors.

Frontalansicht der Kurbelwelle.


Der Vierzylinder-Reihenmotor

Nun wird die Sache schon komplizierter, denn obwohl es den Anschein hat als würde ein Vierzylinder vibrationsfrei laufen, so ist dies nicht korrekt.
Ein Vierzylinder-Reihenmotor zündet alle 180°, was bedeutet, daß sich immer zwei Kolben in der gleichen Position befinden und in die gleiche Richtung bewegen. Durch die symmetrische Anordnung wird die Vibration um den Mittelpunkt, wie sie beim Dreizylinder anzutreffen ist, aufgehoben (Kolben 1 und 4, sowie 2 und 3 bilden Paare).
Das Problem liegt aber in der vertikalen Bewegung. Auf den ersten Blick hat es den Anschein, daß die Kräfte des ersten Kolbens durch die des zweiten, die des dritten durch die des vierten aufgehoben werden. Aber das ist nicht der Fall!
Wie man dem Bild entnehmen kann, legen hinauf- und herunterbewegende Kolben eine unterschiedliche Wegstrecke pro Zeiteinheit zurück. Somit sind auch hier wieder Vibrationen vorhanden, die durch Ausgleichswellen vermindert werden müssen.


Die Kurbelwelle eines Vierzylinder-Reihenmotors.

Frontalansicht der Kurbelwelle.


Sich auf- und abbewegende Massen heben sich nicht auf,
sondern produzieren 'Schwingungen zweiter Ordnung'.


Der Fünfzylinder-Reihenmotor

Hierauf sei nur der Vollstädigkeit halber eingegangen, da der Fünfzylindermotor nicht unbedingt zum Verständnis notwendig ist. Bis auf das Vibrieren der Enden um den Mittelpunkt herum (wie beim Dreizylinder), läft der Fünfzylinder ausgeglichen.


Die Kurbelwelle eines Fünfzylinder-Reihenmotors.

Frontalansicht der Kurbelwelle.


Der Sechszylinder-Reihenmotor

Wie man anhand des Bildes sehen kann, besteht ein Reihensechszylinder quasi aus zwei gespiegelten Dreizylinder-Motoren. Hieraus ergeben sich zwei Schwingungen, die sich gegenseitig auslöschen, nämlich um Zylinder 2 und 5 herum. Somit entsteht keine Vibration der Motorenden.
Da die Kurbelwelle identisch zum Dreizylinder ist, bloß doppelt so lang und mit doppelt so vielen Kolben, verändert sich auch der Schwerpunkt des Motors nicht, und es entstehen keine freien Kräfte, weder senkrechte noch seitliche. Dies ist der Grund, weswegen Reihensechszylinder einen solch ruhigen Lauf haben.


Die Kurbelwelle eines Sechszylinder-Reihenmotors.

Frontalansicht der Kurbelwelle.


Der Sechszylinder V-Motor

Der V6 nimmt unter den V-Motoren eine Sonderstellung ein. Normalerweise ist es der Fall, daß jeweils zwei Kolben, einer für die linke, der andere für die rechte Zylinderbank, auf einem Hubzapfen sitzen. Der V6 muß die Hubzapfen teilen und versetzen, damit zwischen den Zylinderbänken keine Vibrationen erzeugt werden.
Es sind V6-Motoren mit zwei verschiedenen Bankwinkeln gebräuchlich, 60° und 90°. Beim 90°-V6 beträgt der Versatz 30°, bei 60° Bankwinkel 60° (siehe Abbildung).
Wie auch schon die Dreizylinder Motoren, vibrieren die V6 an den Enden. Daher wird auch hier wieder eine Ausgleichswelle benötigt. V6-Motoren sind hinsichtlich der Laufruhe den Reihenmotoren also deutlich unterlegen, trotz der identischen Zylinderzahl.
Warum also V-Motoren verwenden? Trotz der doppelten Anzahl von Nockenwellen, der somit höheren Reibung, dem damit einhergehenden niedrigeren Wirkungsgrad, dem 'unrunden' Lauf und den höheren Produktionskosten, hat ein V6 doch einen deutlich geringeren Platzverbrauch. Dies ermöglicht anderweitige Kostensenkungen und zusätzlich noch den einfachen Einsatz eines Frontantriebs (der weitere Kosten spart).


Die Kurbelwelle eines 90° V6-Motors mit 30° Hubzapfenversatz.

Frontalansicht der Kurbelwelle.


Der Achtzylinder V-Motor

Auch hier gibt es zwei verschiedene Bauformen, die sich diesmal aber nur anhand der Kurbelwelle unterscheiden, der Bankwinkel beträgt immer 90°. Die beiden Bauformen nennen sich Cross-Plane (für die Kurbelwellenzapfen im 90°-Winkel) und Flat-Plane (für die 180°-Kurbelwelle). V8 Motoren haben den Vorteil gegenüber der V6-Bauform, daß sie keine Vibrationen zwischen den Zylinderbänken erzeugen, und somit auch keine geteilten Hubzapfen benötigen.
Bei einem Cross-Plane-V8 gibt es jedoch das Problem, daß sich der erste und letzte Kolben jeder Zylinderbank nicht in derselben Position befinden, und somit wieder Vibrationen erzeugt werden. Diese müssen durch Gegengewichte reduziert werden. Dies ist jedoch nur bei einem V-Motor mit 90° Bankwinkel und nicht-versetzten Hubzapfen möglich - also nur beim V8. Der Grund hierfür ist der, daß die Gegengewichte gegenüber des Hubzapfens angebracht werden müssen, und sich somit im Reihenmotor zur Seite bewegen, während der Kolben sich auf- oder ab bewegt. Bei einem 90° V-Motor gleicht dieses Gegengewicht aber genau die Kräfte aus, die durch den zweiten Kolben auf dem Hubzapfen (aus der um 90° gedrehten, anderen Zylinderbank) hervorgerufen werden. Cross-Plane V8 Motoren laufen daher ziemlich ausgeglichen, sind aber aufgrund der größeren Masse der Kurbelwelle träger.

Flat-Plane V8-Motoren haben diese Probleme nicht. Durch die fehlenden Gegengewichte wird das Ansprechverhalten aufgrund niedrigerer Trägheit verbessert. Zusätzlich wird die Maximaldrehzahl und die Leistung in diesem Bereich erhöht. Weiterhin kann das Kurbelgehäuse kleiner gehalten und damit der Schwerpunkt nach unten verlagert werden.
Warum also werden Flat-Plane V8-Motoren nur in Sportwagen eingesetzt, wenn sie so viele Vorteile bieten? Der große Nachteil an der Flat-Plane-Bauform ist die Kurbelwelle. Wie man sehen kann, ist die Anordnung der Kröpfungen identisch mit einem Vierzylinder. Dies bedeutet, daß der Motor ebenfalls in Schwingung gerät - bloß stärker, da quasi zwei Vierzylindermotoren gleichzeitig laufen. In Sportwagen werden diese Vibrationen durch Verwendung extrem leichter Kolben und Pleuelstangen stark reduziert. Dies ist natürlich teuer, und da der Fahrkomfort ebenfalls sekundär ist, stört der trotz allem unruhigere Lauf (gegenüber eines Cross-Plane V8) auch nicht besonders. Aufgrund der Kurbelwelle ist auch der Sound eines solchen Motors der von zwei gleichzeitig laufenden Vierzylinder-Motoren. Ein (typisch amerikanisches) Cross-Plane-Brabbeln ist einem Flat-Plane V8 nicht zu entlocken.


Die Kurbelwelle eines Cross-Plane V8-Motors.

Frontalansicht der Kurbelwelle.


Die Kurbelwelle eines Flat-Plane V8-Motors.

Frontalansicht der Kurbelwelle.


Der Zwölfzylinder V-Motor

Der Zwölfzylinder gilt als die Krone des Motorenbaus, er ist laufruhig und frei von Vibrationen. Aber das ist der Reihensechzylinder doch auch. Was also unterscheidet die beiden Konzepte hinsichtlich der Laufruhe, da doch die Kurbelwellen identisch aussehen?
Hierzu möchte ich wieder auf den Einzylindermotor zurückgreifen. Dort wurde beschrieben, daß die Leistungsabgabe eines Motors nicht gleichmäßig erfolgt, sondern ruckartig im Takt der Zündungen. Und das ist auch das Geheimnis des V12: Die Laufruhe wird durch einen geringeren Zündabstand der einzelnen Zylinder nochmals erhöht.


Die Kurbelwelle eines V12-Motors.

Frontalansicht der Kurbelwelle.


Boxer-Motoren

Bei Boxer-Motoren sind die Kolben nicht aufrecht oder in V-Form angeordnet, sondern liegen sich horizontal gegenüber. Dadurch erreicht diese Bauform nicht nur einen außerordentlich niedrigen Schwerpunkt, sondern läuft zudem immer ausgeglichen und schwingungsfrei - und das unabhängig von der Zylinderzahl.

In der folgenden Darstellung kann man erkennen, daß beim Boxer-Motor jeweils immer ein Kolbenpaar nicht nur dieselbe Position innehaben, sondern sich auch mit derselben Geschwindigkeit bewegen - bloß gegenläufig, so daß alle Vibrationen ausgelöscht werden.


Ein Boxer-Motor läuft immer ausgeglichen.