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Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Pleuel

Auto Lexikon

Ein Pleuel (auch: Pleuelstange, Schubstange, Treibstange) ist die Verbindung zwischen der Kurbelwelle oder dem Kurbelzapfen und dem geradgefuehrten Teil, sei es Kreuzkopf oder Kolben, bei einem Kurbeltrieb. (Einzahl: Pleuel, Mehrzahl: Pleuel; das Pleuel (n), die Pleuelstange (w).)

Das Pleuel setzt die lineare Bewegung des Kraft- oder Arbeits-Kolbens in die kreisfoermige Bewegung der Kurbelwelle um (linear oszillierend --> rotierend).

Verbrennungsmotor

Das Pleuel einer Verbrennungskraftmaschine nach Nikolaus Otto (Viertakt-Verfahren) uebertraegt die veraenderlichen Gaskraefte des Verbrennungsraumes auf die Kurbelwelle in dem Takt Nr. 3 der Arbeitsbewegung, und uebertraegt die Kraefte der Kurbelwelle in den drei anderen Viertakt-Phasen: 1 Frischgas ansaugen, 2 verdichten, 4 ausschieben der verbrannten Gase.

Zu jedem Zylinder und Kolben gehört ein Pleuel als Koppelglied der Oszillationsbewegung in die Rotation. (Eine Ausnahme war lediglich der Kolben eines Honda-Versuchsrennmotors mit ovalem Kolbenquerschnitt in den 1980er Jahren, der zwei Pleuel nebeneinander betaetigte.)

Formen und Herstellung

An beiden Enden (Pleuelkopf, Pleuelauge) des meist I-foermig ausgeformten Pleuelschaftes befinden sich Pleuellager. Am kleineren Pleuelauge wird der Kolbenbolzen durchgesteckt. Am groesseren Pleuelauge (oder Pleuelfuss) ist in aller Regel das Pleuel geteilt, mit zwei Verschraubungen. Der untere, demontierbare Teil wird auch Pleuelfuss oder Pleuellagerdeckel genannt. Seit etwa 1995 werden in Europa gecrackte Pleuel aus Stahl (C70) produziert, Pleuel, deren Deckel aus der einteiligen Herstellung gezielt abgebrochen wird. Aktuell werden gecrackte Stahlpleuel weltweit eingeführt. Crackpleuel werden erst einteilig hergestellt, dann mit Bruchkerben (Sinterpleuel) oder mit einer Laserkerbe (Stahlpleuel) versehen und hernach gezielt in zwei Teile durchgebrochen (Cracken). Die Bruchflaechen sind hinsichtlich Festigkeit, Kosten und Fertigungsgenauigkeit vorteilhaft. Beide Teile passen zur Pleuelmontage per Verschrauben exakt zusammen. Die Trennflaechen sind nach der Montage fast nicht mehr sichtbar. Pleuel und Pleueldeckel müssen aufgrund der individuellen Bruchgeometrie immer beisammenbleiben, die Bauteile sind nicht austauschbar. Andere Verfahren zur Trennung der Pleuel (Saegen mit nachfolgendem Fraesen, ggf. Schleifen der Trennflaechen) und Montage (Passschrauben oder Passstifte) kommen nur noch bei Kleinserien oder sehr grossen Pleuel (LkW, Schiffsdiesel etc.) zum Einsatz. Gebraeuchliche Werkstoffe für Pleuel sind heute: C70 oder mikrolegierte Staehle, Sinterwerkstoffe und im Sportmotorenbereich Verguetungsstaehle oder sogenannte Titanpleuel. Weiterhin gibt es Gusspleuel, die sich ebenfalls cracken lassen. Grossserienpleuel werden geschmiedet oder gesintert. Schmiedepleuel weisen gegenüber Sinterpleueln ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bei niedrigeren Kosten auf, jedoch ist die Gesenk-Herstellung sehr teuer und lohnt nur bei grossen Serien. Bei Grossmotoren werden die Pleuel geschmiedet oder gegossen. Bei Kleinserien werden die Pleuel spanend hergestellt. Pleuel werden in ihrer Geometrie auf Dauerfestigkeit ausgelegt.

In das grosse Pleuelauge am Pleuelfuss werden bei Verbrennungsmotoren zwei Stahl-Bleibronze- oder Stahl-Aluminium Halbschalen eingelegt. Bei den Lagern handelt es sich heute um hochkomplexe Bauteile. Obere und untere Lagerschale sind nicht mehr symmetrisch, und die Werkstoffentwicklung hat enorme Fortschritte erreicht. Dadurch sind sehr duennwandige Lager und definierte Schmierfilme im µm-Bereich möglich. Fixiernasen an den Halbschalen dienen zur Positionierung und zur Fixierung der Lager wärend der Montage. Entgegen der immer noch weitverbreiteten Meinung dienen die Fixiernasen nicht als Sicherung gegen Herausrutschen und Verdrehen. Der Festsitz der Lagerschalen erfolgt durch die Flaechenpressung, welche die Lager erhalten, wenn die Lagerdeckel verschraubt werden. Im oberen Pleuelauge steckt oft eine einteilige Bronze-Buchse. Diese Buchsen bestehen aus einem Stahlmantel, auf den eine Sinterbronze aufgebracht wird. Buchsen im oberen Pleuelauge sind nur bei hochbelasteten Pleueln, z.B. in Dieselmotoren erforderlich. Aktuell schreitet der Einsatz bleifreier Lager schnell voran.

Lagerungen aus NE-Metallen müssen im Betrieb durch Öl geschmiert und gekuehlt werden: ein Pleuellager-Schaden ist fast immer ein Folgeschaden von oelmangel. Zur oelversorgung wurden früher Pleuel über die gebohrte Kurbelwelle zuerst am grossen Pleuelfuss-Lager oelversorgt, von dort aus wurde über eine innere Bohrung in der Pleuelstange dem Kolbenbolzenlager Schmieroel zugefuehrt. Neuere Simulationstechniken haben hier zu Neukonstruktionen der Motoren gefuehrt. Viele oelbohrungen wurden "eingespart".

Die Passungen in Pleuellagern sind so dimensioniert, dass im vorausberechneten Warmzustand geringe Schmierspalte bestehen, aus denen das Öl austreten kann. Die angestrebte Schmierungstechnik im Pleuelfuss ist die Hydrodynamik, d.h. aus der Umlaufbewegung des Pleuels baut sich durch die Reibung der Bewegung eine Mitnahme eines oelpolsters auf, die bei richtiger Dimensionierung eine reine Fluessigkeits- Reibung ermöglicht und einen verschleissenden Kontakt Metall auf Metall zuverlaessig verhindert. Bei der Kolbenbolzen-Lagerung hingegen ist keine umlaufende Bewegung möglich; in dieser Lagerung ist mit Mischreibung zwischen Kolbenbolzen und Pleuelaugenlager zu rechnen und dementsprechend grosszuegiger die Lagerflaechen, die Drücke und oeldurchflussmengen vorzusehen.

Pleuel mit Bronzebuchsen aus einem 6,9 ccm-Einzylinder-Modellflugmotor. Dessen Kurbelwelle hat eine einseitige Kroepfung, daher ist eine Fuss-Teilung des Pleuels verzichtbar. [Quelle]

Wenn der Pleuelfuss nicht geteilt ausgefuehrt ist (einteiliges Pleuel), muss zur Ermoeglichung der Montage die Kurbelwelle gebaut sein, also aus mehreren montierbaren Bauteilen bestehen, d. h. sie darf nicht einteilig ausgefuehrt sein: der Kurbelwellenzapfen muss verschraubt sein bzw. in anderer Weise demontiert und wieder montiert werden können (Pressen, Waermeschrumpf) (Hirth-Verzahnung), oder eine einseitige Kroepfung aufweisen, mit nur einer Kurbelwange statt beiderseits des Pleuels.

Das verbindende Profil der beiden Pleuelaugen ist normalerweise ein H- oder Doppel-T-Profil. Im Rennmotorenbau der fuenfziger und sechziger Jahre gab es auch sogenannte Messer-Pleuel mit schlankem Rauten-Querschnitt, die in der Mitte (Verbindungslinie der beiden Augen) dick und zu den Seiten hin scharfkantig waren: diesen Pleueln wurden Vorteile bei den Gastransport-Bewegungen von Zweitaktermotoren zugeschrieben. Bei Zweitaktern wird zumeist der Kolbenunterseite und dem Kurbelraum die Pumpbewegung für die Gaszufuhr aufgegeben (Ladungswechsel), daher stehen die Kurbelwelle, die Pleuel und die Kolbenunterseiten im Frischgas-Strom, wobei zumeist die Frischgase zugleich auch beigegebene Schmiermittel-Mengen transportieren.

Bei V-Motoren wirken entweder zwei gleiche Pleuel auf eine Kroepfung der Kurbelwelle in Kurbelwellenrichtung nacheinander (die Folge: ein leichter Versatz der Zylinder), oder eines der beiden Pleuel ist als Gabel ausgebildet und umfasst das zweite, sodass das zweite Pleuel zwischen die Gabeloeffnung auf die Kurbelwelle angreift. Dann gibt es keinen Laengs-Versatz der Zylinder hintereinander, und somit auch keine zusaetzlichen Kippmomente. Diese aufwendigere Bauart ist z. B. bei Motorraedern von Harley-Davidson zu finden; der vordere V-Zylinder ist gegen den hinteren Zylinder zwar gewinkelt, aber nicht seitlich versetzt.

Es gibt auch eine andere Art von Gabel-Pleueln: ein Pleuelfuss auf einer Kurbelwellen-Kroepfung, jedoch gabelt sich das Pleuel Y-foermig nach oben, um daran zwei Kolben zu führen: Ein Kolben normal ausgefuehrt, Kolben und Pleuel-Auge jeweils mit runder Bohrung, das andere Auge ebenfalls rund, jedoch der Kolben mit einer Schlitz-Bewegungsfreiheit für den zweiten Kolbenbolzen. Diese Konstruktion wird für einen sogenannten Doppelkolben-Motor beim Zweitakt-Prinzip benötigt. Der Vorteil des Doppelkolbens liegt in der durch versetzte Hubbewegungen der beiden Kolben möglich werdenden Asymmetrie der Schlitz-Steuerungen des Gaswechsels. Dem stehen erheblichen Nachteile gegenüber: Kuehlprobleme, der Bauaufwand, und ein unguenstig geformter doppelt-gemeinsamer Brennraum mit langen Flammwegen und relativ hohem Verbrauch. Dieses Bauprinzip findet sich an den Triumph-Motorraedern der deutschen Firma in Nuernberg zwischen Ende der vierziger und Mitte der fuenfziger Jahre und bei Puch-Motorraedern Anfang der vierziger Jahre.

Weitere Alternative ist die Verwendung eines Hauptpleuels mit seitlich drittem Auge neben der Kurbelzapfenbohrung, an das ein kuerzeres Nebenpleuel angreift. Nachteil dieser Technik: dies ist schwingungsmechanisch ein Koppelgetriebe mit hochkomplexer geometrischer Bewegungsbeschreibung der Nebenpleuel.

Bei Sternmotoren greifen seitlich am Hauptpleuel, abhaengig von der Zylinderzahl, bis zu acht Nebenpleuel an (beim Neunzylinder-Motor).

 

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