Kurbelwelle: Funktion, Aufbau, Fertigung und häufige Defekte

Eine Kurbelwelle ist eine rotierende Welle, die die hin- und hergehende Kolbenbewegung in eine Drehbewegung umwandelt. Sie ist ein zentrales Bauteil in Verbrennungsmotoren. Kurbelwellen bestehen aus einer Reihe von Kurbeln und Kurbelzapfen, an denen die Pleuelstangen angelenkt sind.

Eine Kurbelwelle mit mindestens einer Welle rotiert im Motorblock, gelagert in den Hauptlagern. Die Kurbelzapfen drehen sich in den Pleuellagern.

Wie Kurbelwellen hergestellt werden

Kurbelwellen werden meist aus Metall wie Grauguss gefertigt. Flüssiges Metall wird in eine Form gegossen (Gussverfahren).

Moderne Hochleistungskurbelwellen bestehen aus Schmiedestahl. Ein Stahlblock wird rotglühend erhitzt und unter extrem hohem Druck in Form gebracht.

Kurbelwellen werden geschmiedet, um Verschleiß und den Belastungen der Drehbewegung standzuhalten. Verwendet werden legierte Vergütungsstähle oder nitrierbare Stähle. Die Kurbelwellenlagerzapfen sind zusätzlich oberflächengehärtet.

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Funktionen

Die Kurbelwelle sorgt für einen gleichmäßigen Antrieb bei Mehrzylindermotoren. Die lineare Kolbenbewegung wird in Drehbewegung umgewandelt.

Bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs entsteht Leistung. Diese wird in die Drehbewegung der Kurbelwelle überführt. Die lineare Kolbenbewegung wird über die Pleuelstange in Drehmoment umgewandelt und an das Schwungrad weitergeleitet.

Der Wellenkörper der Kurbelwelle weist Bohrungen auf, die den Motor mit Öl versorgen. Dieses Öl schmiert die Bewegung. Gegengewichte gleichen das System aus und kompensieren die Masse der Pleuelstangen.

Die Kurbelwelle fungiert auch als tragendes Element, da sie erheblichen Lasten ausgesetzt ist – insbesondere schweren Biege- und Torsionsspannungen.

Da die Drehbewegung der Kurbelwelle ständig beschleunigt und verzögert wird, kommen zusätzliche Lasten durch Torsionsschwingungen hinzu. Auch die Lager erfahren hohen Verschleiß.

Kurbelwellen-Komponenten & Design

Die Bauteile einer Kurbelwelle umfassen:

• Hauptlagerzapfen (Main Journals)
• Kurbelzapfen (Crank Pins)
• Kurbelwangen (Crank Webs)
• Gegengewichte (Counterweights)

Hauptlagerzapfen tragen die Hauptlager und definieren die Drehachse der Welle.

Kurbelzapfen ermöglichen die Anlenkung der Pleuelstangen.

Kurbelwangen verbinden die Kurbelzapfen mit den Hauptlagerzapfen.

Gegengewichte sorgen für Massenausgleich und sind an den Wangen befestigt.

Das Design einer Kurbelwelle richtet sich nach dem Zündverhalten des Motors, der Zylinderzahl, der Motorarchitektur, der Anzahl der Hauptlager und dem Hub.

Kurbelwellenschmierung

Schmierung ist entscheidend für den Motorwirkungsgrad, da sich zwei Metallflächen gegeneinander bewegen. Um übermäßigen Verschleiß zu vermeiden, gleiten sowohl Haupt- als auch Pleuellagerzapfen auf einem Ölfilm, der auf der Lagerschale aufliegt.

Das Öl wird aus dem Motorblock über Ölgallerien zum Hauptlager geleitet. Es führt zu jedem Kurbelwellensattel, und die passende Bohrung in der Lagerschale leitet das Öl zum Zapfen.

Funktionsweise der Kurbelwelle

Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Hauptlagerzapfens und dem Mittelpunkt des Kurbelzapfens wird als Kurbelradius oder Kurbelhub bezeichnet. Dieses Maß bestimmt den Kolbenhub bei einer Drehung der Kurbelwelle.

Der Weg vom oberen zum unteren Totpunkt heißt Hub. Der Kolbenhub beträgt das Doppelte des Kurbelradius.

Das hintere Ende der Kurbelwelle ragt aus dem Kurbelgehäuse und wird über einen Schwungradflansch abgestützt. Dieser präzisionsgefertigte Flansch wird an das Schwungrad geschraubt. Seine große Masse sorgt für gleichmäßige Kraftimpulse der zu unterschiedlichen Zeiten zündenden Kolben.

Die Schwungraddrehung wird über Schwungrad, Getriebe und Endantrieb an die Räder weitergeleitet. Bei Automatikgetrieben ist die Kurbelwelle mit dem Zahnkranz verschraubt, überträgt das Drehmoment auf den Wandler und weiter an das Automatikgetriebe.

Video zur Verdeutlichung: Wie eine Kurbelwelle funktioniert

Häufige Kurbelwellendefekte

Kurbelwellenschäden sind selten, solange der Motor nicht extremen Bedingungen ausgesetzt ist. Das Bauteil ist robust und zuverlässig, doch typische Probleme sind:

Verschlissene Lagerzapfen

Ursache: zu geringer Öldruck. Die Lagerzapfen berühren die Lagerschalen. Das Spiel vergrößert sich schleichend, der Öldruck sinkt weiter.

Unbehandelt führt dies zu zerstörten Lagern und schweren Motorschäden.

Ermüdung (Fatigue)

Dauerhafte Kräfte führen zu Rissen, typischerweise im Radiusübergang zwischen Lagerzapfen und Kurbelwange.

Ein glatter Radiusübergang ist entscheidend, um Kerbwirkung und Ermüdungsrisse zu vermeiden. Risse können per Magniflux-Prüfung (Magnafluxing) detektiert werden.

Weiterführend: Was ist ein Fahrgestell und welche Bedeutung hat es?

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