Pleuelstange (Connecting Rod): Das kritische Bindeglied der Motorleistung

Eine Pleuelstange (auch Pleuel oder Conrod) ist eines der Hauptbauteile eines Verbrennungsmotors. Zwar auch in Dampfmaschinen verwendet, aber in Fahrzeugen von zentraler Bedeutung.

Die Pleuelstange verbindet Kolben und Kurbelwelle und wandelt die hin- und hergehende Kolbenbewegung in die Drehbewegung der Kurbelwelle um. Sie wirkt als Hebelarm und muss Druck- und Zugkräfte vom Kolben aufnehmen und an beiden Enden drehbar sein.

Heute betrachten wir Definition, Funktionen, Werkstoffe, Bauteile, Funktionsweise und Schema der Pleuelstange.

Pleuelstangen-Definition

Eine Pleuelstange (Conrod) wandelt die lineare Auf-Ab-Bewegung (Hin-und-Bewegung) des Kolbens in die Kreisbewegung der Kurbelwelle um. Sie erfährt Zug, Druck, Biegung und Knicken während des Betriebs.

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Pleuelwerkstoffe

Pleuelstangen werden häufig aus Aluminiumgusslegierungen gefertigt, die den Betriebsbeanspruchungen standhalten.

In Großserie meist aus Stahl. Für Hochleistungsanwendungen werden Billet-Pleuel aus dem Vollen gefräst (nicht gegossen/geschmiedet).

Grauguss kommt bei günstigen, niedrigleistungsfähigen Anwendungen (z. B. Motorroller) zum Einsatz.

Bemessungsgrößen (Nomenklatur)

• A = Querschnittsfläche der Pleuelstange
• L = Länge der Pleuelstange
• C = Druckfließspannung
• Wcr = Knicklast / Krippellast
• Ixx = Flächenträgheitsmoment bezüglich x-Achse
• Iyy = Flächenträgheitsmoment bezüglich y-Achse
• Kxx = Gyrationsradius bezüglich x-Achse
• Kyy = Gyrationsradius bezüglich y-Achse
• D = Kolbendurchmesser, r = Kurbelradius

Bauteile der Pleuelstange

Im Verbrennungsmotor besteht die Pleuelstange aus Pleuelauge (Big End), Pleuelschaft (Rod) und Pleuelauge klein (Small End).

Kolben werden über Kolbenbolzen (Gudgeon Pin / Wrist Pin) im kleinen Pleuelauge gelagert – dieser Bolzen bildet den Drehpunkt zwischen Kolben und Pleuel. Der Bolzen wird durch Sprengring oder Sicherung gehalten.

Das große Pleuelauge liegt auf dem Kurbelzapfen mit Gleitlager (Pleuellager) – reduziert Reibung. Kleinere Motoren nutzen manchmal Wälzlager, um Ölpumpe zu vermeiden.

Im großen Pleuelauge ist meist eine Bohrung durch das Lager hindurchgeführt. Sie leitet Schmieröl auf die Schubseite der Zylinderwand zur Kolben- und Kolbenring-Schmierung.

Beide Enden der Pleuelstange sind drehbar, sodass sich der Winkel zwischen Pleuel und Kolben ändern kann, während die Pleuelstange um die Kurbelwelle oszilliert.

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Funktionen der Pleuelstange

• Primäre Funktion: Kraftschluss zwischen Kolben und Kurbelwelle zur Leistungsübertragung.
• Führt Schmieröl zu Zylinderwänden und Kolbenbolzen (Gudgeon Pin).

Pleuelstangentypen

Typen basieren auf Werkstoff und Fertigung:

Billet-Pleuel (Billet Conrods)

Aus einem Stück Stahl oder Aluminium gefräst. Leichter, stärker, langlebiger als andere Arten. Einsatz in Hochleistungsfahrzeugen.

Design oft optimiert zur Spannungsreduzierung und Nutzung der natürlichen Faserrichtung des Materials.

Guss-Pleuel (Cast Rods)

Bevorzugt von Herstellern für Serienmotoren – bewältigt Serienlasten. Geringere Produktionskosten, aber nicht für Hochleistungsanwendungen >450 PS bis 6.000 min⁻¹ geeignet.

Sichtbare Trennlinie (Trennkante) in der Mitte unterscheidet sie vom geschmiedeten Typ.

Geschmiedete Pleuel (Forged Rods)

Durch Umformen (Schmieden) wird das Gefüge des Werkstoffs in Pleuelform gebracht. Material: Stahllegierungen oder Aluminium je nach Anforderung.

Hersteller nutzen verschiedene Stahllegierungen, Chrom- und Nickellegierungen. Endprodukt nicht spröde. Nickel/Chrom erhöhen Festigkeit.

Pulvermetall-Pleuel (Powdered Metal)

Aus pulverförmigem Metallgemisch gepresst und gesintert (hohe Temperatur). Nahezu endkonturnah – wenig Nachbearbeitung. Günstiger als Stahl, fester als Guss.

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Typische Pleuelstangenschäden

Pleuelstangen erfahren vielfältige Spannungen im Brennraum. Manche Schäden sind reparierbar, andere erfordern kompletten Austausch. Während des Betriebs wird die Stange abwechselnd gestreckt und gestaucht – kann zum Bruch führen. Ein gebrochener Pleuel zerstört den Motor oft vollständig. Hauptursachen:

Ermüdung (Fatigue)

Hauptgrund für Pleuelbruch. Tritt oft bei älteren Motoren auf. Druck und Zug wechseln tausendfach pro Minute – Ermüdung bis zum Bruch. Öl-mangel und Verunreinigungen beschleunigen den Prozess.

Auch Neumotoren nach Instandsetzung betroffen – bei Verwendung billiger/fehlerhafter Teile.

Wasserschlag (Hydrolock)

Wasser gelangt in Brennraum → Verformung der Pleuelstange. Typisch: Fahrt durch überflutete Straße.

Wenig Wasser → Klopfgeräusch, leicht reparierbar. Viel Wasser → kein Platz für Verdichtung → Pleuel verbiegt oder bricht.

Überdrehung (Over Revving)

Schaden an neuen Hochleistungsmotoren. Drehzahlmesser im Rotbereich → Pleuel in Gefahr. Kräfte auf Pleuel steigen bei hohen Drehzahlen dramatisch an.

Kolbenbolzenversagen (Pin Failure)

Der Kolbenbolzen (Verbindung Pleuel–Kolben) verschleißt und versagt. Kann katastrophalen Motorschaden verursachen: Pleuel schlägt durch Motorblock oder Kurbelwelle verbiegt.

In manchen Motoren: Leistungsverlust. Wenn Motor sofort nach Bolzenbruch stoppt, Chance auf Rettung – sonst Totalschaden.

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