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Leichte Ausgleichswellen für laufruhige Motoren
Schwingungen unerwünscht!
Düsseldorf, 30. Juni 2009 - Für die geschmiedete, wälzgelagerte Leichtbau-Ausgleichswelle für Vierzylinder-Pkw-Motoren sind die Unternehmen Schaeffler aus Herzogenaurach und Hirschvogel Umformtechnik aus Denklingen mit dem Stahl-Innovationspreis 2009 in der Kategorie „Produkte aus Stahl" ausgezeichnet worden. Die Neuentwicklung stellt einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu besonders laufruhigen und sparsamen Motoren dar.
Die Anforderungen an den Fahrkomfort moderner Personenkraftwagen sind in den letzten Jahren mehr und mehr gestiegen. Als besonders wichtig wird auch die Laufruhe des Antriebsaggregats gesehen. Sowohl bei Benzin- als auch bei Dieselmotoren ist der Vierzylinder-Viertaktmotor mit in Reihe angeordneten Zylindern weit verbreitet. Dieser hat jedoch im Vergleich zu anderen Bauweisen (z.B. Sechszylinder-Motoren) einen unruhigeren Lauf, da nicht ausgeglichene Schwingungsanregungen zu Vibrationen führen. Abhilfe bringen hier Ausgleichswellen. Diese weisen exakt ausgelegte Unwuchten auf, die einen großen Teil der Schwingungen tilgen, indem sie den Kräften des Kurbeltriebs entgegenwirken. Üblich waren bisher gegossene Ausgleichswellen mit hydraulischen Gleitlagern.
Die von Schaeffler zusammen mit Hirschvogel Umformtechnik entwickelte Leichtbau-Ausgleichswelle demonstriert einen neuen Lösungsweg. Die Welle wird nicht mehr gegossen, sondern aus geschmiedetem Stahl hergestellt. Das ermöglicht eine filigranere Geometrie, was sich auf das Gewicht auswirkt: Die Masse der Ausgleichswelle konnte so um ein Drittel reduziert werden. Daraus ergibt sich eine Gewichtseinsparung von bis zu einem Kilogramm je Motor. Aus der damit verbundenen Minimierung der Drehträgheit der Welle resultieren reduzierte Antriebskräfte und geringere Geräuschentwicklung.
Das Prinzip der Lagerung wurde von Gleitlagern auf Wälzlager umgestellt. Dies macht die bei der Gleitlagerung erforderliche Druckölversorgung überflüssig. Hieraus folgt nicht nur eine reduzierte Ölpumpenkapazität, sondern auch der Entfall von Ölversorgungsbohrungen bei Konstruktion und Fertigung der Gehäusebauteile. Wälzlager haben einen erheblich besseren Wirkungsgrad als Gleitlager. Die benötigte Antriebsleistung für die Ausgleichswelle halbiert sich dadurch. Absolut gesehen bedeutet dies, dass im oberen Drehzahlbereich gut 1,5 kW Leistung mehr für den Vortrieb zur Verfügung stehen. Da aufgrund der geringeren Reibung auch weniger Wärme entwickelt wird, vermindert sich der Ölkühlungsbedarf zudem deutlich.
Die geschmiedete Ausgleichswelle besteht aus induktiv härtbarem Stahl - dies ermöglicht eine Funktionsintegration von Wälzlager-Innenlaufbahn und Unwucht. Die Innenringe der Hauptlager entfallen, da die Wälzkörper direkt auf der gehärteten Welle laufen. Die schmaleren Unwuchtbereiche der Laufbahnen decken die Wälzkörper nur noch teilweise ab und verbessern damit deren Ölversorgung. Ausgedehnte Prüfstandversuche und Vorserieneinsätze haben gezeigt, dass die neue Lagerungsart den hohen Belastungen gewachsen ist. Immerhin drehen die Ausgleichswellen doppelt so schnell wie die Kurbelwelle, und die auftretenden Unwuchtkräfte wachsen mit der Drehzahl quadratisch.
Alles in allem bewirkt die innovative Ausgleichswelle eine Kraftstoffersparnis von etwa einem Prozent. Die wälzgelagerten Leichtbau-Ausgleichswellen werden in der neuesten Generation von Pkw-Dieselmotoren eines Automobilherstellers eingesetzt. Sie haben damit Einzug in die Großserie gehalten.
Kontakt:
Horst Woeckner
Stahl-Informations-Zentrum
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40237 Düsseldorf
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E-Mail: horst.woeckner@stahl-info.de
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