Vibrationen V6

[Lord of the Rings]

Originally posted by brendan@13 October 2005, 16:58:14
Aha, und was meinen die Journalisten dann immer, wenn sie sich über die BMW-Reihensechser so schwärmerisch auslassen ?

Weil BMW der einzige Großserienhersteller ist, der 6 Zylinder Reihenmotoren baut!
Ausserdem macht BMW das schon seit einiger Zeit und die haben den Motor kontinuierlich verbessert, so dass inzwischen ein ganz passabler Stand erreicht ist.

Aber mit der Laufruhe eines V-Motors kann er nun mal nicht mithalten.

Da bei einem V-Motor sich immer zwei Pleuelstangen einen Hubzapfen der Kurbelwelle teilen, hat jeder Kolben/Pleuelstange sein eigenes Ausgleichsgewicht immer dabei. Wichtig ist hier für hohe Laufruhe nur die exakte Paarung der einzelnen Bauteile, so dass sie gewichtsmäßig zu einander passen.


Lord

[Kai]

@ Lord:

Ich möchte Dir technisch in keinem Fall widersprechen, da ich auf diesem Gebiet nicht so bewandert bin. Ich kann nur meine eigenen Erfahrungen wiedergeben:

Ich kenne diverseste Audi V6-Motoren. Angefangen vom "alten" AAH mit 174PS wie er auch in meinem Cabrio verbaut ist, bis hin zu den aktuellen 2.4er Versionen und sogar den neuen 3.2FSI. Nebenbei hatte und habe ich ebenso durch viele Verwandte und Bekannte bereits die Möglichkeit gehabt, verschiedene Reihensechszylinder aus dem BMW-Motorenbau zu fahren. Ich muss sagen, dass es kein einziger Audi V6-Motor mit der Laufruhe sämtlicher Reihensechszylinder von BMW aufnehmen kann. Sie laufen alle seidenweich und sehr vibrationsarm. Dafür habe ich die Erfahrung gemacht, dass in aller Regel die Audi V-Motoren eine spontanere Gasannahme haben.

So weit meine eigenen, ganz subjektiven Wahrnehmungen ...

[Sunseeker]

Hier mal ein paar Infos zur Laufruhe von Motoren.
Demnach ist der Reihensechser laufruhiger als der V6...


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.


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), läuft der Fünfzylinder ausgeglichen.


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.


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 'unrunderen' 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).


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.


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.



Gruß Basti