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Steuerzeiten - Was sind °KW und wie hängen sie mit dem Kolben zusammen?

Downloads zum Artikel wie immer vorweg:

Vorschau:



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	Tabelle der Steuerwinkel und mm vor OT mit Diagramm
	Excel-Tabelle zur Berechnung des Abstandes vom OT aus dem Steuerwinkel (Deachsierung berücksichtigt!)

Der Obere Totpunkt

Keine Sorge, hier geht es nicht um ausgefeilte Exitus-Techniken, Leichen und Morde, sondern um den Motor.
Genauer gesagt um den Punkt, an dem der Kolben seinen höchsten Punkt erreicht hat.
Sowohl diese Kolbenstellung als auch die dazugehörige Kurbelwellenstellung wird als oberer Totpunkt (=OT) bezeichnet.

Während sich die Kurbelwelle (gleichmäßig) dreht, ist der Kolben jedoch nicht überall gleich schnell, da sich der Hebel, den die Kurbelwelle zusammen mit dem Pleul bildet, sich ständig ändert.

Umrechnung

Viele Daten des Motors (Steuerzeiten, ...) werden in Grad angegeben.
Meistens beziehen sie sich dabei auf Grad vor dem OT. Dabei heißt also 144° vor OT nichts anderes, als dass man den Kolben in Stellung OT bringt und dann die Kurbelwelle 144° gegen die Laufrichtung dreht.

Aber welchen Weg legt der Kolben dabei zurück? Das gemeine ist ja, dass man nicht einfach sagen kann, dass sich der Kolben pro ° um x mm bewegt, da sich wie oben erwähnt der Hebel zwischen Pleul und Kurbelwellenwange ständig ändert.
In der folgenden Zeichnung steht der Kreis für den Bewegungsradius des unteren Pleulauges, die dickere Linie steht für das Pleul.

Deachsierung / Schränkung

Leider ist es nicht ganz so einfach wie ursprünglich gedacht.
Denn der Zylinder sitzt nicht etwa direkt über der Kurbelwelle, sondern um 2 mm in Fahrtrichtung versetzt. Daher tritt die sogenannte Deachsierung auf, d.h., dass die Kurbelwelle und die Bewegungslinie des Kolbenbolzens nicht senkrecht aufeinander stehen.
Das hat den Hintergrund, dass im oberen Totpunkt die Kraft auf das Pleul bereits in einem Winkel größer als 0° wirken kann und somit ein besserer Rundlauf und geringerer Verschleiß des Motors zu erwarten ist.
Wichtig: Die Skizze berücksichtigt die Deachsierung nicht, die Excel-Tabelle und die zugrunde liegende Formel allerdings schon!



Mit ein paar Winkelzerlegungen und unter Anwendung des Satzes des Pytagoras lässt sich folgende Formel zur Umrechnung ableiten:



Für r gilt dabei:



x: Abstand vom OT
h: Hub
r: Umlaufradius des Hubzapfens
l: Pleullänge
alpha: Winkel vor OT
d: Deachsierung

Bei einem Simson S51-Motor sieht die Kurve, die die Kolbenposition in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehung (in °) zeigt, folgendermaßen aus:



Aufgetragen für 5 Kurbelwellenumdrehungen erkennt man sehr schön, dass es sich hierbei um eine modifizierte Sinusfunktion handelt:

Kolbengeschwindigkeit

Angenommen, die Kurbelwelle dreht sich mit konstanter (Winkel-)Geschwindigkeit.
Dann lässt sich aus obigem Diagramm die Momentangeschwindigkeit des Kolbens relativ zur Laufbuchse ableiten.
Dort, wo die Kurve am steilsten verläuft, ist die Kolbengeschwindigkeit am höchsten.
Wir sehen also: Die Kolbengeschwindigkeit ist bei 90° v OT am größten und hat ihr Minimum am oberen und unteren Totpunkt.