Aus welchen Materialien werden Kurbelwellen üblicherweise hergestellt?

Aus welchen Materialien werden Kurbelwellen hergestellt?

Die Auswahl der Materialien für Kurbelwellen hängt weitgehend von den Betriebsbedingungen ab und stellt größtenteils eine abstrakte Analyse dar, da sie mechanischen Spannungen, hohen Temperaturen, Reibung und/oder zahlreichen anderen Extrembedingungen ausgesetzt sein können; eine Bewertung hinsichtlich Betriebsleistung, Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit ist daher gerechtfertigt. Es gibt nahezu unendlich viele messbare Parameter, die ausgeglichen werden müssen; und genauso wie Gegenkurbelwellen-Materialien für eine optimale Leistung auf Grundlage des Kurbelwellendesigns und der geltenden Kurbelwellennormen ausgewählt werden, erfolgt auch die Auswahl der Materialien für Gegenkurbelwellen.

Bausteine aus Kohlenstoffstahl.

Für die Herstellung der primären Kurbelwelle für Einsteiger-Motoren und Motoren mittlerer Leistungsklasse war Kohlenstoffstahl über viele Jahre hinweg das bevorzugte Material für die Kurbelwellenfertigung. Kohlenstoffstahl zeichnet sich durch seine gute Bearbeitbarkeit sowie durch seine mechanischen Eigenschaften bei Wärmebehandlung aus und überzeugt zudem durch seine Kosteneffizienz. Bei der Abwägung zwischen Festigkeit und Duktilität wird bevorzugt mittelkohlenstoffhaltiger Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,30 % bis 0,50 % eingesetzt. Durch Abschrecken und Anlassen lässt sich dessen Härte und Zähigkeit verbessern, wodurch er den zyklischen Belastungen während des Motorbetriebs standhält. Der Großteil der auf dem Markt erhältlichen Kohlenstoffstahl-Kurbelwellen wird für Personenkraftwagen und leichte Nutzfahrzeuge hergestellt. Dadurch ist eine wirtschaftliche Fertigung möglich, während gleichzeitig die wichtigsten Leistungsmerkmale optimiert werden. Viele Industrien fertigen Kohlenstoffstahl-Kurbelwellen in Massenproduktion, sodass es eine lange Tradition im Automobilsektor gibt, bei der Kohlenstoffstahl in konformen Konstruktionsprozessen eingesetzt wird, die für sichere Standardbetriebsbedingungen erforderlich sind.

Legierter Stahl für verbesserte Leistung

Legierter Stahl ist in jüngerer Zeit zu einem bevorzugten Material für Kurbelwellen geworden, die für schwere und leistungsstarke Anwendungen erforderlich sind. Hersteller verwenden eine Vielzahl von Legierungselementen, um die Stahlmatrix zu verbessern; durch Zugabe von Chrom, Nickel, Molybdän oder Vanadium lassen sich insbesondere Zugfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Schlagzähigkeit steigern. Die Legierungselemente verbessern zudem die Kornstruktur, die allgemeine Härtebarkeit und verringern die Wahrscheinlichkeit von Verschleiß oder Verformung unter extremen Bedingungen. Kurbelwellen aus legiertem Stahl finden sich in Hochleistungssportwagen und schweren Nutzfahrzeugen sowie in industriellen Dieselmotoren. Kurbelwellen aus legiertem Stahl zeichnen sich besonders durch ihre Fähigkeit aus, höhere Drehmomente zu bewältigen und längere Einsatzzeiten zu überstehen, wodurch sie ein breiteres Spektrum industrieller Betriebsbedingungen bewältigen können. Im Vergleich zu Kohlenstoffstahl zeigen branchenübliche Studien, dass legierter Stahl bis zu 30 % mehr Kurbelwellen-Ermüdungszyklen aushält und anspruchsvolle Betriebsumgebungen effizienter macht. Für ihre Premium- und Nutzfahrzeuge stellen führende Automobilhersteller Zuverlässigkeit des Motors stets an erste Stelle und erkennen legierten Stahl als integralen Bestandteil an.

Stahlguss, auch als Kugelgraphitguss bekannt, ist ein flexibler und kostengünstiger Ersatz für Stahl bei der Herstellung von Kurbelwellen. Im Gegensatz zu Grauguss enthält Stahlguss kugelförmige Graphitpartikel, die dessen Dehnbarkeit, Schlagzähigkeit, Gießbarkeit und Verschleißfestigkeit verbessern. Neben diesen Eigenschaften besitzt Stahlguss zudem die Fähigkeit, Vibrationen und Geräusche zu dämpfen sowie die allgemeine Laufruhe des Motors zu erhöhen. Die ausgewogene Kombination aus Festigkeit, Haltbarkeit und Kostenwirksamkeit macht Stahlguss zu einem weit verbreiteten Werkstoff in maritimen Anwendungen, landwirtschaftlichen Maschinen und Motoren mittlerer Leistungsklasse. Dank modernster Gießtechnologie haben sich Konsistenz und Qualität von Stahlgusskomponenten erheblich verbessert. Heutige Gießverfahren erreichen eine Maßgenauigkeit, die mit der von Stahlschmiedeteilen vergleichbar ist. Viele Motorhersteller entscheiden sich daher heute für Kurbelwellen aus Stahlguss statt für teurere Komponenten, da die meisten derzeit hergestellten Motoren lediglich für moderate Leistungsanforderungen ausgelegt sind.

Spitzenmaterialien für spezialisierte Anwendungen

Extrem hohe Leistungsanforderungen erfordern den Einsatz fortschrittlicher Materialien in spezialisierten Anwendungen für Motoren. Obwohl Titanlegierungen teuer sind, weisen sie ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf und eignen sich daher ideal für Hochgeschwindigkeits-Rennmotoren sowie für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Um Gewichtsvorgaben zu erfüllen, verringern Titan-Kurbelwellen die Gesamtmasse und verbessern damit die Motorreaktionsfähigkeit sowie den Kraftstoffverbrauch. Zudem kommen in einigen spezialisierten Anwendungen neuartige Verbundwerkstoffe zum Einsatz, beispielsweise titanverstärkte Kohlenstofffaserverbundpolymere, die eine hervorragende Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Fortschrittliche Materialien in der Kurbelwellentechnologie werden langfristig zunehmend Standard werden; ihre Herstellungskomplexität und die hohen Materialkosten halten sie jedoch nach wie vor auf dem Gebiet hochwertiger, spezialisierter Ausrüstung zurück. Führende Hersteller und Forschungseinrichtungen konzentrieren sich darauf, diese Materialien für verschiedene Motortypen kosteneffizient einzusetzen.

Wesentliche Faktoren, die die Werkstoffauswahl beeinflussen

Die Auswahl der Werkstoffe für Kurbelwellen wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst, beispielsweise vom Motortyp und der Leistungsabgabe. Bei Großleistungsmotoren ist die Steigerung der Zugfestigkeit und der Ermüdungsfestigkeit entscheidend. Bei kleineren Motoren können Kosten und Bearbeitbarkeit Vorrang haben. Abgesehen von den widersprüchlichen Anforderungen hinsichtlich Kosten und Bearbeitbarkeit müssen auch andere Faktoren wie Betriebsbedingungen, Temperaturbereich und Lastzyklen berücksichtigt werden. So benötigen beispielsweise Motoren, die unter extremen Wetterbedingungen eingesetzt werden, eine höhere Korrosions- und Hitzebeständigkeit. Auch die Herstellungsverfahren – wie Schmieden, Gießen oder Wärmebehandlung – bestimmen die verwendeten Werkstoffe, da bestimmte Werkstoffe mit manchen Fertigungsprozessen besser kompatibel sind als mit anderen. Kosten stellen eine praktische Einschränkung dar, da die Hersteller ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Kosten anstreben. Schließlich müssen die verwendeten Werkstoffe zudem den branchenüblichen Standards und gesetzlichen Vorschriften entsprechen. Dies gewährleistet Herstellern und Endnutzern, dass die verwendeten Werkstoffe sicher und langlebig sind.

Fazit zu Kurbelwellenwerkstoffen

Die Auswahl der Kurbelwellenwerkstoffe ist ein Prozess, der ein Verständnis der Anforderungen und Ziele sowie der damit verbundenen Einschränkungen und Kompromisse erfordert. Jeder Werkstoff – sei es Kohlenstoffstahl, legierter Stahl, sphärogussiges Eisen oder andere – bietet, so fortschrittlich er auch sein mag, Vorteile für eine bestimmte Anwendung und spezifische Betriebsbedingungen des Motors. Die Weiterentwicklung der Motoren geht Hand in Hand mit Fortschritten in der Werkstoffwissenschaft und ebnet schrittweise den Weg für höhere Leistung und erhöhte Dauerfestigkeit von Komponenten. Hersteller kombinieren ihr Verständnis der Werkstoffeigenschaften mit empirischen Tests und praktischer Erfahrung, um diejenige Bewertung vorzunehmen, die Leistung und Zuverlässigkeit des Motors optimal ausbalanciert. Motorhersteller, die ein wettbewerbsfähiges und qualitativ hochwertiges Produkt anbieten möchten, sollten eng mit Spezialisten für Werkstoffe und Komponenten zusammenarbeiten, um maßgeschneiderte, hochentwickelte Lösungen zu sichern, die die spezifischen Anwendungsanforderungen und -einschränkungen erfüllen.