Crossplane

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Schematisches 3D-Modell einer Crossplane-Kurbelwelle

Als Crossplane oder Cross-Plane wird eine bestimmte Bauart von Kurbelwellen für Hubkolbenmotoren genannt. Die Crossplane-Kurbelwelle ist die bei V8-Motoren am häufigsten verwendete Bauart. Bei diesen Motoren teilen sich die Pleuel von je zwei gegenüberliegende Zylindern eines Vs einen gemeinsamen Hubzapfen.

Bei Crossplane-Kurbelwellen ist der Winkel zwischen benachbarten Hubzapfen – der Hubzapfenversatz – 90° oder 270° statt 180°. In axialer Sicht betrachtet stehen die beiden Ebenen der jeweiligen Kurbelzapfen 90° gekreuzt zueinander, daher der Name Crossplane („gekreuzte Ebene“). Bei Kurbelwellen mit vier Kröpfungen und einem relativen Versatz von jeweils 0°-180°-180°-0° – wie bei einer herkömmlichen Reihenvierzylinder-Kurbelwelle – existiert bei dieser axialen Betrachtung nur eine einzige Ebene, man spricht dann von Flatplane.

V-Achtzylindermotoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zündfolgen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

V8-Crossplane-Kurbelwelle mit Pleuel, Ford, 1935

Bei V-Achtzylinder-Viertaktmotoren mit 90° Zylinderbankwinkel ergibt sich für beide Bauarten (Crossplane oder Flatplane) ein gleichmäßiger Abstand der Arbeitstakte (Zündungen) von je 90° Kurbelwinkel (Acht Zylinder = acht Takte während 720° Kurbelwellendrehung). Während bei Flatplane-Motoren durch die von der Kurbelkinematik vorgegebene Zündfolge in der Gesamtschau immer abwechselnd ein Zylinder der linken und der rechten Zylinderbank nacheinander zündet (Beispiel: typische Zündfolge – nach amerikanischem Nummerierungsschema: 1-4-3-2-7-6-5-8, Seitenverteilung somit L-R-L-R-L-R-L-R) ergibt sich bei Crossplane-Motoren zwangsweise eine Zündfolge, bei der bei jeder Umdrehung einmal zwei Zylinder (Beispiel: Zündfolge 1-8-4-3-6-5-7-2, Seitenverteilung somit L-R-R-L-R-L-L-R) derselben Zylinderbank nacheinander einen Arbeitstakt ausführen. Diese Eigenart verursacht beim Crossplane-Motor durch den wechselweise stärker pulsierenden Druck in der linken und rechten Flut der Auspuffanlage (durch die doppelte, unmittelbar aufeinander folgende Beaufschlagung mit Abgas) ein charakteristisches Laufgeräusch, das üblicherweise mit großvolumigen US-Automobilen in Verbindung gebracht wird.[1]

Massenausgleich[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei V8-Motoren mit Flatplane-Kurbelwelle gleichen sich die Massenkräfte und -momente erster Ordnung innerhalb jeder Zylinderbank selbst aus, da jeweils – wie beim Vierzylinderreihenmotor – die zwei inneren und die zwei äußeren Kolben in symmetrischer, gegenläufiger Auf- oder Abwärtsbewegung sind. Ein Ausgleich der freien Kräfte zweiter Ordnung durch die geometrisch bedingten unterschiedlichen Beschleunigungen der auf- oder abwärts laufenden Kolben findet jedoch – genau wie beim Reihenvierzylinder – nicht statt.

Beim Crossplane-V8 entsteht ein freies Massenmoment erster Ordnung durch die ungleichmäßig versetzte Bewegung der Kolben pro Zylinderbank, jedoch kann diese Kraft durch große Gegenwichte an den vordersten und hintersten Kurbelwangen gut ausgeglichen werden. Die mittleren Kurbelwangen kommen aufgrund der Hebelverhältnisse mit geringeren Ausgleichsgewichten aus. Massenkräfte zweiter Ordnung gleichen sich beim Crossplane-Motor gut aus, da durch die asymmetrischen Kolbenbewegung keine Summierung dieser Kräfte stattfindet.

Somit hat der Crossplane-Motor eine relativ komfortable Laufruhe, jedoch um den Preis einer durch die Gegengewichte sehr massiven und schweren Kurbelwelle, welche viel Platz im Kurbelgehäuse erfordert und durch Ihre hohe Massenträgheit nur schwächer in der Rotation beschleunigt oder verzögert werden kann. Andererseits setzt diese einfache Auswuchtbarkeit – alleine mit umlaufenden Gegengewichten an der Kurbelwelle, ohne zusätzliche Ausgleichswellen – wenig Grenzen in Bezug auf die Dimensionen und Massen der oszillierenden Bauteile im Motor, so dass hier relativ hubraumstarke (und niedertourige) Motoren gebaut werden können (Beispiel: Cadillac 500 CID, 500 Kubikzoll = ca. 8,2 Liter Hubraum, ca. 400 SAE-PS bei 4.400 min−1, 1970, hubraumstärkster PKW-Serienmotor). Crossplane-Motoren sind überwiegend als Antriebe typischer US-amerikanischer „Straßenkreuzer“ bekannt.[2]

Beim Flatplane-V8 kann den unkompensierten Massenkräften zweiter Ordnung nur durch Beschränkung auf geringere Hubräume und damit leichtere Kolben und Pleuel entgegengewirkt werden. Dafür sind im Gegenzug nur wesentlich leichtere Gegengewichte – lediglich zum Ausgleich der Massen der einzelnen Hubzapfen und Pleuel – an den Kurbelwangen erforderlich, was den Bau sehr kompakter und leistungsstarker Sportmotoren mit tiefer Schwerpunktlage ermöglicht. Beispiele sind der Ferrari 458 (alle Ferrari-V8, beginnend mit dem 308, sind Flatplane-Motoren), sowie der legendäre Formel 1-Motor Cosworth-DFV.

Der Coventry Climax-Formel-1-Motor FWMV 1,5 l - V8 wurde im Lauf seiner Entwicklung von Crossplane auf Flatplane umkonstruiert und erreichte damit 1963 im Lotus 25 und 1965 im Lotus 33, jeweils mit Jim Clark, den Weltmeistertitel.[3]

Reihenvierzylindermotoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auch bei einigen Reihenvierzylindern in Motorrädern kommen Crossplane-Kurbelwellen zum Einsatz. Beispiele sind die Yamaha YZF-R1 ab 2009, die MotoGP-Rennmaschine Yamaha YZR-M1, die Yamaha MT-10 oder auch der historische Fath-URS-Gespannmotor von Helmut Fath und Peter Kuhn.[4]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Der V8-Motor – Heimat des Blubberns, Artikel auf Heise.de über den V-Achtzylindermotor, Seite 4, abgerufen am 15. Mai 2016
  2. Aufsatz zu den verschiedenen Bauweisen von V8-Motoren auf Craig's Website, englische Sprache, abgerufen am 14. Mai 2015
  3. Coventry Climax FWM engine, englische Sprache, abgerufen am 15. Mai 2015
  4. Entwicklungsgeschichte des URS-Rennmotor, abgerufen am 14. Mai 2016