Was ist eine Ausgleichswelle?

Ausgleichswellen sind am häufigsten in Reihenvierzylindermotoren anzutreffen, die aufgrund der Asymmetrie ihrer Konstruktion eine innewohnende Schwingung zweiter Ordnung aufweisen (die mit der doppelten Motordrehzahl schwingt) und die sich nicht beseitigen lässt, so gut die inneren Komponenten auch ausgewuchtet sein mögen.

Boxermotoren haben die Kolben horizontal gegenüberliegend, sind also von Natur aus ausgewuchtet und kommen ohne die zusätzliche Komplexität, die Kosten oder den zusätzlichen Leistungsverlust aus, die mit Ausgleichswellen verbunden sind.

Diese Schwingung entsteht, weil die Bewegung der Pleuel in einem Reihenmotor während der gesamten Kurbelwellenumdrehung nicht symmetrisch ist; innerhalb einer gegebenen Kurbelwellenumdrehung haben die abwärts und aufwärts bewegten Kolben nicht immer vollständig entgegengesetzte Beschleunigungen, was zweimal pro Umdrehung zu einer resultierenden vertikalen Kraft führt, deren Stärke mit dem Quadrat der Drehzahl ansteigt, so genau die Massen der Komponenten auch abgestimmt sein mögen.

Das Problem verstärkt sich mit größerem Hubraum des Motors, da die einzigen Möglichkeiten, mehr Hubraum zu erzielen, ein größerer Kolbenhub ist, der die Beschleunigungsdifferenz vergrößert, oder ein größerer Zylinderdurchmesser, der die Masse der Kolben erhöht; in jedem Fall steigt die Stärke der Massenschwingung.

Viele Jahre lang galten zwei Liter als die „inoffizielle“ Hubraumgrenze für einen in Serie gefertigten Reihenvierzylindermotor mit akzeptablen NVH-Eigenschaften.

Das Grundkonzept der Ausgleichswellen gibt es seit 1904, als es vom britischen Ingenieur Frederick Lanchester erfunden und patentiert wurde.

Zwei Ausgleichswellen drehen sich in entgegengesetzter Richtung mit der doppelten Motordrehzahl.

Die gleich großen exzentrischen Gewichte dieser Wellen sind so bemessen und synchronisiert, dass sich die Massenkräfte aus ihrer Gegenrotation in der horizontalen Ebene aufheben, in der vertikalen Ebene jedoch addieren, wodurch eine resultierende Kraft gleicher Größe, aber um 180 Grad versetzt zur unerwünschten Schwingung zweiter Ordnung des Basismotors entsteht, und diese aufhebt.

Dennoch ist die konkrete Umsetzung des Konzepts so spezifisch, dass sie patentiert werden konnte.

Das grundlegende Problem des Konzepts besteht darin, ein Bauteil, das sich mit doppelter Motordrehzahl dreht, in den hohen Drehzahlbereichen, in denen die Schwingung zweiter Ordnung inakzeptabel wird, angemessen zu lagern und zu schmieren.

Es wird diskutiert, wie viel Leistung die beiden Ausgleichswellen den Motor kosten. Die üblicherweise genannte Größe liegt bei etwa 15 PS (11 kW), was für reine Reibungsverluste aber zu hoch sein dürfte. Möglicherweise handelt es sich um einen rechnerischen Fehler, der aus der üblichen Verwendung eines Trägheitsprüfstands resultiert, der die Leistung aus der Winkelbeschleunigung berechnet, anstatt das Drehmoment im stationären Zustand wirklich zu messen. Die 15 PS (11 kW) umfassen dann sowohl den tatsächlichen Reibungsverlust als auch die Erhöhung der Drehträgheit der schnell drehenden Wellen, die bei konstanter Drehzahl keine Rolle spielen würden. Dennoch bauen einige Besitzer ihre Motoren um, indem sie die Ausgleichswellen ausbauen – sowohl um einen Teil dieser Leistung zurückzugewinnen als auch um die Komplexität und mögliche Bruchstellen bei Hochleistungs- und Renneinsätzen zu verringern, da man (irrtümlich) glaubt, dass die Laufruhe, die die Ausgleichswellen bieten, nach ihrem Ausbau durch sorgfältiges Auswuchten der hubenden Motorenteile erreicht werden kann.

Eine andere Ausführungsform der Ausgleichswelle findet sich in vielen V6-Motoren.

Während ein optimal konstruierter V6-Motor einen Winkel von 60 Grad zwischen den beiden Zylinderbänken hätte, leiten sich viele heutige V6 von älteren V8-Motoren ab, die einen Winkel von 90 Grad zwischen den beiden Bänken aufweisen.

Während dies bei einem 8-Zylinder-Motor eine gleichmäßig verteilte Zündfolge ermöglicht, entsteht bei einem Sechszylinder ein unregelmäßiger Rhythmus: bei jeder Kurbelwellenumdrehung zünden drei Zylinder im Abstand von 90 Grad, gefolgt von einer Pause von 90 Grad ohne Arbeitstakt.

Dies lässt sich durch eine aufwändigere und teurere Kurbelwelle beseitigen, die das Verhältnis der Zylinder der beiden Bänke so verändert, dass sich ein effektiver Unterschied von 60 Grad ergibt; neuerdings halten es jedoch viele Hersteller für wirtschaftlicher, das Prinzip der Ausgleichswelle anzupassen und eine einzelne Welle mit versetzt angeordneten Gegengewichten zu verwenden, die eine Schwingung erzeugen, die dem dem 90-Grad-V6 innewohnenden Stoß entgegenwirkt.