Ereignisse am 21.11.

Noch einmal: Zur Weiterentwicklung des Trabant-Motors

Dipl.-Ing. C.-H. Morgenstern (KOT), Ing. B. Kromer (KDT),

VEB Barkas-Werke, Stammbetrieb des IFA-Kombinates Personenkraftwagen

Seit Januar 1985 sind weitere Entwicklungsschritte am Zweizylinder-Zweitaktmotor des Trabant 601 serienwirksam. Sie setzen die im Juli 1984 realisierte Etappe fort (siehe KFT 1/85, S. 27 bis 31). Die jetzt verwirklichten Maßnahmen orientieren auf weitere Effekte bezüglich der Verbrauchswirtschaftlichkeit sowie auf die Steigerung von Nutzungsdauer und Zuverlässigkeit der Triebwerksteile.

In den folgenden Ausführungen werden die Veränderungen vorgestellt und Hinweise für die Nachrüstung mit den neuen bzw. veränderten Baugruppen gegeben.

1. Kurbelwelle mit Sonderlagern und Kolbenringabdichtung

An der bisher jahrelang nach prinzipiell unveränderter Technologie gefertigten Kurbelwelle wurden umfangreiche konstruktive Änderungen realisiert, die erhebliche Umstellungen in der bisherigen Fertigung erforderten.

Die Aufgabe bestand darin, sowohl die Grenznutzungsdauer der Hauptlager zu erhöhen als auch eine wesentlich bessere Konstanz der Kurbelkammer-Abdichtung zu erreichen. Die mit der bisherigen Laufbahn- bzw. Laufsitzbearbeitung der Hauptlager in der komplett verpressten Kurbelwelle gegebenen Technologie- und Material-Prämissen setzten aber nach jahrelanger ausgereifter Fertigung für diese Konzeption bestimmte Grenzen, die keine wesentlichen Verbesserungen mehr zuließen. Aus einer Vielzahl erprobter Varianten wurde der Einsatz kompletter Wälzlager anstelle der bisher vollrollig, direkt gelagerten Hauptlager 2, 3 und 4 für die Serieneinführung ausgewählt. Da jedoch Lager in TGL-Abmessungen mit den erforderlichen Tragzahlen die Einbauverhältnisse des Kurbelgehäuses erheblich überfordern, konnte die Austauschbarkeit der Kurbelwelle für die bereits im Einsatz befindlichen Trabant 601 nicht mehr gewährleistet werden. Deshalb galt es, in enger Zusammenarbeit mit der Wälzlagerindustrie Wälzlager in Sonderabmessungen und mit den notwendigen technischen Parametern zu entwickeln, die maßlich in das vorhandene Kurbelgehäuse passen. Damit ist die Austauschbarkeit - eine bisher von Barkas bei jeder Neu- bzw. Weiterentwicklung realisierte Forderung - auch mit der neuen Kurbelwelle gewährleistet. Mit dem Einsatz solcher Sonderwälzlager werden nicht nur hoch spezialisierte Fertigungseinrichtungen der Wälzlagerindustrie für die Trabant-Kurbelwelle genutzt, sondern es können gleichzeitig höhere Qualitätsansprüche erfüllt (Wälzlagerstahl höherer Reinheit und bessere Überrollfestigkeit der Laufbahnen) und eine höhere Grenznutzungsdauer der Hauptlagerung erreicht werden. Für die Hauptlager 1, 2 und 3 gelangen Rillenkugellager und für die Lagerstelle 4 ein Zylinderrollenlager in Sonderabmessungen zum Einsatz. Für das Lager 1 - wie bisher Festlager der Kurbelwelle - konnte durch eine Reduzierung des Innendurchmessers von 45 auf 40 mm und entsprechende Veränderung der Wälzlagerbauteile eine Erhöhung der Tragzahl gegenüber dem bisherigen Lager 6009 NC 36 realisiert werden.

Bild 1 Kurbelwelle komplett (Längsschnitt)	Bild 2 Kolbenringabdichtung auf der Schwungradseite

Der Einsatz kompletter Wälzlager für die Trabant-Kurbelwelle erforderte eine Reihe von technologischen Veränderungen. Im Gegensatz zur bisherigen Kurbelwellenausführung, bei der die Fertigbearbeitung der Rollenlaufbahnen und damit die Sicherung des Rundlaufes der Hauptlagerung erst nach dem Zusammenpressen der Kurbelwelleneinzelteile erfolgt, sind bei Einsatz der Sonderlager bereits alle Einzelteile auf den Endzustand zu fertigen. Der Rundlauf dieser neuen Kurbelwellenausführung ist durch einen präzisierten Pressvorgang mit anschließendem Richten der Kurbelwelle zu realisieren. Um die bisherige Hubzapfenscheibenausführung bei Regenerierung der Kurbelwelle auf den neuen Bauzustand mit Sonderlagern wieder verwenden zu können, war es erforderlich, die Rillenkugellager für die Mittellagerbaugruppe mit einem gegenüber dem Kugellageraußenring um 2 mm verbreiterten Lagerinnenring auszustatten. Im Bild 1 ist die neue Kurbelwelle im Längsschnitt dargestellt, im folgenden werden die Einzelheiten beschrieben.

1. Zur Abdichtung der Kurbelkammern

Äußere Abdichtung

Für die Kurbelkammerabdichtung nach außen musste auf eine Ausführung mit Kolbenringen übergegangen werden, weil mit den zur Verfügung stehenden Radialwellen-Dichtringen keine Fahrstrecken bis 100 000 km zu gewährleisten sind. Mit der Kolbenringabdichtung ist zwar bereits im Neuzustand eine geringfügige (definierte) Undichtheit vorhanden, dafür kann aber über den gesamten Nutzungszeitraum eine nahezu konstante Dichtwirkung garantiert werden.

Konstruktive Ausführung der Kolbenringabdichtung

Je Dichtstelle (Unterbrecher- und Kupplungsseite) werden zwei Kolbenringe von je 2,5 mm Breite in eng tolerierten, getrennten Nuten auf einem separaten Ringträger (Unterbrecherseite) bzw. direkt auf der Nabe des Schwungrades geführt. Die Abdichtung erfolgt außen gegen die Innendurchmesser des veränderten Lagerdeckels (Kupplungsseite) bzw. des Dichtringes (Unterbrecherseite). Infolge der Vorspannung legen sich die Kolbenringe am Außendurchmesser an, wobei im motorischen Betrieb lediglich eine schleichende Mitnahme der Kolbenringe eintritt. Der unterbrecherseitige Dichtring besteht aus einem mit Aluminium umgossenen GG-Ring. Damit werden die Forderungen nach Verschleißfestigkeit (äußere Anlage der Kolbenringe am GG-Innendurchmesser) und des Festsitzes im Kurbelgehäuse (AI - Umguss mit analogem Dehnverhalten wie Kurbelgehäuse) erfüllt (siehe Bilder 1 und 2). Als Sicherheitsmaßnahmen für eine einwandfreie Kupplungsfunktion werden die Abzugsgewindebohrungen des Schwungrades mit je einer Verschlussscheibe 16 TGL 0-470 abgedeckt, da sonst - trotz engster Toleranzen der Kolbenringabdichtung - ein leichter Ölnebelaustritt aus der kupplungsseitigen Kurbelwellenabdichtung nicht in jedem Fall vermieden werden kann. Dieser Ölnebel hat aber keinerlei negative Auswirkungen auf die Funktion des Motors.

Abdichtung der Kurbelkammer gegeneinander

Der bisher aus technologischen Gründen der Kurbelwellenfertigung geteilte Labyrinthdichtring wird durch einen geschlossenen Labyrinthdichtring ersetzt, der mit einem Zylinderkerbstift (Dmr. 5 mm) in einer entsprechenden Bohrung des Kurbelgehäuseoberteiles fixiert wird. Der geschlossene Dichtring ist aus funktionellen Gründen erforderlich, da der bisher praktizierte Ausgleichvorgang zwischen Dichtringhälften und Rollenlageraußenringen bereits zu axialen Belastungen der Lager führen würde.

Austauschbarkeit

Die neue Kurbelwellenausführung wird als Ersatz-Neuteil und auch als regeneriertes Bauteil geliefert. Dabei ist grundsätzlich jede Kurbelwelle mit Kolbenbolzennadellagerung und auf der Unterbrecherseite bereits mit der Kolbenringabdichtung ausgestattet. Die bisherige, vollrollig gelagerte Kurbelwellenausführung wird nicht mehr gefertigt. Die neue Kurbelwellenausführung ist gegenüber der bisherigen austauschbar. Beim Einbau in Kurbelgehäuse vorheriger Fertigung ist lediglich im Kurbelgehäuse-Oberteil exakt in Mitte der Mittellagergasse eine Bohrung (Dmr. 5.3mm, S^0'5 mm tief) einzubringen, um den Stift zur Fixierung des Mittellagerdichtringes aufzunehmen (siehe Bild 3). Auf Grund des für die Kolbenringabdichtung benötigten Bauraumes sind Keilriemenscheiben bisheriger Kurbelwellen zur Beibehaltung der Keilriemenspur um 2 mm zu kürzen (siehe Bild 4). Eine Nachrüstung bisheriger Kurbelwellen auf Kolbenringabdichtung kann mit den Bauteilen der Sonderlager-Kurbelwelle nicht erfolgen. Hierfür ist die über das Kundendienstnetz des VEB Sachsenring Zwickau vertriebene Kolbenringabdichtung des VEB WEMA Flauen einzusetzen.

An der Kupplungsseite kann bei der Instandsetzung sowohl die bisherige Abdichtung mit Radialwellendichtringen als auch die Kolbenringabdichtung an jedem Motor unabhängig von der eingesetzten Kurbelwellenausführung realisiert werden. Dazu sind Abdichtvarianten in der jeweils erforderlichen Teilekombination Schwungrad-Lagerdeckel-Dichtelement ohne Nacharbeit montierbar. Aus volkswirtschaftlichen Gründen ist jedoch an der Kupplungsseite vorrangig auf Beibehaltung der bisherigen Abdichtung mit Radialwellendichtring zu orientieren, zumal an dieser Seite eine wesentlich geringere Ausfallquote der Radialwellendichtringe als an der Unterbrecherseite zu verzeichnen war.

Bei der Montage eines Schwungrades mit Kolbenringabdichtung sind die Kolbenringe mit Öl (MZ 22) einzusetzen und die Kolbenringstöße um rd. 180° versetzt anzuordnen. Weiterhin ist es erforderlich, die Abzugsgewindebohrungen mit je einer Verschlussscheibe 16 TGL 0-470 zu verschließen.

Vergaseranpassung

Bei der Umrüstung von Motoren auf Kolbenringabdichtung sind zur Sicherung einer einwandfreien Leerlauffunktion innerhalb der vorgeschriebenen CO_L-Grenzwertevon 1 Vol.-% <= CO_L <= 4,5 Vol.-% Vergaseranpassungen in Verbindung mit der CO_L-Einstellung erforderlich. Bis zu den Vergasertypen 28 H 2-9 ist das durch Verstellen der Leerlaufgemischschraube möglich. Die Vergaser 28 HB3-1 und 28 HB4-1 erfordern - falls der Regulierbereich der Zusatzluftschraube nicht mehr ausreicht - den Einsatz einer größeren Leerlaufgemischdüse. Am neuesten Vergaser 28 H 1-1 können Regulierungen mit der Umgemisch- und der verplombten Leerlaufgemischschraube notwendig werden. In jedem Fall ist nach derartigen Motorarbeiten die abgasgerechte Vergasereinstellung zu prüfen bzw. entsprechend zu korrigieren.

Bild 5 Darstellung der Kolben 72.4 und 72.7 mit den jeweiligen Kolbenbolzen (neuer Kolbenbolzen um 4 mm gekürzt)

2. Erhöhte Verdichtung mit angepasstem Zündzeltpunkt für Volllast

Mit dem Ziel einer weiteren Verbesserung der Verbrauchswirtschaftlichkeit des Motors wurden Untersuchungen durchgeführt, bis zu welcher Grenze die Verdichtung angehoben werden kann, um auf diese Weise das zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch besser zu verwerten. Unter Beachtung der überwiegenden Betriebsweise des Motors, der verfügbaren Kraftstoff-Qualität und der durch Ablagerungen im Brennraum entstehenden Verkleinerung des Endverdichtungsraumes wurde als realisierbare Anhebung des Verdichtungsverhältnisses der Wert 7,8 herausgearbeitet. Um negative Auswirkungen auf das Klopfverhalten des Motors zu vermeiden, wurde der Vorzündzeitpunkt unter Beachtung der Einflüsse des Volllastbetriebes untersucht und mit 20° Kurbelwinkel vor OT neu festgelegt. Die statischen Einstellwerte für annähernde Gleichheit der Zündzeitpunkte im dynamischen Betrieb werden für Zylinder 1 bzw. 2 mit 3,5 bzw. 2,5 mm vor OT vorgegeben.

Die Verdichtungserhöhung von e = 7,5 auf 7,8 erfolgt unter Beibehaltung der Quetschkanten-Maße durch die Abflachung der Tiefe des Halbkugel-Brennraumes. Da diese Veränderungen äußerlich ohne Verwendung von Hilfsmitteln nicht erkennbar sind, wurde zur Unterscheidung auf der Bodenrippe des Zylinderkopfes die Zahl 7,8 durch Gravuränderung der Gießwerkzeugedauerhaft angebracht. Der neue Zylinderkopf für die Verdichtung e = 7,8 ist austauschbar und ersetzt den Zylinderkopf mit der Verdichtung 7,5. Bei Nachrüstungen ist der neue Zustand bei beiden Zylindereinheiten herbeizuführen. Gleichzeitigist auf die erforderliche Korrektur des Frühzündzeitpunktes für den Betriebsbereich des Motors zu achten.

Es soll abschließend noch darauf hingewiesen werden, dass gleichzeitig und unabhängig von den eigenen Untersuchungen ein Jugendforscherkollektiv an der Ingenieur-Hochschule Zwickau zu den gleichen Ergebnissen gelangte.

Bild 8 Kennlinienfeld X - f (N. DKö) für den jetzigen Serienzustand des Motors (ab 1.1.85)

3. Masseerleichterter Kolben 72.7

In enger Gemeinschaftsarbeit mit dem VEB Metallgusswerk Leipzig wurde eine konstruktive Veränderung des Kolbens mit der Zielstellung einer Massereduzierung von Kolben und Kolbenbolzen bei gleichzeitiger Sicherung und Stabilisierung der bewährten Funktionseigenschaften entwickelt und erprobt.

Der Ansatzpunkt für die Arbeiten leitete sich von den ungleichmäßig auf die Mantelfläche des Kolbens einwirkenden Kräften ab, wodurch speziell im Winkel von 90° zur Arbeitsebene die Auflagekräfte in deutlich niedrigerer Größe wirken. Entsprechend diesen Verhältnissen wurde in diesen Bereichen die Mantelfläche des Kolbens auf beiden Seiten freigespart und durch ebene Flächen ersetzt. Die für die Abstützung des Kolbenbolzenauges am Kolben günstiger verlaufenden Wände gestatten sowohl eine vorteilhafte Dimensionierung der inneren Stützrippen als auch eine Verringerung der Auflageflächen für den Kolbenbolzen.

Durch die konstruktiven Veränderungen konnten Massereduzierungen am Kolben um rd. 30 g und am Kolbenbolzen um rd. 5 g erzielt werden. Der wesentliche Effekt liegt in der Einsparung an volkswirtschaftlich wichtigen Materialien, insbesondere an hochsiliziumhaltiger Aluminium-Primärlegierung. Die Masseverringerung führt aber auch zur Senkung der oszillierenden Massenkräfte und trägt tendenziell zur Verringerung des Kraftstoffverbrauches (Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades) des Motors bei. Der neue Kolben trägt die Bezeichnung 72.7 und ersetzt in Verbindung mit dem kürzeren Kolbenbolzen den bisherigen Kolben 72.4. Der Einsatz des neuen Kolbens hat paarweise zu erfolgen. Im Ersatzteilsektor, insbesondere bei Übermaßgrößen, wird vorläufig noch die bisherige Ausführung des Kolbens ausgeliefert, da der Einsatz neuer Urformwerkzeuge für Maschinenguss nur einlaufend erfolgen kann.

4. Betriebsergebnisse

Als Ergebnisse der jetzigen Weiterentwicklungsmaßnahmen konnten folgende Ergebnisse erreicht werden.

Verbrauch

Durch die verringerte Reibleistung im Kurbeltrieb (Umstellung auf Kolbenring-Abdichtung) und die Anhebung der Verdichtung konnte der Kraftstoffverbrauch auf der Grundlage des vereinbarten Vergleichswertes K_mix von 7,1 auf 6,7 l/100 km gesenkt werden.

Im Bild 6 ist das Kennfeld Lambda = f (DKö, n) für das Luftverhältnis dargestellt. Es ist zu erkennen, dass nur noch ein schmales Band zwischen Teillast mit 40° bis 45° Drosselklappenöffnung und Volllast mit Luftverhältnissen kleiner 1 vorliegt.

Grenznutzungsdauer

Durch die Ablösung des bisher verwendeten Einsatzstahles für Teile der Kurbelwellen-Hauptlagerung durch den einheitlichen Einsatz von Kugellagerstahl wurde die Nutzungsdauer der Hauptlager wesentlich verbessert. Mit der Umstellung der äußeren Kurbelwellenabdichtung von Wellendichtringen auf Kolbenringe wurde ein Reklamationsschwerpunkt beseitigt. Durch den gleichzeitigen Einsatz der neuen Abdichtung auch für Ersatzteil- und Regenerierungs-Kurbelwellen (Unterbrecherseite) wird eine spürbare Entspannung der Situation auf dem Instandsetzungssektor erwartet, da sich die Ausfälle zunehmend auf die Unterbrecherseite des Motors konzentrierten und vor der Umstellung rd. 90 % der Dichtring-Reklamationen betrugen.

Die gemeinsame Arbeit von Entwicklungsbetrieb und Zulieferindustrie trugen dazu bei, dass die neue Kurbelwelle 3 Monate früher als vorgesehen eingesetzt werden konnte. Der Serieneinsatz des Motors für Erstausstattung und Ersatz mit dem dargelegten Entwicklungspaket erfolgte mit Motor-Nr. S B 1 444795.

Kraftfahrzeugtechnik, Berlin 35 (1985) 3

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