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Ein Verbrennungsmotor funktioniert mit den schnellen Druckimpulsen, die von der Verbrennung der Luft-Brennstoff-Mischung über die Kolben erzeugt werden. Diese starken Impulse führen zu Schwingungen. Die Motorentwickler versuchen, diese Schwingungen zu minimieren, indem sie die Kräfte ausgleichen. Aber es ist unmöglich, alle Schwingungen zu beseitigen. Deswegen zeigen die Verbrennungsmotoren typische Schwingungsspektren. Die Analyse der Motorschwingungen sollte die Abweichungen von diesen typischen Schwingungsspektren berücksichtigen.
Die Referenzdrehgeschwindigkeit eines Motors ist die Kurbelwellengeschwindigkeit, auch als „1X-Ordnung“ bezeichnet. Diese Geschwindigkeit misst, wie viele Umdrehungen pro Minute (U/min) oder pro Sekunde (Hz) die Kurbelwelle macht. Diese Frequenz wird benutzt, um den Belastungsgrad des Motors zu wissen. Aber es bedeutet nicht, dass die Hauptschwingungsfrequenz mit dieser Drehfrequenz übereinstimmt. Wie in der Einleitung gesagt, werden die Schwingungen von den starken Druckimpulsen über die Kolben erzeugt.
Weil die Kurbelwelle gut ausbalanciert ist, sollte die 1X-Ordnung nicht zu offensichtlich sein. Die Bewegung der Kolben nach oben und unten sollte sehr offensichtlich sein. Abhängig von der Anzahl der Zylinder, können wir „2X“, „3X“ oder „4X“-Ordnungen sehen. In einem 4-Zylindermotor z.B. gibt es 2 Druckimpulse pro Drehung der Kurbelwelle. Siehe Video unten:
Jeder Druckimpuls ist wie ein Hammerschlag: Er trifft den Motorblock mit viel Energie. Das erzeugt ein Schwingungsspektrum, das durch Spektrallinien charakterisiert wird. Diese Linien zeigen die ganzzahligen Vielfachen der Zündrate jedes Kolbens. In einem Viertaktmotor, wo der Kolben alle zwei Umdrehungen feuert, folgt die vorherrschende Spektrallinie diesem Muster:
2Zyl= überwiegend durch die 1,5. Ordnung, gefolgt von 3., 4.5., 6. Ordnung
3Zyl= überwiegend durch die 1,5. Ordnung, gefolgt von 3., 4.5., 6. Ordnung
4Zyl= überwiegend durch die 2. Ordnung, gefolgt von 4., 6., 8. Ordnung
6Zyl= überwiegend durch die 3. Ordnung, gefolgt von 6.,9.,12. Ordnung
Die Schwingungen können mit der kostenlosen Ellebogen-App gemessen werden:
Reale Beispiele von Messungen:
U/min des Motors: 851U/min.
In diesem Beispiel kann man die erste Ordnung (1x) bei 851U/min sehen (14,19×60), aber die 1,5. Ordnung ist die wichtigste (14,19×1,5).
U/min des Motors: 856U/min.
In diesem Beispiel kann man die 1,5. Ordnung sehr klar sehen, aber nicht die 1. Ordnung. Man kann die Geschwindigkeit der Antriebswelle berechnen, indem man die Haupspitze durch 1,5 teilt und mit 60 multipliziert (21,40/1,5)x60=856
U/min des Motors: 777U/min.
In diesem Beispiel kann man die 2. Ordnung sehr klar sehen, aber weder die 1. noch die 1,5. Ordnung. Man kann die Geschwindigkeit der Antriebswelle berechnen, indem man die Haupspitze durch 1,5 teilt und mit 60 multipliziert (25,91/2×60=777
Wenn alle Kolben fast die gleichen Druckimpulse erzeugen, bleiben die Schwingungen der 0,5. Ordnung klein (zwischen 2,5 und 8mm/s bzw. 0,1-0,3 in/s). Wenn allerdings ein Zylinder weniger Kraft als die anderen produziert, erhöhen sich die Schwingungen der 0,5. Ordnung von 7mm/s (0,3 in/s) auf über 25mm/s (1 in/s) im Fall einer Fehlzündung. Verschiedene Gründe wie z.B. Fehlzündung der Zündkerze, schlechte Zündkerze, verstopfter Injektor, gebrochene Dichtungsringe, undichte Ventile, niedrige Kompression, verschlissene Nockenwelle oder gebrochene Zylinder können höhere Schwingungen der 0,5. Ordnung auslösen.
Die Schwingungen der 0,5. Ordnung sind problematisch, weil sie vom Kapitän gefühlt werden können. Schwingungen im Niedrigfrequenzbereich werden von den meisten Motorlagern kaum isoliert und das ganze System wackelt. Wenn das Problem nicht gelöst wird, können die Schwingungen der 0,5. Ordnung Nieten, Scharniere und Drehpunkte im Bootsrahmen lockern. Sie können nicht nur Lebensdauerprobleme in Komponenten verursachen, sondern auch Sicherheitsprobleme.
1P-Schwingungen werden oft von einer Propellerunwucht erzeugt, die durch den Austausch oder die Säuberung des Propellers beseitigt werden kann. Sie können auch von einem ungleichen Kolbengewicht erzeugt werden. Es kann vorkommen, wenn ein Kolben durch einen anderen mit falschem Gewicht ausgetauscht wird.
X/P Schwingungen werden oft von einer Antriebswellenunwucht erzeugt. Wenn der Reduktionsfaktor des Getriebes 2,64 ist, wäre die Spitze bei den Umdrehungen der Kurbelwelle geteilt durch 2,64. Siehe Video unten:
Die Fehlausrichtung ist oft der Hauptgrund dieser Schwingungsordnung. Sie kann durch eine Neuausrichtung gelöst werden.
Eine gekrümmte Achse könnte auch der Grund sein. In diesem Fall sollte man die Achse ausbauen und mit einer Drehbank bearbeiten.
Ellebogen hat eine App für Android und iOS entwickelt, die die Messung von Schwingungen mit einem Handy ermöglicht. Siehe Video unten:
The app that helps you to find the correct engine mount
