Drehmoment und Drehzahl

Minimax

Welten prallen aufeinander, wenn ein Sportmotor aus minimalem Hubraum Spitzenleistung herauskitzeln soll, ein Cruiser-Triebwerk seine Kraft dagegen aus maximalem Volumen schöpfen kann. MOTORRAD zeigt, wie es im Inneren zweier völlig unterschiedlicher Vertreter aussieht.

Foto: Bilski
Die Größe des Zylinders entscheidet mit über die Motor-Charakteristik
Die Größe des Zylinders entscheidet mit über die Motor-Charakteristik
Beginnen wir mit einem Kapitel, das sich kurz abhandeln lässt, nämlich die Gemeinsamkeiten der Triebwerke von
ZX-6R und VN 2000. In puncto Spitzenleistung liegen beide Motoren gar nicht weit auseinander. 118 PS nennt Kawasaki für den Supersportler, 103 PS soll der derzeit hubraumstärkste Cruiser auf dem Markt bieten. Aber die Art und Weise, wie diese Leistung zustande kommt, könnte unterschiedlicher kaum sein. Kein Wunder, wenn sie einmal aus 636 cm3 Hubraum, verteilt auf vier Zylinder, das andere Mal aus einem Zweizylinder mit 2053 cm3 generiert wird. Gut 1000 cm3 stehen also knappen 160 cm3 Einzelhubraum gegenüber. Diese Relation spiegelt sich auch
im Drehzahlniveau wider, der kleine Vierzylinder erreicht seinen Leistungszenit bei 13000/min, der Riesen-V2 braucht nur 4800 Umdrehungen, um seine Muskeln maximal spielen zu lassen.
Ähnliche Spitzenleistung bei völlig unterschiedlichen Drehzahlen, das ergibt zwangsläufig zwei grundverschiedene Drehmomentverläufe. Mit 177 Newtonmetern bei 3200/min steht an der Kurbelwelle der VN 2000 mehr als zweieinhalbmal so viel Drehmoment an wie beim kleinen Reihenvierer, der das Maximum
von 67 Nm bei 11000/min erreicht. Also auf der einen Seite der Leichtathlet, der darauf trainiert ist, seine Schnellkraft so effektiv wie möglich in Dynamik umzusetzen. Auf der anderen Seite
der Schwerathlet, der seine Muskeln darauf trainiert hat, so viel Masse wie möglich zu bewegen.
Zwei Charaktere, die in der Präsentation getrennte Wege
gehen. Das Triebwerk der ZX-6R werkelt im Verborgenen
unter einer Verkleidung und ist auf strengste Diät getrimmt. Die exhibitionistische VN 2000 wuchert dagegen optisch mit ihren Pfunden, liebt als Bodybuilder das Posing, die Show vor Publikum. Das schlägt sich in der Technik nieder, etwa bei der Ventilsteuerung. Zwischen der Betätigung der vier Ventile über unten liegende Nockenwellen, ellenlange Stoßstangen und gegabelte Kipphebel mit hydraulischem Ventilspielausgleich bei der VN 2000 und der direkten Betätigung über zwei oben liegende
Nockenwellen mit Tassenstößeln bei der ZX-6R liegen Welten.
Die 600er ist vom Leistungsgedanken bestimmt, die 2000er orientiert sich dagegen an der Technik amerikanischer Cruiser-Vorbilder. Obwohl die Ventile des Dampfhammers »nur« dreimal so viel wiegen wie die winzigen 17 und 19 Gramm leichten Gaswechselorgane des Supersportlers, beträgt die Gesamtmasse der oszillierenden Teile des VN-Ventiltriebs mehr als das Zehnfache. Ein solcher Ventiltrieb verbietet hohe Drehzahlen.
Die sind bereits aufgrund des VN-Kurbeltriebs unmöglich, denn dessen Eckdaten stellen im Motorradbereich alles Dagewesene in den Schatten. Die 103 Millimeter dicken Kolben legen zwischen oberem und unterem Totpunkt einmalige 123,2 Millimeter zurück, machen den V2 zum extremen Langhuber, neben dem sich selbst die 101,6 Millimeter des amerikanischen Vorbilds aus Milwaukee geradezu bescheiden ausnehmen. In absolutem Kontrast dazu steht die extrem kurzhubige Konstruktion der
ZX-6R mit 68 Millimeter Bohrung und 43,8 Millimeter Hub. Trotz der völlig unterschiedlichen Auslegung liegen die Kolbengeschwindigkeiten, die sich aus Hub und Drehzahl errechnen, bei beiden auf einem ähnlich hohen Niveau. Die Kolben des Sportlers gleiten bei 13000/min mit 19 m/s auf und ab, die erstaunlich
filigranen Bauteile der VN 2000 sind bei 4800 Umdrehungen im Mittel mit 19,7 m/s unterwegs.
Überraschend ist ebenfalls, dass die rund ein Pfund schweren Kolben der VN 2000 dabei mit geringeren Massenkräften an ihren Pleueln zerren als die knapp 200 Gramm schweren Pendants des Supersportlers. Das erklärt die beinahe schon grazile Form der ellenlangen VN-Pleuel. Viel Masse bedeutet immer auch viel Trägheit, die kleinen ZX-6R-Kolben können ihre Kurbelwelle erheblich schneller in Rotation versetzen. Der 636er hängt so direkt und spritzig am Gas, wie es sich für einen echten Sportler geziemt. Ein kurzer Gasstoß – da tut sich die VN erst einmal
ungleich schwerer. Denn bei den rotierenden Massen setzt die
VN 2000 eine weitere Rekordmarke. Zusammen mit Lichtmaschinenrotor und Pleueln bringt die monströse Kurbelwelle der VN 2000 satte 24,8 Kilogramm auf die Waage und damit rund 2,5-mal so viel wie jene der ZX-6R.
Für die Dimensionierung aller Antriebskomponenten spielt das Drehmoment eine besondere Rolle, insbesondere hohe Spitzen bei niedrigen Drehzahlen belasten den Antriebsstrang enorm.
Neben den ohnehin schon gewaltigen Mittelwerten des Drehmoments muss im Fall der VN berücksichtigt werden, dass es bei sehr niedrigen Drehzahlen in nur zwei Zylindern produziert wird. Das bringt mehr Ungleichförmigkeit mit hohen Spitzenwerten, wenn einer der beiden Töpfe zündet. Dementsprechend großzügig muss alles ausgelegt werden, was das Drehmoment auf das Hinterrad überträgt. Angefangen von der Zahnkette als Primärtrieb über die große Kupplung, die mit 8,1 Kilogramm mehr als das Doppelte des ZX-6R-Bauteils wiegt. Schließlich geht es weiter über das üppig ausgelegte Fünfganggetriebe samt Vorgelegewelle. Allein der komplette Zahnradsatz mit Vorgelegewelle fällt bei der VN 2000 mit 11,7 Kilogramm mehr als doppelt so schwer aus wie bei der sportlichen Schwester. Für zusätzlichen Hüftspeck sorgen Zugeständnisse an den Komfort. Während der kleine
Reihenvierzylinder schon konstruktionsbedingt einen akzeptablen Massenausgleich besitzt, verlangt der riesige 52-Grad-V2 für ein ordentliches Schwingungsverhalten nach zwei Ausgleichswellen, und die schlagen mit weiteren 2,2 Kilogramm zu Buche.
So summiert sich unaufhörlich Kilogramm um Kilogramm. Das Ergebnis beim finalen Showdown der Triebwerke auf der Waage: Mit 49,6 Kilogramm zeigt der Motor der ZX-6R den Stand der Technik auf und unterbietet die aktuellen 1000er-Supersportmotoren um rund zehn Kilogramm. Anders die VN 2000, deren Treibsatz mit 136 Kilogramm eine andersgeartete Rekordmarke setzt. Und sogar stolz darauf ist. Schließlich sind bei Cruisern Pfunde kein Makel, sondern beinahe schon Programm. Gewicht soll bei einem echten Cruiser sichtbar wie fühlbar sein, Masse zum Erlebnis werden. Daher ist jedes Teil, was an der VN verbaut wurde, mächtig und schwer. Und da der schwere Motor auch ein kräftiges Rückgrat verlangt, da außerdem jede Menge Chrom-
Accessoires und Metallteile angebaut sind, gibt Kawasaki für die VN 2000 stolze 371 Kilogramm Gewicht an.
Wie bei den Bodybuildern verschwendet die VN 2000 also eine Menge Energie für das Posing, für die Show. Überragende Fahrleistungen können trotz des beeindruckenden Schubs aus niedrigsten Drehzahlen angesichts eines Leistungsgewichts von 3,6 Kilogramm pro PS nicht zustande kommen. Beim drahtigen Topathleten ZX-6R, dessen Triebwerk mit 188 Kilogramm vollgetankt leichtes Spiel hat, muss jedes PS nur 1,6 Kilogramm Motorrad
beschleunigen. Sie beeindruckt durch Rasse statt Masse.
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Drehmoment und Drehzahl

Stammtischparolen treffen nicht immer, aber manchmal den Punkt. MOTORRAD erklärt,
was bei Motorradmotoren zutrifft und wo die
Volksmeinung daneben liegt.
In einem sind sich Biker einig:
Wichtig ist, was hinten rauskommt. Doch wie der Vortrieb zustande kommt, darüber herrscht viel Verwirrung. Ein typisches Beispiel:
Leistung und Drehmoment haben nichts miteinander zu tun
Völlig falsch. Beides ist sogar direkt aneinander gekoppelt, und zwar
über die Drehzahl. Die dazugehörige Formel lautet M = 9549 x P / n (M in Nm, P in kW, n in 1/min). Bei einer
bestimmten Drehzahl ergibt sich bei gleicher Leistung also immer das
gleiche Drehmoment, unabhängig von der Motorbauart, Zylinderzahl oder sonstigen Faktoren. Ein Konstrukteur kann einem Motor also nur eine bestimmte Leistungscharakteristik anerziehen, die Drehmomentkurve ergibt sich dann von selbst.
Vierzylinder sind nicht elastisch
Da muss man unterscheiden zwischen den Messwerten und dem subjektiven Erlebnis. Messtechnisch gesehen sind die leistungsoptimierten Mehrzylinder den Ein- oder Zweizylindern nicht nur ebenbürtig, sondern überlegen. Denn das Drehmoment von Vierzylindern ist im unteren Drehzahlbereich mindestens ebenso groß, im oberen dem im Hubraum vergleichbarer Zweizylinder überlegen. Womit wir automatisch bei der nächsten Fehleinschätzung wären:
Einzylinder haben den besten
Durchzug
Ein subjektiver Eindruck der Single-
Piloten, der mit der Realität rein gar nichts zu tun hat. Man muss es leider so hart formulieren: Große Singles kommen den Fahrern nur deswegen so durchzugsstark vor, weil sie
akustisch und schwingungstechnisch mehr »Punch« suggerieren.
Ein- und Zweizylinder sind weniger drehfreudig
Zumindest, wenn man es auf den
Gesamthubraum bezieht. Ein 1000er-Vierzylinder setzt sich prinzipiell aus vier 250er-Einheiten zusammen. Der Motor kann genauso hoch drehen,
wie es die mechanischen Komponenten des einzelnen Einzylinders erlauben. Beim Zweizylinder mit einem
Liter Gesamthubraum beträgt der Einzelhubraum logischerweise 500 cm3, und der schafft nicht so hohe Drehzahlen. Die Maximaldrehzahl wird
bei großen Einzelhubräumen neben der Mechanik zudem durch den
Gaswechsel eingeschränkt. Riesige Zylinder lassen sich naturgemäß schwieriger füllen, auch läuft die
Verbrennung wegen der begrenzten Flammgeschwindigkeit nicht so günstig ab. Ein Mehrzylinder ist einem
Einzylinder gleichen Hubraums folglich grundsätzlich überlegen.
Viel Drehzahl braucht wenig Masse
Nur mit leichten Motorteilen lassen sich höchste Drehzahlen erzielen. Die mechanische Grenze setzen vor allem die hin- und hergehenden Massen.
Neben dem Kurbeltrieb, der sich aufgrund der hohen Massenkräfte irgendwann selbst zerlegen würde, in entscheidendem Maß der Ventiltrieb. Ab einer bestimmten Drehzahl können die Ventile nicht mehr den Nockenprofilen folgen, dann kommt es zu ungesundem Klappern, im weiteren Verlauf zum Kollaps. Daher tut man alles, die oszillierenden Massen klein zu halten. Man braucht leichte Ventile, deshalb wird neuerdings 40 Prozent leichteres Titan statt Stahl eingesetzt. Für eine gute Füllung benötigt man andererseits viel Ventilfläche. Daher macht es Sinn, die Fläche auf mehrere Ventile zu verteilen. Vier- oder Fünfventiler sind drehzahlfester als vergleichbare Zweiventiler.
Drehen lassen ist ungesund
Stimmt nur teilweise. Vor zehn,
zwanzig Jahren waren die Motoren hinsichtlich Werkstoffen und Konstruktion noch nicht so weit entwickelt, damals war mehr Gefühl vom Fahrer gefragt. Zumal früher kein
Begrenzer wilden Drehzahlorgien Einhalt bot. Heute schaden hohe Drehzahlen den Motoren kaum noch. Auf der anderen Seite können niedrige Drehzahlen und ein hohes Drehmoment die Innereien des Motors sowie den gesamten Antriebsstrang enorm belasten. Sackt die Drehzahl unter ein gewisses Niveau, peitscht und schlägt die Kette, gibt es ungesunde Geräusche aus dem Getriebe. Erschwerend kommt hinzu, dass die Ölversorgung und die Kühlung bei niedriger Drehzahl weniger effektiv arbeiten.
Hohe Drehzahlen verlangen eine kräftige Dimensionierung
Im Gegenteil: Viel Drehmoment
belastet die gesamte Mechanik des Antriebstrangs am meisten. Denn
bei geringen Drehzahlen ist der Drehmomentverlauf durch die großen
zeitlichen Abstände der Arbeitstakte ungleichförmiger, für die Spitzen
müssen besonders Getriebe und Kupplung kräftig dimensioniert werden. Man wundert sich, wie klein die Kupplung eines Formel-1-Motors ist, der 900 PS bei 18000/min leistet.
Ein linearer Leistungsanstieg kommt am besten
Genau umgekehrt: Ein Drehmomentloch führt oft dazu, dass der Anstieg danach umso spektakulärer empfunden wird. Beispiel: Eine Aprilia RSV mille gönnt sich im mittleren Bereich einen Durchhänger, darüber legt
der V2 mit Macht zu. Die subjektive Wahrnehmung wird beim Beschleunigen weniger durch absolute Werte
geprägt, sondern eher durch den Leistungsanstieg. Ein Motorrad mit linearem Leistungsverlauf wirkt zunächst unspektakulärer, auch wenn es immer und überall mehr Leistung besitzt.
Die Durchzugswunder
Durchzug hat ganz gewiss etwas mit dem Drehmomentverlauf zu tun, ohne Kraft im Keller geht da nichts. Beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen wirkt sich jedoch eine weitere, ganz entscheidende Komponente aus: die Übersetzung. Hubraumstarke
Naked Bikes etwa sind nicht auf hohe Endgeschwindigkeit übersetzt, denn keiner fährt ohne Verkleidung 250 km/h. Dementsprechend kurz kann der letzte Gang übersetzt werden. Das wiederum hebt das Drehzahlniveau in allen Gängen, das Motorrad wirkt nicht nur dynamischer, es beschleunigt bei vergleichbarem Drehmomentverlauf tatsächlich besser – weil mehr Drehzahl respektive Leistung zur Verfügung steht. MOTORRAD ermittelt Durchzugswerte im letzten Gang ab 60 km/h. Eine Vmax dreht dabei immerhin schon 2400/min, während die Kurbelwelle einer lang übersetzten GSX 1400 nur mit 1800/min rotiert und im direkten Vergleich somit deutlich schlechtere Karten hat.

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