Was passiert bei Vollgas? (Archivversion)

Momentaufnahmen

Wenn rot glühende Ventile mit aller Wucht hundert-mal pro Sekunde auf ihren Sitz knallen, Kolben unter der Last von Tonnen ächzen und der Hinterreifen fast am Schmelzen ist, dann läuft der ganz normale Wahnsinn: Vollgas bei Höllentempo 270.

Den lauen Sonntagmorgen hatte sich die kleine Motte anders vorgestellt. Auf dem Heimweg vom Lichterfest geriet das Tierchen – schwups – in die Nüstern eines fürchterlichen Raubtiers. Verzweifelt klammerte es sich an einem Gitter fest, doch die Strömung riss es erbarmungslos mit. Die Motte fand ihr Ende in den Waben des Luftfilters.Von derlei Dramen ahnt Kai K. nichts. Geduckt hinter der Verkleidung seiner schnittigen GSYZR-1000, einem Vierzylinder-Supersportmotorrad mit 160 PS aus einem Liter Hubraum, gibt er Vollgas, 270 km/h stehen auf der Uhr, die Welt fliegt mit 75 Metern in jeder Sekunde an ihm vorüber. Logisch, dass unsere kleine Motte dieser Gewalt nicht gewachsen war. Stehen die Drosselklappen bei 12000/min auf Durchzug, verschwinden bei modernen, leistungsstarken 1000er-Vierzylindern gut 100 Liter Luft pro Sekunde im Ram-Air-Schlund, werden vom Luftfilter penibel gereinigt, in der Airbox auf vier Einlasskanäle verteilt und zischen am Engpass zwischen Ventilteller und Ventilsitz (siehe Foto Seite 18/1) mit Überschallgeschwindigkeit in die Zylinder. Das heißt: schneller als 330 Meter pro Sekunde oder 1188 km/h.Hurtig, hurtig, das Ganze. Muss aber so sein, denn für jeden Einlasstakt stehen nur ziemlich genau drei Tausendstelsekunden zur Verfügung. Eigentlich nicht vorstellbar, aber Realität. Randvoll mit Benzin-Luft-Gemisch befüllt, rammt der Kolben im Verdichtungstakt die explosive Ladung innerhalb von 2,5 Tausendstelsekunden auf etwa ein Zwölftel seines Volumens zusammen, macht rechnerisch zwölf bar, wegen des Temperaturanstiegs des Frischgases ist der Druck aber deutlich höher. Allein durch den Kompressionsvorgang und die Umgebungstemperatur von Kanälen, Brennraum und Zylinder erhitzt sich das Gemisch auf rund 500 Grad Celsius, bevor es kurz vor dem oberen Totpunkt durch den aufs Grad genau zündenden Funken zur Explosion gebracht wird. Im Brennraum steigt die Temperatur schlagartig auf 3000 Grad Celsius, der Druck auf Kolben, Kolbenringe, Zylinderkopfdichtung und Ventile auf 90 bar. Anschaulicher ausgedrückt: Die Kraft auf den 73 Millimeter großen Kolben sowie das Pleuel mitsamt Kurbelwelle beträgt ziemlich exakt 3,7 Tonnen. So viel wiegt ein voll beladener Kleintransporter.Kein Wunder, dass sich der Kolbenbolzen unter einer solchen Last um 25 tausendstel Millimeter durchbiegt. Selbst die Seitenkraft, mit der der Kolben als Folge des schräg stehenden Pleuels an die Zylinderwand gepresst wird, erreicht im Arbeitstakt 2000 Newton, was einer Gewichtskraft von 200 Kilogramm entspricht. Noch bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat, öffnen die Auslassventile, das Inferno beginnt abzuebben, der Arbeitsdruck bricht zusammen.Bei der folgenden Aufwärtsbewegung befördert der Kolben die heißen Abgase in Richtung Auspuffkrümmer. Für die Ventile ein Tanz in der Hölle, denn sie werden auf gut 800 Grad erhitzt und hämmern rot glühend zurück auf ihren Sitz. Da ist auch hochwertigster Stahl extrem gestresst. Nur ein hochlegierter Chrom-Nickel-Stahl, im Bereich der Ventilsitze zusätzlich gepanzert, übersteht solche Tortouren, ohne die Biege zu machen. Damit die erhitzten Motorenbauteile nicht in Rauch aufgehen, schaufelt die Wasserpumpe pro Sekunde rund zwei Liter Wasser durch die Kühlkanäle von Zylinder und Kopf. Auf dem Weg zum oberen Totpunkt angekommen, wartet auf den Kolben die nächste Zerreißprobe. Innerhalb von 25 Millimeter Hub wird er von seinen fast 134 km/h Höchstgeschwindigkeit bis zum absoluten Stillstand abgebremst und vom Pleuel mit aller Gewalt wieder in die Tiefe gerissen (Beschleunigung: 55450 m/s2). Die dabei entstehenden Massenkräfte des 220 Gramm schweren Kolbens erreichen rund 12200 Newton, also mehr als eine Tonne Gewichtskraft, die das massive Stahlpleuel um acht tausendstel Millimeter in die Länge zieht. Echte Marathon-Qualitäten in Sachen Laufleistung: Jeder einzelne Kolben mitsamt Kolbenringen gleitet im Zylinder auf 10000 Kilometer Fahrstrecke selbst bei Landstraßentempo 2800 Kilometer auf und ab, ohne dass dabei ein nennenswerter Verschleiß festzustellen wäre. Diese vier Arbeitstakte, die mit 4682 Worten beschrieben und in etwa drei Minuten gelesen sind, legen den Grundstein für Drehmoment und Leistung. Allerdings läuft der beschriebene Arbeitsprozess in einer Hundertstelsekunde ab und wiederholt sich 6000-mal pro Minute, also mit der halben Drehzahl. Das Pleuel ist es dann, das die geradlinige Bewegung des Kolbens über den Hubzapfen in die Rotation der Kurbelwelle umsetzt. Somit entsteht das Drehmoment von mehr als 100 Newtonmeter. Auch in den Tiefen des Motorraums biegen und dehnen sich hochfeste, geschmiedete Stahlkonstruktionen unter der rasanten Dynamik. Hier, gleichsam im Hinterhof der Hölle, entstehen neben der elementaren Drehbewegung die Vibrationen. Denn kein Massenausgleich der Welt ist in der Lage, einem Hubkolbenmotor den schmeichelnd runden Lauf einer Turbine anzuerziehen. Gott sei Dank, schließlich sind neben dem Sound aus der Abteilung »Feuer und Flamme« genau diese Lebenszeichen dafür verantwortlich, dass Motorradfahren noch einen ziemlich greifbaren Bezug zur puren Mechanik herstellt. Gut geschmiert geht es weiter im Takt. Nächste Station: der Primärantrieb, der die Leistung über zwei unterschiedlich große Zahnräder an die Ölbadkupplung weiterreicht. Von den 12000 Kurbelwellen-Umdrehungen bleiben lediglich noch 7730 übrig, dafür nimmt das Drehmoment in gleichem Maße auf 163 Nm zu. Leider frisst das Zahnradpärchen ein paar PS auf, rund zwei Prozent der Kurbelwellenleistung gehen in Form von Reibung verloren. Macht aber nix, sind ja ausreichend PS vorhanden. So viel, dass die Flanken der Getriebezahnräder des sechsten Gangs mit mehr als 5000 Newton zusammengepresst werden. Als Antwort auf diese Qual machten bei einigen Langstrecken-Testmotorrädern die Getrieberäder wegen Ausbrüchen an der Oberfläche, so genanntem Pitting, die Grätsche. Im sechsten Gangradpaar verrauchen nochmals rund zwei Prozent Leistung, bevor die Getriebe-Ausgangswelle das Drehmoment ins Freie leitet. Mit einer Drehzahl von nun noch 6400 Umdrehungen, aber einem Drehmoment von stattlichen 193 Nm übernimmt die Rollenkette dort die Transmission. Kein leichtes Spiel, 4500 Newton, also eine Gewichtskraft von 450 Kilogramm, zerren an der filigranen Konstruktion. Nur 5,2 Millimeter messen die Bolzen, die dank O-Ringen dauerhaft geschmiert sind. Mit 104 km/h rauscht dabei die Antriebskette über die Zähne von Ritzel und Kettenrad. Eine weitere Meisterleistung: Auf 10000 Kilometer Fahrstrecke legt die Kette 3850 Kilometer zurück. Allein deshalb sollte man diesem Bauteil regelmäßig ein geeignetes Schmiermittel zukommen lassen. Und noch eine Bemerkung am Rande: Als die ersten »Power-Bikes« vom Schlag einer Kawasaki Z 900 mit etwa 80 PS vor gut 30 Jahren auf den Markt kamen, gehörten gerissene Antriebsketten und dadurch zerschlagene Motorgehäuse zum Alltag in Deutschlands Motorradwerkstätten. Letzte Station bei der Expedition ins Reich der Kräfte und Momente: der Hinterreifen. Ein schwarzer Ring aus Gummi und Gewebe. Eigentlich nichts Aufregendes, bei 270 km/h jedoch ein weiteres Bauteil, das gewaltigen Kräften ausgesetzt ist und überdurchschnittlich schnell verschleißt. Der Grund: Während die mechanischen Innereien die Kraftübertragung stets mit unverrückbaren, formschlüssigen Bauelementen wie Pleuel, Kurbelwelle oder Zahnrädern bewerkstelligen, ist die Übertragung der restlichen 150 PS auf den reinen Kraftschluss zwischen Reifen und Fahrbahn angewiesen. Eine Verzahnung findet nur im Mikrobereich statt, Schlupf ist programmiert. Ein anstrengender Job für den Reifen. Wie bereits erwähnt, steigt das Drehmoment des Motors, gemessen an der Kurbelwelle, mit jeder Übersetzung an. In unserem Beispiel verwandelt die Transmission im sechsten Gang ursprüngliche 107 Newtonmeter an der Kurbelwelle in 470 Newtonmeter am Hinterrad. Und die erzeugen am Radaufstandspunkt die so genannte Zugkraft, die in Verbindung mit Gewicht, Aerodynamik und Rollwiderstand die Fahrleistungen ausmacht. Im Fall von Kai K. und seiner GSYZR-1000 schieben satte 1450 Newton Ross und Reiter durch den Wind. Dabei beißt sich der Reifengummi durch die Radlast von rund 150 Kilogramm im Asphalt fest. Allerdings mit einer gewissen Einschränkung. Mit rund 4,5 Prozent Schlupf bewegt sich der Hinterreifen bei Tempo 270 etwa 3,4 Meter in der Sekunde relativ zur Fahrbahn. Zu Deutsch: Ähnlich wie bei einem Burnout dreht er pro Sekunde eineinhalb Umdrehungen durch und legt auf einer Fahrstrecke von 100 Kilometern ganze 104,5 Kilometer zurück, also 4,5 Kilometer mehr als das antriebslose, geschobene Vorderrad. Weshalb Kai K. bei seiner stürmischen Fahrt einen deutlich sichtbaren schwarzen Streifen in die Landschaft pinselt. Wie wir aus der Schule wissen, erzeugt Reibung Wärme und bei schmutzigen Händen kleine, schwarze Würstchen. Nicht anders beim Reifen, der bei einer Gummitemperatur von etwa 100 Grad und einer Zentrifugalkraft von 270 Newton an jedem einzelnen Gürtelfaden am absoluten Grenzbereich angelangt ist. Noch vor wenigen Jahren hätten solche Experimente mit dem Exitus des Reifens geendet, bei dem sich Teile der Lauffläche vom Gürtel abgelöst hätten. Kai K. hingegen wird von den lebensgefährlichen Mätzchen verschont und wundert sich nur darüber, dass der neue Gummi bereits nach 1000 Kilometer zum profillosen Slick mutiert. Und auch sonst ist an seinem Donnerbolzen alles paletti. Kein Ölverbrauch, keine Klappergeräusche aus dem Motor, keine gerissene Kette, kein Garnix. »Warum auch?« fragt sich Kai. Ein halbes Stündchen Vollgas, da ist doch nichts dabei.
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Vollgas: Was passiert dabei? (Archivversion)

Einlasstakt: Durch die Abwärtsbewegung saugt der Kolben Frischgas durch das geöffnete Einlassventil (rechts) an. Zwischen Sitz und Ventilteller erreicht der Gasstrom bei 12000/min Überschallgeschwindigkeit. Die Öffnungszeit der Ventile beträgt dann zirka drei Tausendstelsekunden

Vollgas: Was passiert dabei? (Archivversion)

Verdichtungstakt: Bei der Aufwärtsbewegung verdichtet der Kolben die 250 cm3 Zylindervolumen auf etwa 20 cm3. Alle Ventile sind geschlossen, die Temperatur der Ansaugluft steigt auf zirka 500 Grad. Kurz vor dem oberen Totpunkt entflammt der Zündfunke das Gemisch

Vollgas: Was passiert dabei? (Archivversion)

Arbeitstakt: Durch die Verbrennung entsteht ein Druck von rund 90 bar, der auf die Kolbenfläche mit etwa 3,7 Tonnen wirkt und über das Pleuel und den Hubzapfen der Kurbelwelle das Drehmoment erzeugt. Der Kolben wird dabei mit maximal 2000 N an die Zylinderlaufbahn gepresst

Vollgas: Was passiert dabei? (Archivversion)

Auslasstakt: Bei der Aufwärtsbewegung presst der Kolben die heißen Abgase durch die Auslassventile (links), die sich bis zur Rotglut (über 800 Grad) erhitzen. In dieser Position des Pleuels erreicht der Kolben 134 km/h, die bis zum oberen Totpunkt auf null abgebremst werden müssen

Drehmoment (Archivversion)

Das Drehmoment (siehe Technik-Lexikon) entsteht beim Hubkolbenmotor durch die Verbrennung, bei der das expandierende Kraftstoff-Luft-Gemisch extreme Drücke auf den Kolbenboden ausübt. Der Verbrennungsdruck, der auf den Kolben wirkt, ergibt eine Kraft, die das Pleuel auf den Hebelarm der Kurbelwelle überträgt. Das Drehmoment eines Motors summiert sich aus den Drehmomenten der einzelnen Zylinder und gibt einen Durchschnittswert an. Da es nur während des Arbeitstakts wirkt, poduziert ein Einzylinder sein Drehmoment sehr ungleichförmig und benötigt eine große Schwungmasse. Je mehr Zylinder ein Motor hat, umso gleichmäßiger ist seine Drehmomentabgabe.

Vollgas: Was passiert dabei? (Archivversion) - Technik-Lexikon

Leistung: Wird in Kilowatt, früher PS, angegeben. Sie ist das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl. P = M x n : 9550; P in kW, n in 1/min, M in Nm. Historische Herleitung: Ein PS ist notwendig, um 75 kg in einer Sekunde einen Meter hoch zu heben. 1 kW = 1,36 PS. Drehmoment: In Newtonmeter oder Kilopondmeter angegeben. Der auf die Kolbenfläche wirkende Verbrennungsdruck erzeugt eine Kraft, die über das Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen wird und über deren Hebelarm, dem halben Hub, ein Drehmoment erzeugt. Ein Hebelarm von einem Meter Länge, der mit einem Kilogramm belastet ist, erzeugt ein Drehmoment von zehn Newtonmeter. Umrechnung: 1 Nm = 0,102 kpm. Übersetzungsverhältnis: Im Antriebsstrang nimmt die Motordrehzahl in den verschiedenen Übersetzungsstufen (Primärantrieb, Getriebe, eventuell Vorgelege, Sekundärantrieb) ständig ab. Dabei steigt das Drehmoment umgekehrt proportional an. Mittlerer Arbeitsdruck: Ist eine Kenngröße für den auf die Kolben eines Motors wirkenden Druck, über deren Fläche eine Kraft und über den Hebelarm der Kurbelwelle das Drehmoment entsteht. Deshalb sind mittlerer Arbeitsdruck und Drehmoment zueinander direkt proportional. Maximaler Arbeitsdruck: Ist der im Arbeitstakt auf den Kolben wirkende Druck. Er liegt im Bereich des oberen Totpunkts. Beschleunigung: Einheit m/s2, gibt die Geschwindigkeitsänderung eines Körpers in Abhängigkeit von der Zeit an. 9,81 m/s2 entsprechen der Erdbeschleunigung von einem g, die auf jeden Körper wirkt. Kräfte: Die Kräfte hängen von der Masse eines Körpers und der Beschleunigung ab, die auf ihn wirkt. F = m x a; F in N, m in kg, a in m/s2.Zugkraft: Ist die Antriebskraft in der Aufstandsfläche des Hinterreifens. Sie resultiert aus dem Antriebsmoment am Hinterrad und dem wirksamen Radhalbmesser und ist in Verbindung mit Parametern wie der Fahrzeugmasse und dem Luftwiderstand entscheidend für die Fahrleistungen.

Leistung (Archivversion)

Die Leistung eines Verbrennungsmotors (siehe Technik-Lexikon) hängt unmittelbar von seinem Drehmoment und der dazugehörigen Drehzahl ab und lässt sich aus diesen beiden Größen sowie einem Umrechnungsfaktor direkt ermitteln. Durch den Zusammenhang von Drehmoment und Leistung muss ein Motor, der bei gleicher Drehzahl mehr Drehmoment besitzt als ein anderer, konsequenterweise auch mehr Leistung abgeben und umgekehrt.

Zugkraft (Archivversion)

Die Zugkraft treibt das Motorrad in der Aufstandsfläche des Hinterreifens an und bestimmt die Fahrleistungen. Vor allem in den unteren Gängen steht bei modernen 1000er-Supersportlern weit mehr Zugkraft zur Verfügung, als übertragbar ist. Selbst bei voller Beschleunigung mit entsprechender dynamischer Radlastverlagerung (Wheelie) beträgt die Hinterradlast samt Fahrer 280 Kilogramm, die Zugkraft übersteigt aber locker die 3000-Newton-Marke.

Was passiert bei Vollgas? (Archivversion)

Was passiert bei Vollgas?
Berechnungsbasis: Vierzylinder, Hubraum 988 cm3, Bohrung 73 mm, Hub 59 mm Max. Leistung: 160 PS an der Kurbelwelle und 150 PS am HinterradMax. Drehmoment: 107 Nm an der KurbelwelleMax. Drehzahl Kurbelwelle: 12000/min, entspricht 200/sek Drehzahl Kupplung*: 7730/min (Drehmoment 163 Nm)Drehzahl Kettenritzel im sechsten Gang*: 6400/min (Drehmoment 193 Nm)Drehzahl Hinterrad*: 2420/min (Drehmoment 467 Nm) Arbeitstakte pro Zylinder*: 100/sekÖffnungszeit der Ventile pro Arbeitstakt*: zirka 3/1000 sekAngesaugte Luftmenge*: zirka 100 Liter/sekVerbrauch*: zirka 0,013 Liter/sek Mittlere Kolbengeschwindigkeit*: 23,6 m/sek, entspricht 85,0 km/hMax. Kolbengeschwindigkeit*: 37,1 m/s, entspricht 133,6 km/hMittlere Verzögerung des Kolbens*: 55450 m/s2Massenkraft des Kolbens*: 12200 N Max. Seitenkraft am Kolben bei zirka 75 Grad nach OT: 2000 N Max. Verbrennungsdruck im Zylinder: zirka 90 bar Max. Gaskraft: 36953 N Max. Temperaturen am Kolben: zirka 280 Grad Celsius am FeuerstegMax. Temperatur an den Einlassventilen: zirka 400 Grad Celsius Max. Temperatur an den Auslassventilen: zirka 800 Grad Celsius (rot glühend)Max. Abgastemperatur 200 mm nach den Auslassventilen: zirka 700 GradUmfangsgeschwindigkeit der Kette**: 104 km/h Max. Temperatur am Hinterreifen**: zirka 100 Grad an der Oberfläche Fliehkräfte am Reifen**: zirka 270 N pro umlaufendem GürtelfadenTatsächliche Umfangsgeschwindigkeit am Reifen**: 282 km/hArbeitszyklen pro Laufleistung***: 12000000/Zylinder Umdrehungen/Kolbenhübe***: 24000000/48000000/Zylinder Zurückgelegter Weg des Kolbens im Zylinder***: 2800 Kilometer Zurückgelegte Kilometerleistung der Kette***: 3850 Kilometer

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