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PS Technik-Serie Teil 6 Primärantrieb und Kupplung

Primärantrieb und Kupplung schaufeln die Drehmomentberge von der Kurbelwelle zum Getriebe. Eine Aufgabe, die nur mit raffinierten Tricks zu stemmen ist.

Bei der Konstruktion des Primärantriebs wählten die Hersteller unterschiedliche Wege. Vor dem großen Motorradboom Anfang der 1970er-Jahre wurden oftmals Duplex- oder gar Triplex-Rollenketten verwendet, die direkt zwischen Kurbelwelle und Kupplung installiert waren. Diese im Ölbad laufenden Kettenantriebe waren zwar nicht immer ganz störungsfrei – so manche abgeplatzte Rolle fand sich im Ölsumpf wieder – hatten aber den Vorteil einer guten Eigendämpfung und ließen sich schnell und kostengünstig tauschen.

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Einfache, aber robuste Stirnräder

Eine andere Lösung für den Primärantrieb – er senkt die Drehzahl im gleichen Maße, wie er das wirksame Drehmoment erhöht – sind einfache, aber robuste Stirnräder. Sie finden bei fast allen modernen Ein- und Zweizylindermotoren bis heute Verwendung. Um bei den kleinen Zahnraddurchmessern die Zahnflanken nicht über Gebühr zu strapazieren, wurden bis Ende der 70er-Jahre schräg verzahnte Primärantriebe gebaut.

 

Die Vorteile dabei: Die um zirka 20 Grad schräg angeordneten Zähne greifen kontinuierlicher ein, laufen leise ab und können bei gleicher Baugröße mehr Drehmoment übertragen als gerade verzahnte Konstruktionen. Der Nachteil: Bei der Krafteinleitung auf die schrägen Zahnflanken entstehen Seitenkräfte, weshalb bei solchen Motoren Kurbel- und Getriebewellen axiale Kräfte aufnehmen müssen, die zu leichten Reibungsverlusten führen. Da die Schrägverzahnung auch in der Herstellung teurer ist, werden heute überwiegend gerade verzahnte und größer dimensionierte Antriebe verwendet. Der Nachteil der höheren Geräuschentwicklung wird oft durch den Trick mit vorgespannten, zweiteiligen Zahnrädern kompensiert. Diese sorgen dafür, dass das Zahnflankenspiel, also der Abstand der Zähne zweier ineinandergreifender Zahnräder, unter allen Umständen – kalter Motor, heißer Motor, Last- oder Schiebebetrieb – auf fast null reduziert wird.

PS Technik Serie

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Kurbelwange gleichzeitig als Zahnrad ausgebildet

Mit dem ersten modernen Großserien-Vierzylindermotor mussten sich die Techniker eine Lösung einfallen lassen, welche die große Baubreite des Motors mit dem relativ schmalen Fünfgang-Klauengetriebe in Einklang brachte. Die Kraft einfach vom Kurbelwellenstumpf auf die Kupplung überzuleiten, war jetzt nicht mehr möglich. Um die Laufrichtung der im Regelfall nach vorn drehenden Kurbelwelle bis zum Getriebeausgang wieder in Fahrtrichtung umzukehren, koppelte man die Kurbelwelle durch eine Zahnkette mit einer zusätzlichen Vorgelegewelle (siehe Schnittzeichnung in der Bildergalerie). Denn im Gegensatz zu einem Zahnradprimärantrieb, bei dem sich die Laufrichtung umkehrt, drehen sich bei einer Kette beide Wellen in die gleiche Richtung.

Dieses Problem wurde gelöst, als man bei den Vierzylindern daran ging, eine der mittleren Kurbelwangen gleichzeitig als Zahnrad auszubilden (Foto in der Bildergalerie), womit sich der mechanische Aufwand dramatisch verringerte. Denn bei einem kompakten und leichten Antrieb mit Zweiwellengetriebe muss die Laufrichtung nur einmal umgekehrt werden (Kurbelwelle vorwärts, Eingangsgetriebewelle rückwärts, Ausgangsgetriebewelle/Ritzel vorwärts). Kein Wunder, dass sich dieses Prinzip, das Kawasaki bereits 1972 in der legendären 900 Z1 anwendete, bei den Mehrzylinder-Reihenmotoren fest etabliert hat.

Fest etabliert hat sich auch die Lösung des Ruckdämpfers im Zahnrad des Kupplungskorbs (Foto in der Bildergalerie). Dieses sitzt drehbar gelagert auf der Nabe und stützt sich auf Schraubenfedern oder Gummilagern am Korb ab. Jede harte Drehmomentspitze, die der Motor in den Antrieb jagt, bewirkt, dass der Kupplungskorb gegen den Federdruck diese Kraftspitze abbaut. Zusätzlich dämpft ein leichter Schlupf (bis zu 100 Kurbelwellenumdrehungen pro Minute bei maximalem Arbeitsdruck) in der Kupplung die Spitzen der Antriebskräfte. Nur so überleben Primärantrieb und Getrieberäder die Attacken der Verbrennungsmaschine auch über zigtausend Kilometer.

Zweizylinder dreschen auf die Zahnräder ein

Und wozu der ganze Aufwand? Weil die Motorleistung kein glatt gebügeltes Drehmomentband, sondern eher ein mit enormen Drehkraftspitzen ausgebildetes Gebirge darstellt, müssen Primärantrieb und Kupplung das Material mordende Hammerwerk besänftigen. Gehen die relativ gleichförmigen Vierzylinder-Sportmotoren noch schonend zur Sache, dreschen die Zweizylinder einer Ducati oder KTM auf die Zahnräder ein, zerren und biegen mit brutalen Drehmomentspitzen an Kupplung und Getriebewellen. Der Grund für die extreme Belastung: Während beim Vierzylinder das Drehmoment des Verbrennungstaktes gleichmäßig verteilt nach jeder halben Kurbelwellenumdrehung auf den Antrieb einwirkt, hämmert ein Zweizylinder mit nahezu doppelter Kraft auf den Kurbeltrieb ein, um danach, bedingt durch den Gaswechsel (Ansaugen und Verdichten), regelrecht abzubremsen und mit dem nächsten Arbeitstakt aufs Neue Schwung zu holen. Dieser ungleichförmige Motorlauf baut, speziell in unteren und mittleren Drehzahlen, enorm hohe Belastungen im Antriebsstrang auf.

Und genau diese Drehkraftschwankungen sind es, die speziell bei Sportmotorrädern ein ganz anderes Problem auslösen: das Hinterradstempeln beim Bremsen und gleichzeitigem Herunterschalten. Mit den sogenannten Anti-Hopping-Kupplungen, kurz AHK, wird das zu hohe Bremsmoment des Motors reduziert, das Hinterrad hält den Kontakt zur Straße, und das Motorrad lässt sich sauber und gefahrlos einlenken. Sobald die Bremswirkung des Motors einen gewissen Grad übersteigt, drückt eine simple Mechanik aus Rampen und Gegenrampen die Kupplungsscheiben gegen den Druck der Federn auseinander (Fotos siehe Bildergalerie). Und zwar so weit, dass die Kupplung leicht durchrutscht, der Motor aber noch eine ausreichende Bremswirkung aufs Hinterrad ausübt, ohne dass dieses anfängt zu springen. Je nach Motorbauart und entsprechendem Bremsmoment werden die Winkel der Rampen festgelegt. Flache Rampen lösen die Kupplung früher und sensibler aus als steile. Um die Reibung im System zu reduzieren, arbeiten die Rampen bei vielen AHK-Rennkupplungen mit Rollen oder Kugeln. AHKs können bei Nass- wie bei Trockenkupplungen verwendet werden. Wobei die Nasskupplung, auch Ölbadkupplung genannt, am häufigsten verbaut wird und selbst bei Supersportmotoren die rasselnden Trockenkupplungen längst abgelöst hat.

Die Vorteile der Ölbadkupplung: Bessere Dosierbarkeit dank des über die Getriebewelle eingebrachten Motoröls, das die Kupplung auch kühlt und einem Überhitzen bei Volllast-Starts vorbeugt. Die Reibscheiben sind meist aus einem organischen Material gefertigt, das zwar hitzeempfind-licher ist als Sintermetall, dabei aber keine zerstörerischen Auswirkungen auf die Lagerstellen im Motor hat.

Fast keine Pantschverluste bei modernen Sportmotoren

Bedingt durch den weit über dem Ölstand angebrachten Kupplungskorb haben moderne Sportmotoren so gut wie keine Pantschverluste (= Widerstand von Bauteilen, die im Ölbad rotieren oder oszillieren) mehr. Um bei kaltem, zähem Motoröl ein optimales Auslösen der Ölbadkupplung zu garantieren, berechnet man den Ausrückweg des Kupplungspakets (Fachjargon: Lift) mit etwa 0,2 bis 0,3 Millimetern pro Reibscheibe Zusätzlich werden oftmals dünne Tellerfedern zwischen die Reibscheiben gepackt, die ein Verkleben der Kupplung mit Öl vermeiden sollen.

Sonderbauarten sind die Ein- oder Zweischeiben-Trockenkupplungen, die zum Beispiel bei den BMW-Boxern (außer an der aktuellsten Version) und den V2-Guzzi-Motoren verwendet werden.

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