Ausgleichswelle

Eine Ausgleichswelle ist eine gewichtete, vom Motor angetriebene Welle, die im Inneren des Motors eingebaut wird, um gezielt die Schwingungen auszugleichen, die seine Bauform zwangsläufig erzeugt. Sie existiert, weil bestimmte Zylinderanordnungen, allen voran der Reihenvierzylinder, im Betrieb Kräfte hervorrufen, die Kurbelwelle und Gegengewichte allein nicht aufheben können. Unbehandelt würden diese Kräfte als störendes Brummen in den Innenraum dringen, weshalb die Ausgleichswelle hinzugefügt wird, um den Lauf des Motors zu glätten und ihn der Laufkultur bauartbedingt ausgeglichener Konstruktionen anzunähern.

Die Schwingung, die sie bekämpft, ist die sekundäre Unwucht eines Vierzylindermotors. Wenn die Kolben auf- und abgehen, bewegen sie sich nicht in vollkommen harmonischer Bewegung, weil das Pleuel in einem Winkel ausschwingt und die Kolben dadurch nahe dem oberen Totpunkt etwas schneller beschleunigen als nahe dem unteren. Das Ergebnis ist eine auf- und abgerichtete Schüttelkraft, die mit der doppelten Motordrehzahl auftritt und durch Gegengewichte an der Kurbelwelle nicht beseitigt werden kann. Die klassische Lösung, die Mitsubishi in den 1970er-Jahren aus einem älteren Lanchester-Patent verfeinerte, sind zwei Ausgleichswellen, die sich mit doppelter Kurbeldrehzahl gegenläufig drehen und deren exzentrische Gewichte so abgestimmt sind, dass sich ihre vertikalen Kraftanteile zur Unwucht addieren und ihr entgegenwirken, während ihre horizontalen Anteile einander aufheben.

Antrieb und Phasenlage sind entscheidend. Die Welle oder das Wellenpaar wird von der Kurbelwelle über Zahnräder, eine Kette oder einen Zahnriemen angetrieben und muss mit einem genauen Vielfachen der Motordrehzahl und in exakt der richtigen Winkelstellung zu den Kolben laufen. Stimmt die Steuerzeit auch nur geringfügig nicht, fügt die Welle Schwingung hinzu, statt sie zu beseitigen. Die gewichteten Nocken liegen meist tief im Kurbelgehäuse, oft teilweise nahe dem Öl eingetaucht, und ihre Masse und ihr Versatz sind so berechnet, dass sie der Größe der auszugleichenden Kraft entsprechen.

Ausgleichswellen finden sich am häufigsten bei größeren Vierzylindermotoren, bei denen die sekundären Kräfte mit Bohrung und Hub zunehmen, sowie bei manchen V6-Motoren, bei denen eine ungleichmäßige Zündfolge ein Wankmoment erzeugt, das eine einzelne Ausgleichswelle bändigen kann. Kleinere Vierzylinder verzichten mitunter darauf, um Kosten, Gewicht und Reibung zu sparen, und nehmen dafür etwas mehr Vibration in Kauf. Bauartbedingt ausgeglichene Anordnungen wie der Reihensechszylinder, der Boxersechszylinder und viele V12 weisen dagegen keine nennenswerte primäre oder sekundäre Unwucht auf und benötigen daher keinen Ausgleich.

In der Praxis ist eine Ausgleichswelle ein leises, wartungsarmes Bauteil, doch sie ist nicht umsonst zu haben. Sie verbraucht durch Reibung und die Trägheit des Hochdrehens etwas Leistung, und bei riemen- oder kettengetriebenen Ausführungen muss ihr Antrieb wie jede andere Steuerkomponente gewartet werden. Manche Motoren litten unter vorzeitigem Verschleiß der Ausgleichswellenlager oder -kette, was bei Vernachlässigung zu Öldruckproblemen führen kann. Das Bauteil stellt somit einen technischen Kompromiss dar: ein bewusstes Hinzufügen von Masse und Komplexität, das in Kauf genommen wird, weil der Gewinn an Laufruhe einer ansonsten wirtschaftlichen Bauform den Aufwand wert ist.