Hubmotor: Funktionsprinzipien, Selbstbau und häufige Verwendung

Die Effizienz und Zuverlässigkeit vieler moderner Maschinen, darunter auch in der Landwirtschaft und im Transportwesen, beruht auf den leistungsstarken Hubkolbenmotoren. Sie treiben die Industrie kontinuierlich an, indem sie Kraftstoff durch Kolbenbewegungen in mechanische Energie umwandeln.

In diesem Leitfaden erklären wir Ihnen, was ein Hubmotor ist und welche Typen es gibt, darunter Zweitakt- und Viertaktmotoren . Wir erläutern außerdem die Funktionsweise und die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Hubmotoren und zeigen Ihnen Schritt für Schritt, wie Sie Hubmotormodelle zu Hause mit einem DIY-Motormodellbausatz bauen können . Machen Sie sich bereit, denn wir lüften die Geheimnisse dieser leistungsstarken Motoren!

1) Die Grundlagen von Stroke Engines verstehen

• Was ist eine Stroke Engine?

Ein Hubmotor gehört zur Kategorie der Verbrennungsmotoren, die ihre Leistung durch die vertikale Bewegung eines Kolbens in einem geschlossenen Zylinder erzeugen. Die Bewegung des Kolbens erfolgt in Schritten, den sogenannten Hüben. Jeder Schritt trägt dazu bei, einen vollständigen Arbeitszyklus abzuschließen.

Diese Hubkolbenmotoren erzeugen mechanische Energie zum Antrieb von Fahrzeugen, Werkzeugen und verschiedenen Maschinen.

• Arten von Taktmotoren: 2-Takt-Motor vs. 4-Takt-Motor

Hubmotoren werden anhand der Anzahl der für einen Arbeitszyklus erforderlichen Kolbenbewegungen (Hübe) in zwei Kategorien unterteilt. Jeder Hub beginnt mit einer Ansaug-, Kompressions-, Arbeits- und Auspuffphase. Darüber hinaus werden einige Spezialkonstruktionen wie Wankel- und Sechstaktmotoren, obwohl selten, in Nischenbereichen eingesetzt. Also, los geht‘s!

i) 2-Takt-Motor

A Ein Zweitaktmotor führt einen vollständigen Arbeitszyklus in zwei Kolbenhüben durch – die Auf- und Abbewegung des Kolbens in Richtung Kurbelwelle und eine 360-Grad-Drehung der Kurbelwelle. Jede Kurbelwellenumdrehung erzeugt Leistung. Bei kompakten, schnelllaufenden Maschinen liefert dieser schnelle Zyklus ausreichend Leistung für die Motorgröße.

Zweitaktmotoren sind häufig in Motorrädern, Außenbordmotoren, Kettensägen und kleinen Gartengeräten zu finden, da sie leicht und einfach zu bedienen sind.

Vorteile	Geringeres Gewicht und kleine Größe. Hohe Leistung pro Gewichtseinheit, da bei jeder Umdrehung Leistung gewonnen wird. Die Grundstruktur ermöglicht eine einfache Reparatur und Neumontage vor Ort.
Nachteile	Ineffektive Kraftstoffverbrennung. Verkürzte Lebensdauer der Geräte durch intensive und schnelle Nutzung der Kraftstoffverbrennung. Werkzeuge oder Fahrzeuge mit dieser Konstruktion verursachen mehr Abrieb und Lärm.

ii) 4-Takt-Motor

Ein Viertaktmotor umfasst zwei weitere Kolbenhübe, insgesamt also vier: zwei aufwärts und zwei abwärts, für einen vollständigen Arbeitszyklus. Dies kann über eine Kurbelwellenumdrehung von 720 Grad erreicht werden; bei jeder zweiten Umdrehung wird Leistung erzeugt.

Im Gegensatz zum Zweitaktmotor arbeitet er langsamer, was jedoch zu einem saubereren und kraftstoffsparenderen Betrieb führt. Dieser Motortyp treibt eine Vielzahl von Fahrzeugen an, von Autos und Rasenmähern bis hin zu Generatoren und größeren Motorrädern. Sein gleichmäßiger Zyklus verbessert die Kraftstoffeffizienz und verlängert die Lebensdauer des Motors.

Vorteile	Verbesserte Effizienz der Kraftstoffverbrennung. Reduziert gefährliche Emissionen (grün). Ein ausgeglichener Betrieb erhöht die Lebensdauer des Motors. Geringere Geräuschpegel und ruhigerer Betrieb.
Nachteile	Erhöhtes Gewicht und komplizierteres Design. Zusätzliche bewegliche Komponenten wie Ventile und Nockenwellen. Höhere Wartungskosten und mehr Zeit für die Wartung der Motor.

• Andere Varianten

Zweitakt- und Viertaktmotoren sind die traditionellen Standards, doch einige haben versucht, verschiedene Konzepte zur Leistungssteigerung umzusetzen. Ein gutes Beispiel ist der Sechstaktmotor , der zwei zusätzliche Takte zur Wärmerückgewinnung bzw. „Atmung“ hat – was wiederum den Kraftstoffbedarf reduziert und die Emissionen senkt. Obwohl er noch selten ist, werden Tests für den Einsatz in sauberen Technologien durchgeführt.

Ein weiteres Beispiel ist der Rotationsmotor (auch Wankelmotor genannt), bei dem die Kolben durch einen rotierenden dreieckigen Rotor ersetzt werden. Dieser Motor bietet eine stärkere reduzierte Bewegung und minimierte Komponenten. Diese Motoren werden jedoch eher in Rennwagen und anderen Fahrzeugen wie älteren Mazdas eingesetzt, sodass Dichtungsprobleme und ein hoher Kraftstoffverbrauch eine breitere Verbreitung verhinderten.

2) Funktionsprinzipien von Hubmotoren

Hubmotoren dienen als Antriebsquelle für Geräte, vom Auto bis zum Rasenmäher. Ein Verständnis der Mechanik ihrer Kraftstoff-Bewegungs-Umwandlung ist jedoch unerlässlich, egal ob Sie Enthusiast oder Student sind.

Hauptkomponenten einer Stroke Engine

Bevor wir uns mit der Funktionsweise von Hubmotoren befassen, sollten wir zunächst die für den Betrieb relevanten Schlüsselkomponenten skizzieren.

• Zylinder: Ein hohles Metallrohr, in dem sich ein Kolben befindet, der sich vertikal bewegt.

• Kolben: Ein massives Metallteil, das sich im Zylinder dreht, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu komprimieren und anschließend auszustoßen.

• Kurbelwelle: Es handelt sich um ein Metallgerät mit versetzten Armen und Gegengewichten, das die lineare Bewegung in eine Drehbewegung umwandelt, um die Räder anzutreiben.

• Zündkerze: Auch hier handelt es sich um ein Metallgerät, das die Verbrennung in Benzinmotoren durch Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches startet.

• Ventile (Einlass und Auslass): Regulieren die Luft-Kraftstoff-Zufuhr und die Abgasabgabe.

• Pleuelstange: Überträgt die Bewegung zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle, wobei der Kolben und die Kurbelwelle durch dieses Stück verbunden sind.

Schritt-für-Schritt-Arbeitsablauf

Die Arbeit von Hubkolbenmotoren besteht in der Wiederholung eines Zyklus von vier Phasen, die kontinuierlich ausgeführt werden. Jede Phase unterliegt physikalischen Prinzipien wie dem Boyleschen Gesetz, das die Beziehung zwischen Druck und Volumen beschreibt, sowie dem Dritten Newtonschen Bewegungsgesetz, das Aktion und Reaktion definiert. Diese Gesetze sind wichtig, um die Funktionsweise des Motors zu verstehen.

Schritt 1) Ansaugtakt:

Während des Ansaugtakts bewegt sich der Kolben nach unten. Die Abwärtsbewegung des Kolbens vergrößert das Gasvolumen im Zylinder und erzeugt dadurch einen Unterdruckbereich (Boylsches Gesetz).

Dadurch öffnet sich gleichzeitig das Einlassventil und dieser Druckunterschied (höherer Außenluftdruck und niedriger Zylinderdruck) zieht das Luft-Kraftstoff-Gemisch von außen in den Zylinder. Dies liegt daran, dass sich Gase auf natürliche Weise von Bereichen mit höherem Druck in Bereiche mit niedrigerem Druck bewegen.

Schritt 2) Kompressionshub:

Sobald der Zylinder mit dem Luft-Kraftstoff-Gemisch gefüllt ist, schließt das Einlassventil. Dadurch bewegt sich der Kolben nach oben, wodurch das Volumen im Zylinder verringert und der Druck erhöht wird.

Durch den erhöhten Druck wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder komprimiert, was ebenfalls zu einem Temperaturanstieg führt (gemäß dem Boyleschen Gesetz und dem Gay-Lussac-Gesetz, das besagt, dass der Druck in einem geschlossenen System mit der Temperatur steigt). Dabei ist zu beachten, dass Kraftstoff unter höherem Druck leichter durch einen Funken entzündet werden kann.

Schritt 3) Krafthub:

Hier bewegt sich der Kolben noch nach oben und verdichtet das Luft-Kraftstoff-Gemisch. Es wurde durch die Zündkerze gezündet. Diese Zündung erhöht die Temperatur im Zylinder schnell auf über 2.000 °C, wodurch sich die Gase ausdehnen. Nach Newtons III. Gesetz übt die Ausdehnung der Gase eine Kraft auf den Kolben aus, wodurch eine gleich große, entgegengesetzte Kraft auf die Kurbelwelle ausgeübt wird, die die chemische Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie (Bewegung) umwandelt.

Schritt 4) Auspufftakt:

Schließlich steigt, wie bereits erwähnt, der Druck im Zylinder, während sich der Kolben weiter nach oben bewegt. Dadurch öffnet sich das Auslassventil, wodurch die Abgase aus dem Zylinder gedrückt werden. Sie fragen sich vielleicht, warum das wichtig ist? Nun ja! Frischluft und Kraftstoff müssen in den Zylinder gelangen, um den nächsten Zyklus zu starten. Dies ist nur durch die Entfernung der Abgase möglich.

Wichtig! Bei einem Viertaktmotor dauert der gesamte Vorgang zwei volle Kurbelwellenumdrehungen (720°). Im Vergleich dazu benötigt ein Zweitaktmotor nur eine Umdrehung (360°). Die Leistungsabgabe ist häufiger, aber die Effizienz geringer.

3) Häufige Verwendung von Hubmotoren

Hubmotoren werden in vielen Maschinen eingesetzt, die Energie und Leistung benötigen. Schauen wir uns also verschiedene Bereiche genauer an, in denen Hubmotoren ihre Kraft nutzen!

i) Transport

In der Transportbranche finden sich vor allem 4-Takt-Motoren in Motorrädern und Motorrollern. Diese Motoren werden seit langem bevorzugt in Fahrzeugen eingesetzt, da der Kraftstoff vollständig verbrannt wird. Dadurch lässt sich pro Liter Kraftstoff eine größere Reichweite erzielen und der Schadstoffausstoß wird reduziert. Sie sind daher eine umweltfreundliche Wahl.

Auch in Situationen, in denen das Fahrzeug leicht sein muss, wie etwa bei Außenbordmotoren auf Booten oder Go-Karts, sind Zweitaktmotoren aufgrund ihrer geringen Größe und ihres geringen Gewichts am beliebtesten.

ii) Rasen- und Gartengeräte

Auch Rasen- und Gartengeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer und sogar Kettensägen werden von Zweitaktmotoren angetrieben. Diese Motoren sind nicht nur leicht und kompakt, sondern auch wartungsfreundlich und bieten ausreichend Leistung für Baumschnitt oder Rasenmähen. Ihre Einfachheit und das günstige Verhältnis von Gewicht zu Leistung machen sie daher ideal für tragbare Gartengeräte, die leichter manövrierbar sein müssen.

iii) Landwirtschaftliche und industrielle Maschinen

Auch Industrie- und Landmaschinen profitieren von Viertaktmotoren. Kleine Generatoren, Wasserpumpen und Bodenfräsen nutzen Viertaktmotoren und werden daher von diesen angetrieben. Diese Motoren sind für ihre Zuverlässigkeit und Langlebigkeit über lange Nutzungsdauern bekannt.

Sie liefern konstante Leistung für Aufgaben, die über längere Zeiträume schwer zu bewältigen sind. Wie bei den meisten industriellen Anwendungen, bei denen jede Sekunde zählt, ist die Fähigkeit des 4-Takt-Motors, stundenlang reibungslos und mit minimalem Wartungsaufwand zu laufen, von unschätzbarem Wert.

iv) Anwendungen von Hobby- und RC-Fahrzeugen

Im Freizeitbereich sind ferngesteuerte Autos, Boote und Flugzeuge mit Zweitaktmotoren ausgestattet, die sich für diese Modelle gut eignen. Die Motoren müssen leicht sein und ein gutes Leistungsgewicht bieten, insbesondere für Enthusiasten, die Gewicht sparen und dennoch hohe Geschwindigkeiten mit dem Fahrzeug erreichen möchten.

4) DIY-Builds der Stroke-Engine

Sie fragen sich vielleicht, ob es möglich ist, ein Hubmotormodell zu Hause zu bauen. Nun ja! Egal, ob Sie Enthusiast oder Student sind, wir verstehen Ihre Neugier. Deshalb haben wir von engineDIY einen DIY- Motormodellbausatz entwickelt , der alle Werkzeuge und Geräte enthält, die Sie zum Bau eines funktionierenden Hubmotormodells zu Hause benötigen.

Lesen Sie einfach die Anleitung im Bausatz und schon kann es losgehen. Zur weiteren Unterstützung stellen wir Ihnen eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Verfügung. Mit dieser Anleitung haben Sie beim Bauen garantiert keine Probleme und können Ihre Kreativität anregen!

In einem Standard-4-Takt-Motorbausatz zum Selberbauen enthaltene Teile

• Motorblock

• Kurbelwelle

• Kolben mit Kolbenringen

• Pleuelstangen

• Zylinderkopf

• Nockenwelle

• Ventile

• Kipphebel und Stößelstangen

• Ventilfedern und -halter

• Vergaser oder Drosselklappengehäuse

• Zündkerze

• Schwungrad

• Ölwanne

• Dichtungen

• Bedienungsanleitung

Schritt-für-Schritt-Montageanleitung

Schritt 1) Zuerst müssen Sie Ihr DIY-Kit auspacken. Darin finden Sie eine Bedienungsanleitung, die Ihnen während des gesamten Vorgangs sehr hilfreich ist. Vergleichen Sie daher jedes Teil mit der Anleitung, um sicherzustellen, dass alle Teile vorhanden sind und nichts fehlt.

Schritt 2) Gut! Wir beginnen mit der Kurbelwellenmontage. Die dafür benötigten Komponenten befinden sich in einem separaten Karton mit der Bezeichnung „Kurbelwellenkomponenten“. Befolgen Sie daher die Anweisungen im Handbuch und setzen Sie einen kleinen Kolben ein. Vergessen Sie nicht, die beweglichen Teile für einen reibungslosen Lauf zu fetten.

Schritt 3) Als Nächstes müssen Sie den Motorblock einsetzen und sowohl sein unteres als auch sein oberes Ende zusammenbauen, falls sie getrennt sind, und die Kurbelwelle einsetzen.

Schritt 4) Nun ist es an der Zeit, die Zylinderkopfkomponenten einschließlich der Ventilteller, Kipphebel, Einlass- (45-Grad-Schnitt) und Auslassventile (33-Grad-Schnitt) sowie der Nockenwelle zusammenzubauen. Setzen Sie dazu zunächst zwei Ventilteller mit zwei Löchern in den oberen Zylinderkopf ein, wie im Bild unten gezeigt!

Nehmen Sie dann eine Miniaturnockenwelle und setzen Sie das Nockenrad ein. Denken Sie daran, dass die Markierung nach oben und der Nocken nach unten zeigt.

Schritt 5) Setzen Sie nun diese Nockenwellenbaugruppe direkt in den Zylinderkopf ein und platzieren Sie auch die Dichtung. Die Kopfschrauben sollten diagonal zum Kopf festgezogen werden.

Schritt 6) Die Markierungen von Kurbelwelle und Nockenwelle sollten fluchten. Das Einsetzen der Steuerzahnräder oder der Kette/des Riemens sollte ebenfalls an beiden erfolgen. Die restlichen Teile wie Kipphebel und Stößelstangen sollten in den Ventiltrieb eingebaut werden. Die Kipphebel sollten auf Ventilspiel eingestellt werden. Zum Anschrauben der Ansaug- und Auspuffkrümmer sollten die aufgeführten Dichtungen verwendet werden.

Schritt 7) Der Vergaser sollte direkt an der Ansaugseite montiert werden. Anschließend erfolgt die Installation der Kraftstoffleitungen. Die Zündspule und die Kabel werden nach der Installation an die Zündkerze angeschlossen.

Schritt 8) Der Motor sollte am Sockel befestigt und das Schwungrad montiert werden. Optional kann ein Lüfter hinzugefügt werden.

Schritt 9) Zuletzt bei Bedarf Öl nachfüllen. Kurbeln Sie die Kurbelwelle von Hand an. Wenn das System mit Strom versorgt wird, schließen Sie den Anlasser an, tanken Sie und führen Sie einen Testlauf durch.

5) Abschließende Anmerkungen

Aus all den obigen Ausführungen haben wir den Schluss gezogen, dass der Bau eines Motors aus einem Bausatz, egal ob Hobbybastler oder angehender Ingenieur, ein spannendes und lohnendes Unterfangen sein kann. Mit Grundkenntnissen und den richtigen Werkzeugen können Sie lernen, wie Ihr Transportsektor funktioniert und Autos, Motorräder usw. fahren.

Sind Sie gespannt auf diese Reise? Besuchen Sie EngineDIY und entdecken Sie unsere umfangreiche Sammlung an DIY-Motorbausätzen für jeden Motorenbau-Enthusiasten. Lesen Sie also nicht nur – bauen Sie jetzt und entfachen Sie Ihre Begeisterung!

6) FAQs zur Hubmotor

i) Was ist der Unterschied zwischen einem 2-Takt- und einem 4-Takt-Motor?

Ein Zweitaktmotor bietet ein höheres Leistungsgewicht, schließt einen Arbeitszyklus jedoch in zwei Kolbenhüben ab. Ein Viertaktmotor hingegen ist kraftstoffsparender und emittiert weniger Emissionen, da er den Zyklus in vier Takten abschließt.

ii) Kann ich selbst einen Hubmotor bauen?

Absolut, Sie können einen Stroker-Motor selbst zu Hause mit einem Bausatz bauen. Dieser Bausatz enthält alle notwendigen Komponenten und Werkzeuge für den Bau eines Stroker-Motors. Sie benötigen jedoch umfassende Kenntnisse der Motormechanik und deren Montage, damit dieser funktionsfähig und sicher ist.

iii) Was sind gängige Anwendungen für Zweitaktmotoren?

Wenn wir über Zweitaktmotoren sprechen, sollten wir bedenken, dass sie hauptsächlich in Motorrädern, Motorrollern, Außenbordmotoren und Go-Karts verwendet werden. Sie sind für kleine, leichte Fahrzeuge konzipiert.

iv) Wie funktionieren Hubmotoren?

1-Takt-Motoren arbeiten durch eine Abfolge von Kolbenbewegungen wie Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen und wandeln so Kraftstoff in mechanische Energie um. Bei 4-Takt-Motoren erfolgen diese Bewegungen über vier Zyklen, bei 2-Takt-Motoren hingegen in einer Umdrehung.

Wenn Sie mehr über den Motor erfahren möchten, klicken Sie auf den Link unten, um weitere Details zu erhalten.

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