Kolbenfresser – wie entsteht er und was verrät das Schadensbild? - Motorensachverständiger, Motorengutachter, Motorschaden Sachverständiger, Motorschaden Gutachter

Ingenieurbüro für Verbrennungsmotoren GmbH

öffentlich bestellter und vereidigter Motorensachverständiger-Dipl. - Ing. (FH) Jörg Schulz

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Kurbelwellenschäden – Ursachen und Schadensmechanismen

Fachbeitrag von Dipl.-Ing. (FH) Jörg Schulz – Sachverständiger für Motorenschäden

1. Einleitung

Die Kurbelwelle gehört zu den höchst belasteten Bauteilen eines Verbrennungsmotors. Sie wandelt die im Zylinder erzeugte Verbrennungsenergie über die Pleuel in eine Drehbewegung um und leitet das dabei entstehende Drehmoment an den Antriebsstrang weiter.

Während des Motorbetriebs wirken auf die Kurbelwelle gleichzeitig hohe Verbrennungs- und Massenkräfte. Hinzu kommen wechselnde Biege- und Torsionsbelastungen sowie Reibungs- und Lagerkräfte. Trotz der grundsätzlich hohen Dauerfestigkeit moderner Kurbelwellen können ungünstige Betriebsbedingungen, Schmierungsprobleme, Überlastungen, Fertigungs- oder Montagefehler zu erheblichen Schäden führen.

Ein Kurbelwellenschaden ist deshalb nicht ohne Weiteres mit dem sichtbaren Schadensbild gleichzusetzen. Ein eingelaufener oder verfärbter Kurbelwellenzapfen beschreibt zunächst lediglich den Befund. Für die technische Beurteilung ist entscheidend, welcher Schadensmechanismus zu diesem Befund geführt hat und wodurch dieser Mechanismus ausgelöst wurde.

Eine fachgerechte Schadensanalyse muss daher zwischen

Schadensbild,
Schadensmechanismus,
Schadensursache und
gegebenenfalls schadensauslösender bzw. schadensverstärkender Folgeerscheinung

unterscheiden.

2. Aufbau und Funktion der Kurbelwelle

Die Kurbelwelle besteht im Wesentlichen aus

Hauptlagerzapfen,
Hubzapfen,
Kurbelwangen,
Gegengewichten,
Übergangsradien sowie
gegebenenfalls integrierten Ausgleichs- und Antriebselementen.

Die Hauptlagerzapfen sind über die Hauptlager im Motorblock beziehungsweise Kurbelgehäuse gelagert. Die Pleuel sind über die Hubzapfen mit der Kurbelwelle verbunden.

Die bei der Verbrennung entstehenden Kräfte werden vom Kolben über den Kolbenbolzen und das Pleuel auf den Hubzapfen übertragen. Aufgrund der exzentrischen Anordnung des Hubzapfens entsteht ein Drehmoment.

Dabei wird die Kurbelwelle nicht lediglich auf Torsion beansprucht. Je nach Motorzustand wirken gleichzeitig erhebliche:

Biegekräfte,
Torsionskräfte,
Druck- und Zugspannungen,
Lagerkräfte und
Schwingungsbelastungen.

Die tatsächliche Belastung ist daher eine komplexe Überlagerung verschiedener Beanspruchungsarten.

3. Typische Schadensbilder

Kurbelwellenschäden können sich in sehr unterschiedlichen Erscheinungsformen zeigen.

Typische Befunde sind beispielsweise:

Laufspuren an Haupt- oder Hubzapfen,
Riefen und Fressspuren,
Einlaufspuren,
Verfärbungen infolge thermischer Überlastung,
Materialübertragungen,
lokale Aufschweißungen,
Pitting beziehungsweise Grübchenbildung,
Rissbildungen,
Brüche,
eingelaufene Lagerzapfen,
Maßabweichungen,
Unrundheit oder Konizität,
übermäßiges Axialspiel sowie
Schäden an den Übergangsradien.

Aus dem Erscheinungsbild allein kann jedoch nicht in jedem Fall auf die Ursache geschlossen werden.

Insbesondere bei einem stark beschädigten Motor können sich ursprüngliche Schadensmerkmale durch nachfolgende Sekundärschäden überlagern.

4. Schäden infolge unzureichender Schmierung

4.1 Bedeutung des Schmierfilms

Zwischen Kurbelwellenzapfen und Lager befindet sich im bestimmungsgemäßen Betrieb kein direkter metallischer Kontakt. Bei hydrodynamischer beziehungsweise hydrodynamisch beeinflusster Schmierung bildet sich zwischen den Oberflächen ein tragfähiger Ölfilm.

Dieser Schmierfilm übernimmt mehrere Funktionen:

Trennung der metallischen Oberflächen,
Verringerung der Reibung,
Abfuhr von Wärme,
Schutz vor Verschleiß,
Dämpfung von Schwingungen.

Wird der Schmierfilm infolge ungünstiger Betriebsbedingungen nicht ausreichend aufgebaut oder reißt dieser zusammen, können die metallischen Oberflächen miteinander in Kontakt kommen.

Die Folge kann ein zunehmender Lager- und Zapfenverschleiß sein.

4.2 Ursachen eines Schmierfilmabrisses

Ein Schmierfilmabriss kann unter anderem verursacht werden durch:

zu niedrigen Motorölstand,
Öldruckmangel,
Ausfall oder Verschleiß der Ölpumpe,
verstopfte Ölansaugleitungen,
zugesetzte Ölfilter,
falsche Ölviskosität,
stark mit Kraftstoff verdünntes Motoröl,
Überhitzung des Motoröls,
übermäßige Lagerluft,
ungünstige Betriebszustände,
hohe Motordrehzahlen beziehungsweise hohe Belastungen.

Auch eine konstruktiv bedingte oder infolge Verschleiß veränderte Ölversorgung einzelner Lagerstellen kann zu einer lokalen Schmierungsunterversorgung führen.

5. Lagerschäden als häufige Ursache eines Kurbelwellenschadens

Bei vielen Kurbelwellenschäden steht nicht die Kurbelwelle selbst am Anfang der Schadenskette. Vielmehr kann zunächst ein Schaden am Gleitlager entstehen.

Ein typischer Ablauf kann beispielsweise wie folgt aussehen:

Störung der Ölversorgung → Verringerung der Tragfähigkeit des Schmierfilms → metallischer Kontakt → Lagerverschleiß → erhöhte Lagerluft → Erwärmung → Materialübertragung → Beschädigung des Kurbelwellenzapfens

Bei fortschreitendem Schaden kann sich das Lager erwärmen und seine ursprünglichen Eigenschaften verlieren. Je nach Schadensmechanismus kann sich das Lagermaterial auf dem Kurbelwellenzapfen ablagern.

Dadurch können deutliche Laufspuren und Materialaufträge entstehen.

6. Ölmangel und Ölunterversorgung

Ein besonders kritischer Betriebszustand liegt vor, wenn die zur Schmierung erforderliche Ölmenge nicht zur Verfügung steht.

Ursachen können beispielsweise sein:

erheblicher Ölverlust,
zu niedriger Ölstand,
Leckagen,
hoher Ölverbrauch,
Fehlbedienung,
Undichtigkeiten,
Probleme mit der Ölversorgung im Kurbelgehäuse.

Dabei ist zwischen einem allgemeinen Ölmangel und einer lokalen Ölunterversorgung zu unterscheiden.

Ein ausreichender Ölstand im Motor bedeutet nicht zwingend, dass jede Lagerstelle während sämtlicher Betriebszustände ausreichend mit Öl versorgt wird.

7. Ölverdünnung durch Kraftstoff

Eine besondere Bedeutung besitzt die Verdünnung des Motoröls mit Kraftstoff.

Gelangen größere Kraftstoffmengen in das Motoröl, kann sich dessen Viskosität deutlich verändern. Dadurch kann die Fähigkeit des Öls, einen ausreichend tragfähigen Schmierfilm aufzubauen, beeinträchtigt werden.

Mögliche Ursachen sind unter anderem:

fehlerhafte Einspritzventile,
unvollständige Verbrennung,
häufige Kaltstarts,
abgebrochene Regenerationsvorgänge bei Dieselmotoren,
Fehlfunktionen der Gemischaufbereitung.

Bei der Schadensanalyse ist deshalb eine Untersuchung des Motoröls häufig sinnvoll.

Neben der Viskosität können Laboruntersuchungen beispielsweise Hinweise auf erhöhten Verschleiß und bestimmte Verschleißmetalle liefern.

8. Überlastung der Kurbelwelle

Kurbelwellen können nicht nur aufgrund von Schmierungsproblemen, sondern auch durch mechanische Überlastung beschädigt werden.

Eine Überlastung kann beispielsweise entstehen durch:

außergewöhnlich hohe Zylinderdrücke,
Verbrennungsklopfen,
Frühzündung,
Fehlfunktionen der Gemischaufbereitung,
Flüssigkeitsschlag,
Überdrehzahl,
konstruktiv nicht vorgesehene Betriebszustände.

Insbesondere außergewöhnlich hohe Verbrennungsdrücke können zu einer erheblichen Erhöhung der Kräfte im Kurbeltrieb führen.

Dabei können sowohl die Kurbelwelle als auch Pleuel, Lager und Kolben einer deutlich erhöhten Belastung ausgesetzt werden.

9. Überdrehzahl

Eine Überdrehzahl stellt einen besonderen Belastungszustand dar.

Mit steigender Drehzahl nehmen die Massenkräfte des Kurbeltriebs erheblich zu. Insbesondere die Trägheitskräfte der bewegten Bauteile steigen stark mit der Drehzahl.

Bei einer erheblichen Überschreitung der zulässigen Motordrehzahl können deshalb beispielsweise

Pleuel,
Kolben,
Ventiltrieb,
Lager und
Kurbelwelle

über ihre konstruktiv vorgesehenen Belastungsgrenzen hinaus beansprucht werden.

Bei einem vermuteten Überdrehzahlschaden sollte deshalb nicht ausschließlich die Kurbelwelle untersucht werden. Vielmehr ist das gesamte Schadensbild des Kurbeltriebs einzubeziehen.

10. Flüssigkeitsschlag

Ein Flüssigkeitsschlag, häufig auch als „Wasserschlag“ bezeichnet, entsteht, wenn eine Flüssigkeit in einen Brennraum gelangt und dort während des Verdichtungsvorgangs nicht ausreichend komprimiert werden kann.

Da Flüssigkeiten im Gegensatz zum Gasgemisch praktisch nicht komprimierbar sind, kann bereits eine vergleichsweise geringe Flüssigkeitsmenge zu sehr hohen Kräften führen.

Mögliche Folgen sind:

Verformung oder Bruch des Pleuels,
Schäden am Kolben,
Beschädigung der Kurbelwelle,
Lagerüberlastung,
im Extremfall Blockierung des Motors.

Bei einem Verdacht auf Flüssigkeitsschlag muss deshalb geprüft werden, ob die vorhandenen Verformungen und Bruchbilder mit einer derartigen Belastung vereinbar sind.

11. Torsionsschwingungen

Die Kurbelwelle ist kein vollkommen starrer Körper.

Durch die periodisch auftretenden Verbrennungskräfte wird sie elastisch verdreht. Dadurch entstehen Torsionsschwingungen.

Zur Begrenzung dieser Schwingungen werden je nach Motorkonstruktion beispielsweise eingesetzt:

Zweimassenschwungräder,
Schwingungstilger,
Torsionsschwingungsdämpfer,
konstruktive Maßnahmen an der Kurbelwelle.

Eine fehlerhafte oder beschädigte Schwingungsdämpfung kann zu erhöhten dynamischen Belastungen führen.

Unter ungünstigen Bedingungen können dadurch Ermüdungsrisse entstehen, insbesondere in geometrisch besonders beanspruchten Bereichen.

12. Ermüdungsbruch und Rissbildung

Kurbelwellen werden während ihrer gesamten Betriebsdauer einer sehr großen Anzahl von Lastwechseln ausgesetzt.

Auch wenn die einzelne Belastung unterhalb der statischen Festigkeitsgrenze liegt, können sich infolge wiederholter Belastungen Ermüdungsrisse entwickeln.

Besonders kritisch sind Bereiche mit Spannungskonzentrationen, beispielsweise:

Übergangsradien,
Ölbohrungen,
Kanten,
konstruktive Kerben,
Bereiche mit Vorschädigungen.

Bei einem Kurbelwellenbruch ist daher eine sorgfältige Untersuchung der Bruchflächen besonders wichtig.

Ein Ermüdungsbruch weist häufig charakteristische Merkmale eines fortschreitenden Risswachstums auf. Ein plötzlich eingetretener Gewaltbruch kann dagegen ein anderes Bruchflächenbild zeigen.

13. Einfluss von Fertigungs- und Montagefehlern

Nicht jeder Kurbelwellenschaden muss auf einen Betriebsfehler zurückzuführen sein.

Auch Fertigungs- oder Montageabweichungen können eine Rolle spielen.

Zu untersuchen sind beispielsweise:

Materialfehler,
Wärmebehandlungsfehler,
Härteabweichungen,
Schleiffehler,
fehlerhafte Übergangsradien,
Oberflächenbeschädigungen,
falsche Lagerzuordnung,
Montagefehler,
unzulässige Lagerluft,
fehlerhafte Anzugsdrehmomente.

Bei einem gerichtlichen Gutachten ist deshalb sorgfältig zwischen einem bereits bei der Herstellung angelegten Fehler und einer erst während des Betriebs entstandenen Beschädigung zu unterscheiden.

14. Kurbelwellenlager und Lagerluft

Die korrekte Lagerluft besitzt eine wesentliche Bedeutung für die Funktion des Kurbeltriebs.

Ist die Lagerluft zu gering, kann der erforderliche Schmierfilm nicht ordnungsgemäß aufgebaut werden.

Ist sie dagegen zu groß, kann der Schmierfilm ebenfalls seine erforderliche Tragfähigkeit verlieren.

Eine vergrößerte Lagerluft kann zudem zu erhöhten Lagerbewegungen und einer veränderten Ölströmung führen.

Bei einer technischen Schadensanalyse sollten deshalb, soweit möglich, folgende Größen überprüft werden:

Durchmesser der Lagerzapfen,
Durchmesser der Lagersitze,
Lagerinnendurchmesser,
Lagerluft,
Rundheit,
Konizität,
Axialspiel.

15. Axialspiel der Kurbelwelle

Die Kurbelwelle muss sich innerhalb eines konstruktiv vorgegebenen Bereichs axial bewegen können.

Ein deutlich überhöhtes Axialspiel kann beispielsweise auf einen Verschleiß oder eine Beschädigung der Axiallagerung beziehungsweise der Anlaufscheiben hinweisen.

Mögliche Ursachen sind:

Verschleiß,
unzureichende Schmierung,
Montagefehler,
übermäßige axiale Belastungen,
Beschädigung der Anlaufflächen.

Auch hier ist zwischen Befund und Ursache zu unterscheiden.

Ein großes Axialspiel stellt zunächst einen Befund dar. Für die Ursachenermittlung ist zu klären, wodurch die hierfür erforderliche Materialabtragung oder Beschädigung entstanden ist.

16. Typische Schadensketten

Bei der Begutachtung von Kurbelwellenschäden ist die Rekonstruktion der Schadenskette von besonderer Bedeutung.

Eine mögliche Schadenskette kann beispielsweise lauten:

Ölverlust → sinkender Ölstand → unzureichende Ölversorgung → Schmierfilmabriss → Lagerüberhitzung → Lagerverschleiß → Beschädigung des Kurbelwellenzapfens → zunehmende Lagerluft → fortschreitender Motorschaden

Eine andere Schadenskette kann beispielsweise sein:

Fehlerhafte Gemischaufbereitung → Kraftstoffeintrag in das Motoröl → Viskositätsabfall → reduzierte Schmierfilmtragfähigkeit → erhöhter Lagerverschleiß → Kurbelwellenschaden

Oder:

Überdrehzahl → erhöhte Massenkräfte → Überlastung des Kurbeltriebs → plastische Verformung beziehungsweise Rissbildung → Kurbelwellenbruch

Diese Schadensketten zeigen, weshalb die bloße Feststellung eines beschädigten Kurbelwellenzapfens für eine belastbare Ursachenbewertung nicht ausreichend ist.

17. Erforderliche Untersuchungen bei einem Kurbelwellenschaden

Für eine sachverständige Beurteilung sollten – abhängig vom konkreten Schaden – insbesondere folgende Untersuchungen in Betracht gezogen werden:

Motor und Fahrzeug

Prüfung des Ölstands,
Prüfung des Kühlmittelstands,
Auslesen des Fehlerspeichers,
Auswertung vorhandener Diagnosedaten,
Prüfung der Motorbetriebsdaten,
Untersuchung auf Öl- und Kühlmittelverluste,
Prüfung der Fahrzeughistorie.

Motoröl

Viskositätsprüfung,
Untersuchung auf Kraftstoffeintrag,
Untersuchung auf Wasser,
Analyse von Verschleißmetallen,
gegebenenfalls FTIR-Untersuchung.

Kurbeltrieb

Sichtprüfung der Kurbelwelle,
Vermessung sämtlicher relevanter Lagerzapfen,
Prüfung von Rundheit und Konizität,
Prüfung der Oberflächen,
Prüfung der Lagerluft,
Prüfung des Axialspiels,
Untersuchung der Gleitlager,
Kontrolle der Ölbohrungen.

Weiterführende Untersuchungen

Bei entsprechender Fragestellung können zusätzlich erforderlich sein:

Härteprüfung,
Werkstoffanalyse,
metallografische Untersuchung,
Rissprüfung,
Magnetpulverprüfung,
Farbeindringprüfung,
Untersuchung der Bruchflächen,
Prüfung der Ölversorgung und des Öldrucksystems.

18. Bedeutung der Befundaufnahme

Eine wesentliche Voraussetzung für eine belastbare Ursachenanalyse ist die möglichst vollständige Dokumentation des Schadenszustands.

Dabei sollten beschädigte Bauteile nicht vor der sachverständigen Untersuchung gereinigt, bearbeitet oder entsorgt werden.

Insbesondere bei Kurbelwellen- und Lagerschäden können wichtige Spuren durch

Schleifen,
Polieren,
Reinigen,
Demontage,
Austausch von Lagern oder
Verschrottung beschädigter Bauteile

unwiederbringlich verloren gehen.

Die Reihenfolge der Demontage sollte deshalb dokumentiert werden.

Von besonderer Bedeutung sind außerdem aussagekräftige Fotografien der Schadensstellen sowie die Sicherung der ausgebauten Lager und anderer relevanter Bauteile.

19. Sachverständige Ursachenermittlung

Bei der technischen Beurteilung eines Kurbelwellenschadens ist eine klare Trennung zwischen Befund, Schadensmechanismus und Ursache erforderlich.

Beispielsweise ist die Feststellung

„Der Kurbelwellenzapfen weist deutliche Fressspuren auf.“

zunächst lediglich eine Beschreibung des Befundes.

Die Aussage

„Es kam zu einem Zusammenbruch der Schmierfilmtragfähigkeit mit anschließendem metallischem Kontakt zwischen Lager und Kurbelwellenzapfen.“

beschreibt dagegen den wahrscheinlichen Schadensmechanismus.

Erst die weitere Untersuchung ermöglicht die Frage nach der Ursache, beispielsweise:

„Der Schmierfilmabriss wurde durch eine erhebliche Kraftstoffverdünnung des Motoröls verursacht.“

oder

„Die Schadensentwicklung steht mit einer unzureichenden Ölversorgung des Kurbelwellenhauptlagers in Zusammenhang.“

Für eine gerichtsfeste Beurteilung muss jede dieser Aussagen durch objektiv feststellbare Befunde nachvollziehbar sein.

20. Fazit

Kurbelwellenschäden können auf eine Vielzahl unterschiedlicher Ursachen zurückzuführen sein. Besonders häufig spielen Schmierungsprobleme, Lagerschäden, Überlastungen, Überdrehzahlen, Torsionsschwingungen sowie mechanische oder thermische Einwirkungen eine Rolle.

Das Schadensbild der Kurbelwelle allein erlaubt jedoch häufig keine eindeutige Aussage über die ursprüngliche Schadensursache.

Entscheidend ist deshalb die Rekonstruktion der Schadenskette:

Ausgangszustand → schadenauslösendes Ereignis → Schadensmechanismus → Primärschaden → Sekundärschäden → Endschadensbild

Erst durch die Verbindung von Bauteilbefund, Vermessung, Schmierungsanalyse, Betriebsdaten und gegebenenfalls weiterführenden Werkstoffuntersuchungen kann die technische Ursache eines Kurbelwellenschadens belastbar bewertet werden.

Gerade bei der Begutachtung von Motorschäden ist daher nicht allein die Frage zu beantworten, welches Bauteil beschädigt ist, sondern insbesondere:

Warum ist dieses Bauteil beschädigt worden und welcher konkrete technische Mechanismus hat zur Schadensentstehung geführt?

Diese Unterscheidung ist für eine nachvollziehbare technische Ursachenanalyse und insbesondere für die Beurteilung der technischen Kausalität von zentraler Bedeutung.

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