Gestaltung, Formgebung Technologie

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1 Gestaltung, Formgebung Technologie Beim Kolben müssen verschiedene Funktionsbereiche unterschieden werden: - Kolbenboden - Feuersteg - Ringpartie - Kolbennabe - Kolbenschaft Zur Baugruppe Kolben Zählen noch die Kolbenringe, Kolbenbolzen und Bolzensicherungen. Bild 3.9 Wichtige Bereiche und Abmessungen am Kolben Kolbenboden Der Kolbenboden bildet einen Teil des Brennraums, er ist also den mechanischen und thermischen Belastungen direkt ausgesetzt. Der maximale Brennraumdruck und die abzuführende Wärmemenge bestimmen die Bodendicke s. Der Kolbenboden kann bei Ottomotoren flach-, erhaben-, oder vertieft ausgebildet sein. Bei den heutigen direkteinspritzenden Dieselmotoren ist die Brennraummulde im Kolbenboden angeordnet. Die Geometrie des Kolbenbodens wird auch von der Anzahl und Anordnung der Ventile beeinflusst. 1. Ebener Boden mit Ventiltaschen 2. Flache Topfmulde 3. Domförmiger Boden mit Ventilaussparungen 10

2 4. Kolbenboden für Direkteinspritzverfahren 5. Kolbenboden f. D-Einspritzverfahren Hesselmann 6. Kolbenboden f. D-Einspritzverfahren MAN Bild 3.10 Beispiele für Kolbenbodenformen verschiedener Motoren Bild 3.11 Kolbenboden Varianten ausgeführter Motoren Kompressionshöhe Die Kompressionshöhe ist der Abstand zwischen Kolbenbolzenachse und der Feuerstegoberkante. Dia Anzahl und Höhe der Kolbenringe, die notwendigen Ringstege, der Kolbenbolzendurchmesser und die Feuersteghöhe ergeben die Mindest-Kompressionshöhe. Um die Kolbenmasse und die Bauhöhe des Motors möglichst gering zu halten, wird versucht die Kompressionshöhe möglichst klein zu gestalten. Feuersteg Der Feuersteg ist mitverantwortlich für die Temperatur- und Druckbeanspruchung des oberen Kolbenringes. Der Feuersteg selbst ist thermisch sehr gefährdet und schmierungsseitig nur schlecht versorgt. Im Interesse einer schnellen Weiterleitung der vom Kolbenboden aufgenommenen Wärme scheint ein niedriger Feuersteg vorteilhaft, allerdings er hat klare Nachteile wegen der stärkeren thermischen Belastung des 1. Kolbenringes. Niedrigere Feuerstege liegen auch im Interesse geringer Kolbenmasse und geringer Bauhöhe des Motors 11

3 Bild 3.12 Profilierung des Feuerstegs Die Profilierung des Feuersteges dient einer besseren Vorabdichtung (Labyrinth-Wirkung) und Anpassung an die Zylinderlaufbahn durch Abtragung der Profilspitzen. Früher wurden am Feuersteg Taststege eingearbeitet, heute wird ein Strehlen des Feuersteges (und teilweise auch der Ringstege), sowie das Anbringen einer sogenannten Dichtkante bevorzugt. Bei Ottomotoren beträgt die Feuerstegshöhe 4-10 % des Kolbendurchmessers, bei PKW Dieselmotoren zwischen 8-15 % 12

4 Ringpartie Die Ringzone besteht bei den heutigen Motoren aus drei Ringnuten zur Aufnahme der Kolbenringe. An die Oberfläche der Ringnuten und Stege sind fertigungstechnisch hohe Anforderungen gestellt. Eine ununterbrochene Flankenberührung, d.h. eine völlig plane Ringanlage und das notwendige Flankenspiel sind Qualitätsmerkmale und Voraussetzungen für die Beherrschung des Wärmeüberganges, der Regulierung des Ölhaushaltes und des Verschleißes. Die heutigen modernen Schmieröle lassen in Kolben von Ottomotoren Nuttemperaturen von mehr als 200 o C, und in Kolben von Dieselmotoren von bis zu 280 o C zu, ohne dass es zur Verkokung des Öles und zur Ablagerungen in der 1. Ringnut kommt. Der erste Ringsteg, der durch den Gasdruck stark belastet ist, muss ausreichend dimensioniert sein (bei Ottomotoren etwa 5%, für aufgeladene Dieselmotoren etwa 10% von D Kolben ), um Ringstegbrüche zu vermeiden. Bei Kolben für aufgeladene Dieselmotoren, die wesentlich höhere Verbrennungsdrücke und Temperaturen entwickeln, wird der erste Ringnut durch Eingießen eines Ringträgers erheblich verschleißresistenter. Bei direkteinspritzenden Dieselmotoren wird auch der Rand der Kolbenmulde mit einem Eingießteil verfestigt um radiale Thermorisse zu vermeiden. Dieser Einsatz besteht aus Niresist, einem austenitischen Gusseisen, dessen Wärmeausdehnung in etwa der von Aluminium entspricht. Bild 3.13 Ringträgerkolben Der Ringträger geht durch das bekannte Alfin-Verbundgussverfahren eine haltbare metallische Verbindung mit der Kolbenlegierung ein. Auf die Oberfläche des Ringträgers wird in einer Schichtdicke von 0,02 0,03 mm Fe 2 Al 5 -Legierung aufgetragen. Bild 3.14 Das ALFIN Verbundgussverfahren 13

5 Dadurch entsteht beim Giessen der Kolbenlegierung in der Übergangszone keine Oxidschicht, die nachteilige Auswirkungen auf die Wärmeleitfähigkeit hätte. Zu den Besonderheiten der Ölringnuten gehört, dass ihre Form nicht nur für die Aufnahme der Ringe ausgelegt ist, sondern auch für das Sammeln, Verteilen, und vor allem für die Rückführung des Schmieröles geeignet ist. Bild 3.15 Ölringnuten mit Rückflussbohrung Das geschieht durch die Zurücksetzung des Ringfelddurchmessers als Ölsammelnut im Anschluss und Unterhalb der Ringnut und die Einbringung von Schlitzen oder Bohrungen im Grund oder auch in der Flanke der Ring- oder Ölsammelnut. Kolbennabe In der Kolbenbolzennabe konzentrieren sich alle am Kolben angreifenden Käfte. Sie werden vom Kolbenbolzen aufgenommen und an das Triebwerk übertragen. Die Kraftübertragung vom Kolbenboden zum Bolzen sollte möglichst ohne nennenswerte Deformation im Bereich der Bolzenbohrung erfolgen. Solange die Kolbenkräfte es zulassen wird wegen Leichtbau eine für Rippenabstützung entschieden. Hochbelasteten Kolben für Dieselmotoren haben für die Verstärkung der Nabe eine Blockabstützung zum Kolbenboden. Bild 3.16 Gestaltung Kolbenboden Abstützung Die Außenkontur der Nabe ist konisch mit Übergangsradien zum Schaft auszuführen. Die Normalkräfte (FN), die durch die Schräglage der Pleuelstange auftreten, führen während eines Arbeitszyklus. zu einer zusätzlicher Querbewegung des Kolbens. So führt der Kolben 14

6 im Zylinder bei seiner Auf- und Abbewegung noch zusätzliche Eigenbewegungen senkrecht zur Zylinderachse aus. Diese Sekundärbewegung wird Anlagenwechsel genannt. Die Kinematik des Kurbeltriebs führt zu mehrfachem Anlegenwechsel des Kolbens an der Zylinderwand Der Gasdruck drückt nach dem Oberen Totpunkt eine Schaftseite an die Zylinderwand. Diese Zone wird als Druckseite (DS) bezeichnet, die gegenüberliegende Schaftseite als Gegendruckseite (GDS). Bild 3.17 Möglichkeiten der Desachsierung Durch einen Versatz (Desachsierung) der Bolzenachse zur Kolbenlängsachse und/oder ein Versatz der Kurbelwelle zur Zylinderebene, kann ein optimiertes Verhalten bei Anlagenwechsel des Kolbens erreicht werden. Dadurch können die sonst recht harte Aufschlagsimpulse zielgerichtet beeinflusst und damit die unten aufgeführten nachteilige Auswirkungen reduziert werden. Kolbengeräusch Kavitation Verschleiβ Abdichtung Ölverbrauch Impulsanregung durch Anschlagen des Kolbenkopfes oder Anlagenwechsel des Kolbenschafts auf der Außenseite nasser Laufbüchsen am Kolben, Kolbenring und Zylinderwand Verschlechterung des Abdichtverhaltens der Kolbenringe Blow-by Beeinflussung des Abstreichverhaltens der Kolbenringe Ölschieben der Feuerstegoberkante Nabenbohrung Für die Lebensdauer des Gleitsystems Nabenbohrung/Kolbenbolzen ist eine optimale Wahl der Rauheit und des Spieles sehr wichtig. Für die Nabenbohrung sollte die Rauheit im Bereich von R a = 0,6 bis 1,0 liegen. Bei der Wahl des Spieles muss berücksichtigt werden, dass die Werkstoffe des Kolbens und des Kolbenbolzens eine unterschiedliche Wärmeausdehnung haben. Die Laufspiele bei warmem Motor sind größer als die Einbauspiele bei kaltem Motor. Das Mindestbolzenspiel beträgt: Bei schwimmender Lagerung des Kolbenbolzens: 0,002 0,005 mm (Ottomotor) 0,005-0,003 mm (Dieselmotor) Bei Schrumpfsitz des Kolbenbolzens im Pleuel: 0,006 0,012 mm (nur Ottomotor) 15

7 Kolbenschaft Die Kolbenschaft hat die Aufgabe, den Kolben im Zylinder zu führen und die durch die Schräglage des Pleuels entstehenden Seitenkräfte an die Zylinderwand weiterzugeben. Um eine gute Führung des Kolbens zu erreichen, soll der Kolbenschaft möglichst lang sein. Einer beliebigen Verlängerung des Kolbenschaftes nach unten sind durch die Bahnkurven von Kurbelwelle, Gegengewichten und vom Pleuel selbst Grenzen gesetzt. Außerdem wirkt eine Schaftverlängerung der Tendenz entgegen: kurze und leichte Kolben zu verwenden. Vor allem bei schnell laufenden Ottomotoren wird die Gesamtlänge möglichst niedrig gehalten, um damit die Kolbenmasse zu senken. Für gutes Einlaufverhalten und für die Bildung eines hydrodynamischen Schmierfilms zwischen Kolben und Zylinder müssen sowohl an der gehonten Zylinderlauffläche als auch an der Kolbenschaft optimierte Rauigkeitswerte eingestellt werden. Am Kolbenschaft werden Rauigkeitswerte von Rt = 2,5 5,0 µm angestrebt. Damit Aufschlagkräfte beim Anlagewechsel des Kolbens nicht zu groß werden, muss das Spiel zwischen Zylinder und Kolbenschaft möglichst gering bleiben. Das so genannte Tragbild zeigt eindeutig, ob die Zusammenarbeit Kolben-Zylinder tribologisch problemlos funktioniert. Um die Reibungsverluste klein zu halten wird bei Ottomotoren der Kolbenschaft nur im Bereich der Grenzschmierspaltes beibehalten. Sonst, besonders im Bereich der Bolzennabe wird die Mantellinie rückversetzt, damit durch den Schmierfilm keine überflüssige Reibung entsteht. Dazu werden die Partien im Bolzennabenbereich durch Ovaldrehen, oder Freigießen) zurückgesetzt, so dass sie überhaupt nicht zum Tragen kommen. Bild 3.18 Bereich Grenzschmierspalt zwischen Kolben und Zylinder Die Tragenden Laufflächen in Druck- und Gegendruckrichtung dürfen aber nicht zu schmal sein, damit die spezifischen Pressungen zwischen Kolben und Zylinderwand nicht zu groß werden. Das Kolbenspiel Alle konstruktiven Gesichtspunkte zielen darauf ab, dass im Betriebswarmen zustand das Kolbenspiel möglichst klein, und im ganzen Kontaktbereich gleichmäßig ist. Vor allem darf im Betrieb an keiner Stelle zwischen Kolben und Zylinderwand örtlich ein Druck entstehen, der den Ölfilm zerstört, und damit den Kolben zum Fressen bringt. Es gibt aber Gründe, die die Verwirklichung dieser Anforderung durchaus erschweren kann: 16

8 Auf den Kolben wirken Kräfte, die im Kolben Deformationen hervorrufen Die Temperaturverteilung im Kolben ist nicht gleichmäßig (siehe Bilder 3.2 und 3.3) Die Materialanhäufung (Wanddicke) zeigt große Unterschiede Die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kolben- und des Zylindermaterials sind oft unterschiedlich. Um die Wirkung der aufgezählten Einflussfaktoren zu kompensieren, muss eine spezielle, an die Folgen der Einflussfaktoren angepasste Formgebung realisiert werden. Dazu muss die Kolbenform im kalten Zustand von der idealen Kreiszylinderform entsprechende Abweichungen aufweisen: In axialer Richtung: Konizität, Balligkeit In radialer Richtung: Ovalität Bei der Formgebung kann man zwischen runden, ovalen und wechselnd ovalen Ausführungen, je nachdem die äußeren Begrenzungslinien von Schnitten senkrecht zur Kolben- Längsachse Kreise, Ellipsen mit gleicher Differenz der beiden Achsen oder Ellipsen mit ständig abnehmender Differenz der beiden Achsen sind. (Siehe Bild 3.19) Es können aber auch Formen geschaffen werden, die von der Kreis- oder Ellipsenform abweichen. Mit ihnen lassen sich breitere oder schmälere Tragbilder erreichen oder besonders komplizierte Zylinderverzüge berücksichtigen. Bild 3.19 Kolbenformvarianten Das Bild 3.20 zeigt das Schliffbild eines ballig wechselnd ovalen Kolbens für eine Zylinderbohrungsdurchmesser von 67 mm. Bild 3.20 Kolbenform für einen Otto-Motor mit einem Zyl.-Durchmesser von 67 mm 17

9 Im Bereich Ringfeld und Feuersteg wird der Kolben stärker eingezogen. Das hat zwei Gründe: Man will verhindern, dass die obere Kante des Feuersteges und die Kolbenringpartie bei Anlagenwechsel des Kolbens an der Zylinderwand anschlägt Im Zusammenhang mit dem Temperaturverlaufe muss man in diesem Bereich mit den größten Wärmedehnung rechnen die Gefahr des Kolbenfressers vermeiden. Damit die Ausbildung des tragenden Schierölkeils begünstigt wird, wird der Kolben am oberen und unteren Schaftende etwas eingezogen. Am oberen und am unteren Schaftende wird der Kolben zusätzlich noch etwas eingezogen, um die Ausbildung eines tragenden Schmierölkeils zu begünstigen. Bild 3.21 Kolbenform Man sieht, dass viele Gesichtspunkte berücksichtigt werden müssen damit man für einen bestimmten Kolben optimale Bearbeitungsformen für die Mantelfläche bekommt. Die Endgültige Kolbengestalt muss durch eingehende Motorversuche bestätigt werden. Regelkolben Weit verbreitet war diese Bauart bei Ottomotoren mit Grauguss Zylinderkurbelgehäuse. Das Hauptziel der Regelkolben-Konstruktionen ist das Bestreben, in der zum Kolbenbolzen senkrechten Ebene die Wärmeausdehnung des Kolbens zu regeln und somit die verhältnismäßig großen Unterschiede in den Wärmeausdehnungen zwischen Grauguss-Motorblock und Aluminium Kolben zu verringern. Diese Aufgabe konnte mit einer Werkstoffkombination realisiert werden, wobei man auf zwei Wirkungsprinzipien zurückgegriffen hat. (Bild 3.22) 18

10 Bild 3.22 Wirkungsmechanismen beim Regelkolben Die praktische Realisierung der Anwendung der Bimetall-Wirkung ist im Bild 3.23 dargestellt. Die zwischen Schaft und Bolzennaben eingegossenen Streifen aus unlegiertem Stahl bilden zusammen mit der sie umgebenden Leichtmetall-Wandung die Regelglieder, die die Wärmeausdehnung des Schafts in der für die Kolbenführung im Zylinder maßgeblichen Richtung verringern. Bild 3.23 Bimetall-Wirkung beim Regelkolben Unmittelbar nach der Erstarrung des Kolbens bei etwa 550 o C ist die Verbindung Kolbenmaterial und Stahl-Einlage praktisch Spannungsfrei. Beim Abkühlen auf Raumtemperatur entstehen aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungen Spannungen, die eine Formänderung im Querschnitt hervorrufen. Der Durchmesser senkrecht zur Kolbennabenachse wird größer. Auf Betriebstemperatur ( o C ) erwärmt verringert sich diese Spannung. Die dadurch entstehende negative Deformation verringert den durch die Wärmeausdehnung entstandenen Durchmesser Zuwachs. In der für die Laufruhe des Kolbens maßgeblicher Richtung bleibt also das Laufspiel unabhängig von der Kolbentemperatur nahezu konstant. 19

11 Bild 3.24 Regelkolben Ausführungen Einbauspiel Unter Einbauspiel versteht man die Differenz zwischen Zylinderdurchmesser und größten Kolbendurchmesser. Dieses Einbauspiel soll möglichst klein sein, damit bei allen Betriebszuständen ein gleichmäßig ruhiger Kolbenlauf erreicht wird. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungen ist dieses Ziel bei der Kombination von Al-Kolben und Graugusszylinder am schwersten zu erreichen (Siehe Abschnitt Regelkolben). Tabelle 3.25 Übliche Einbauspiele [ 0 / 00 vom Nenndurchmesser ] Oberfläche Rauheit Im Allgemeinen kommt der Kolben mit dem Zylinder nicht in direkte Berührung, da sich bei normalen Betriebsbedingungen ein Ölfilm zwischen den beiden Teilen bildet. Es gibt aber Betriebszustände, vor allem beim Einlaufen und beim Kaltstart, bei denen in den Totpunkt- Bereichen metallische Kontakte entstehen. Besonders in diesen Phasen ist die Mikrogeometrie des Kolbenschafts von großer Bedeutung. Durch Diamantdrehen erzeugte Schaftrauheitsprofile mit Rauheitswerten von R a = 2,5 bis 5 μm (R z = 20 bis 20 μm) führen zu günstigsten Ergebnisen. 20

12 Beschichtung von Oberflächen Bei Kolben werden unterschiedliche Oberflächenschichten verwendet. Gemäß ihren Aufgaben kann man sie in zwei Gruppen aufteilen. Die erste Gruppe umfasst die Schichten, die besonders gegen thermische Überbeanspruchung schützen. Die Schichten der zweiten Gruppe sollen die Laufeigenschaften verbessern. Schutzschichten Durch Hartanodisieren des Grundwerkstoffs werden Oxidschichten erzeugt, die sich durch innige Verbindung mit dem Grundwerkstoff auszeichnen. Diese Schichten gewähren dem Kolbenboden einen Schutz gegen den thermischen und mechanischen Angriff der heißen Verbrennungsgase und erhöhen die Widerstandsfähigkeit gegen thermisch und mechanisch bedingte Muldenrand- und Bodenanrisse. Da die Notlaufeigenschaften der harten Oxidschichten nicht günstig sind, müssen Schaft und Ringpartie der Kolben bei der Behandlung abgedeckt werden. Laufschichten Das Laufverhalten des Kolbenschaftes ist in erster Linie durch die Paarung von Kolben- und Zylinderwerkstoff und deren Oberflächenrauhigkeit bestimmt. Letztere ist insofern wichtig, als durch sie die Ausbildung und Haftung eines tragfähigen Schmierfilms auch unter spärlicher Ölzufuhr stark beeinflusst wird. Darüber hinaus sind dünne Schichten weicher Metalle oder von Graphit in der Lage, auch bei ausgesprochener Mangelschmierung wenigstens vorübergehend, die Gleitfähigkeit sicherzustellen. Durch Verzinnen der Kolben lassen sich günstige Laufeigenschaften erzielen. Verfahrenstechnisch beruht die Schichtbildung auf dem Prinzip des Ionenaustausches. Die Aluminiumkolben werden dabei in Losungen von Zinnsalzen getaucht. Da Zinn in der elektrochemischen Spannungsreihe edler als Aluminium ist, wird es auf der Kolbenoberflache abgeschieden. Bei dem Vorgang wird gleichzeitig Aluminium gelöst, bis sich eine geschlossene Oberflache aus Zinn gebildet hat. Die entstehende 1 bis 2 μm dicke Metallschicht wird wegen ihrer guten Notlaufeigenschaften noch in geringem Umfang bei Kolben für Nutzfahrzeug- und Pkw- Motoren verwendet. Graphit macht den Schmierstoff haftfähiger und entfaltet selbst eine Schmierwirkung, wenn der Ölschmierfilm versagt. Wichtig ist es, haftfeste Graphitschutzschichten (Gleitlacke) auf dem Kolben zu erzeugen. Die metallische Oberfläche wird hierzu in alkalischen Bädern mit einer ca. 3 bis 5 μm dicken Metallphosphatschicht überzogen, die einen guten Haftgrund für die Kunstharzgraphitschicht darstellt. Diese besteht aus feinem Graphitpulver, das mit einem Polyamidimid (PAI)-Harz gebunden ist. Die etwa 10 bis 20 μm dicke Schicht wird nach dem Auftragen bei erhöhter Temperatur eingebrannt (polymerisiert). Graphitschichten werden sowohl bei Pkw-Otto- als auch bei Dieselmotoren eingesetzt. Ihre ölfreundliche Oberfläche hat sehr günstige Notlaufeigenschaften. 21