Arten von Kolben, Wie werden Kolben hergestellt?

In Kraftfahrzeugmotoren werden verschiedene Kolbentypen verwendet. Diese bieten je nach Anwendung sowohl Vorteile als auch Nachteile. Bei der Auswahl eines Kolbens für Ihr Fahrzeug spielen mehrere Faktoren eine Rolle, z. B. die Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß, Hitze und Stöße. Darauf werde ich in diesem Kapitel eingehen: die verschiedenen Kolbentypen und ihre Eigenschaften. Für diejenigen, die wissen wollen, wie Kolben funktionieren, gibt es am Ende des Kapitels einen Abschnitt dazu.

Gängige Motorkolbentypen

Heutzutage gibt es eine Vielzahl von Kolbentypen. Sie unterscheiden sich vor allem in der Konstruktion, dem Material und dem Herstellungsverfahren. Auf der Grundlage dieser Überlegungen gibt es die folgenden Arten von Motorkolben und Kategorien.

• Basierend auf dem Kopfdesign. Flachkopfkolben, Dome-Kolben, Schüsselkolben
• Basierend auf dem Herstellungsverfahren- Schmiedekolben, Gusskolben, übereutektische Kolben
• Basierend auf Material- Aluminium Kolben, gießen Eisen Kolben, Stahlkolben

Kolbentypen nach Kopfausführung

Motorkonfigurationen und Leistungsniveaus variieren. Das bedeutet, dass unterschiedliche Verdichtungsstufen erforderlich sind. Folglich sind die Kolbenböden so konstruiert, dass sie die Verbrennung und damit das Verdichtungsverhältnis steuern. Daraus ergeben sich die im Folgenden aufgeführten verschiedenen Kolbentypen, die auf der Konstruktion des Kopfes basieren.

Flachkopf-Kolben

Der Kopf hat eine flache Form. Dadurch breitet sich die Flamme gleichmäßig aus. Durch die verringerte Oberfläche wird auch der Verbrennungsprozess verbessert. Das wiederum bedeutet eine effizientere Reaktion des Luft-Kraftstoff-Gemischs und höhere Verdichtungsverhältnis. Flachkopfkolben sind daher dafür bekannt, dass sie höhere hin- und hergehende Kräfte erzeugen.

Zu den Hauptvorteilen von Flachkopfkolben gehört ihre einfache Konstruktion, die ihre Herstellung weniger kostspielig macht. Folglich sind sie in einem Motor billiger zu verwenden. Ein weiterer Vorteil der Kolben ist ihre Fähigkeit, den Verbrennungsprozess zu verbessern und mehr Kraft zu erzeugen. Sie werden hauptsächlich in Benzinmotoren verwendet.

Kuppelkolben

Sie sind so benannt, weil ihre Mitte hochgezogen ist und die Blasen die Form einer Kuppel haben. Diese Kolbenform bewirkt, dass die Verbrennungsgase einen längeren Weg zurücklegen. Gleichzeitig verändert die große Oberfläche den Verbrennungsprozess und macht ihn weniger effizient.

Dome-Kolben werden in Motoren benötigt, die nicht viel Leistung erbringen müssen. Bei diesen Anwendungen trägt die reduzierte Verdichtung auch dazu bei, den Motor vor Schäden zu schützen. Beispiele für solche Anwendungen sind die Zweitaktmotoren von Motorrädern.

Geschirrspülkolben

Wie der Name schon sagt, haben diese Kolben die Form einer Schale. Die Mitte des Kopfes oder der Krone ist vertieft und die Ränder sind nach oben gewölbt. Dieses Design trägt dazu bei, das Volumen der Verbrennungskammer zu vergrößern und dadurch die Kompression zu verringern.

Genau wie die Kalottenkolben werden Schüsselkolben häufig dort eingesetzt, wo Verdichtung und Hubkraft niedrig bleiben müssen. Dazu gehören Motoren mit Turbolader- oder Supercharger-Systemen. Bei diesen aufgeladenen Motoren kann eine höhere Verdichtung zerstörerisch sein.

Kolbentypen nach Herstellungsverfahren

Motorkolben werden auch nach der Art ihrer Herstellung oder, mit anderen Worten, nach dem Herstellungsverfahren eingeteilt. Zu den Verfahren gehören Schmieden, Gießen und die Zugabe von Silizium zur Härtung von Eisen. Die Arten von Motorkolben in dieser Kategorie werden im Folgenden beschrieben.

Geschmiedete Kolben

Geschmiedete Kolben gehören zu den am häufigsten verwendeten Typen. Zu ihrer Herstellung wird ein Stück Metall in die gewünschte Form oder Gestalt gepresst. Das Ergebnis Kornstruktur macht den Kolben in Bezug auf die strukturelle Unversehrtheit leistungsfähiger.

Die Festigkeit geschmiedeter Kolben eignet sich für Anwendungen, bei denen das Teil höheren Belastungen ausgesetzt ist, wie z. B. bei Hochleistungsfahrzeugen oder Schwerlastfahrzeugen. Allerdings dehnen sich diese Kolben stärker aus und erfordern größere Abstände, um ein Festfressen bei höheren Temperaturen zu verhindern.

Gusskolben

Diese sind eine Alternative zu den geschmiedeten Typen. Bei ihrer Herstellung wird geschmolzenes Metall verwendet, um die Kolbenform zu erzeugen. Diese Art von Kolben kann aus Aluminium oder Eisen bestehen, manchmal sogar aus Stahl, je nach den erforderlichen Eigenschaften.

Motorkolben, die im Gussverfahren hergestellt werden, sind nicht so robust wie solche, die aus geschmiedeten Metallteilen bestehen. Für leichte Motoren sind sie aber dennoch geeignet. Bei diesen Anwendungen ist die mechanische und thermische Beanspruchung in der Regel so gering, dass sie keine frühzeitigen Schäden verursacht.

Übereutektische Kolben

Übereutektische Kolben sind eine Art von Gusskolben. Der einzige Unterschied besteht darin, dass bei der Herstellung Silikon hinzugefügt wird. Dies geschieht in der Regel, um sie robuster und verschleißfester zu machen, so dass sie für etwas rauere Bedingungen geeignet sind.

Übereutektische Kolben sind vielleicht nicht so stark wie die im Schmiedeverfahren hergestellten. Sie weisen jedoch bessere Eigenschaften auf als die herkömmlichen Gusskolben. Zu ihren Vorteilen gegenüber Gusskolben gehört, dass sie thermischen und mechanischen Belastungen besser standhalten.

Kolbentypen nach Material

Das Material des Kolbens ist eine weitere Möglichkeit, das Motorteil zu klassifizieren. Zu den Kolbenarten in dieser Kategorie gehören Aluminium, Eisen und Stahl. Die Vor- und Nachteile der einzelnen Materialien werden im Folgenden erläutert.

Aluminium-Kolben

Diese werden hergestellt aus Aluminiumlegierung die aus Kupfer, Mangan, Zink und anderen Elementen besteht. Kolben aus Aluminiumlegierungen werden in der Regel entweder geschmiedet oder aus geschmolzenem Metall gegossen, wobei jeder Typ unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Verschleiß und Robustheit bietet.

Aluminiumkolben haben den Vorteil, dass sie ein geringes Gewicht haben und für schnelllaufende Motoren geeignet sind. Sie eignen sich auch am besten für leichte Anwendungen, bei denen der Kolben nicht so stark beansprucht wird. Daher werden diese Art von Kolben meist in Benzinmotoren verwendet.

Im Vergleich zu den anderen Kolbenarten sind Aluminiumkolben nicht so verschleißfest. Sie sind auch weniger robust und der Grund, warum sie nicht für Hochleistungsmotoren oder Dieselmotoren geeignet sind. Allerdings werden mit modernen Fertigungsmethoden Legierungen hergestellt, durch die Aluminiumkolben besser gegen Verschleiß und mechanische oder thermische Belastungen gewappnet sind.

Gusseisen-Kolben

Wie der Name schon sagt, werden diese Art von Kolben im Gussverfahren hergestellt. Gusseisenkolben besitzen sowohl gute und schlechte EigenschaftenDadurch passen sie auf einige Motoren und auf andere nicht.

Zu den guten Eigenschaften gehört, dass die Kolben verschleißfester sind als die geschmiedeten Typen. Sie haben auch bessere thermische Eigenschaften und können in Umgebungen mit hoher Hitze ohne Risiko einer Beschädigung betrieben werden.

Zu den Nachteilen von Gusskolben gehört ihre schwache Struktur, die sie anfällig für Beschädigungen durch Stöße oder mechanische Belastungen macht. Sie eignen sich daher vor allem für leichtere Motoren als den modernen Turbolader oder aufgeladenen Motor.

Wie werden Kolben hergestellt?

Die Herstellung von Kolben erfolgt entweder im Schmiede- oder im Gießverfahren. Das Material kann auch eine Aluminiumlegierung oder ein anderes Material sein. Das Schmiedeverfahren ist heute das am häufigsten verwendete Verfahren, und Aluminium ist das beliebteste Material. Hier erfahren Sie, wie Kolben aus einer Aluminiumlegierung und im Schmiedeverfahren hergestellt werden.

• Der Prozess der Kolbenherstellung beginnt mit großen Aluminiumstangen. Die Stangen sind in der Regel bis zu 9 Fuß lang.
• Eine Säge schneidet die Aluminiumstangen in einer automatischen Maschine in kleine Stücke.
• Die geschnittenen Stücke, die nun Schnecken genannt werden, wandern in einen Ofen und werden erhitzt.
• Eine Stanzpresse wird ebenfalls beheizt, um die Butzen aufzunehmen. Dies ist die Schmiedemaschine.
• Die Rohlinge werden vom Ofen zur Presse transportiert, die dann einen Druck von bis zu 2 000 Tonnen ausübt. Dadurch wird der Rohling in die Form des gewünschten Kolbens gebracht.
• Die superheißen Kolben werden aus der Presse genommen und etwa eine Stunde lang an der Luft gekühlt.
• Nach dem Abkühlen werden die Kolben erneut in einen Ofen gelegt, diesmal zur Verfestigung.
• Anschließend werden die Kolben in einen Ofen mit niedrigerer Temperatur gebracht. Die niedrige Hitze dient dazu, sie zu stabilisieren.
• Die Kolben werden dann in eine Drehmaschine eingesetzt und überschüssige Teile entfernt. In diesem Stadium werden auch winzige Öllöcher in die Kolbengruppe gebohrt.
• Auf der Drehmaschine wird Material abgetragen, um die Kolbenrillen herzustellen. Außerdem wird ein großes Loch in den Kolben gebohrt. Dies ist das Loch, das den Kolbenbolzen aufnehmen wird.
• Der Kolben wird zu einer Fräsmaschine gebracht, die etwas Material vom Schaft entfernt, um das Gewicht zu reduzieren.
• Mit einer Drehbank wird etwas Material von den Rändern der Krone entfernt. Dies geschieht, um eine Ausdehnung des Kolbens ohne Bindung zu ermöglichen.
• Eine weitere Maschine graviert die Kolbennummer und andere Daten ein.
• Der Kolben wird schließlich von Hand geglättet und das Handgelenkloch auf einer Drehbank nachbearbeitet.
• Der letzte Schritt im Herstellungsprozess des Kolbens besteht darin, ihn mit heißem und entionisiertem Wasser abzuspritzen. Dies geschieht, um Öl zu entfernen, das sich bei den verschiedenen Produktionsprozessen angesammelt haben könnte. Danach wird der Kolben getrocknet, um ihn für den letzten Schliff und die Verpackung vorzubereiten.

Schlussfolgerung

Die verschiedenen Kolbentypen bieten unterschiedliche Leistungs- und Haltbarkeitswerte. Bei der Auswahl des zu verwendenden Typs sind diese Eigenschaften wichtig. Die hier besprochenen Kolbenkonstruktionen und Materialoptionen sollen Ihnen helfen, die richtigen Entscheidungen zu treffen. Unabhängig vom Typ sind Kolben jedoch anfällig für Schäden durch die rauen Bedingungen im Verbrennungsraum. Erfahren Sie als Nächstes, wie sich diese auf Motorkolben auswirken.