Kolben (Technik)

Als Kolben bezeichnet man im Maschinenbau bewegliche Bauteile, die zusammen mit dem umgebenden Gehäuse einen abgeschlossenen Hohlraum bilden, dessen Volumen sich durch die Bewegung verändert. Dieses Prinzip kann in verschieden Bauformen verwirklicht werden: mit auf- und abbewegten Hubkolben oder rotierenden Drehkolben und anderes.

Eine einfache, verbreitete und schon in der Antike bekannte Ausführung ist eine runde Scheibe, die in ein rohrförmiges Gehäuse, den Zylinder eintaucht. Die jeweilige Stellung des Kolbens im Gehäuse bestimmt so die Größe des Hohlraumes.

Verwendungszweck

In Motoren werden in diesen so geschaffenen veränderbaren Hohlräumen einem gasförmigen oder flüssigen Arbeitsmedium ein Teil seiner Energie entnommen, die dann in einer Arbeitsmaschine genutzt werden kann. In Pumpe und Verdichtern hingegen wird Energie zugeführt, wobei der Druck und bei Gasen auch die Temperatur des Mediums steigt.

Rahmenbedingungen

Das Zusammenwirken von bewegtem Kolben und festem Gehäuse zur Energieübertragung zwischen Fluid und Maschine ist jedoch nicht ohne entsprechende Absperr- sowie Zu- und Ableitungseinrichtungen für das Fluid möglich.

Der Kolben ist das Bauteil, mit dem der Energieaustausch vorgenommen wird. Sinngemäß müssen die Kräfte mittels geeigneter Vorrichtungen in den Kolben eingeleitet bzw. abgeleitet werden. Bei Hubkolben werden oft Kurbeltriebe mit Pleueln und (manchmal) Kolbenstangen verwendet.

Die Form eines Kolbens, das Material, aus dem er besteht, sein Weg und die Geschwindigkeit, mit der er sich bewegt, unterliegen vielfältigen Faktoren. Das zur Verwendung stehende Fluid, die auftretenden Kräfte und Temperaturen sowie maschinenseitige Gegebenheiten führen zu sehr unterschiedlichen Ausführungen.

Maschinen, in denen Kolben die Energie übertragen, nennt man Kolbenmaschinen. Weitere Informationen über Maschinen mit den unterschiedlichsten Kolben findet man im entsprechenden Artikel.

Anwendungsbeispiel Verbrennungskraftmaschine

Die heute (2014) am weitesten verbreitete Kolbenmaschinen sind der Ottomotor (Benzin) und der Dieselmotor. Hier wird anhand dieser Maschine der Einsatz des oben beschriebenen Prinzips erläutert.

Allgemeines

Der Kolben zeigt folgende funktionale Bestandteile:

1. den Kolbenboden, der mit dem Medium in Kontakt steht,
2. das Kolbenhemd: das zylindrische Bauteil, das mit einem kleinen Spiel in die Zylinderbohrung passt,
3. den Kolbenbolzen mit seiner Lagerung, der den Kolben mit dem Pleuel verbindet.

Kolben in Verbrennungsmotoren

Kolben für Hubkolbenmotoren werden heute überwiegend aus Aluminiumgusslegierungen gefertigt, früher hingegen oft aus Gusseisen. Die Rohlinge werden in Kokillen gegossen. Wegen Leistungssteigerungen sowie Verbrauchs- und Emissionsreduzierungen durch höhere Zünddrücke werden die Kolben für leistungsstarke Turbodiesel-Motoren auch geschmiedet. Anschließend werden Mantelfläche, Ventiltaschen, Kolbenringnuten und die Kolbenbolzen-Bohrung mechanisch bearbeitet.

Technologisch gesehen bestehen zwischen Diesel- und Ottomotor-Kolben aufgrund der unterschiedlichen Belastungen durch beide Verbrennungsprozesse wesentliche Unterschiede:

Dieselkolben sind sowohl thermisch als auch mechanisch höher belastet und müssen daher in der ersten Kolbenringnut mit einem eingegossenen Ringträger aus einem austenitischen Gusseisen („Niresist“) verstärkt werden, um ein Ausschlagen der Nut und Materialübertrag auf den Ring durch Mikroverschweißungen zu verhindern. Bei sehr hoch belasteten Kolben werden in der Bolzenbohrung Messingbuchsen eingedehnt. Ein weiteres charakteristisches Merkmal der Kolben von Dieselmotoren mit direkter Einspritzung ist die Bodenmulde, in der der eingespritzte Kraftstoff mit der Luft verwirbelt und vermischt wird. Thermisch hoch belastete Kolben (insbesondere Renn-, Flug- oder Turbodiesel-Motoren) werden oft mit Spritzdüsen (für Motoröl) zur Kühlung des Kolbenbodens realisiert. Dabei kann der Kolben mit einem umlaufenden Ölkanal versehen sein oder nur durch Bodenanspritzung gekühlt werden. Bei langsamlaufenden Großmotoren kann der Kolben auch durch Umlaufkühlung gekühlt werden. Das Medium wird dem Kolben dabei durch ein teleskopierbares Rohr zugeführt.

Charakteristisch für Kolben von Ottomotoren ist die deutlich geringere Wandstärke, die wegen des geringeren Gewichts höhere Motor-Drehzahlen erlaubt. Im Bereich der ersten Kolbenringnut kann teilweise eine Hartanodisierung zur Verminderung von Verschleiß und Mikroverschweißungen zum Einsatz kommen.

Der Kolbenboden trägt teilweise flache Taschen zur Aufnahme der in den Brennraum hineinragenden Ventile.

Das Kolbenhemd dient der Führung des Kolbens im Zylinderrohr und ist bei den meisten Kolben mit einem Gleitlack beschichtet. Es trägt bei älteren Bauarten oft innen einen eingegossenen Stahl-Streifen (Regelkolben, „Regelplatte“, „Autothermik-Kolben“), um das Durchmesserwachstum bei Erwärmung zu steuern. Zur Gewichtsersparnis ist heute bei vielen schnelllaufenden Viertaktmotoren das Kolbenhemd an den Seiten (an den Kolbenbolzen-Öffnungen) nach innen versetzt („Kasten“-Kolben).

Eine seltene Kolbenbauform ist der Gelenkkolben<ref>Patent EP0028287.‌</ref><ref>Patent DE1998002488.‌</ref>, der sowohl zur optimierten Verbrennungsraumgestaltung als zum Thermomanagement des Motors beiträgt.

Der Kolben trägt eine oder mehrere Nuten für die Kolbenringe, deren oberste die Kompressionsringe sind und zumindest ein unterer als Ölabstreifring dient. PKW-Kolben besitzen zum überwiegenden Teil zwei Kompressions- und einen Ölabstreifring. Für Rennmotoren kommen auch sogenannte Zwei-Ring-Kolben mit nur einem Kompressionsring zum Einsatz. Bei Zweitaktern können die Kolbenhemden auch mit Fenstern versehen sein. Zusätzlich haben die meisten Zweitaktkolben Sicherungsstifte in den Kolbenringnuten, um ein Verdrehen und Verklemmen der Kolbenringstöße in den Steuerfenstern des Zylinders zu verhindern. Bis in die 1950er Jahre gab es Zweitaktmotoren mit Nasenkolben, die den Gaswechsel bei Querspülung verbessern sollten. Seit den 1930er Jahren haben Zweitaktmotoren mit Umkehrspülung nach Adolf Schnürle jedoch in der Regel einen flachen Kolbenboden.

Die Kraftübertragung des Kolbens auf das Pleuel geschieht über den Kolbenbolzen. Dieser wird im Kolben in der nach innen verdickten Partie des Hemds in einer Bohrung gelagert. Diese Bohrung trägt oft am Ende Nuten für Sicherungsringe („Seegerringe“), um das seitliche Auswandern des Kolbenbolzens zu begrenzen.

Desachsierung des Kolbenbolzens

Im KFZ-Bereich ist die Achse des Kolbenbolzens um ca. 0,5–1,5 mm aus der Kolbenmitte zur druckbelasteten Seite hin versetzt. <ref>kfz-tech.de: Deachsierung.</ref> Ohne diese Desachsierung würde der Kolben die Anlageseite nach dem Oberen Totpunkt (OT) unter vollem Verbrennungsdruck wechseln. Infolge der Desachsierung wechselt der Kolben die Anlageseite bereits vor dem OT, wenn der Kompressionsdruck erst im Aufbau ist. Das verringert den Verschleiß des Kolbens und reduziert die Motorgeräusche.

• Buchse + Kolben.JPG

  Ein Einschnitt von
  Buchse + Kolben

• Pistone.jpg

  Im Kolbenboden liegender Brennraum bei einem vorkammerlosen Dieselmotor

• KSGD.jpg

  Kolben eines Zweitaktdieselmotors mit einer Masse von 570 kg

Hauptlieferanten von Kolben

• Mahle GmbH
• KSPG AG
• Wössner GmbH
• Federal Mogul GmbH
• Pankl Engine Systems
• Wiseco Pistons Company Inc.
• Vertex Pistons Inc.

Siehe auch

• Hubraum
• Kolbenfresser
• Kolbenhub
• Kolbenspritzgießmaschine
• Motorschaden

Literatur

• Wilfried Staudt: Handbuch Fahrzeugtechnik Band 2. 1. Auflage, Bildungsverlag EINS, Troisdorf, 2005, ISBN 3-427-04522-6.
• Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. 1. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart, 1992, ISBN 3-613-01288-X.

Weblinks

• Patent Gelenkkolben

Einzelnachweise

<references/>