VAZ-Kolbengruppe. VAZ-Kolben

Der Motorkolben dient der Umwandlung chemische Reaktion Treibstoff rein mechanische Arbeit Kurbelwelle. Es arbeitet unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen und besteht daher aus besonders langlebigen Materialien, die solchen aggressiven Einflüssen lange standhalten können, ohne ihre Eigenschaften zu verändern.

Wie funktioniert ein Kolben?

Äußerlich ist der Kolben ein Zylinder, der aus Elementen besteht wie:

Dichtungsband;

Ösen;

Thermostateinsatz aus Stahl.

Unten

Dieser Teil des Kolbens übernimmt die Hauptwärmelast und weist daher eine recht große Dicke auf. Je dicker der Boden ist, desto geringer ist seine Temperaturerwärmung, aber desto größer ist die Masse des Kolbens selbst. Typischerweise beträgt die Dicke des Bodens etwa 7–9 mm, bei aufgeladenen Motoren 11 mm, bei Diesel 10–16 mm. Allerdings beträgt beispielsweise bei Honda-Modellen die Dicke der Kolbenböden 5,5-6 mm.

Bei einigen Kolbentypen sind der Boden und die erste Nut für den Kompressionsring aus Gründen der Verschleißfestigkeit mit einer Schicht aus Gusseisen bedeckt. Außerdem wird hart eloxiert, wobei eine dünne Aluminiumschicht in Keramik (0,008–0,012 mm) umgewandelt wird. Die Beschichtung stärkt den Kolbenboden und verringert so das Risiko von Überhitzung und Durchbrennen.

Dichtungsband

Der Teil des Kolbens, für den die Nuten vorgesehen sind Kolbenringe.

Lugs

Dienen zum Einbau des Kolbenbolzens in den Kolben. Bei einigen Kolben können die Naben Rippen aufweisen, die durch den Schnitt in die Kolbenmitte entstehen, sogenannte „Kühler“, um den Wärmestrom gleichmäßig zu verteilen. Kolben mit „Kühlschränken“ weisen eine erhöhte Festigkeit und Steifigkeit auf, was für hohe Werte wichtig ist hochdrehende Motoren, insbesondere mit Aufladung.

Rock

Der Führungsteil des Kolbens, der dazu dient, seitliche Kräfte beim Bewegen des Kolbens im oberen und unteren Bereich auszugleichen unten tot Punkt. Bei modernen Kolben verjüngt sich der Schaft nach unten hin leicht, ebenso das Dichtband; solche Kolben haben eine Tonnenform.

Thermostateinsatz

Es befindet sich im Inneren des Kolbenschafts und wirkt bei Erwärmung aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Aluminium als Bimetall, das eine starke Ausdehnung des Kolbenschafts verhindert.

Kolbenmaterial

Die Kolben aller modernen Serienautomotoren bestehen aus einer Aluminiumlegierung. Früher wurden in Motoren Gusseisenkolben (Grau- und Sphäroguss) verbaut, die später durch Kolben aus einer Aluminium-Silizium-Legierung ersetzt wurden, deren Anteil etwa 12–13 % betrug. Die Kolben wurden in einer speziellen Form gegossen – einer Kokille.

Das Vorhandensein von Silizium in der Legierung ermöglichte eine Verringerung des Kolbenverschleißes sowie eine Verringerung der Längenausdehnung, wodurch der thermische Spalt des Kolbens im Zylinder verringert werden konnte.

Mit zunehmender Leistung der Motoren stiegen die Anforderungen an die Kolbenzuverlässigkeit deutlich und der Siliziumanteil in der Aluminiumlegierung wurde erhöht und stieg auf 18 % und mehr, was insbesondere für Dieselmotoren und aufgeladene Motoren wichtig wurde. Solche Kolben werden durch Stanzen hergestellt.

Um die Schleifzeit des Zylinders zu verkürzen, wird der Kolbenkörper mit niedrig schmelzenden Metallen wie Zinn, Blei oder Zinn-Blei-Legierung (Dicke 0,005–0,002 mm) verzinnt.

In jüngster Zeit sind auch Kolben aus hitzebeständigen Stählen auf dem Entwicklungsstand aufgetaucht teilweise Anwendung. Stahlkolben haben ein geringeres Gewicht, aber die Struktur selbst ist stabil. Weniger Gewicht wird mehr erreicht dünne Dicke Rock und weniger Höhe von der Unterseite bis zur Fingerachse.

Durch die geringere Kolbenhöhe bei normaler Blockhöhe wird der Einbau verlängerter Pleuel möglich, was die seitlichen Belastungen im Reibpaar Kolben-Pleuel reduziert.
Allerdings weisen solche Kolben eine Reihe von Nachteilen auf. Dies bedeutet höhere Bearbeitungskosten und erhöhten Verschleiß an der Zylinderlaufbahn.

Arbeitsprinzip

Wenn das Gemisch in der Brennkammer blitzt, entsteht eine hohe Temperatur in der Größenordnung von 1800–2000 Grad, die dabei freigesetzte Energie erzeugt hoher Druck auf den Kolbenkopf, wodurch dieser sich am Zylinderkörper nach unten bewegt.

Der Kolben überträgt durch die Pleuelstange in einer Hin- und Herbewegung Kraft auf den Kurbelwellenzapfen, wodurch dieser sich dreht.

Fehlfunktionen des Kolbens

Schmelzen oder Ausbrennen des Bodens;

Risse in den Trennwänden zwischen den Rillen;

Verschleiß der Nuten (großer Spalt zwischen Nut und Ring);

Risse oder Verformungen im Kolbenkörper;

Ressource

Dieser Wert hängt von verschiedenen Faktoren ab und kann 200-250-300.000 km betragen inländische Motoren und 500-600.000 Kilometer oder mehr für ausländische Autos.

Wenn das Öl und der Filter nicht rechtzeitig gewechselt werden, bleiben die Ringe in den Nuten des Kolbens hängen, wodurch sich die Kühlung aufgrund der Überhitzung des Kolbens und des Auftretens von Abrieb an seinem Körper erheblich verschlechtert.

Die Lebensdauer des Kolbens wird durch Fehler wie die Entstehung eines Lochs in den Naben für den Pleuelbolzen sowie durch abgenutzte Kolben verringert, wenn ihre Höhe abnimmt und sie beginnen, die Kolbennuten zu brechen.

Am häufigsten werden Kolbenprobleme durch den Motor verursacht, der auf einen Ausfall des Thermostats, der Pumpe oder einen Druckverlust im Kühlsystem sowie auf eine Fehlfunktion des Kühlerlüfters, des Kühlers selbst oder seines Sensors zurückzuführen ist.

So verlängern Sie die Lebensdauer von Kolben

Damit die Kolben ihre Lebensdauer erreichen, empfiehlt es sich, nur das vom Hersteller vorgeschriebene Öl zu verwenden und dieses strikt nach den Vorschriften zu wechseln. Wenn möglich, die vorgeschriebene Laufleistung von eins zweitausend nicht erreichen und das Öl wechseln. Verwenden Sie den vom Hersteller empfohlenen Kraftstoff. Motor vor Fahrtantritt ab, insbesondere in Winterzeit. Überwachen Sie die Betriebsbedingungen des Motors, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Kolbengruppe

Die Kolbengruppe bildet die bewegliche Wand des Arbeitsvolumens des Zylinders. Die Bewegung dieser „Wand“, also des Kolbens, ist ein Indikator für die von den verbrannten und expandierenden Gasen geleistete Arbeit.
Die Kolbengruppe des Kurbeltriebs umfasst einen Kolben, Kolbenringe (Kompressions- und Ölabstreifer), einen Kolbenbolzen und seine Befestigungsteile. Manchmal wird die Kolbengruppe zusammen mit dem Zylinder betrachtet und als Zylinder-Kolben-Gruppe bezeichnet.

Kolben

Anforderungen an die Kolbenkonstruktion

Der Kolben nimmt die Kraft des Gasdrucks auf und überträgt sie über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange. Gleichzeitig führt es eine geradlinige Hin- und Herbewegung aus.

Bedingungen, unter denen der Kolben arbeitet:

• hoher Gasdruck ( 3,5…5,5 MPa für Benzin und 6,0…15,0 MPa für Dieselmotoren);
• Kontakt mit heißen Gasen (bis zu 2600˚С);
• Bewegung mit Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen.

Die Hin- und Herbewegung des Kolbens verursacht erhebliche Trägheitslasten in den Totpunktbereichen, in denen der Kolben seine Bewegungsrichtung umkehrt. Trägheitskräfte hängen von der Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens und seiner Masse ab.

Der Kolben nimmt erhebliche Kräfte auf: mehr 40 kN in Benzinmotoren und 20 kN- bei Dieselmotoren. Durch den Kontakt mit heißen Gasen erwärmt sich der mittlere Teil des Kolbens auf eine bestimmte Temperatur 300…350 °C. Eine starke Erwärmung des Kolbens ist gefährlich, da es aufgrund der Wärmeausdehnung zu Verklemmungen im Zylinder und sogar zum Durchbrennen des Kolbenbodens kommen kann.

Die Bewegung des Kolbens wird begleitet erhöhte Reibung und infolgedessen Verschleiß seiner Oberfläche und der Oberfläche des Zylinders (Laufbuchse). Dabei bewegt sich der Kolben ab oben tot Zeigt nach unten und hinten, ändert sich die Druckkraft der Kolbenfläche auf die Oberfläche des Zylinders (Laufbuchse) je nach auftretendem Hub im Zylinder sowohl in Größe als auch in Richtung.

Während des Krafthubs übt der Kolben den maximalen Druck auf die Zylinderwand aus, und zwar in dem Moment, in dem die Pleuelstange beginnt, von der Kolbenachse abzuweichen. In diesem Fall ist die Kraft des Gasdrucks, kolbenübertragen Pleuel, verursacht eine Reaktionskraft im Kolbenbolzen, die in diesem Fall ist ein zylindrisches Scharnier. Diese Reaktion wird vom Kolbenbolzen entlang der Linie der Pleuelstange gerichtet und kann in zwei Komponenten zerlegt werden – eine ist entlang der Kolbenachse gerichtet, die zweite (Querkraft) ist senkrecht dazu und senkrecht zur Zylinderoberfläche gerichtet.

Es ist diese (laterale) Kraft, die eine erhebliche Reibung zwischen den Oberflächen des Kolbens und des Zylinders (Laufbuchse) verursacht, was zu deren Verschleiß, zusätzlicher Erwärmung der Teile und einer Verringerung der Effizienz aufgrund von Energieverlusten führt.

Versuche, die Reibungskräfte zwischen Kolben und Zylinderwänden zu reduzieren, werden durch die Tatsache erschwert, dass zwischen Zylinder und Kolben ein Mindestspalt erforderlich ist, um eine vollständige Abdichtung des Arbeitshohlraums zu gewährleisten und so den Durchbruch von Gas und Öl zu verhindern Eintritt in den Arbeitsraum des Zylinders. Die Größe des Spalts zwischen Kolben und Zylinderoberfläche wird durch die Wärmeausdehnung der Teile begrenzt. Wenn es zu klein ist, um den Dichtungsanforderungen gerecht zu werden, kann es aufgrund der Wärmeausdehnung dazu kommen, dass der Kolben im Zylinder blockiert.

Wenn sich die Bewegungsrichtung des Kolbens und die im Zylinder ablaufenden Vorgänge (Zyklen) ändern, ändert sich die Art der Reibungskraft des Kolbens an den Zylinderwänden – der Kolben wird im Übergang gegen die gegenüberliegende Wand des Zylinders gedrückt In der Zone der Totpunkte trifft der Kolben aufgrund einer starken Änderung der Größe und Lastrichtung auf den Zylinder.

Bei der Entwicklung von Motoren müssen Konstrukteure eine Reihe von Problemen lösen, die mit den Betriebsbedingungen der oben beschriebenen Teile der Zylinder-Kolben-Gruppe verbunden sind:

• hohe thermische Belastungen, die zu thermischer Ausdehnung und Korrosion der Metalle der Kurbelwellenteile führen;
• enormer Druck und Trägheitslasten, die Teile und ihre Verbindungen zerstören können;
• erhebliche Reibungskräfte führen zu zusätzlicher Erwärmung, Verschleiß und Energieverlust.

Darauf aufbauend werden folgende Anforderungen an die Kolbenkonstruktion gestellt:

• ausreichende Steifigkeit, um Kraftbelastungen standzuhalten;
• thermische Beständigkeit und minimale Temperaturverformung;
• Mindestmasse zur Reduzierung der Trägheitslasten, während die Masse der Kolben bei Mehrzylindermotoren gleich sein sollte;
• Sicherheit hochgradig Abdichten des Arbeitshohlraums des Zylinders;
• minimale Reibung an den Zylinderwänden;
• hohe Haltbarkeit, da der Austausch von Kolben arbeitsintensive Reparaturarbeiten erfordert.

Konstruktionsmerkmale des Kolbens

Die Kolben moderner Automobilmotoren haben eine komplexe räumliche Form, die durch verschiedene Faktoren und Bedingungen bestimmt wird, unter denen dieser wichtige Teil arbeitet. Viele Elemente und Merkmale der Kolbenform sind mit bloßem Auge nicht erkennbar, da Abweichungen von der Zylindrizität und Symmetrie minimal sind, jedoch vorhanden sind.
Schauen wir uns die Funktionsweise des Motorkolbens genauer an. Verbrennungs und welche Tricks Designer anwenden müssen, um sicherzustellen, dass die oben genannten Anforderungen erfüllt werden.

Der Kolben eines Verbrennungsmotors besteht aus einem oberen Teil – dem Kopf – und einem unteren Teil – dem Schaft.

Der obere Teil des Kolbenbodens – der Boden – nimmt die Kräfte der Arbeitsgase direkt auf. Bei Ottomotoren ist der Kolbenboden meist flach ausgeführt. Die Kolbenköpfe von Dieselmotoren enthalten häufig einen Brennraum.

Der Kolbenboden ist eine massive Scheibe, die über Rippen oder Streben mit Naben verbunden ist, die Löcher für den Kolbenbolzen haben – Naben. Die Innenfläche des Kolbens ist bogenförmig ausgeführt, was für die nötige Steifigkeit und Wärmeableitung sorgt.

In die Seitenfläche des Kolbens sind Nuten für Kolbenringe eingeschnitten. Die Anzahl der Kolbenringe hängt vom Gasdruck und der durchschnittlichen Geschwindigkeit des Kolbens (also der Motordrehzahl) ab – je kleiner Durchschnittsgeschwindigkeit Kolben, desto mehr Ringe werden benötigt.
Bei modernen Motoren besteht neben einer Erhöhung der Kurbelwellendrehzahl die Tendenz, die Anzahl der Kompressionsringe an den Kolben zu verringern. Dies ist auf die Notwendigkeit zurückzuführen, die Masse des Kolbens zu reduzieren, um Trägheitslasten zu reduzieren und Reibungskräfte zu reduzieren, die einen erheblichen Teil der Motorleistung ausmachen. In diesem Fall wird die Möglichkeit eines Gasdurchbruchs in das Kurbelgehäuse eines schnelllaufenden Motors als geringer eingeschätzt eigentliches Problem. Daher in den Motoren moderner Personenkraftwagen und Rennautos Es gibt Ausführungen mit einem Kompressionsring am Kolben und die Kolben selbst haben einen verkürzten Schaft.

Zusätzlich zu den Kompressionsringen sind am Kolben ein oder zwei Ölabstreifringe verbaut. Die in den Kolben eingearbeiteten Nuten für die Ölabstreifringe verfügen über Ablasslöcher, um Motoröl in den inneren Hohlraum des Kolbens abzulassen, wenn der Ring es von der Oberfläche des Zylinders (Laufbuchse) entfernt. Dieses Öl wird typischerweise zum Kühlen der Innenseite des Kolbenbodens und des Kolbenschafts verwendet und läuft dann in die Ölwanne ab.

Die Form des Kolbenbodens hängt vom Motortyp, der Art der Gemischbildung und der Form des Brennraums ab. Die häufigste Form mit flachem Boden, es gibt jedoch auch konvexe und konkave Formen. In einigen Fällen werden im Kolbenboden Aussparungen für Ventilscheiben angebracht, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt (OT) befindet. Wie oben erwähnt, enthalten die Kolbenköpfe von Dieselmotoren häufig Brennräume, deren Form variieren kann.

Unterseite des Kolbens – der Schaft führt den Kolben hinein gerade Bewegung, während es eine seitliche Kraft auf die Zylinderwand überträgt, deren Größe von der Position des Kolbens und den im Arbeitshohlraum des Zylinders ablaufenden Vorgängen abhängt. Die Größe der vom Kolbenschaft übertragenen Seitenkraft ist deutlich geringer als die maximale Kraft, die der Kolben von der Gasseite her wahrnimmt, sodass der Schaft relativ dünnwandig ausgeführt ist.

Bei Dieselmotoren wird häufig ein zweiter Ölabstreifring im unteren Teil der Schürze eingebaut, was die Zylinderschmierung verbessert und die Wahrscheinlichkeit verringert, dass Öl in den Arbeitshohlraum des Zylinders gelangt. Um die Kolbenmasse und die Reibungskräfte zu reduzieren, werden die unbelasteten Teile des Schaftes im Durchmesser abgeschnitten und in der Höhe gekürzt. Im Inneren des Schaftes sind üblicherweise technologische Vorsprünge angebracht, mit denen die Kolben entsprechend der Masse eingestellt werden.

Die Konstruktion und Abmessungen der Kolben hängen hauptsächlich von der Drehzahl des Motors sowie von der Größe und Geschwindigkeit des Gasdruckanstiegs ab. Also Hochgeschwindigkeitskolben Benzinmotoren werden so leicht wie möglich gebaut und Dieselkolben sind massiver und steifer konstruiert.

In dem Moment, in dem der Kolben den oberen Totpunkt durchläuft, ändert sich die Wirkungsrichtung der Seitenkraft, die eine der Komponenten der Gasdruckkraft auf den Kolben ist. Dadurch wandert der Kolben von einer Zylinderwand zur anderen – der Kolben verschiebt sich. Dadurch schlägt der Kolben an die Zylinderwand, begleitet von einem charakteristischen Klopfgeräusch. Um dieses schädliche Phänomen zu reduzieren, werden die Kolbenbolzen verschoben 2…3 mm in Richtung der maximalen Seitenkraft; in diesem Fall wird die seitliche Druckkraft des Kolbens auf den Zylinder deutlich reduziert. Diese Verschiebung des Kolbenbolzens wird Desaxage genannt.
Die Verwendung eines Deaxing-Kolbens in der Konstruktion erfordert die Einhaltung der Installationsregeln des Kurbelwellenantriebs – der Kolben muss streng nach den Markierungen installiert werden, die angeben, wo sich der vordere Teil befindet (normalerweise ein Pfeil auf der Unterseite).

Eine originelle Lösung zur Reduzierung der Auswirkungen von Seitenkräften wurde von den Motorenkonstrukteuren von Volkswagen verwendet. Der Kolbenboden ist bei solchen Motoren nicht im rechten Winkel zur Zylinderachse ausgeführt, sondern leicht abgeschrägt. Dies ermöglicht laut den Konstrukteuren eine optimale Lastverteilung auf den Kolben und eine Verbesserung der Gemischbildung im Zylinder während des Ansaug- und Verdichtungshubs.

Um den widersprüchlichen Anforderungen an die Dichtheit des Arbeitshohlraums, die das Vorhandensein minimaler Abstände zwischen Kolbenhemd und Zylinder erfordern, gerecht zu werden und ein Verklemmen des Teils durch Wärmeausdehnung zu verhindern, werden folgende Konstruktionselemente verwendet in Form des Kolbens:

• Reduzierung der Steifigkeit des Schaftes durch spezielle Schlitze, die seine Wärmeausdehnung ausgleichen und die Kühlung des unteren Teils des Kolbens verbessern. Die Schlitze werden auf der Seite des Mantels angebracht, die am wenigsten durch seitliche Kräfte belastet wird, die den Kolben an den Zylinder drücken;
• erzwungene Begrenzung der Wärmeausdehnung der Schürze durch Einsätze aus Materialien mit einem niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Grundmetall;
• Dadurch erhält der Kolbenschaft eine solche Form, dass er bei Belastung und Betriebstemperatur die Form eines normalen Zylinders annimmt.

Die letzte Bedingung ist nicht einfach zu erfüllen, da der Kolben im gesamten Volumen ungleichmäßig erhitzt wird und eine komplexe Raumform aufweist – im oberen Teil ist seine Form symmetrisch, im Bereich der Naben und im unteren Teil jedoch Am Rock gibt es asymmetrische Elemente. All dies führt zu einer ungleichen Temperaturverformung einzelner Abschnitte des Kolbens, wenn dieser im Betrieb erhitzt wird.
Aus diesen Gründen umfasst die Kolbenkonstruktion moderner Automobilmotoren in der Regel die folgenden Elemente, die ihre Form erschweren:

• Der Kolbenboden hat im Vergleich zum Schaft einen kleineren Durchmesser und liegt diesem am nächsten Querschnitt zum richtigen Kreis.
  Der kleinere Querschnittsdurchmesser des Kolbenbodens ist mit seiner hohen Betriebstemperatur und damit verbunden mit einer größeren Wärmeausdehnung als im Schaftbereich verbunden. Daher hat der Kolben eines modernen Motors im Längsschnitt eine leicht konische oder tonnenförmige Form, die sich nach unten hin verjüngt.
  Die Durchmesserreduzierung im oberen Bereich des konischen Schafts beträgt bei Kolben aus Aluminiumlegierung 0,0003…0,0005D, Wo D– Zylinderdurchmesser. Beim Erhitzen auf Betriebstemperatur wird die Form des Kolbens entlang seiner Länge dem richtigen Zylinder „ausgeglichen“.
• Im Bereich der Naben weist der Kolben kleinere Querabmessungen auf, da sich hier Metallmassen konzentrieren und die Wärmeausdehnung größer ist. Daher hat der Kolben unterhalb des Bodens einen ovalen oder elliptischen Querschnitt, der sich beim Erhitzen des Teils auf Betriebstemperatur der Form eines regelmäßigen Kreises annähert, und der Kolben ähnelt in seiner Form einem regelmäßigen Zylinder.
  Die Hauptachse des Ovals liegt in einer Ebene senkrecht zur Achse des Kolbenbolzens. Der Ovalitätswert reicht von 0,182 Vor 0,8 mm.

Offensichtlich müssen die Konstrukteure all diese Tricks anwenden, um dem Kolben beim Erhitzen auf Betriebstemperatur die richtige zylindrische Form zu geben und so einen minimalen Spalt zwischen ihm und dem Zylinder sicherzustellen.

Am meisten effektiver Weg Das Verklemmen des Kolbens im Zylinder aufgrund seiner thermischen Ausdehnung wird durch ein Mindestspiel verhindert Zwangskühlung Kolbenmäntel und Einsetzen von Elementen aus Metall mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Kolbenmantel. Am häufigsten werden Einsätze aus kohlenstoffarmem Stahl in Form von Querplatten verwendet, die beim Gießen des Kolbens im Nabenbereich platziert werden. In einigen Fällen werden anstelle von Platten auch Ringe oder Halbringe verwendet, die in den oberen Bereich des Kolbenhemds eingegossen werden.

Die Temperatur des Bodens von Aluminiumkolben sollte nicht überschritten werden 320…350 °C. Um die Wärmeabfuhr zu erhöhen, ist der Übergang vom Kolbenboden zu den Wänden daher glatt (in Form eines Bogens) und recht massiv ausgeführt. Für eine effizientere Wärmeabfuhr vom Kolbenboden wird eine Zwangskühlung durch Spritzen auf die Innenfläche des Kolbenbodens eingesetzt. Motoröl aus einer speziellen Düse. Typischerweise wird die Funktion einer solchen Düse durch ein spezielles kalibriertes Loch im oberen Kopf der Pleuelstange übernommen. Manchmal ist die Einspritzdüse am Motorgehäuse an der Unterseite des Zylinders installiert.

Um Normalität zu gewährleisten thermisches Regime Der obere Kompressionsring liegt deutlich unterhalb der Bodenkante und bildet einen sogenannten Hitze- oder Feuergürtel. Die am stärksten abgenutzten Enden der Nut für die Kolbenringe werden häufig mit speziellen Einsätzen aus verschleißfestem Material verstärkt.

Als Material für die Herstellung von Kolben werden häufig Aluminiumlegierungen verwendet, deren Hauptvorteil ihr geringes Gewicht und ihre gute Wärmeleitfähigkeit ist. Zu den Nachteilen von Aluminiumlegierungen gehören die geringe Ermüdungsfestigkeit, großer Koeffizient Wärmeausdehnung, unzureichende Verschleißfestigkeit und relativ hohe Kosten.

Neben Aluminium enthalten die Legierungen Silizium ( 11…25% ) und Zusätze von Natrium, Stickstoff, Phosphor, Nickel, Chrom, Magnesium und Kupfer. Gegossene oder gestanzte Rohlinge werden einer mechanischen und Wärmebehandlung unterzogen.

Gusseisen wird als Werkstoff für Kolben deutlich seltener verwendet, da dieses Metall deutlich günstiger und fester als Aluminium ist. Trotz seiner hohen Festigkeit und Verschleißfestigkeit weist Gusseisen jedoch eine relativ große Masse auf, was insbesondere bei Richtungsänderungen der Kolbenbewegung zum Auftreten erheblicher Trägheitsbelastungen führt. Daher wird Gusseisen nicht für die Herstellung von Kolben für Hochgeschwindigkeitsmotoren verwendet.

Der Kolben ist eines der Elemente des Kurbeltriebs, auf dem das Funktionsprinzip vieler Verbrennungsmotoren basiert. In diesem Artikel werden das Design und die Funktionen dieser Teile erläutert.

Definition

Ein Kolben ist ein Teil, das im Zylinder hin- und hergehende Bewegungen ausführt und dafür sorgt, dass Änderungen des Gasdrucks in mechanische Arbeit umgewandelt werden.

Zweck

Unter Beteiligung dieser Teile wird der thermodynamische Prozess des Motorbetriebs realisiert. Da der Kolben eines der Elemente des Kurbeltriebs ist, nimmt er den durch die Gase erzeugten Druck wahr und überträgt die Kraft auf die Pleuelstange. Darüber hinaus sorgt es für die Abdichtung der Brennkammer und deren Wärmeabfuhr.

Design

Der Kolben ist ein dreiteiliges Teil, das heißt, seine Konstruktion umfasst drei Komponenten, die unterschiedliche Funktionen erfüllen, und zwei Teile: den Kopf, der den Boden- und Dichtungsteil vereint, und den Führungsteil, der durch den Mantel dargestellt wird.

Unten

Kann abhängig von vielen Faktoren unterschiedliche Formen haben. Beispielsweise wird die Konfiguration des Kolbenbodens eines Verbrennungsmotors durch die Lage anderer Strukturelemente wie Einspritzdüsen, Zündkerzen, Ventile, die Form des Brennraums und die Eigenschaften der darin ablaufenden Prozesse bestimmt. Allgemeines Design Motor usw. In jedem Fall bestimmt es die Betriebsmerkmale.

Es gibt zwei Haupttypen der Kolbenbodenkonfiguration: konvex und konkav. Ersteres bietet eine höhere Festigkeit, verschlechtert jedoch die Konfiguration der Brennkammer. Bei einer konkaven Bodenform hat die Brennkammer hingegen eine optimale Form, allerdings lagern sich Kohlenstoffablagerungen intensiver ab. Seltener (in Zweitaktmotoren) gibt es Kolben mit einem Boden, der durch einen Reflektorvorsprung dargestellt wird. Dies ist beim Spülen für die gerichtete Bewegung der Verbrennungsprodukte erforderlich. Teile von Benzinmotoren haben normalerweise eine flache oder nahezu flache Unterseite. Manchmal haben sie Rillen, um die Ventile vollständig zu öffnen. Für Motoren mit direkte Injektion Kolben zeichnen sich durch eine komplexere Konfiguration aus. Dieselmotoren zeichnen sich durch das Vorhandensein einer Brennkammer im Boden aus, die für eine gute Verwirbelung sorgt und die Gemischbildung verbessert.

Die meisten Kolben sind einseitig, es gibt jedoch auch doppelseitige Optionen mit zwei Enden.

Der Abstand zwischen der Nut des ersten Kompressionsrings und dem Boden wird als Kolbenfeuerzone bezeichnet. Der Wert seiner Höhe ist sehr wichtig, was bei Teilen aus Holz unterschiedlich ist verschiedene Materialien. Wenn die Höhe des Feuerrings den minimal zulässigen Wert überschreitet, kann es in jedem Fall zum Durchbrennen des Kolbens und zur Verformung kommen Sitz oberer Kompressionsring.

Dichtungsteil

Hier befinden sich die Ölabstreif- und Kompressionsringe. Teile des ersten Typs haben Kanäle Durchgangslöcher Damit das von der Oberfläche des Zylinders entfernte Öl in den Kolben gelangt und von dort in die Ölwanne gelangt. Einige verfügen über einen korrosionsbeständigen Gusseisenrand mit einer Nut für den oberen Kompressionsring.

Sie bestehen aus Gusseisen und dienen dazu, einen festen Sitz des Kolbens am Zylinder herzustellen. Daher sind sie die Quelle der größten Reibung im Motor, deren Verluste 25 % der gesamten mechanischen Verluste im Motor ausmachen. Anzahl und Lage der Ringe richten sich nach der Art und dem Zweck des Motors. Am häufigsten werden 2 Kompressionsringe und 1 Ölabstreifring verwendet.

Kompressionsringe haben die Aufgabe, zu verhindern, dass Gase aus dem Brennraum in das Kurbelgehäuse gelangen. Die größten Belastungen fallen auf den ersten von ihnen, daher ist seine Nut bei einigen Motoren mit einer Stahleinlage verstärkt. Kompressionsringe können trapezförmig, konisch oder tonnenförmig sein. Einige von ihnen haben eine Aussparung.

Wird zum Entfernen verwendet überschüssiges Öl aus dem Zylinder und verhindert, dass es in den Brennraum gelangt. Zu diesem Zweck sind darin Löcher angebracht. Einige Optionen verfügen über einen Federexpander.

Führungsteil (Rock)

Zum Ausgleich hat es eine tonnenförmige (krummlinige) oder kegelförmige Form. Es enthält zwei Naben für den Kolbenbolzen. In diesen Bereichen hat der Rock die größte Masse. Außerdem werden dort die größten Temperaturverformungen beim Erhitzen beobachtet. Um sie zu reduzieren, werden verschiedene Maßnahmen eingesetzt. An der Unterseite der Schürze befindet sich möglicherweise ein Ölabstreifring.

Um die Kraft vom oder zum Kolben zu übertragen, wird am häufigsten eine Kurbel oder eine Stange verwendet. Der Kolbenbolzen dient dazu, diesen Teil mit ihnen zu verbinden. Es besteht aus Stahl, hat eine röhrenförmige Form und kann auf verschiedene Arten installiert werden. Am häufigsten wird ein schwimmender Finger verwendet, der sich während des Betriebs drehen kann. Um ein Verschieben zu verhindern, ist es mit Sicherungsringen gesichert. Eine starre Befestigung kommt deutlich seltener zum Einsatz. In manchen Fällen dient die Stange als Führungsvorrichtung und ersetzt den Kolbenmantel.

Material

Der Motorkolben kann bestehen aus Verschiedene Materialien. In jedem Fall müssen sie Eigenschaften wie hohe Festigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit sowie einen niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten und eine niedrige Dichte aufweisen. Zur Herstellung von Kolben werden Aluminiumlegierungen und Gusseisen verwendet.

Gusseisen

Es zeichnet sich durch große Festigkeit, Verschleißfestigkeit und geringen Verschleiß aus. Letztere Eigenschaft ermöglicht den Betrieb solcher Kolben mit geringem Spiel und dadurch eine gute Zylinderabdichtung. Aufgrund ihres erheblichen spezifischen Gewichts werden Gusseisenteile jedoch nur in solchen Motoren verwendet, bei denen die hin- und hergehenden Massen Trägheitskräfte aufweisen, die nicht mehr als ein Sechstel der Druckkräfte auf den Boden des Gaskolbens ausmachen. Darüber hinaus erreicht die Erwärmung der Unterseite von Gusseisenteilen während des Motorbetriebs aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit 350–450 ° C, was insbesondere bei Vergaservarianten unerwünscht ist, da es zur Glühzündung führt.

Aluminium

Dieses Material wird am häufigsten für Kolben verwendet. Dies erklärt sich durch ihr geringes spezifisches Gewicht (Aluminiumteile sind 30 % leichter als Gusseisen) und ihre hohe Wärmeleitfähigkeit (3-4 mal höher als Gusseisen), die eine Erwärmung des Bodens auf nicht mehr als 250 °C gewährleistet erlaubt Erhöht den Kompressionsgrad und sorgt für eine bessere Füllung des Zylinders und eine hohe Reibung Eigenschaften. Darüber hinaus hat Aluminium 2-mal mehr als Gusseisen,linearer Ausdehnungskoeffizient, was uns dazu zwingt, Großes zu leisten Lücken mit Zylinderwänden, das heißt, die Abmessungen der Kolben weniger Aluminium als Gusseisen A, für identische Zylinder. Darüber hinaus solche Details und haben geringere Festigkeit, insbesondere im erhitzten Zustand (bei 300 ° C nimmt sie um 50-55 % ab, während sie bei Gusseisen Nykh - auf 10 %).

Zur Reduzierung der Reibung sind die Kolbenwände mit Graphit und Molybdändisulfid beschichtet.

Hitze

Wie bereits erwähnt, können sie sich im Betrieb auf 250–450 °C erhitzen °C. Daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, die sowohl darauf abzielen, die Erwärmung zu reduzieren als auch die dadurch verursachte Wärmeausdehnung der Teile auszugleichen.

Zur Kühlung der Kolben wird Öl verwendet, welches verschiedene Wege Sie werden in ihnen zugeführt: Sie erzeugen Ölnebel im Zylinder, versprühen ihn durch ein Loch im Pleuel oder mit einer Düse, injizieren ihn in den Ringkanal und sorgen für die Zirkulation durch eine Rohrwendel im Kolbenboden.

Zum Ausgleich von Temperaturverformungenin Gezeitengebieten Röcke sind auf beiden Seiten beschnitten Metall 0,5-1,5 mm tiefin Form von U- oder T-förmigen Schlitzen. Diese Maßnahme verbessert seine Schmierung und verhindert das Auftreten von durch Temperaturverformungen oder Abnutzung, daher diese e die Nischen werden Kühlschränke genannt. Ihre Wird in Kombination mit einem kegel- oder tonnenförmigen Rock verwendet.Das macht das wieder wett linear Ausdehnung aufgrund der Tatsache, dass beim ErhitzenDer Rock nimmt eine zylindrische Form an. Darüber hinaus kommen Ausgleichseinsätze zum Einsatzso dass der Kolbendurchmesser eine begrenzte erfährt Wärmeausdehnung in der Schwingungsebene der Pleuelstange. Sie können den Führungsteil auch vom Kopf isolieren, der der größten Hitze ausgesetzt ist. Schließlich werden den Wänden der Schürze Federeigenschaften verliehenMachen Sie einen schrägen Schnitt über die gesamte Länge.

Produktionstechnologie

Je nach Herstellungsverfahren werden Kolben in gegossene und geschmiedete (gestanzte) Kolben unterteilt.Teile des ersten Typs Wird bei den meisten verwendet Autos, und der Austausch von Kolben durch geschmiedete wird zum Tuning verwendet. Geschmiedete Optionen zeichnen sich durch erhöhte Festigkeit und Haltbarkeit sowie geringeres Gewicht aus. Daher erhöht der Einbau derartiger Kolben die Zuverlässigkeit und Leistung des Motors.Dies ist besonders wichtig für Motoren, die unter bestimmten Bedingungen betrieben werden erhöhte Belastungen, während für täglicher Gebrauch Genügend Gussteile.

Anwendung

Der Kolben ist ein multifunktionales Teil. Daher wird es nicht nur in Motoren eingesetzt. Es gibt zum Beispiel einen Bremssattelkolben,da es auf ähnliche Weise funktioniert. Auch Der Kurbelmechanismus wird bei einigen Modellen von Kompressoren, Pumpen und anderen Geräten verwendet.

Das bekannteste und am weitesten verbreitete auf der ganzen Welt mechanische Geräte- Dies sind Verbrennungsmotoren (im Folgenden als ICE bezeichnet). Ihr Sortiment ist umfangreich und sie unterscheiden sich in einer Reihe von Merkmalen, beispielsweise in der Anzahl der Zylinder, deren Anzahl zwischen 1 und 24 variieren kann, und dem verwendeten Kraftstoff.

Betrieb eines Kolben-Verbrennungsmotors

Einzylinder-Verbrennungsmotor kann als der primitivste, unwuchtigste und unruhigste Motor angesehen werden, obwohl er den Ausgangspunkt für die Entwicklung von Mehrzylindermotoren der neuen Generation darstellt. Heute werden sie im Flugzeugmodellbau, bei der Herstellung von Agrar-, Haushalts- und Gartengeräten eingesetzt. Weit verbreitet in der Automobilindustrie Vierzylindermotoren und solidere Geräte.

Wie funktioniert es und woraus besteht es?

Kolbenmotor Verbrennungs hat eine komplexe Struktur und besteht aus:

• Ein Gehäuse, einschließlich eines Zylinderblocks, eines Zylinderkopfs;
• Gasverteilungsmechanismus;
• Kurbelmechanismus (im Folgenden als Kurbelmechanismus bezeichnet);
• Eine Reihe von Hilfssystemen.

Die Kurbelwelle ist das Bindeglied zwischen der bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches (im Folgenden FA) im Zylinder freigesetzten Energie und der Kurbelwelle, die für die Bewegung des Fahrzeugs sorgt. Das Gasverteilungssystem ist für den Gasaustausch während des Betriebs der Einheit verantwortlich: Zugang von Luftsauerstoff und Brennelementen zum Motor sowie rechtzeitige Entfernung der bei der Verbrennung entstehenden Gase.

Der Aufbau eines einfachen Kolbenmotors

Hilfssysteme werden vorgestellt:

• Einlass, der die Sauerstoffversorgung des Motors gewährleistet;
• Kraftstoff, dargestellt durch ein Kraftstoffeinspritzsystem;
• Zündung, die für einen Funken und die Zündung von Brennelementen für mit Benzin betriebene Motoren sorgt (Dieselmotoren zeichnen sich durch eine Selbstentzündung des Gemisches aufgrund hoher Temperaturen aus);
• Ein Schmiersystem, das mithilfe von Maschinenöl die Reibung und den Verschleiß berührender Metallteile reduziert.
• Kühlsystem, das eine Überhitzung der Arbeitsteile des Motors verhindert und die Zirkulation gewährleistet spezielle Flüssigkeiten Typ Frostschutzmittel;
• Ein Abgassystem, das die Entfernung von Gasen in den entsprechenden Mechanismus gewährleistet, bestehend aus Auslassventilen;
• Ein Steuerungssystem, das die Funktion des Verbrennungsmotors auf elektronischer Ebene überwacht.

Das Hauptarbeitselement in der beschriebenen Einheit wird betrachtet Kolben eines Verbrennungsmotors, das selbst ein vorgefertigtes Teil ist.

Motorkolbendesign

Schritt-für-Schritt-Betriebsdiagramm

Der Betrieb eines Verbrennungsmotors basiert auf der Energie expandierender Gase. Sie entstehen durch die Verbrennung von Brennelementen im Inneren des Mechanismus. Dieser physikalische Vorgang zwingt den Kolben dazu, sich im Zylinder zu bewegen. In diesem Fall kann der Kraftstoff sein:

• Flüssigkeiten (Benzin, Dieselkraftstoff);
• Gase;
• Kohlenmonoxid entsteht bei der Verbrennung fester Brennstoffe.

Der Motorbetrieb ist ein kontinuierlicher geschlossener Zyklus, der aus einer bestimmten Anzahl von Zyklen besteht. Die gebräuchlichsten Verbrennungsmotoren sind zwei Typen, die sich in der Anzahl der Zyklen unterscheiden:

1. Zweitakter, der Kompression und Hub erzeugt;
2. Viertakt – gekennzeichnet durch vier Phasen gleicher Dauer: Einlass, Kompression, Arbeitstakt und Endauslass, dies weist auf eine vierfache Änderung der Position des Hauptarbeitselements hin.

Der Hubbeginn wird durch die Lage des Kolbens direkt im Zylinder bestimmt:

• Oberer Totpunkt (im Folgenden als TDC bezeichnet);
• Unterer Totpunkt (im Folgenden als BDC bezeichnet).

Wenn Sie den Funktionsalgorithmus einer Viertaktprobe studieren, können Sie ihn gründlich verstehen Funktionsprinzip eines Automotors.

Das Funktionsprinzip eines Automotors

Die Ansaugung erfolgt, indem der Arbeitskolben vom oberen Totpunkt durch den gesamten Hohlraum des Zylinders geführt wird und gleichzeitig das Brennelement zurückgezogen wird. Bezogen auf Design-Merkmale, kann es zu einer Vermischung der einströmenden Gase kommen:

• Im Sammler Ansaugsystem Dies gilt, wenn es sich bei dem Motor um einen Benzinmotor mit verteilter oder zentraler Einspritzung handelt.
• In der Brennkammer, wenn wir darüber reden Dieselmotor, sowie ein mit Benzin betriebener Motor, jedoch mit Direkteinspritzung.

Erste Maßnahme passiert bei geöffneten Einlassventilen des Gasverteilungsmechanismus. Die Anzahl der Einlass- und Auslassventile, ihre Öffnungsdauer, ihre Größe und ihr Verschleißzustand sind Faktoren, die die Motorleistung beeinflussen. Der Kolben befindet sich in der Anfangsphase der Kompression auf dem UT. Anschließend beginnt es sich nach oben zu bewegen und das angesammelte Brennelement auf die durch die Brennkammer vorgegebenen Abmessungen zu verdichten. Der Brennraum ist der freie Raum im Zylinder, der zwischen der Oberseite des Zylinders und dem Kolben im oberen Totpunkt verbleibt.

Zweite Maßnahme Dazu gehört das Schließen aller Motorventile. Die Dichtheit ihres Sitzes wirkt sich direkt auf die Kompressionsqualität des Brennelements und dessen anschließende Zündung aus. Auch der Verschleißgrad der Motorkomponenten hat großen Einfluss auf die Qualität der Brennelementkompression. Sie drückt sich in der Größe des Raumes zwischen Kolben und Zylinder, in der Dichtheit der Ventile aus. Der Kompressionsgrad des Motors ist der Hauptfaktor, der seine Leistung beeinflusst. Sie wird mit einem speziellen Gerät namens Kompressionsmesser gemessen.

Arbeitshub startet, wenn eine Verbindung zum Prozess hergestellt wird Zündanlage, wodurch ein Funke entsteht. Der Kolben befindet sich in der maximal oberen Position. Die Mischung explodiert und Gase werden freigesetzt, wodurch entsteht Bluthochdruck, und der Kolben wird in Bewegung gesetzt. Der Kurbelmechanismus wiederum aktiviert die Drehung der Kurbelwelle, die für die Bewegung des Autos sorgt. Alle Systemventile befinden sich zu diesem Zeitpunkt in der geschlossenen Position.

Hub loslassen ist der letzte im betrachteten Zyklus. Alle Auslassventile befinden sich in der offenen Position, sodass der Motor Verbrennungsprodukte „ausatmen“ kann. Der Kolben kehrt zu seinem Ausgangspunkt zurück und ist bereit, einen neuen Zyklus zu beginnen. Diese Bewegung fördert die Freisetzung von Abgassystem, und dann rein Umfeld, Abgase.

Funktionsdiagramm eines Verbrennungsmotors, wie oben erwähnt, basiert auf Zyklizität. Nachdem ich es mir im Detail angesehen habe, Wie funktioniert ein Kolbenmotor? Wir können zusammenfassen, dass die Effizienz eines solchen Mechanismus nicht mehr als 60 % beträgt. Dieser Prozentsatz ist darauf zurückzuführen, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt der Arbeitstakt nur in einem Zylinder ausgeführt wird.

Nicht die gesamte zu diesem Zeitpunkt empfangene Energie wird für die Bewegung des Fahrzeugs verwendet. Ein Teil davon wird dafür aufgewendet, das Schwungrad in Bewegung zu halten, das durch Trägheit den Betrieb des Fahrzeugs während der anderen drei Hübe gewährleistet.

Ein gewisser Teil der Wärmeenergie wird unfreiwillig für die Erwärmung des Gehäuses und der Abgase verschwendet. Deshalb wird die Leistung eines Automotors durch die Anzahl der Zylinder und damit durch das sogenannte Motorvolumen bestimmt, das nach einer bestimmten Formel als Gesamtvolumen aller Arbeitszylinder berechnet wird.

Wenn wir uns ans Steuer eines Autos setzen, den Zündschlüssel drehen und das Gaspedal betätigen, beginnen unter der Motorhaube viele sehr komplexe Mechanismen abzulaufen, die Bewegung erzeugen. All diese Mechanismen interessieren uns überhaupt nicht, Hauptsache das Auto bewegt sich. Aber wenn es zu einem Zusammenbruch kommt, fangen wir an, über die Ursache zu rätseln und müssen das Ganze in den Griff bekommen notwendige Informationenüber den Aufbau und die Funktionsweise jedes einzelnen Teils. Um jedoch keine Zeit damit zu verschwenden, wenn Sie diese Zeit nicht haben, sollten Sie die Eigenschaften von Autoteilen gut verstehen, bevor Sie sich ans Steuer setzen.

Heute werden wir mit Ihnen insbesondere über den Kolben sprechen. Schließlich ist dieser Teil von zentraler Bedeutung bei der Umwandlung von Kraftstoffenergie in thermische und mechanische Energie. Wir erklären Ihnen, was ein Kolben ist, welchen Zweck er erfüllt, welche Grundvoraussetzungen er erfüllt und welche Konstruktionsmerkmale er hat.

1. Motorkolben und seine Haupteigenschaften

Wir hoffen natürlich, dass erfahrene Autofahrer nicht lange erklären müssen, was ein Motorkolben ist. Wenn sich jedoch unter unseren Lesern „Anfänger“ befinden, erklären wir ihnen speziell, dass der Kolben ein Autoteil ist, das Druckänderungen von Gas, Dampf und Flüssigkeit im Motor in mechanische Kraft umwandelt. Der Kolben hat die Form eines Zylinders, in dem ständig hin- und hergehende Bewegungen ausgeführt werden, wodurch mechanische Kraft erzeugt wird.

Dieses Detail trägt eine sehr wichtige Verantwortung und seine Wirksamkeit hängt davon ab, wie gut es damit umgeht. Tatsächlich ist es der komplexeste Teil des Autos, und für einen ungeübten Geist ist es ziemlich schwierig, seine Merkmale und widersprüchlichen Eigenschaften zu verstehen. Nur wenige wissen es, aber fast keiner Automobilkonzernübt nicht Eigenproduktion Kolben für ihre Autos, bestellen sie aber speziell für ihre Motoren. Kompliziert die Situation für normale Autofahrer und die Tatsache, dass es heute eine große Anzahl gibt verschiedene Formen und Kolbengrößen. Daher kann die Wartung und Reparatur dieses Teils immer unterschiedlich durchgeführt werden.

Welche Anforderungen muss ein zuverlässiger Kolben erfüllen?

Da der Kolben ein recht komplexes Teil ist, werden an ihn sehr viele Anforderungen gestellt. Aufgrund der Komplexität der Produktion gibt es nicht so viele Hersteller von Motorkolben und dieses Teil kostet auf dem Automarkt ziemlich viel. Lassen Sie uns also herausfinden, welche Anforderungen ein guter Kolben erfüllen muss:

1. Der Motorkolben bewegt sich im Zylinder und sorgt für die Ausdehnung komprimierter Gase, die bei der Kraftstoffverbrennung entstehen. Dadurch können Gase mechanische Arbeit verrichten und alle anderen Mechanismen des Autos antreiben. Daher ist die Hauptanforderung an Kolben die Fähigkeit, den hohen Temperaturen, bei denen alle diese Prozesse stattfinden, und dem hohen Gasdruck standzuhalten und die Zylinderbohrung gut abzudichten (andernfalls kann der Gasdruck nicht beeinflusst werden).

2. Der Kolben ist kein einzelnes Gerät, er arbeitet mit dem Zylinder und den Kolbenringen zusammen. Zusammen bilden diese Teile ein Lineargleitlager. Dabei muss das Lager alle Anforderungen und Eigenschaften des Reibpaares erfüllen. Wenn alle Anforderungen mit höchster Genauigkeit berücksichtigt werden, trägt dies nicht nur dazu bei, mechanische Verluste bei der Kraftstoffverbrennung, sondern auch den Verschleiß aller Teile zu minimieren.

3. Der Kolben ist ständig hohen Belastungen ausgesetzt, von denen die Belastungen aus der Brennkammer des Kraftstoffs am stärksten sind, und die Reaktionen seiner Konstruktion müssen all diese Faktoren berücksichtigen und solch starken mechanischen Belastungen standhalten.

4. Trotz der Tatsache, dass sich der Kolben während des Betriebs ziemlich stark bewegt hohe Geschwindigkeit, es sollte den Kurbeltrieb des Autos nicht stark mit Trägheitskräften belasten, da es sonst zu Pannen kommen kann.

2. Zweck der Kolben bzw. ihre funktionellen Verantwortlichkeiten

Wir haben bereits mehrfach erwähnt, dass der Kolben eine sehr gute Leistung erbringt wichtige Rolle während des gesamten Betriebs eines Automotors. Der Hauptzweck der Kolben besteht also darin:

- Gasdruck aus der Brennkammer empfangen und diesen Druck in Form mechanischer Kraft auf den Motor übertragen;

Den Hohlraum des Motorzylinders, der sich oberhalb des Kolbens befindet, abdichten. Somit schützt es alle Kfz-Mechanismus durch in den Krater eindringende Gase und durch eindringendes Schmieröl.

Darüber hinaus ist die zweite Funktion wichtiger, da sich der Kolben dadurch selbst versorgt normale Bedingungen für die Arbeit. Eine Aussage über den technischen Zustand des Motors treffen Experten erst nach der Inspektion der Kolbengruppe und der Überprüfung ihrer Dichtfähigkeit. Denn wenn der Ölverbrauch 3 % des Kraftstoffverbrauchs übersteigt (und dies geschieht aufgrund seines Abfalls beim Eintritt in die Brennkammer), dann der gesamte Auto Motor Es muss dringend zur Reparatur eingeschickt werden, andernfalls kann es ganz außer Betrieb genommen werden. Dass mit Ihrem Motor etwas nicht stimmt, erkennen Sie am Rauch in den Abgasen. Aber es ist besser, dies nicht zuzulassen.

Wenn Sie lesen, dass der Kolben und seine Elemente unter Bedingungen mit sehr hohen Temperaturen arbeiten, fragen Sie sich wahrscheinlich, wie dieses Gerät nicht von selbst ausfällt? Hinzu kommt, dass der Betrieb des Kolbens neben schwierigen Temperaturbedingungen ständig von zyklischen, stark wechselnden Belastungen begleitet ist. Bei alledem sind die Elemente des beschriebenen Teils nicht immer ausreichend geschmiert. Aber natürlich haben die Designer und Entwickler der Kolben darüber nachgedacht.

Erstens Sie werden unter Berücksichtigung des Zwecks und der Art des Motors entwickelt, in den sie eingebaut werden sollen (stationär, Diesel, Zweitakt-, Zwangs- oder Transportmotor), daher werden nur die nachhaltigsten Materialien verwendet.

Zweitens Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie dieser Teil gekühlt wird. Aber zuerst ein wenig darüber, wie und wohin Wärme (oder sogar Wärme) aus der Brennkammer fließt. Es gelangt in die Umwelt kalte Luft, das den Kühler und den Motor sowie den Zylinderblock wäscht. Aber auf welche Weise überträgt der Kolben Wärme auf den Block und das Frostschutzmittel?

1. Durch Kolbenringe. Das wichtigste davon ist das erste, da es sich am nächsten am Kolbenboden befindet. Da die Ringe gleichzeitig sowohl gegen die Kolbennuten als auch gegen die Zylinderwand gedrückt werden, übertragen sie etwa 50 % des gesamten Wärmestroms vom Kolben.

2. Dank des zweiten „Kühlmittels“, dessen Rolle das Motoröl übernimmt. Da das Öl die heißesten Teile des Motors erreicht, ist es das Öl, das eine sehr große Wärmemenge von den heißesten Stellen in die Kurbelgehäusewanne transportieren kann. Damit das Öl die Kolben kühlt, muss es jedoch auch abkühlen, sonst muss es sehr bald gewechselt werden.

3. Die Wärme gelangt durch die Vorsprünge in den Bolzen, in die Pleuelstange und in das Öl. Ein weniger effizienter Weg, aber er spielt seine wichtige Rolle.

4. Seltsamerweise trägt Kraftstoff auch zur Kühlung des Kolbens und des gesamten Motors bei. Wenn also ein frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum gelangt, nimmt es recht viel Wärme auf, gibt diese dann aber in noch größeren Mengen ab. Die Menge an Gemisch und Wärme, die es direkt aufnehmen kann, hängt jedoch von der Betriebsart des Fahrzeugs und der Drosselklappenstellung ab. Der Vorteil dieses Wegs besteht darin, dass das Gemisch Wärme von der Seite aufnimmt, von der sich der Kolben am stärksten erwärmt.

Allerdings sind wir etwas voreilig geworden, weil wir angefangen haben, über die Funktionsweise des Kolbens zu reden, ohne es wirklich zu verstehen Design-Merkmale dieses Detail. Dem widmen wir den nächsten Abschnitt.

3. Kolbendesign: Alles, was ein normaler Autoenthusiast über das Teil wissen muss

Im Allgemeinen ist es dasselbe, nur über einen Kolben zu sprechen, als würde man über Brot sprechen und nur die Eigenschaften von Mehl diskutieren. Logischer ist es, sich mit der gesamten Kolbengruppe des Motors vertraut zu machen, die durch folgende Teile repräsentiert wird:

- der Kolben selbst;

Kolbenringe;

Kolbenbolzen.

Dieses Design der Kolbengruppe ist seit der Einführung der allerersten Verbrennungsmotoren unverändert geblieben. Deshalb, diese Beschreibung wird bei fast allen Motoren gleich sein.

Natürlich am meisten wichtige Funktionen führt einen Kolben durch, dessen Design sich seit 150 Jahren nicht verändert hat. Wenn Sie kein professioneller Mechaniker werden möchten, müssen Sie nur die folgenden wichtigen Bereiche des Kolbens und deren Funktionszweck kennen:

1. Kolbenboden. Die Oberfläche des Teils, die direkt dem Brennraum des Motors zugewandt ist. Der Boden definiert mit seinem Profil die untere Oberfläche dieser Kammer. Diese Form kann abhängen von: der Form der Brennkammer, ihrem Volumen, den Eigenschaften der Zufuhr der Kraftstoff-Luft-Masse in sie und der Position der Ventile. Es gibt Fälle, in denen sich am Boden eine Aussparung befindet, wodurch sich das Volumen der Brennkammer vergrößert. Da dies jedoch nicht wünschenswert ist, ist es zur Reduzierung des Kammervolumens erforderlich, spezielle Verdränger zu verwenden – ein bestimmtes Metallvolumen, das sich über der Bodenebene befindet.

2. „Hitze-(Feuer-)Gürtel.“ Dieser Begriff bezieht sich auf die Strecke, die von der Unterseite des Kolbens bis zu seinem ersten Ring verläuft. Es ist wichtig zu wissen, dass je kürzer der Abstand vom Boden zu den Ringen ist, desto höher ist die thermische Belastung auf diese Elemente und desto stärker verschleißen sie.

3. Dichtungsbereich. Es handelt sich um Nuten, die sich auf der Seitenfläche eines zylindrischen Kolbens befinden. Diese Nuten sind der direkte Weg zum Einbau der Ringe, die wiederum für die Beweglichkeit der Dichtung sorgen. Auch in der Nut für Ölabstreifring Es muss ein Loch vorhanden sein, durch das überschüssiges Öl in den Innenhohlraum des Kolbens abfließen kann.

Eine weitere Funktion des Dichtungsabschnitts besteht darin, wie bereits erwähnt, mithilfe von Kolbenringen einen Teil der Wärme vom Motorkolben abzuführen. Für eine effektive Wärmeableitung ist es jedoch sehr wichtig, dass die Kolbenringe sowohl an den Nuten als auch an der Zylinderoberfläche eng anliegen. So sollte der Endspalt des ersten Kompressionsrings etwa 0,045 bis 0,070 Millimeter betragen, beim zweiten 0,035 bis 0,06 Millimeter und beim Ölabstreifring 0,025 bis 0,005 Millimeter. Zwischen den Ringen und Nuten kann das Radialspiel jedoch 1,2 bis 0,3 Millimeter betragen. Für das menschliche Auge sind diese Indikatoren jedoch nicht aussagekräftig, sie können nur mit speziellen Geräten ermittelt werden.

4. Kolbenkopf. Dies ist ein verallgemeinerter Abschnitt, der den bereits oben beschriebenen Boden- und Dichtungsteil umfasst.

5. Kompressionshöhe des Kolbens. Der Abstand, der von der Kolbenbolzenachse zum Kolbenboden berechnet wird.

6. „Rock“. Unterseite des Kolbens. Enthält Vorsprünge mit Löchern, in die der Kolbenbolzen eingebaut wird. Die Außenfläche dieses Abschnitts ist die Stütz- und Führungsfläche für den Kolben. Dadurch ist es gewährleistet richtiges Verhältnis Kolbenachse und Zylinderachse des Motors. Eine ebenso wichtige Rolle spielt auch die Seitenfläche des „Rocks“, durch die periodisch auftretende Querkräfte in Kolbengruppe Motor. Und speziell um die Bearbeitbarkeit der Oberfläche der Schürze zu verbessern und die Reibung zu reduzieren, wird diese mit einer speziellen Schutzschicht aus Zinn (Graphit und Molybdändisulfid) beschichtet. Als Basis der Beschichtung können auch Molybdändisulfid verwendet werden. Oder anstelle einer Beschichtung Auf der Schürze können Rillen mit einem speziellen Profil angebracht werden, die Öl zurückhalten und eine hydrodynamische Kraft erzeugen, die den Kontakt mit den Zylinderwänden verhindert.

Wie und woraus: Merkmale der Herstellung von Automobilkolben

Es ist klar, dass zur Erfüllung der Funktionen, die ein Kolben ausführt, ein ziemlich „hartes“ Metall erforderlich ist. Dies ist jedoch weit entfernt von Stahl. Kolben werden aus Aluminiumlegierungen hergestellt, denen immer Silizium zugesetzt wird. Dies geschieht, um den Ausdehnungskoeffizienten unter dem Einfluss zu verringern hohe Temperaturen und erhöhen die Verschleißfestigkeit des Teils.

Zur Herstellung von Kolben kann jedoch eine Legierung mit unterschiedlichen Siliziumanteilen verwendet werden. Zu diesem Zweck werden beispielsweise am häufigsten 13-prozentige Siliziumlegierungen verwendet, die als „Legierungen“ bezeichnet werden Eutektikum. Es gibt Legierungen mit einem höheren Siliziumgehalt, die sogenannte übereutektisch. Und je höher dieser Prozentsatz ist, desto höher sind die Wärmeleitfähigkeitseigenschaften der Legierung. Dies macht ein solches Material jedoch nicht ideal für die Herstellung von Kolben.

Tatsache ist, dass ein solches Material beim Abkühlen beginnt, Siliziumkörner mit einer Größe von 0,5 bis 1 Millimeter freizusetzen. Offensichtlich spiegelt sich ein solcher Prozess in Gießereien wider mechanische Eigenschaften sowohl das Material als auch das Teil, das daraus hergestellt wird. Aus diesem Grund wird in solche Legierungen zusätzlich zu Silizium die folgende Liste regulierender Zusätze eingebracht:

- Mangan;

Wie wird der Hauptteil eines Autokolbens hergestellt? Es gibt sogar zwei Möglichkeiten, wie Sie einen Rohling für dieses Teil erhalten können. Bei der ersten Methode wird eine heiße Legierung in eine spezielle Form namens „Chill“ gegossen. Diese Methode ist am häufigsten. Die zweite Möglichkeit zur Herstellung eines Werkstücks ist das Heißprägen. Aber danach Bearbeitung Formen wird der zukünftige Kolben außerdem verschiedenen Wärmebehandlungen unterzogen, die die Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit des Metalls erhöhen. Außerdem können Sie mit solchen Verfahren Restspannungen im Metall abbauen.

Obwohl die Verwendung von geschmiedetem Metall die Festigkeit des Teils erhöht, haben sie auch Nachteile. Solche Produkte werden meist in der klassischen Variante mit hohem „Rock“ hergestellt, was sie zu schwer macht. Außerdem erlauben solche Produkte nicht die Verwendung von Wärmeausgleichsringen oder -platten. Aufgrund des erhöhten Gewichts eines solchen Kolbens nimmt auch seine thermische Verformung zu, und infolgedessen ist es erforderlich, den Spalt zwischen Kolben und Zylinder zu vergrößern.

Die Folgen davon werden dem Fahrer überhaupt nicht gefallen, denn sie sind es erhöhter Lärm Motorleistung, schneller Verschleiß der Zylinder und Hoher VerbrauchÖle Der Einsatz geschmiedeter Kolben ist nur dann gerechtfertigt, wenn das Fahrzeug regelmäßig unter extremsten Bedingungen betrieben wird.

Heute richten Konstrukteure und Physiker alle Anstrengungen darauf, die Konstruktion der Kolben so ideal und genau wie möglich zu gestalten. Die wichtigsten Trends zielen insbesondere auf die folgende Liste ab:

- Reduzierung des Teilegewichts;

Nur „dünne“ Ringe am Kolben verwenden;

Reduzierung der Kompressionshöhe des Kolbens;

Reduzierung der Kolbenbolzen und Verwendung nur der kürzesten in der Kolbenkonstruktion;

Verbesserung Schutzbeschichtungen und sie auf alle Oberflächen des Teils auftragen.

Ähnliche Erfolge sind heute bei T-förmigen Kolbenkonstruktionen zu beobachten. neueste Generation. angerufen dieses Design T-förmig gerade wegen der äußerlichen Ähnlichkeit des Teils mit dem Buchstaben „T“. Der Hauptunterschied zwischen solchen Kolben besteht in der verringerten Höhe des Schaftes und der Fläche seines Führungsteils. Solche Kolben bestehen aus einer übereutektischen Legierung, die einen relativ großen Anteil Silizium enthält. Und sie werden hauptsächlich durch Heißprägen hergestellt.

Allerdings hängt es von vielen Faktoren ab, welche Art von Motorkolbenkonstruktion die Entwickler in das Auto einbauen wollen. Einer solchen Entscheidung geht immer eine lange Zeit der Berechnungen und Analyse des Verhaltens aller Knoten voraus Pleuel-Kolben-Gruppe beeinflusst neuer Teil. Die Berechnung aller Teile erfolgt unter Berücksichtigung der höchsten Möglichkeiten ihrer Konstruktion und der Materialien, aus denen sie hergestellt sind. So traurig es auch sein mag, in diesem Fall wird der Hersteller nicht zu viel bezahlen. Er wird die Option wählen, die die notwendigen Ressourcen genau zum richtigen Zeitpunkt bereitstellt, und kein Geld für deren Erhöhung ausgeben.

Wie dem auch sei, normale Autofahrer müssen verstehen und bedienen, was bereits in ihrem Auto installiert ist. Wir hoffen, dass Ihnen unser Artikel dabei geholfen hat, die Funktionsweise und den Zweck von Kolben besser zu verstehen. Wir wünschen Ihnen, dass Sie nie Probleme mit diesem Teil haben, für das Sie es bereitstellen müssen die richtigen Bedingungen Betrieb – nicht zu viel „fahren“ und das Motoröl rechtzeitig wechseln.

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