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Kolben
Ein Kolben ist ein zylinderförmiges Bauteil, das sich in einem Zylinder hin und her bzw. auf und ab bewegt. Der Kolben bewegt sich zwischen den zwei Totpunkten OT (Oberer Totpunkt) und UT (Unterer Totpunkt). Die Geschwindigkeit wechselt ständig; sie ist ungleichförmig. Die Bewegungen der Pleuelstange setzen sich aus der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens und der kreisförmigen Bewegung des Kurbelzapfens zusammen. Vom Schwungrad wird die ungleichmäßige Krafteinwirkung während der Kolbenbewegungen ausgeglichen. Ein Teil der Energie der Kolbenbewegungen wird vom Schwungrad gespeichert und während der Leertakte abgegeben. Die Kurbelwelle dreht sich deshalb mit nahezu gleichförmiger Umfangsgeschwindigkeit.
Die Größe der Kolbenkraft in Richtung der Zylinderachse wird beeinflusst durch den Verbrennungsdruck und die Massenkräfte. Die Massenkräfte werden verursacht durch die hin- und hergehenden Massen des Kolbens mit den Kolbenringen, dem Kolbenbolzen und einem Teil der Pleuelstange.
Der Kolben soll die folgenden Aufgaben erfüllen:
den Verbrennungsdruck in eine mechanische Bewegung umwandeln,
die Seitenkräfte an die Zylinderwand abgeben,
den Verbrennungsraum des Motors beweglich gegen das Kurbelgehäuse abdichten,
die vom Kolbenboden während der Verbrennung aufgenommen Wärme an das Kühlmittel weiterleiten und
den Ladungswechsel in Zweitaktmotoren steuern
Um diese Aufgaben erfüllen zu können, muss der Kolben folgende Eigenschaften haben:
eine große Festigkeit in der Kolbenringzone, um ein Einschlagen der Kolbenringe in die Kolbenringnuten zu vermeiden,
eine geringe Masse, damit die Massenkräfte gering bleiben,
gute Wärmeleitung und geringe Wärmedehnung, um ein kleines Einbauspiel zu ermöglichen,
einen warmfesten Kolbenboden sowie
einen elastischen Schaft.
Der Kolben besteht aus folgenden Bestandteilen:
ein Kolbenboden
das Kolbenhemd (zylindrisches Bauteil; passt mit kleinem Spiel in die Zylinderbohrung)
den Kolbenbolzen mit Lagerung (verbindet Kolben mit Pleuel)
Die Form der Kolbenbodenfläche wird durch die konstruktive Gestaltung des Verdichtungsraums beeinflusst. Ein ebener Kolbenboden hat den Vorteil, dass die warmen Verbrennungsgase mit der kleinsten Oberfläche in Berührung kommen, dadurch wird der Kolbenboden durch hohe Temperaturen geringer belastet. Häufig sind Mulden für die Ventile oder, speziell bei Dieselmotoren, für den Verbrennungsraum im Kolbenboden erforderlich, damit die Verbrennungsgase gut verwirbelt werden. Dadurch erfolgt eine gute Gemischbildung.
Die Abdichtung zwischen Verbrennungsraum und Kurbelgehäuse übernehmen die Kolbenringe. Die Temperaturen am Kolben werden wesentlich durch das Arbeitsverfahren (Zweitaktmotor oder Viertaktmotor), das Verbrennungsverfahren (Ottomotor oder Dieselmotor), die Art der Kühlung (Luftkühlung oder Flüssigkeitskühlung) und durch die jeweilige Belastung des Motors beeinflusst. Eine gute Wärmeleitfähigkeit des Kolbenwerkstoffs verbessert den Wärmetransport, dadurch sinkt die Betriebstemperatur des Kolbens. Durch eine gute Kühlung des Kolbenbodens ist eine Steigerung der Motorleistung möglich, weil die Dichte der Luft mit abnehmender Temperatur und dadurch die Menge der Frischladung größer werden kann. Ist der Kolbenboden, speziell bei Dieselmotoren, einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt, wird der Kolben zusätzlich durch Öl gekühlt.
