Warum sind Kolbenstifte hohl?

Design und Passform der Kolbenstifte

Warum sollte man das Zentrum eines Kolbenstifts entfernen? Ein massiver Stahlstift mag stärker aussehen, aber ein Motorbauteil kann nicht allein an der Materialmenge gemessen werden. Der Stift beschleunigt, verzögert und ändert die Richtung mit dem Kolben, sodass seine Masse auch zu den Trägheitslasten beiträgt.

Ein Hohlschnitt nutzt eine geometrische Eigenschaft: Material, das weiter vom Zentrum entfernt ist, trägt stärker zur Biegefestigkeit bei. Das Entfernen eines zentralen Materials reduziert die Masse, während ein Großteil dieser Steifigkeit erhalten bleibt. Eine Vergrößerung der Bohrung verringert jedoch die Wanddicke, sodass Verformung und Ermüdung für die Konstruktion wichtige Aspekte sind.

Das erklärt auch, warum zwei Kolbenstifte mit gleichem Außendurchmesser und -länge nicht automatisch austauschbar sind. Bohrungsgeometrie, Material, Maßgrenzen und die Passung mit Kolben und Pleuelstange beeinflussen alle ihre Arbeitsbedingungen.

Wie viel Biegesteifigkeit geht verloren, wenn das Zentrum entfernt wird?

Ein einheitliches zylindrisches Modell hilft, die Geometrie zu erklären. Für Außendurchmesser D und Innendurchmesser D sind die Querschnittsfläche A und das zweite Flächenmoment I:

Für dasselbe Material und dieselbe Länge bestimmt die Querschnittsfläche die Masse. Das zweite Flächenmoment ist der geometrische Parameter zur Berechnung der Biegesteifigkeit. Die Fläche hängt vom Durchmesser zum Quadrat ab, während I vom Durchmesser bis zur vierten Potenz abhängt. Das Entfernen des zentralen Materials reduziert daher nicht Masse und Biegesteifigkeit um das gleiche Verhältnis.

Angenommen, der Innendurchmesser beträgt 50 % des Außendurchmessers, mit dem gleichen Außendurchmesser, der gleichen Länge und dem gleichen Material wie bei einem festen Zylinder. Die berechnete Massenreduktion beträgt 25 %, während I um 6,25 % abnimmt. Mit demselben elastischen Modul E nimmt auch die Biegesteifigkeit EI um 6,25 % ab.

Warum nicht den Lauf so groß wie möglich machen?

Während des Betriebs übt das kleine Verbindungsstangenende eine Last um die Mitte des Stifts aus, während die Kolbenstiftbosse ihn auf beiden Seiten stützen. Der Stift biegt sich entlang seiner Länge, und lokale Kontaktlasten können auch seinen kreisförmigen Abschnitt zu einem Oval verformen. Die Wanddicke beeinflusst beide Verformungsformen.

Die Versagensanalyse des Kolbenstifts berücksichtigt Geometrie, Biegung, Ovalisation, Kontaktdruck und Anfangsabstand zusammen. [2] Das zweite Flächenmoment allein kann keinen geeigneten Bohrdurchmesser für einen bestimmten Stift bestimmen.

Eine dünnere Wand kann die Masse weiter reduzieren, aber sie kann auch die Verformung erhöhen und die Druckverteilung zwischen Stift, Kolbenbossen und Pleuelstangen-Ende verändern. Die Wanddicke muss den Motorlasten und den Verbindungskomponenten entsprechen.

Die Bohrung ist nicht notwendigerweise ein gerades, konstant-durchtrenntes Loch. ISO 18669-1 umfasst zylindrische, mittelverstärkte und konische Bohrungen. [1] Unterschiedliche Profile verändern die Wanddickenverteilung entlang des Stifts, aber ihre Eignung hängt weiterhin von Stützpositionen, Betriebsbedingungen und Herstellungsanforderungen ab.

Warum spielt die Masse des Kolbenstifts eine Rolle?

Der Kolbenstift ist Teil der Kolbenbaugruppe. Bei derselben Beschleunigung ist die Trägheitskraft proportional zur Masse: F = ma. Die Reduzierung der Stiftmasse verringert die damit verbundene Trägheitslast, die unter denselben Bewegungsbedingungen durch die Pleuelstange übertragen wird.

Im SAE Technical Paper 2015-01-0523 berichten MAHLE-Ingenieure, dass Kolbenstifte je nach Motoranwendung etwa 10–30 % der Hubbewegungsmasse ausmachen können. Ihr Verbunddesign kombiniert eine Stahlhülse mit einem Aluminiumkern, mit gemeldeten Gewichtsreduktionen von bis zu etwa 20 % bei Benzinmotoren und 30 % bei Pkw-Dieselmotoren. [3]

Diese Forschung zeigt das ingenieurtechnische Interesse an leichteren Kolbenstiften. Der Verbundstift ist jedoch ein anderes Design als ein herkömmlicher hohler Stahlstift. Die berichteten Gewichtsreduzierungen dürfen nicht direkt auf das hohle Schnittbeispiel oben angewendet werden.

Kolbenstifte werden üblicherweise aus Stahl hergestellt. [6] Ein hohles Design balanciert die Masse gegen die Lastanforderungen. Die spezifischen Materialqualitäts- und Wärmebehandlungsanforderungen sollten aus der technischen Spezifikation des jeweiligen Produkts übernommen werden.

Kolbenmaterial und Kolbenstiftmaterial sind unterschiedliche Spezifikationen

POWCODE spezifiziert die AC8A-Aluminiumlegierung für die Kolben auf derDV6 8V Motorteileplattform. AC8A bezieht sich auf den Kolbenkörper, nicht auf den Kolbenstift. Die Stahlqualität und die Wärmebehandlung müssen getrennt von der Spezifikation für den mitgelieferten Stift bestätigt werden; sie können nicht aus der Kolbenlegierung abgeleitet werden.

Die gleichen Außenmaße garantieren nicht die gleiche Passform

Produktkataloge listen in der Regel den Durchmesser und die Länge des Kolbenstifts an. Diese Maße helfen bei der Identifizierung eines Bauteils, definieren jedoch nicht die vollständige technische Spezifikation. Bohrungsprofil, Wanddicke, tatsächliche Masse, Material, Wärmebehandlung und Abmessungstoleranzen müssen ebenfalls überprüft werden.

Für eine Freistand-Anpassungs-Schnittfläche entspricht der diametrale Freiraum dem tatsächlichen Bohrungsdurchmesser minus dem tatsächlichen Stiftdurchmesser. Wenn Stift und Bohrung konzentrisch sind, beträgt der radiale Freiraum auf jeder Seite die Hälfte des diametralen Abstands. Dies ist eine Berechnungsbeziehung, keine akzeptable Freistandspezifikation für irgendeinen Motor.

Ein größerer Bolzendurchmesser oder ein kleinerer Bohrungsdurchmesser verringern den Freistand; das Gegenteil erhöht ihn. Messtemperatur, Messposition und Formfehler beeinflussen ebenfalls die Beurteilung. Die Sicherungsmethoden unterscheiden sich zwischen Motoren und Schnittstellen, sodass kein einheitlicher Freistandswert universell angewendet werden kann.

Während der Entwicklung von Motorkomponenten hat POWCODE Kolbenbaugruppen und verwandte Muster von verschiedenen Quellen für physikalische Vergleiche erworben. Diese Erfahrung hat unsere Aufmerksamkeit auf Materialspezifikationen und Passformanforderungen jenseits der Katalogmaße gelenkt. Mustervergleiche helfen, Fragen für weitere Untersuchungen zu identifizieren, ersetzen jedoch nicht Materialtests, Produktionschargenstatistiken oder Validierung der Motorhaltbarkeit.

Was sagt uns ein 26 × 61 mm DV6 Kolbenstift?

Der Federal-Mogul Powertrain-Katalog listet den DV6C-Anwendungskolben 87-72772-STD mit einem 75 mm Zylinderbohrer, 41,750 mm Verdichtungshöhe, 45,000 mm Verbrennungsschalendurchmesser und einem 26 × 61 mm Kolbenstift auf. Der frühere DV6-Anwendungskolben 87-71783-STD führt ebenfalls einen 26 × 61 mm Stift. [4–5]

Das Anpassen von nominalem Stiftdurchmesser und -länge stellt keine passende Bohrungsgeometrie, Masse, Wärmebehandlung oder Fertigungstoleranzen fest. Die Abmessungen 26 × 61 mm sind ein Identifikationshinweis, aber kein ausreichender Nachweis für die Austauschbarkeit zwischen den Motorversionen. Auch die spezifischen Teilenummern und Anwendungsinformationen müssen überprüft werden.

Was sollte sonst noch bei der Auswahl eines Kolbenstifts überprüft werden?

Hohlgeometrie erklärt, wie ein Stift Gewicht sparen kann, aber die Auswahl muss auf das spezifische Bauteil zurückgreifen. Der Ausgangspunkt sind Außendurchmesser und -länge. Toleranzen, Bohrgeometrie, Material, Wärmebehandlung sowie die Anforderungen an Kolben- und Pleuel-Seite benötigen alle unterstützende Spezifikationen.

Beim Vergleich von zwei Stiften mit denselben Außenmaßen entscheidet das Gewicht oder die Wanddicke allein nicht, welcher geeignet ist. Bestätigen Sie ihre beabsichtigten Anwendungen und Passformanordnungen, bevor Sie prüfen, ob es Hinweise auf eine Substitution gibt.