Kolbenschäden: Erkennen und Beheben

Dieser Artikel gibt einen Einblick in die verschiedenen Schadensmöglichkeiten im Herzen eines Verbrennungsmotors, hier werden Kolbenbolzenbrüche und Schäden an Bolzensicherungen behandelt.

Allgemeines über Kolbenbolzenbrüche
Bolzenbrüche können durch Überbelastung bei Verbrennungsstörungen, Einwirken von Fremdkörpern oder durch Materialfehler entstehen. Bei einem Materialfehler geht der Riss in den den meisten Fällen von einer Schlackenzeile aus. Dies lässt sich im Zuge einer Materialuntersuchung im Labor jedoch eindeutig nachweisen.
Eine übermäßige oder unsachgemäße Anwendung von Anlasshilfen (Starthilfespray) ist mit den Auswirkungen extremer Verbrennungsstörungen gleichzusetzen.
Der Kolbenbolzen wird im Betrieb, durch den Druck der Verbrennungsgase auf den Kolben, durchgebogen und oval verformt. Durch die Ovalverformung kann sich an den Bolzenenden bei Überlast zunächst ein Längsriss bilden, der seinen Ausgang entweder am Bolzenaußen- oder -innendurchmesser haben kann. Der Riss verläuft dann als Dauerbruch weiter in Richtung Bolzenmitte. Im größten Scher- und Biegebeanspruchungsbereich zwischen dem Kolbenbolzenauge und dem Pleuelauge ändert sich die Richtung zu einem Querriss, was letztlich zum Durchbrechen des ganzen Bolzens führt.
Neben den hier geschilderten Schäden können aber auch Brüche entstehen, die ihren Ursprung in irgendwelchen Beschädigungen des Bolzens oder in einem Härtefehler haben.

Gebrochener Kolbenbolzen

Beschreibung
Der Kolbenbolzen (Abb. 1) ist am Übergang zwischen der Pleuelstange und dem einen Kolbenbolzenauge durch einen Querriss komplett durchgebrochen. Das kürzere Bruchstück ist der Länge nach gespalten. Die Bruchflächen zeigen Dauerbruchcharakter.

Beurteilung
Bolzenbrüche sind, vorausgesetzt dass kein Materialfehler vorliegt, immer eine Folge von Überbeanspruchungen. Materialfehler lassen sich aber durch eine Materialuntersuchung des gebrochenen Bolzens eindeutig feststellen.
Durch die Ovalverformung des Kolbenbolzens in den Kolbenbolzenbohrungen bildet sich bei einer Überlastung an den Enden des Bolzens zunächst ein Längsriss, der seinen Ausgang sowohl an der Außenfläche wie an der Innenbohrung nehmen kann.
Der Riss verläuft dann als Dauerbruch weiter in Richtung Bolzenmitte. Im größten Scher- und Biegebeanspruchungsbereich zwischen dem Kolbenbolzenauge und dem Pleuelauge ändert sich die Richtung zu einem Querriss, was letztlich zum Durchbrechen des ganzen Bolzens führt.
Abb. 2 zeigt, dass sich ein erster Anriss nicht nur durch eine Überlastung, sondern auch durch eine unsachgemäße Behandlung des Kolbenbolzens beim Einbau entstehen kann. Die Stirnseite des gebrochenen Bolzens lässt deutlich erkennen, dass der Anriss von einer Schlagbeschädigung (Hammerschlag) ausgegangen ist. Dieser Sachverhalt belegt, dass sich ein vorhandener Anriss -auch bei normaler Beanspruchung- als Dauerbruch weiterbilden und letztlich zum Totalbruch führen kann.

Mögliche Ursachen
→ Verbrennungsstörungen sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren, insbesondere durch klopfende Verbrennung
→ Flüssigkeitsschläge
→ Unsachgeäße Behandlung der Kolbenbolzen beim Einbau


Schäden an den Bolzensicherungen

Allgemeines über Schäden an den Kolbenbolzensicherungen
Zur Kolbenbolzensicherung werden Drahtsprengringe oder so genannte Seeger-Sicherungen verwendet. Beide Arten können im Betrieb brechen oder aus der Nut im Kolben herausspringen bzw. -geschlagen werden.
Ein Brechen der Sicherungsringe bzw. Abbrechen der Ringenden ist immer auf eine Überbeanspruchung oder unsachgemäße Behandlung beim Einsetzen der Sicherungsringe zurückzuführen. Die Sicherungsringe werden in axialer Richtung nur dann beansprucht, wenn dem Kolbenbolzen eine axiale Bewegung aufgezwungen wird. Ein Pleuelfluchtfehler oder eine pendelnde, meist asymmetrische Pleuelstange bringt die Kolbenbolzenachse und Kolbenwellenachse aus der Parallelität und verursacht genau diese axiale Bewegungen des Bolzens. Der Kolbenbolzen schlägt dann in außerordentlich schneller Folge wechselseitig gegen die Kolbenbolzensicherungen und treibt diese stufenweise aus ihrer Nut heraus.
Danach werden sie weiter bis an die Zylinderlaufbahn gedrückt, wo sie durch Verschleiß abgerieben werden. Letztendlich zerbrechen die Sicherungsringe. Teile klemmen sich zwischen Kolben und Zylinder ein, andere Teile werden durch die Massenkraft in der Aussparung der Kolbenbolzenaugen hin- und hergeschleudert und verursachen dort beträchtliche Materialauswaschungen. Nicht selten gelangen die Bruchstücke auch durch die Innenbohrung des Kolbenbolzens auf die andere Seite des Kolbens und verursachen dort ebenfalls schwere Schäden.


Kolbenschäden durch gebrochene Bolzensicherungen

Beschreibung I
Auf beiden Kolbenseiten ist das Bohrungsende der Bolzenbohrungen stark ausgeschlagen. Die Beschädigungen ziehen sich zum Teil bis ins Ringfeld hoch (Abb.1). Ein Sicherungsring war bei Ausbau der Kolben nicht mehr in der Sicherungsnut vorhanden. Er ist im Betrieb herausgesprungen und zerbrochen. Der zweite Sicherungsring ist zwar beschädigt, er war aber beim Ausbau der Kolben noch in seiner Nut montiert. Der Kolbenbolzen ist wegen der fehlenden Bolzensicherung im Betrieb nach außen bis zur Zylinderlaufbahn gewandert. Mit der Stirnseite hatte der Bolzen offensichtlich längere Zeit Kontakt mit der Zylinderlaufbahn. Die Stirnseite ist dadurch ballig verschlissen (Abb.3). Das Laufbild vom Kolben ist sehr unsymmetrisch ausgebildet.

Beschreibung II
In diesem Fall hat ein Schrägläufer ebenfalls zum Heraushämmern der Bolzensicherung geführt. Durch den Schräglauf des Kolbens im Zylinder und die einseitige Belastung des Kolbenbolzens ist es zum Bruch des Kolbenbolzens gekommen (Abb.6) und in der Folge auch zum Kolbenbruch (Abb.5). In Abb.4 ist als Folge des Schräglaufes des Kolbens im Zylinder sehr deutlich das asymmetrische Laufbild zu sehen.

Beurteilung
Die Bolzensicherungen, als Drahtsprengringe oder Seeger-Sicherungen ausgebildet, werden im Betrieb nur durch einen Axialschub des Kolbenbolzens herausgedrückt bzw. -gehämmert. Voraussetzung ist, dass sie richtig eingesetzt und nicht beschädigt wird. Axialschub im Kolbenbolzen tritt immer dann auf, wenn die Kolbenbolzenachse im Betrieb nicht parallel zur Kurbelwellenachse liegt.
Dies ist überwiegend dann der Fall, wenn durch ein verbogenes Pleuel ein starker Schrägstand des Kolbens entsteht. Bei den Hubbewegungen kommt es dadurch zu einem wechselnden Axialschub, durch den der in der Hauptdruckrichtung liegend Sicherungsring regelrecht herausgehämmert wird. Der herausgesprungene Sicherungsring klemmt sich dann zwischen den nach außen wandernden Kolbenbolzen, dem Kolben und der Zylinderlaufbahn ein. Er wird dort verschlissen und zerbricht letztlich in mehrere Teile.
Wie in der Abb. 2 gezeigt, verhämmern die Teilstücke durch ihre Massenkraft bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens das Kolbenmaterial innerhalb kürzester Zeit. Einzelne Bruchstücke wandern dabei auch durch den hohlen Kolbenbolzen und verursachen auf der gegenüberliegenden Kolbenseite ebenfalls entsprechende Zerstörungen.

Mögliche Ursachen
Axialschub des Kolbenbolzens im Motorbetrieb durch:
→ Pleuelverbiegung oder Pleuelverdrehung
→ Schief gebohrte Pleuelaugen (Achsenunparallelität)
→ Schief gebohrte Zylinder
→ Zu großes Pleuellagerspiel, insbesondere in Verbindung mit asymmetrischen Pleuelstangen
→ Verwendung alter oder beschädigter Sicherungsringe
→ Unsachgemäß montierte Sicherungsringe


Quelle: NKW partner 3/2006

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