Nockenwelle
In Kolbenmotoren wird die Nockenwelle zur Betätigung der Einlass- und Auslassventile verwendet. Die Nockenwelle besteht aus einer zylindrischen Stange, die sich über die Länge der Zylinderbank erstreckt und an der mehrere Nocken (Scheiben mit vorstehenden Nocken) angebracht sind, einer für jedes Ventil. Eine Nocke drückt ein Ventil auf, indem sie bei ihrer Drehung auf das Ventil oder einen Zwischenmechanismus drückt. Gleichzeitig übt eine Feder eine Spannung aus, die das Ventil in seine geschlossene Position zieht. Wenn der Nocken seinen größten Hub auf der Schubstange erreicht, ist das Ventil vollständig geöffnet. Das Ventil ist geschlossen, wenn die Feder es zurückzieht und der Nocken sich auf seinem Grundkreis befindet.
KonstruktionBearbeiten
Nockenwellen werden aus Metall hergestellt und sind in der Regel massiv, obwohl auch hohle Nockenwellen verwendet werden. Die für eine Nockenwelle verwendeten Materialien sind in der Regel entweder:
- Gusseisen: Nockenwellen aus Gusseisen, die häufig in der Großserienproduktion verwendet werden, haben eine gute Verschleißfestigkeit, da sie durch den Kühlprozess gehärtet werden. Vor dem Gießen werden dem Eisen weitere Elemente zugesetzt, um das Material für seine Anwendung besser geeignet zu machen.
- Billet steel: Wenn eine hochwertige Nockenwelle oder eine Kleinserie benötigt wird, entscheiden sich Motorenbauer und Nockenwellenhersteller für Stahlknüppel. Dies ist ein sehr viel zeitaufwändigeres Verfahren und im Allgemeinen teurer als andere Methoden. Die Herstellung erfolgt in der Regel durch Schmieden, spanende Bearbeitung (mit einer Dreh- oder Fräsmaschine), Gießen oder Hydroforming. Es können verschiedene Arten von Stabstahl verwendet werden, zum Beispiel EN40b. Bei der Herstellung einer Nockenwelle aus EN40b wird die Nockenwelle außerdem durch Gasnitrieren wärmebehandelt, wodurch die Mikrostruktur des Materials verändert wird. Dadurch wird eine Oberflächenhärte von 55-60 HRC erreicht, die für den Einsatz in Hochleistungsmotoren geeignet ist.
VentilgetriebeauslegungBearbeiten
Die meisten frühen Verbrennungsmotoren verwendeten eine Nockenwellenanordnung im Motorblock (z. B. hängende Ventile), bei der die Nockenwelle im Motorblock in der Nähe der Unterseite des Motors angeordnet ist. Als die Motordrehzahlen im Laufe des 20. Jahrhunderts stiegen, setzten sich zunehmend SOHC-Motoren (Single Overhead Camshaft) durch, bei denen die Nockenwelle im Zylinderkopf in der Nähe des oberen Teils des Motors angeordnet ist, gefolgt von DOHC-Motoren (Double Overhead Camshaft) in den letzten Jahren.
Die Anordnung des Ventiltriebs wird durch die Anzahl der Nockenwellen pro Zylinderbank definiert. So wird ein V6-Motor mit insgesamt vier Nockenwellen (zwei pro Zylinderbank) in der Regel als Motor mit doppelter obenliegender Nockenwelle bezeichnet, obwohl sie umgangssprachlich manchmal auch als „Quad-Cam“-Motoren bezeichnet werden.
Bei einem Motor mit obenliegenden Ventilen drückt die Nockenwelle auf eine Stößelstange, die die Bewegung auf den oberen Teil des Motors überträgt, wo ein Kipphebel das Einlass-/Auslassventil öffnet. Bei OHC- und DOHC-Motoren betätigt die Nockenwelle das Ventil direkt oder über einen kurzen Kipphebel.
AntriebssystemeBearbeiten
Die exakte Steuerung von Position und Drehzahl der Nockenwelle ist für den korrekten Betrieb des Motors von entscheidender Bedeutung. Die Nockenwelle wird entweder direkt von der Kurbelwelle angetrieben, meist über einen Zahnriemen aus Gummi oder eine Stahlrollenkette (Steuerkette genannt). Gelegentlich werden auch Zahnräder für den Antrieb der Nockenwelle verwendet. Bei einigen Konstruktionen treibt die Nockenwelle auch den Verteiler, die Ölpumpe, die Kraftstoffpumpe und gelegentlich die Servolenkungspumpe an.
Eine Alternative, die in den Anfängen der OHC-Motoren verwendet wurde, war der Antrieb der Nockenwelle(n) über eine vertikale Welle mit Kegelrädern an beiden Enden. Dieses System wurde zum Beispiel bei den Peugeot- und Mercedes-Grand-Prix-Autos vor dem Ersten Weltkrieg verwendet. Eine andere Möglichkeit war die Verwendung eines Dreifach-Exzenters mit Pleuelstangen; diese wurden bei bestimmten von W.O. Bentley entworfenen Motoren und auch beim Leyland Eight eingesetzt.
Bei einem Zweitaktmotor mit Nockenwelle wird jedes Ventil bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle einmal geöffnet; bei diesen Motoren dreht sich die Nockenwelle mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Kurbelwelle. Bei einem Viertaktmotor werden die Ventile nur halb so oft geöffnet, so dass bei jeder Umdrehung der Nockenwelle zwei volle Umdrehungen der Kurbelwelle stattfinden.
LeistungsmerkmaleBearbeiten
DauerBearbeiten
Die Dauer der Nockenwelle bestimmt, wie lange das Einlass-/Auslassventil geöffnet ist, und ist daher ein Schlüsselfaktor für die Leistung eines Motors. Eine längere Dauer kann die Leistung bei hohen Motordrehzahlen (RPM) erhöhen, was jedoch mit einem geringeren Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen einhergehen kann.
Die Messung der Dauer einer Nockenwelle wird durch die Höhe des Hubs beeinflusst, der als Start- und Endpunkt der Messung gewählt wird. Ein Hubwert von 1,3 mm (0,050 Zoll) wird häufig als Standardmessverfahren verwendet, da dieser Wert als repräsentativ für den Hubbereich gilt, der den Drehzahlbereich definiert, in dem der Motor Spitzenleistung erzeugt. Die Leistungs- und Leerlaufeigenschaften einer Nockenwelle mit der gleichen Dauer, die mit anderen Hubpunkten (z. B. 0,006 oder 0,002 Zoll) bestimmt wurde, können sich erheblich von denen einer Nockenwelle mit einer Dauer, die mit Hubpunkten von 0,05 Zoll bestimmt wurde, unterscheiden.
Eine sekundäre Auswirkung einer längeren Dauer kann eine größere Überschneidung sein, die die Dauer bestimmt, in der sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile geöffnet sind. Die Überschneidung wirkt sich am stärksten auf die Leerlaufqualität aus, da das „Durchblasen“ der Einlassladung durch das Auslassventil, das während der Überschneidung auftritt, den Wirkungsgrad des Motors verringert und bei niedrigen Drehzahlen am größten ist. Im Allgemeinen erhöht eine Verlängerung der Nockenwellendauer die Überschneidung, es sei denn, der Nockenseparationswinkel wird zum Ausgleich vergrößert.
HubEdit
Der Hub der Nockenwelle bestimmt den Abstand zwischen dem Ventil und dem Ventilsitz (d.h. wie weit das Ventil geöffnet ist). Je weiter das Ventil von seinem Sitz abhebt, desto mehr Luftströmung kann erzeugt werden, wodurch die Leistung steigt. Ein größerer Ventilhub kann die gleiche Wirkung auf die Spitzenleistung haben wie eine längere Dauer, ohne die Nachteile, die eine größere Ventilüberschneidung mit sich bringt. Die meisten Motoren mit hängenden Ventilen haben ein Kipphebelverhältnis von mehr als eins, daher ist der Abstand, über den sich das Ventil öffnet (der Ventilhub), größer als der Abstand von der Spitze des Nockens der Nockenwelle zum Grundkreis (der Nockenwellenhub).
Es gibt mehrere Faktoren, die den maximal möglichen Hub für einen bestimmten Motor begrenzen. Erstens bringt ein größerer Hub die Ventile näher an den Kolben, so dass ein zu großer Hub dazu führen kann, dass die Ventile vom Kolben getroffen und beschädigt werden. Zweitens bedeutet ein größerer Hub, dass ein steileres Nockenwellenprofil erforderlich ist, wodurch sich die zum Öffnen des Ventils erforderlichen Kräfte erhöhen. Ein damit zusammenhängendes Problem ist das Schwimmen der Ventile bei hohen Drehzahlen, wenn die Federspannung nicht ausreicht, um entweder das Ventil am Scheitelpunkt der Nocke zu halten oder zu verhindern, dass das Ventil bei der Rückkehr zum Ventilsitz zurückspringt. Dies kann die Folge eines sehr steilen Anstiegs der Nocke sein, bei dem sich der Nockenfolger von der Nocke trennt (weil die Trägheit des Ventiltriebs größer ist als die Schließkraft der Ventilfeder), wodurch das Ventil länger als vorgesehen geöffnet bleibt. Ventilspiel verursacht einen Leistungsverlust bei hohen Drehzahlen und kann im Extremfall zu einem verbogenen Ventil führen, wenn es vom Kolben getroffen wird.
TimingEdit
Die Steuerzeiten (Phasenwinkel) der Nockenwelle im Verhältnis zur Kurbelwelle können eingestellt werden, um das Leistungsband eines Motors in einen anderen Drehzahlbereich zu verschieben. Eine Vorverlegung der Nockenwelle (vor die Kurbelwelle) erhöht das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, während eine Rückverlegung der Nockenwelle (hinter die Kurbelwelle) die Leistung bei hohen Drehzahlen erhöht. Die erforderlichen Änderungen sind relativ gering und liegen oft in der Größenordnung von 5 Grad.
Moderne Motoren mit variabler Ventilsteuerung sind oft in der Lage, die Steuerzeiten der Nockenwelle an die jeweilige Drehzahl des Motors anzupassen. Dadurch wird der oben beschriebene Kompromiss vermieden, der bei der Wahl einer festen Nockenwellenverstellung für den Einsatz bei hohen und niedrigen Drehzahlen erforderlich ist.
NockenseparationswinkelBearbeiten
Der Nockenseparationswinkel (LSA, auch Nockenmittenwinkel genannt) ist der Winkel zwischen der Mittellinie der Einlassnocken und der Mittellinie der Auslassnocken. Ein größerer LSA verringert die Überschneidung, was die Leerlaufqualität und den Ansaugunterdruck verbessert. Allerdings kann ein größerer LSA zum Ausgleich einer übermäßigen Dauer die Leistungs- und Drehmomentabgabe verringern. Im Allgemeinen hängt das optimale LSA für einen bestimmten Motor mit dem Verhältnis von Zylindervolumen zu Einlassventilfläche zusammen.
Wartung und VerschleißBearbeiten
Viele ältere Motoren erforderten eine manuelle Einstellung der Kipphebel oder Stößelstangen, um das korrekte Ventilspiel zu erhalten, wenn der Ventiltrieb (insbesondere die Ventile und Ventilsitze) verschleißt. Die meisten modernen Automotoren verfügen jedoch über hydraulische Stößel, die den Verschleiß automatisch ausgleichen, so dass ein regelmäßiges Einstellen des Ventilspiels nicht mehr erforderlich ist.
Die Gleitreibung zwischen der Oberfläche des Nockens und dem darauf reitenden Nockenstößel kann erheblich sein. Um den Verschleiß an dieser Stelle zu verringern, sind Nocken und Nockenstößel oberflächengehärtet, und moderne Motorenöle enthalten Zusätze, die die Gleitreibung verringern. Die Nocken der Nockenwelle sind in der Regel leicht verjüngt und die Flächen der Ventilstößel leicht gewölbt, so dass sich die Stößel drehen, um den Verschleiß auf die Teile zu verteilen. Die Oberflächen von Nocken und Nockenstößel sind so konzipiert, dass sie sich gemeinsam „einschleifen“, weshalb jeder Nockenstößel an seiner ursprünglichen Nocke verbleiben und niemals zu einer anderen Nocke bewegt werden sollte. Einige Motoren (insbesondere solche mit steilen Nocken) verwenden Rollenstößel, um die Gleitreibung auf der Nockenwelle zu verringern.
Die Lager der Nockenwellen sind, ähnlich wie die der Kurbelwelle, Gleitlager, die unter Druck mit Öl versorgt werden. Allerdings haben die Lager der obenliegenden Nockenwellen nicht immer austauschbare Schalen, so dass bei einem Defekt der Lager der gesamte Zylinderkopf ausgetauscht werden muss.
AlternativenBearbeiten
Zusätzlich zur mechanischen Reibung ist ein erheblicher Kraftaufwand erforderlich, um die Ventile gegen den Widerstand der Ventilfedern zu öffnen. Dies kann schätzungsweise 25 % der Gesamtleistung eines Motors im Leerlauf ausmachen, was den Gesamtwirkungsgrad verringert.
Die folgenden alternativen Systeme wurden bei Verbrennungsmotoren eingesetzt:
- Desmodromische Ventile, bei denen die Ventile nicht durch Federn, sondern durch ein Nocken- und Hebelsystem zwangsgeschlossen werden. Dieses System wurde bei verschiedenen Ducatti-Renn- und Straßenmotorrädern verwendet, seit es 1956 bei der Ducati 125 Desmo-Rennmaschine eingeführt wurde.
- Nockenlose Kolbenmotoren, die elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Aktuatoren verwenden. Wurde erstmals Mitte der 1980er Jahre in turboaufgeladenen Renault-Formel-1-Motoren eingesetzt und ist für den Einsatz in Straßenfahrzeugen im Koenigsegg Gemera vorgesehen.
- Wankelmotor, ein Rotationsmotor, der weder Kolben noch Ventile verwendet. Er wurde vor allem von Mazda ab dem Mazda Cosmo von 1967 bis zur Einstellung des Mazda RX-8 im Jahr 2012 verwendet.