Nockenwelle

[Captain Haddock]

Eine Nockenwelle ist ein Maschinenelement, mit dem eine Drehbewegung wiederholt in eine kurze Längsbewegung umgewandelt wird und bei Hubkolbenmotoren Teil des Ventiltriebes.

 

In Verbrennungsmotoren werden Nockenwellen verwendet, um die Ein- und Auslassventile zu öffnen, in älteren Einspritzpumpen dienen Nockenwellen auch zur Kraftstoffzumessung zu den einzelnen Saugrohren oder Zylindern. Auf der drehenden Nockenwelle gibt es für jedes Ventil einen exzentrischen Nocken, der das Ventil in die geöffnete Stellung drückt. Wenn der Nocken weiter gedreht ist, schließt sich das Ventil durch die Ventilfeder. Bei 4-Takt-Motoren dreht sich die Nockenwelle mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle, von der sie meist mittels Kettentrieb und Steuerkette oder mittels Zahnriemen, seltener durch eine sog. Königswelle oder einen Zahnrädersatz angetrieben wird.

 

Beim Pumpe-Düse-verfahren für Dieselmotoren (Volkswagen Gruppe und LkW-Motoren) erzeugen die Nocken zusätzlich den Einspritzdruck. Vorteil sind die sehr hohen Einspritzdrücke im Vergleich zur Einspritzung durch Common Rail. Gezielte Voreinspritzungen sind bei Pumpedüse technisch ebenfalls möglich, jedoch aufwändiger zu realisieren.

 

Zwischen Nocken und Ventil können sich weitere Maschinenelemente befinden, z.B. Stößelstangen bei untenliegenden Nockenwellen; Kipphebel, Schlepphebel oder Schwinghebel zur Kraftumleitung und Stößel zur Kraftübertragung in verschiedenen Bauformen. Durch Nockenwellenversteller können die Zeitpunkte für das Öffnen und Schließen der Ventile während des laufenden Betriebes an den Leistungsbedarf angepasst werden. Damit können Leistung und Drehmoment gesteigert und im Teillastbereich der Verbrauch gesenkt werden. Nockenwellenversteller verdrehen die gesamte Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle.

 

Alle diese oszillierenden (hin und her bewegten) Bauelemente müssen bewegt werden, kosten Leistung und erhöhen die Massenkräfte. Wenn man die Nockenwelle direkt über den Ventilen einbaut (obenliegende Nockenwelle) und für jede Ventilreihe eine eigene Nockenwelle verwendet (doppelt obenliegende Nockenwelle), kann die Anzahl der oszillierenden Bauteile reduziert werden, die Massenkräfte werden geringer und eine höhere Drehzahl ist möglich.

 

Die Berechnung, Auslegung und Fertigung von Nocken ist eine komplexe Spezialistenarbeit: hier sind Zielkonflikte zu gestalten. Einerseits möchte man das Ventil für einen guten Gasdurchsatz weit öffnen. Dies aber erhöht die im Umlauf entstehenden Kräfte auf den Ventiltrieb, und eine Kollision des Ventils mit dem Kolben muss unbedingt vermieden werden. Des weiteren möchte man für den Gasdurchsatz ein Ventil lange (im Umlauf gerechnet) geöffnet halten, es muss aber noch Gelegenheit zur Verdichtung vorhanden sein. All die gegenseitigen Beeinflussungen setzen der Variation von Nockenkurven (Tuning, "Umschleifen") zur Leistungserhöhung enge Grenzen. Ein Motor mit geänderten, "getunten" Nocken-Parametern wird einen höheren Leerlauf benötigen, sein Drehmoment hin zu höheren Drehzahlen verschoben haben, insgesamt unruhiger laufen und mehr verbrauchen. Daher ist das früher öfter praktizierte Umschleifen der Nockenprofile zurecht in Vergessenheit geraten. Man beschafft für gängige Motoren zur Leistungserhöhung heutzutage eher eine spezielle Nockenwelle aus einem Profi-Betrieb.

 

Herstellung

Früher wurden Nockenwellen gegossen oder geschmiedet und danach aufwendig mechanisch bearbeitet. Seit einiger Zeit werden gebaute Nockenwellen eingesetzt. Vorteile gebauter Nockenwellen sind geringere Kosten, niedrigeres Gewicht, höherfeste Werkstoffe für die Nocken (gehärteter Kugellagerstahl), höhere Flexibilität in der Fertigung, aber auch neue Nockengeometrien wie etwa negative Radien der Nocken.

 

Mit einer Nockenwellenschleifmaschine (z.B. BERCO RAC 1500) können aus einem Rohling oder einer Seriennockenwelle Kopien (mittels sogenannter Rohmeisternocken) einer Vorlage hergestellt werden. Für die Serienherstellung werden die Nockengeometrien als Parameter in den CNC-Programmen abgelegt. Typischerweise gibt es eine Verküpfung zwischen den CAD-Daten, den Bearbeitungsparametern (CAM) und den zugehörigen Messprogrammen (CAQ). Solche Serienherstellungen werden auf sogenannten Pendelhubschleifmaschinen (engl. "Orbital Grinder) durchgeführt.

 

Die Oberflächen der Nocken müssen bis mindestens 0,2 mm Tiefe gehärtet werden. Häufig werden jedoch durchgehärtete Nocken verwendet. Das Durchhärten von Nocken ist kostengünstiger und verbessert die Werkstoffeigenschaften, da insbesondere der Härteübergangsbereich vermieden wird.

 

 

Ausblick:

In der Entwicklung befinden sich vollvariable Ventilsteuerungen. Sie verzichten ganz auf Nockenwellen. Hier wird jedes Ventile über elektromechanische Antriebe direkt betätigt. Diese Systeme sind derzeit aber noch zu teuer, lassen sich schlecht in die aktuellen Motorenkonzepte integrieren (u.a. hoher Strombedarf) und sind noch nicht ausgereift.

 

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Nockenwelle und Ventilfedern