Nockenwelle

Historie">Bearbeiten> | | | Quellcode bearbeiten]>

Die Nockenwelle ist ein Maschinenteil in Stangenform (="die Welle"), an dem wenigstens ein abgerundeter Überstand (="der Nocken") befestigt ist. Durch die auf ihr montierten Kurvenscheiben wird diese Rotationsbewegung immer wieder in eine kleine Longitudinalbewegung umgesetzt. Bei der Standardausführung laufen die Nockenformen zur Nockenwelle hin ab, es wurden aber auch "konische Nocken" verwirklicht.

Diese Nockenwelle wird in Nockenschaltwerken und -reglern, vor allem aber in Kolbenmotoren (Verbrennungsmotoren) eingesetzt; hier ist sie Teil des Ventiltriebs, sie dient zum Öffnen der Einlass- und Entlüftungsventile je nach Auslegungszeitpunkt. Bei alten Pumpen werden Kurvenwellen auch zur Kraftstoffmessung an den jeweiligen Ansaugkrümmern oder Flaschen eingesetzt. Die Nockenwelle wird seit dem elften Jh. kommerziell in Gestalt von Kurven oder Rändeln auf ausgedehnten Wellenbäumen oder auf Mühlenrädern eingesetzt.

Der Anpressdruck der Kurven ermöglicht das Anheben von Stampfern, Hämmern, Fräsmaschinen und Stempeln, während sie beim weiteren Drehen der Achse herunterfallen und ihre Arbeiten verrichten. Am Anfang des hohen Mittelalters war die Nockenwelle maßgeblich an der Technisierung vieler Gewerke beteiligt. Bei Hubkolbenmaschinen gibt es bei der Nockenwelle in der Regel für jedes einzelne Stellglied einen Exzenter, der das Stellglied in die Offenstellung schiebt.

Beim Weiterdrehen des Nockens schliesst das Stellventil durch die Feder. Die Nockenwelle presst nicht exakt auf die Ventilmitte, sondern leicht seitwärts. Das bedeutet, dass das Absperrventil immer leicht verdreht ist und es keine ungleichmäßigen Druckpunkte durch den Zapfen gibt. Eine Nocke kann auch mehrere Klappen ansteuern; auch die Ansteuerung von Ein- und Auslaßventilen durch eine einzige Nocke pro Flasche ist möglich, jedoch können bei solchen Ausführungen die Regelzeiten für Ein- und Auslaß nicht getrennt werden.

Für die Zwangsbetätigung des Ventils kann ein getrennter Öffnungs- und Schließbart pro Armatur verwendet werden. Außerdem wurden Kurvenwellen entwickelt, die nicht drehen, sondern nur um weniger als eine ganze Drehung hin und her schwingen. In Standard-Viertaktmotoren - mit der Ausnahme von Radialmotoren - rotiert die Nockenwelle mit halber Geschwindigkeit der Motorwelle, die sie in der Regel über einen Kettenantrieb und eine Zahnkette oder einen Riemen, selten über eine sogen.

Die Nockenwelle rotiert mit der halben Drehzahl relativ zur Motorwelle, das übersetzungsverhältnis der Lenkräder beträgt 2:1. Bei Radialmotoren ist die Nockenwelle coaxial zur Motorwelle ausgerichtet; wegen ihrer etwas anderen Bauform - kurz aber mit einem großen Querschnitt - wird sie hier als "Nockenwelle", "Nockenscheibe" oder "Nockenring" genannt. Da alle Ein- und Auslassnocken einer Nockenwelle alle Ein- und Auslassventile eines Zylindersternen ansteuern, entstehen hier unterschiedliche Drehzahlen und Übersetzungen, s. Nockenwelle.

Bei der Standardausführung ist die Nockenwelle neben der Motorwelle angeordnet, aber auch die Anordung der Nockenwelle "stehend" rechtwinklig zur Motorwelle wurde verwirklicht, z.B. Chater-Lea-Motorräder und Ausführungen von Richard Küchen, z.B. für den Zündapp Motorradprototyp SS 600 Diese Anordung führt oft zu Verwechslungen mit Kegelrädern. Im Pumpe-Düse-Verfahren für Diesel-Motoren (Volkswagen Konzern und Lkw-Motoren) treibt ein anderer Exzenter pro Hubzylinder den Hubkolben der Pumpe an.

Dazwischen ist entweder ein Ventilstößel oder eine Wippe oder ein Kipphebel, um die Querkräfte von der Stossstange (mit Nockenwelle unten) oder der Ventilstange fern zu halten. Die Zeiten für das öffnen und schliessen der Armaturen während des Betriebs können mit Hilfe von Nockenwellenverstellern dem Kraftbedarf angepaßt werden. Die Nockenwellenverstellung dreht die komplette Nockenwelle relativ zur Handkurbel.

Wird die Nockenwelle unmittelbar über den Armaturen montiert (obenliegende Nockenwelle) und für jede Armaturenreihe eine eigene Nockenwelle eingesetzt (doppelte oben liegende Nockenwelle/DOHC), kann die Zahl der schwingenden Komponenten verringert werden, die Trägheitskräfte werden verringert und eine größere Geschwindigkeit ist möglich. Kompromiß bei der Kalkulation, Konstruktion und Herstellung von Nockenschaltwerken:

Einerseits soll das Stellventil für einen ausreichenden Gasdurchfluss weit offen sein, dies führt jedoch zu einer Erhöhung der Kraft auf den Ventilstrang im Kreislauf und eine Berührung des Stellgliedes mit dem Hubkolben muss ebenfalls unterbleiben. Auf der anderen Seite will man bei hohem Durchsatz lange Zeit (über einen großen Drehwinkel pro Umdrehung) ein Gasventil offen haben.

Alle wechselseitigen Beeinflussungen setzten der Variabilität von Kurven (Design, Tuning oder "Nachschleifen") zur Leistungssteigerung engen Rahmen. Eine Maschine, deren Nockenparameter auf hohe Leistungen eingestellt sind, benötigt eine größere Drehzahl, ihr Maximaldrehmoment wird auf größere Geschwindigkeiten verlagert, sie läuft instabiler und verbraucht mehr Treibstoff. Schleifen von Nockenprofilen, wie es früher gängig war, ist heute nicht mehr gebräuchlich, sondern eine Spezial-Nockenwelle zur Leistungssteigerung.

Der überwiegende Teil der Nockenwelle für Automotoren wird nach wie vor in einem Gussteil aus Grauguss gefertigt, in Einzelfällen auch aus Schmiedestahl, dann spanabhebend gefertigt und teilweise ausgehärtet, in der Regel im Induktionshärtungsverfahren. Schon seit geraumer Zeit werden so genannte "gebaute" Kurvenwellen aus unterschiedlichen Materialien verwendet. Der Vorteil von gebauten Kurvenwellen sind niedrigere Betriebskosten, geringeres Eigengewicht, hochfeste Materialien für die Kurvenscheiben (gehärteter Wälzlagerstahl, Sinterstähle), größere Produktionsflexibilität.

Neue Kurvengeometrien wie z.B. Negativkurvenradien sind aber auch leichter zu realisieren. Mittels einer Nockenwellen-Schleifmaschine können Nachbildungen ( "raw master cams") eines Originals von einer Roh- oder Serien-Nockenwelle nachgebildet werden. Bei der Serienfertigung werden die Kurvengeometrien als Kenngrößen in den CNC-Programmen gespeichert. Dabei werden die Flächen der Kurvenscheiben auf eine Dicke zwischen ca. 0,2 und 1,5 Millimeter ausgehärtet.

Für gebaute Kurvenwellen werden jedoch oft durch gehärtete Kurvenscheiben eingesetzt. Die Durchhärtung von Kurvenscheiben ist günstiger und erhöht die Materialeigenschaften, da vor allem der Härteübergang entfällt. Obwohl sie mechanisch über eine Nockenwelle angetrieben werden, wird jedes einzelne dieser Ventile elektro-hydraulisch (MultiAir-Technologie) oder über ein mechanisches Übersetzungsverhältnis gesteuert. Das elektrohydraulische System kann das Stellventil auch mehrmals während des Nockenhubes bedienen.

Vollvariable elektromagnetische Anlagen, die komplett ohne Nockenwelle arbeiten, sind zur Zeit noch zu kostspielig und unreif und lassen sich nur schwer in aktuelle Motorkonzepte einbinden. Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2001 (27. Auflage), ISBN 3-8085-2067-1 R. Küchens Nockenwelle mit desmodromen " Plattenkurven