Was ist eine Nockenwelle?
Wie funktioniert die Nockenwelle?
Die Nockenwelle ist eines der wichtigsten Bauteile des Verbrennungsmotors, da sie das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile steuert. Dieser Artikel erläutert die Funktion, die Funktionsweise, die Teile und die Anwendungen der Nockenwelle.
Eine Nockenwelle ist eine Welle mit einer Reihe von vorstehenden Nocken, die dazu bestimmt ist, eine Drehbewegung in eine Hubbewegung umzuwandeln.
Im Falle eines Motors ist die Nockenwelle das Bauteil, das das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile eines Verbrennungsmotors steuert. Eine Nockenwelle hat mehr als eine Nocke: sie hat viele radiale Nocken, die das Einlass- oder Auslassventil bewegen. Diese Nocke gleitet über die Einlass- und Auslassventile.
Die Nocke wandelt die Drehbewegung der Nockenwelle in die Hubbewegung des Stößels oder Mitnehmers um. Diese Welle ermöglicht das Ansaugen und das Ausstoßen des Kraftstoffs im Motor.
Die Funktionsweise der Nockenwelle hängt von der Arbeit der Nocke und der Funktion des Ventils ab. Die Einlass- und Auslassventile sind im Zylinderkopf eingebaut, und die Nocken sitzen auf diesen Ventilen. Der Zylinderkopf nimmt die Bohrung auf, die das Ansaugen oder Ausstoßen des Kraftstoffs ermöglicht und eine Hubbewegung erfordert.
Einfach ausgedrückt ist eine Nocke ein Element, das eine Drehbewegung in eine Hubbewegung umwandelt und umgekehrt. Die Nocke der Nockenwelle erzielt den Hub durch ein radial umlaufendes Profil und einen Mitnehmer, der sich senkrecht zur Drehachse bewegt. Die Einbauposition der Nockenwelle variiert je nach Motorkonstruktion.
Die Hauptaufgabe der Nockenwelle besteht darin, das Einlass- und das Auslassventil zum richtigen Zeitpunkt zu öffnen. Die Kurbelwelle treibt diese Welle an, die über einen Riemen oder ineinandergreifende Zahnräder mit ihr verbunden ist.
Die Bewegung der Nockenwelle ist langsamer als die der Kurbelwelle: sie vollführt eine Umdrehung nach zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Bei einem Viertaktmotor arbeitet eine Nockenwelle auf folgende Weise:
- Wenn sich der Kolben vom OT zum UT (abwärts) bewegt, überträgt er seine Bewegung auf die Kurbelwelle.
- Die Kurbel nimmt die Bewegung des Kolbens auf, wandelt sie in eine Drehbewegung um und beginnt sich zu drehen.
- Die Kurbelwelle ist über ein Zahnrad oder einen Riemen mit der Nockenwelle verbunden.
- Wenn die Kurbelwelle ihre Drehbewegung auf die Nockenwelle überträgt, wandelt diese sie in eine Hubbewegung um, drückt auf das Einlassventil und öffnet es.
- Wenn sich das Ventil öffnet, beginnt Kraftstoff in den Brennraum einzuströmen.
- Nach dem Ansaug- und Verdichtungstakt dehnt sich das verbrannte Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum aus, was den Kolben abwärts zwingt.
- Während der Abwärtsbewegung des Kolbens erhält die Kurbelwelle erneut Bewegung und treibt die Nockenwelle an.
- Wenn die Nocke des Auslassventils diese Bewegung erhält, drückt sie auf das Auslassventil und öffnet es, sodass die Abgase aus dem Brennraum strömen können.
Massivmaterial ist der am häufigsten verwendete Werkstoff für die Herstellung der Nockenwelle, da diese Wellen eine hohe Steifigkeit bieten. Außerdem wird Gusseisen verwendet, da es eine höhere Festigkeit bietet.
Nockenwellen, die im Hartgussverfahren hergestellt werden, bieten eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, weil die Abschreckung das Material härtet. Es werden verschiedene Werkstoffe mit dem Eisen vermischt, um die für jede Anwendung passenden Eigenschaften zu erzeugen.
Einige Industrien verwenden auch Blöcke (Billets), wenn eine geringere Produktion und eine hervorragende Qualität erforderlich sind. Dieses Verfahren erfordert jedoch mehr Zeit und Kosten als andere. Diese Wellen werden durch spanende Bearbeitung, Guss oder Schmieden auf Fräsmaschinen und Drehmaschinen hergestellt.
Die Nockenwelle hat die folgenden Hauptkomponenten:
- Nockenstößel (Mitnehmer)
- Nocke
- Zapfen (Hauptlagerzapfen)
- Nocken (Nockenköpfe)
- Enden
- Lagerschale
1. Nockenstößel (Mitnehmer)
Es ist eine spezielle Art von Nadellager oder Rolle, die dem Profil des Nockens folgt. Er wird auch als Kurvenfolger bezeichnet. Es gibt verschiedene Bauarten von Nockenstößeln, aber das wichtigste Merkmal ist die Befestigung des Stößels an dem Bauteil, mit dem er zusammenwirkt. Der gabelförmige Stößel hat eine Bohrung in der Mitte, und der Bolzenstößel verwendet einen Bolzen.
Ohne dieses Bauteil ist die Nocke nicht sehr nützlich, denn die Nocke stützt sich auf den Stößel, um die Drehbewegung in eine Hubbewegung umzuwandeln. Die Stößel enthalten Lager, die es ihnen ermöglichen, die Drehbewegung in eine Hubbewegung umzuwandeln.
Die Lager des Stößels haben ebenfalls unterschiedliche Ausführungen, bestehen aber üblicherweise aus einem sehr dicken Außenring. Diese Bauart mit dickem Außenring ermöglicht es dem Stößel, hohe radiale Kräfte aufzunehmen, während die weichen Kerne hohen Belastungen standhalten, ohne das Bauteil zu beschädigen.
Der Nockenstößel erfordert Kugeln oder Nadeln sowie spezielle Werkstoffe wie Chrom oder Edelstahl, je nach Anforderung der Anwendung.
2. Nocke
Eine Nocke ist eine Einrichtung, die die erforderliche Bewegung durch direkten Kontakt auf einen Mitnehmer überträgt. Die Hauptaufgabe dieses Bauteils der Nockenwelle besteht darin, die Drehbewegung der Kurbelwelle in eine Hubbewegung umzuwandeln.
Sie hat eine nicht kreisförmige Form mit einem einzigen Nocken. Der Mitnehmer erhält die Bewegung von der Nocke, sobald sich diese dreht. Die Nockenwelle jedes Motors hat mehr als eine Nocke.
Die Nocke sitzt auf den Ventilen. Sie ist dafür verantwortlich, das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile zu steuern.
Der Steuerzeitpunkt der Nocke ist für die Leistung des Verbrennungsmotors sehr wichtig. Die Drehung der Nocke öffnet das Einlass- und das Auslassventil des Zylinders. Ein korrekter Steuerzeitpunkt ist unerlässlich, damit der Kraftstoff zum richtigen Zeitpunkt eingespritzt und ausgestoßen wird.
3. Hauptlagerzapfen
Die Hauptaufgabe des Hauptlagerzapfens besteht darin, die Position der Nockenwelle zu halten, während sie sich im Motor dreht.
4. Nocken (Löbel)
Die Nocken der Nockenwelle drehen sich entsprechend der Bewegung des Kolbens. Die Drehzahl dieses Bauteils variiert mit der Motordrehzahl. Die Hauptaufgabe der Nocken besteht darin, die Einlass- und Auslassventile zu öffnen und zu schließen.
5. Enden
Das vordere Ende der Nockenwelle ist dafür ausgelegt, den Riemen mit der Kurbelwelle zu verbinden. Das hintere Ende verwendet ein spezielles Zahnrad, um den Verteiler des Motors anzutreiben. Der Zündzeitpunkt stimmt mit dem der übrigen Motorbauteile überein.
6. Lagerschale
Die Lagerschale wird mit der Hauptbohrung des Motors eingebaut. Sie verhindert, dass die Nockenwelle den Motorblock beschädigt, falls der Motor ausfällt. Die Lagerschalen sorgen dafür, dass die Nockenwelle einwandfrei dreht.
Die Nockenwelle hat die folgenden Hauptarten:
- Nach Art der von der Nockenwelle verwendeten Stößel
- Nach Form des antreibenden Elements der Nockenwelle
Nach Art der von der Nockenwelle verwendeten Stößel
1) Flachstößel-Nocke
Eine Flachstößel-Nocke ist eigentlich nicht flach: diese Nocken haben einen kleinen Kranz auf der Stirnfläche. Sie wird dort eingebaut, wo sich Stößel und Nocken gegeneinander bewegen, und der Stößel dreht sich auf dem Nocken. Die Nocken dieser Nockenwelle sind mit einem leichten Konus gefertigt.
Der Stößel muss sich auf dem Nocken drehen, um unnötigen und schädlichen Verschleiß zu vermeiden. Im Vergleich zu Rollenstößeln ist der Flachstößel leichter und hat weniger Masse. Es lässt sich leicht ableiten, dass der Flachstößel in der Mitte des Nockens sitzt. Diese Nocken sind günstiger als Rollen-Nocken und daher attraktiver.
2) Rollen-Nocken
Die abgerundete Spitze der Rollen-Nocke ermöglicht es der Rolle, das Ventil über längere Zeiträume mit großem Hub offen zu halten, was sich auf die Anforderungen an das Luft-Kraftstoff-Gemisch auswirkt. Die Form des Nockens erlaubt es außerdem, das Ventil schneller zu öffnen.
Der Hauptvorteil dieser Nockenwellen besteht darin, dass sie die innere Reibung verringern, ein aggressiveres Nockenprofil ermöglichen und hohe Drehzahlen begünstigen. Sie haben eine sehr hohe Haltbarkeit; mit anderen Worten, eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer.
Rollen-Nocken können immer wieder wiederverwendet werden. Sie verringern die Reibung und erhöhen die Leistung. Außerdem verlängern sie die Lebensdauer, indem sie den Verschleiß reduzieren.
Nach Form des antreibenden Elements der Nockenwelle
1) Zylindernocke
Diese Art von Nocke hat eine zylindrische Form. Sie wird auch als Trommelnocke bezeichnet. Die Oberfläche der Zylindernocke hat eine eingearbeitete Nut, entlang derer sich der Mitnehmer bewegt.
Diese Nockenwelle hat die Nockenachse parallel zur Bewegungsrichtung des Mitnehmers.
2) Radnocke
Eine Radnocke wird auch als Scheiben- oder Tellernocke bezeichnet. Sie heißt radial, weil ihre Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung des Mitnehmers steht.
Diese Art von Nocke hat eine Scheibe mit unregelmäßigem Umriss. Diese Scheibe dient dazu, die Bewegung der Nocke in die Bewegung des Mitnehmers oder des angetriebenen Elements umzuwandeln.
3) Gekoppelte Nocke
Sie hat 2 Rollen. Der Mitnehmer dieser Nockenwelle ist mit diesen Rollen verbunden. Die Rollen begrenzen gegenseitig die Bewegungen der anderen, um Geräusche zu beseitigen und einen geräuscharmen Lauf zu erreichen.
Diese Nocken werden in Anwendungen eingesetzt, die einen geräuscharmen Lauf der Nockenwelle erfordern.
4) Globoidnocke
Diese Nocke ist der Zylindernocke in ihrem Aufbau sehr ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Zylindernocke durch einen konkaven oder konvexen Körper ersetzt wird.
5) Kugelnocke
Die Kugelnocke hat eine Nut in ihrem geschwungenen und kugelförmigen Aufbau. Der Mitnehmer bewegt sich entlang der Nut. Die Bewegung des Mitnehmers ist senkrecht zur Drehachse der Kugelnocke.
6) Translativnocke
Diese Nocke enthält eine Scheibe mit genutetem Umriss. Die Mitnehmer schwingen entlang der Nutoberfläche der Nocke.
7) Herznocke
Sie wird Herznocke genannt, weil sie die Form eines asymmetrischen Herzens hat. Der Mitnehmer bewegt sich am Rand der Nocke entlang, mit einer gleichmäßigen und stetigen Bewegung. Diese Art von Nocke wird üblicherweise verwendet, um das Kabel gleichmäßig auf die Spule des Magneten zu wickeln.
8) Keilnocke
Das Ende dieser Nocke hat eine spitze Form und eine breite Basis. Das antreibende Element führt eine Gleitbewegung relativ zur Nocke aus.
9) Spiralnocke
Es ist ein halbkreisförmiger halbspiraliger Umriss, der eine Nut in seiner Oberfläche enthält. Der Mitnehmer dieser Nocke führt eine Bewegung senkrecht zur Längsbewegung des antreibenden Elements der Nockenwelle aus.
Es gibt zahlreiche Gründe für den Ausfall einer Nockenwelle. Die häufigsten Ursachen für ihren Ausfall sind nachfolgend aufgeführt:
- Durch falschen Druck der Ventilfeder.
- Durch Verschleiß der Nocken.
- Unzureichendes Einlaufen (Einfahren).
- Durch Beschädigung der Nocke.
- Durch übermäßiges Achsspiel der Nockenwelle.
- Verwendung eines neuen Ölfilters zusammen mit der Nocke.
- Durch mechanische Kollisionen, wie Simmerkollision, Federlagenaufeinanderliegen, Ventil-Kolben-Kollision, Kipphebelnuten und Schraubenkollision.
- Verwendung eines minderwertigen Werkstoffs für die Nockenwelle.
Die Nockenwelle erhält die Antriebsleistung von der Kurbelwelle. Die Kurbelwelle gibt ihre Leistung auf unterschiedliche Weise an die Nockenwelle ab und treibt sie an. Der Antriebsmechanismus der Nockenwelle ist nachfolgend aufgeführt:
- Kettenantrieb
- Zahnradantrieb
- Riemenantrieb
1) Kettenantrieb
Bei diesem Mechanismus wird ein Ritzel verwendet, um die Leistung der Kurbelwelle auf die Nockenwelle zu übertragen.
Wenn der Abstand zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle groß ist, wird ein Kettenantrieb verwendet.
Bei diesem Mechanismus drehen sich Nockenwelle und Kurbelwelle in die gleiche Richtung. Ein Kettenspanner wird verwendet, um zu verhindern, dass sich die Kette lockert, denn eine lose Kette kann nicht genügend Leistung von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen.
2) Zahnradantrieb
Der Zahnradantrieb wird verwendet, wenn ein möglichst geringer Abstand zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle erforderlich ist. Bei diesem Mechanismus überträgt ein Zahnradsatz die Leistung der Kurbelwelle auf die Nocke.
Beim Zahnradantrieb greift das antreibende Zahnrad der Kurbelwelle in die angetriebenen Zahnräder der Nockenwelle ein (wie im folgenden Diagramm zu sehen). Wenn sich die Kurbelwelle dreht, überträgt sie über das antreibende Zahnrad Leistung auf die Nockenwelle. Wenn sich das antreibende Zahnrad dreht, setzt es die angetriebenen Zahnräder in Drehung, die die Einlass- und Auslassventile des Motors öffnen und schließen.
3) Riemenantrieb
Der Riemenantrieb verwendet einen Zahnriemen, um die Bewegung der Kurbelwelle auf die Nockenwelle zu übertragen. Er ist bei modernen Motoren sehr verbreitet. Der Riemen verringert die Geräuschentwicklung im Betrieb und erfordert nur wenig Wartung.
Der Riemen muss regelmäßig gemäß den Herstellerangaben gewechselt werden. Reißt er, kann er schwere Schäden an den Ventilen und Kolben des Motors verursachen.
Sie hängt vom Werkstoff, der Schmierung und den Betriebsbedingungen ab. Bei ordnungsgemäßer Wartung erreichen hartvergossene oder aus legiertem Stahl gefertigte Nockenwellen meist mehr als 150.000–200.000 km. Ölmangel ist die Hauptursache für vorzeitigen Verschleiß.
Leistungsverlust, metallische Geräusche im Zylinderkopf, erhöhter Kraftstoffverbrauch, zu hohe Abgaswerte und Zündaussetzer. In der Diagnose treten Fehlercodes im Zusammenhang mit dem Ventilsteuerzeitpunkt auf.
Wenn die Nocken starken Verschleiß oder schwere Kontaktfraßstellen aufweisen, ist eine Reparatur nicht empfehlenswert; sie sollte durch eine neue Nockenwelle ersetzt werden. In einigen Fällen kann sie nachgeschliffen werden, was aber ihre Haltbarkeit verringert.
Die hartgegossene Nockenwelle bietet eine gute Verschleißfestigkeit für Standardanwendungen. Die Nockenwelle aus legiertem Stahl hat eine höhere mechanische Festigkeit und ist ideal für Hochleistungsmotoren und hohe Belastungen.