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Die Nockenwelle als Antrieb für die Ventilsteuerung

Damit sich in einem Verbrennungsmotor die dortigen Ventile zur richtigen Zeit öffnen und schliessen, um das Kraftstoffgemisch ein- und auszulassen, ist eine sehr präzise und störungsfrei funktionierende Technik notwendig. Zu dieser gehört die Nockenwelle, die für den Vorgang der Ventilsteuerung verantwortlich ist. Oft ist sie durch Zahnräder auch mit der Benzin- und Ölpumpe und mit dem Stromverteiler verbunden und treibt diese an.

Was ist die Nockenwelle im Automotor?

Ein Bestandteil des Motors in jedem Fahrzeug ist die Nockenwelle. Sie besteht in der Regel aus Vergütungs- und Nitrierstahl, aus Grauguss, Kugelgraphitguss oder anderen Sinterwerkstoffen und befindet sich im Motorblock, wo sie über Schlepphebel, Kipphebel oder Stösselstangen direkt auf die Ventile wirkt. Die Nockenwelle wird von Zahnrädern, Steuerketten und Zahnriemen über eine Kurbelwelle angetrieben. Dabei öffnet und schliesst sie alle Ventile mit präzisem Hub. Das geschieht in einer genau festgelegten Reihenfolge. Die Nockenwelle kann entweder hohl gebohrt oder hohl gegossen sein und besitzt Nockenbahnen, die oberflächengehärtet sind. Unterschieden wird in die oben und unten liegende Nockenwelle, die jeweilige Bauart hängt dabei von der Steuerung ab.

Wie funktioniert die Nockenwelle?

In einem typischen Verbrennungsmotor wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet und damit Kraft erzeugt. Dieser Vorgang wird durch die Nockenwelle eingeleitet. Sie öffnet und schliesst die Ventile, um das benötigte Mischverhältnis zu erzeugen. Die Verstellung der Ventile erfolgt zügig und präzise. Die Nockenwelle besteht aus einzelnen Nocken, die abwechselnd auf die Ventile des jeweiligen Zylinders drücken. Angetrieben wird sie über die Kurbelwelle, was in einem Verhältnis von 2:1 geschieht. Sie rotiert entsprechend halb so schnell wie die Kurbelwelle.

Wie arbeiten die Ventile und Nocken am Zylinderkopf?

Alle im Motor vorhandenen Ventile besitzen einen Federmechanismus mit einer Ventilfeder. Drücken die Nocken der Nockenwelle dagegen, öffnet sich der Ventiltrieb in präzisen Steuerzeiten, die an die Drehzahlen der Motoren angepasst sind. Mit einer speziellen Ventilsteuerung, wie sie im Motorsport üblich ist, kann dabei auch die Leistung des Motors verbessert werden. Bei der herkömmlichen Ventilsteuerung wirkt die Kraft von den Nocken entgegen der Ventilfederkraft. Sie wird über ein Betätigungselement übertragen, während das Schliessen der Ventile durch die Kraft der Ventilfeder geschieht.

Wie funktioniert die Ventilsteuerung im Motor?

Wenn das Gasgemisch im Zylinder entzündet wird, entwickelt sich eine sehr hohe Temperatur. Etwa 30 Prozent dieser Wärme lässt der Motor wieder über den Auspuff entweichen. Bevor das geschieht, passiert die Wärme das Auslassventil, das eine hohe Hitzeresistenz haben muss. Daher kann sich das Ventil auch verformen oder überhitzen, wenn du den Motor zu hochtourig fährst. Wenn dann der Ventilteller nicht mehr korrekt aufliegt, erreicht die Wärme auch die Kühlrippen und die Kühlflüssigkeit. Die Wärme muss daher vom Ventilteller in der Ventilsteuerung durch einen Kreislauf verteilt und dem Motor entzogen werden. Sie wird über den Ventilschaft abgegeben.

Was bedeuten OHC und DOHC?

Wo sich die Nockenwelle im Fahrzeug befindet, hängt von der Steuerung ab. Unterschieden wird in die OHC- und DOHC-Steuerung. Bei der OHC-Steuerung befindet sich die Nockenwelle oben. Sie bedient dabei die Einlassventile für das Kraftstoffgemisch. Ist eine doppelte Nockenwelle verbaut, handelt es sich um eine DOHC-Steuerung, die dann für das Schliessen der Auslassverntile verantwortlich ist. DOHC ist besonders für Motoren mit höherer Drehzahl sinnvoll. Die oben liegenden Nockenwellen im Zylinderkopf werden durch Kipphebel, Schlepphebel oder den Tassenstössel angetrieben.

Was macht die Kurbelwelle im Motor?

Die Nockenwelle dreht sich in einem typischen Viertaktmotor in der Regel in halber Drehzahl zur Kurbelwelle und bestimmt so den Viertaktzyklus. Die Kurbelwelle wiederum ist eine speziell gefertigte Welle mit Kurbeln, die die hin und her erfolgenden Bewegungen der Kolben steuert. Sie hat dabei die Funktion, die Kräfte durch die Kolben aufzunehmen und weiterzuleiten, damit diese in das Drehmoment umgewandelt werden können. Das bewirkt die Weiterleitung des Drehmoments von der Kupplung zum Getriebe im Fahrzeug.

Die Kurbelwelle besteht aus:

  • den Wellenzapfen
  • dem Pleuellager
  • den Kurbelwangen
  • den Gegengewichten

Welche Schäden können an der Nockenwelle und an der Kurbelwelle entstehen?

Da die Nockenwelle aus sehr robusten Materialien gefertigt ist, gehört sie im Fahrzeug nicht zu den Verschleissteilen. Entsprechend musst du sie auch nicht austauschen lassen, da Schäden eher selten auftreten. In der Regel hält die Nockenwelle ein Autoleben lang. Ist ein Austausch in Ausnahmefällen doch notwendig, solltest du die Nockenwelle mit den dazugehörigen Gleitpartnern ersetzen.

Die Kurbelwelle wiederum ist anfälliger. Die Kraft, die auf die Kurbelwelle wirkt, ist sehr hoch. Durch den Aufbau der Welle und die dort versetzte Anordnung der Pleuellager wirken vor allen Dingen Biege- und Torsionskräfte auf sie ein. Eine Unwucht wird zwar durch Gegengewichte und das Kurbelwellenlager ausgeglichen, die einwirkenden Kräfte sind jedoch schwieriger zu kompensieren. Ein Defekt kann dabei auch als Kurbelwellenlagerschaden auftreten, was für dich als Fahrzeughalter nicht immer leicht zu bemerken ist. Symptome für eine kaputte Kurbelwelle sind klopfende Geräusche, Motorstartprobleme und eine höhere Vibration des Motors. Informationen dazu erhältst du in deiner Werkstatt, wobei der Austausch einer defekten Kurbelwelle relativ aufwendig ist und dann auch von Profihänden mit den geeigneten Werkzeugen erledigt werden sollte.

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