Nockenwelle: Was ist das eigentlich?

Die Nockenwelle ist ein wesentlicher Bestandteil eines Hubkolbenmotors, also eines Verbrennungsmotors. Auch wenn viele schon einmal von ihr gehört haben, sind sie sich ihrer Funktion nicht bewusst. Was genau ist ihre Aufgabe, wo befindet sie sich und welche Anordnungen der Nockenwelle sind möglich? Antworten auf diese und noch weitere wichtige Fragen sowie Fakten rund um die Nockenwelle haben wir in folgendem Bericht zusammengestellt.

Die Nockenwelle: Was ist das überhaupt?

Die Krafterzeugung in einem Verbrennungsmotor erfolgt prinzipiell über das Entzünden eines Gemischs aus Kraftstoff und Luft. Eine Nockenwelle, ein Stab mit abgerundeten Vorsprüngen, der sich um die eigene Achse dreht, befindet sich je nach Bauweise im Zylinderkopf oder im Zylinderblock nahe der Kurbelwelle. Die Vorsprünge, also die namensgebenden Nocken, wandeln diese Drehbewegung in kurze Bewegungen in die Längsrichtung ab.

Die Nockenwelle sorgt dafür, dass das richtige Mischungsverhältnis aus Kraftstoff und Luft erzeugt wird. Sie ist für die Ventilsteuerung zuständig und regelt die Ein- und Auslassventile so, dass sich diese exakt im richtigen Moment öffnen und schließen, um genanntes Verhältnis zu erreichen. Dazu drücken die Nocken auf der Welle auf die einzelnen Ventile, die sich in den verschiedenen Zylindern befinden. Das geschieht mit dem exakten Hub und in exakt vorgegebenen Reihenfolge.

Das Öffnen erfolgt dabei mittels Übertragungsorganen wie etwa den Stößeln, die entgegen der Federkraft der Ventilfedern wirken. Die Federkraft selbst sorgt dafür, dass die Ventile wieder geschlossen werden.

Welche Antriebsarten der Nockenwelle gibt es?

Generell erfolgt der Antrieb der Motorsteuerung von der Kurbelwelle aus über Rollen- bzw. Steuerketten, Zahnräder oder Zahnriemen zur Nockenwelle. Bei einem Viertaktmotor dauert ein kompletter Durchgang, bei dem alle Ventile einmal angesprochen werden, zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Da die Ventile während dieser zwei Umdrehungen lediglich einmal betätigt werden, muss die Drehzahl der Nockenwelle Übersetzungsverhältnis von 2:1 aufweisen. Damit rotiert sie also nur halb so schnell wie die Kurbelwelle.

Wenn sich die Kurbelwelle also, als logische Schlussfolgerung, innerhalb dieser vier Takte zweimal dreht, dreht sich die Nockenwelle in dieser Zeit nur ein einziges Mal. Aus diesem Grund weist das Nockenwellenrad auch die doppelte Anzahl an Zähnen als das Kurbelwellenrad auf. Beim Antrieb kommt eine Steuerkette zum Einsatz, wenn es auf die exakte Einhaltung der Steuerzeiten durch präzises Ansprechen der Nockenwellen ankommt und eine große Kraftübertragung stattfinden muss. Ein Zahnriemen verknüpft dabei diese Vorteile einer Steuerkette mit denen eines Keilriemens.

Diese Art von Antrieb zeichnet sich durch seine geringe Geräuschentwicklung, günstigere Herstellung und das geringe Gewicht aus. Ebenfalls muss ein Zahnriemenantrieb im Vergleich nicht so stark gespannt und nicht geschmiert werden.

Welche Anordnung der Nockenwelle ist möglich?

Bei der Anordnung der Nockenwelle gibt es drei verschiedene Varianten. All diese Anordnungen haben jeweils ihre Vor- und Nachteile. Unterschieden wird zwischen Folgenden Ausführungen: Oben liegende Nockenwelle, unten liegende Nockenwelle und zentrale Nockenwelle.

Oben liegende Nockenwellen (im Zylinderkopf)

Vorteile

• Hier fallen geringe Massen an, die bewegt werden müssen
• Hohe Dynamik wird gewährleistet

Nachteile

• Aufwändiger Antrieb der Nockenwelle erforderlich
• Höhere Zylinderköpfe notwendig

Gängige Motorbezeichnungen bei oben liegender Nockenwelle

• OHC-Motor = (Over Head Camshaft)
• SOHC-Motor = (Single Over Head Camshaft)
• DOHC-Motor =  (Double Over Head Camshaft)
• CIH-Motor = (Camshaft In Head)

OHC, also Over Head Camshaft und DOHC (Double Over Head Camshaft) sind dabei die Begriffe, die man am meisten hört. Die OHC kommt oft in doppelter Ausführung vor und ist für die Bedienung der Einlassventile zuständig. Die zweite Nockenwelle, die DOHC ist dann für das Öffnen und Schließen der Auslassventile verantwortlich.

Unten liegende Nockenwellen (im Zylinderblock)

Vorteile

• Deutlich geringere Höhe der Zylinderköpfe möglich, verglichen mit der oben liegenden Nockenwelle
• Niedrige Kosten

Nachteile

• Geringe Dynamik

Gängige Motorbezeichnungen bei unten liegender Nockenwelle

• SV-Motor = (Side Valves)
• OHV-Motor = (Over Head Valves)

Zentrale Nockenwelle (bei V-Motoren in den Zylinderbänken)

Vorteile

• Eine kompakte Bauart des Motors ist möglich
• Antrieb der Nockenwelle erweist sich als optimal und kostensparend

Nachteile

• Keine

Bei neuen Motoren sind oft oben liegende Nockenwellen verbaut. Ältere Varianten wurden mit unten liegender Nockenwelle konstruiert. Hier müssen lange Stößel genutzt werden, um die Ventile im Zylinderkopf zu betätigen. Anders als bei der oben liegenden Nockenwelle handelt es sich hierbei um eine indirekte Konstruktion, was eine höhere Reibung zur Folge hat. Das wiederum schmälert die Effektivität. Außerdem ist sie durch diesen Umstand nicht für höhe Drehzahlen ausgelegt.

Wie lange halten Nockenwellen?

Allgemein gesehen sollten Nockenwellen so lange halten wie der gesamte Motor, also ein ganzes Autoleben lang. Daher sind sie definitionsgemäß kein klassisches Verschleißteil. Durch dauerhaft hohe Drehzahlen oder sehr hohe Laufleistungen eines Motors kann es dennoch zu einer Beschädigung oder einem Defekt der Nockenwellen kommen. In der Realität kann es demnach dazu kommen, dass die Nockenwelle ausgetauscht werden muss. Unabhängig davon, ob eine Nockenwelle mit oder ohne Lagerschalen funktioniert, ist eine permanente und ausreichende Schmierung essenziell, um ihre Funktion für eine möglichst lange Zeit, möglichst effektiv gewährleisten zu können.

Die Lagerschalen besitzen Bohrungen an der Unterseite, über welche die Nockenwelle mit dem Ölkreislauf des Motors verbunden ist. Zwischen den Schalen und den Laufflächen der Nockenwelle besteht somit dauerhafter Schmierfilm aus Öl. Besteht ein Mangel an Schmierung oder wird der Motor wie bereits genannt durch zum Beispiel sehr hohe Drehzahlen zu stark beansprucht, kann es zu Beschädigungen an diesen Verbindungsstellen kommen.

Dies ist daran erkennbar, dass sich Riefen sowohl in den Lagerschalen als auch an den Laufflächen der Nockenwellen bilden. Von einer eingelaufenen Nockenwelle spricht man, wenn es aufgrund schlechter Verarbeitungsqualität an den Nocken zur Abnutzung des Materials kommt. Diese führt dazu, dass die Form der Nocken derart verändert ist, dass der Hub nicht mehr vollends erreicht werden kann und sich die Ventile im falschen Moment öffnen und schließen.

Folgen können auf Dauer eine geringere Motorleistung, Probleme beim Starten, ein unrunder Lauf des Motors oder weitere gravierende Schäden sein. Dementsprechend ist es unerlässlich, eine beschädigte Nockenwelle auszutauschen. Bei dem Kauf sollte dann unbedingt auf eine hohe Qualität und gute Materialverarbeitung geachtet werden.

Aus welchem Material können Nockenwellen gefertigt werden?

Prinzipiell gibt es bei den Nockenwellen nicht nur verschiedene Anordnungen, sondern auch unterschiedliche Materialien, aus denen diese gefertigt werden können. Die folgenden vier Materialien gelten dabei als das Maß der Dinge:

• Nitrierstahl
• Grauguss
• Vergütungsstahl
• Kugelgrafitguss

Wie kann man Nockenwellen einstellen?

Die Einstellung der Nockenwelle beziehungsweise die Einstellung der Steuerzeiten ist kein einfaches Unterfangen. Das legt nahe, dass diese Prozedur lediglich von Experten wie in einer Fachwerkstatt durchgeführt werden sollte. Die Einstellung einer Nockenwelle bedeutet einen schwerwiegenden Eingriff in den Antrieb des Motors des Fahrzeuges. Kommt es hier zu einem Fauxpas, kann dies schwerwiegenden Konsequenzen zur Folge haben und auch Motorschäden sind nicht auszuschließen. Auch wenn es Rund um das Thema Auto, viele Stellen gibt, an denen man selbst Hand anlegen und eigens zum Werkzeug greifen kann, ist dies bei der Nockenwelle nicht der Fall.

Wie kann man eine Nockenwelle einbauen?

Wenn man einen Motor Instand setzen möchte, ist der richtige Einbau der Nockenwelle ein sehr wichtiger Vorgang. Dabei gilt es allerdings einiges zu beachten, damit diese letzten Endes auch korrekt arbeiten kann und keine Schäden verursacht. Wie der Einbau vonstattengeht, zeigt folgendes Video sehr gut:

Wie teuer ist eine Nockenwelle und wie viel kostet es eine zu wechseln?

Die Nockenwellen an sich kosten in der Regel zwischen 100 und 300 Euro, je nachdem wo man schaut und welches Material gewählt wird. Man sollte aber nicht nur aus Prinzip die günstigste Variante wählen, sondern sich tatsächlich mit der Auswahl befassen oder sogar professionell beraten lassen. Da der Einbau sehr präzise durchgeführt werden muss, fallen hier entsprechende Kosten an. Zu nächst einmal müssen einige Bauteile am Motor, wie Motordeckel, Ventildeckel, Steuerkette sowie Zahnriemen entfernt werden. Dann erst kann man an die Nockenwelle gelangen. Durch dieses Vorgehen ist der Wechsel der Nockenwelle sehr zeitaufwändig. Daher sollte man mit mindestens 1000 bis 1500 Euro rechnen. Trotz des Preises sei nochmal erwähnt, dass der Wechsel unbedingt von professioneller Hand durchzuführen ist.

Was bringt eine Sportnockenwelle?

Seriennockenwellen sind üblicherweise auf die Anforderungen an den Motor beim alltäglichen Fahren ausgelegt. Sie bieten daher den optimalen Kompromiss aus ruhigem Leerlauf, geringen Emissionswerten und ordentlichen Dauergeschwindigkeiten auf Langstreckenfahrten. Eine Sportnockenwelle sorgt für ein längeres und weiteres Öffnen der Ventile, weshalb Auslass- und Einlassventile über längere Zeit parallel zueinander geöffnet sind.

Dies ermöglicht eine bessere Zylinderfüllung bei hohen Drehzahlen, wodurch eine deutlich höhere Motorleistung erreicht wird. Nachteil ist bei niedrigen Drehzahlen, dass sich Abgase mit Frischgase stärker vermischen, was den Motor im Leerlauf unrund laufen lässt bzw. diesen gar nicht mehr ermöglicht und der Motor ausgeht.

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