Was macht die Nockenwelle?

Halb so schnell wie die Kurbelwelle

Kurbelwelle und Nockenwelle hängen am selben Zahnriemen. Da liegt der Gedanke nahe, dass sie sich gleich schnell drehen, Umdrehung für Umdrehung. Das stimmt nicht: In jedem Viertaktmotor dreht sich die Nockenwelle einmal, während sich die Kurbelwelle zweimal dreht. Das Übersetzungsverhältnis ist 2:1.

Der Grund steckt in den vier Takten. Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen bewegen den Kolben jeweils einmal hinauf oder hinunter. Ein Arbeitsspiel braucht deshalb zwei Kurbelwellenumdrehungen, 720°. In dieser Zeit muss jedes Ventil genau einmal öffnen: das Einlassventil zum Füllen, das Auslassventil zum Leeren. Ein Nocken öffnet sein Ventil einmal pro Nockenwellenumdrehung, also passt eine Umdrehung pro Arbeitsspiel genau. Liefe die Nockenwelle so schnell wie die Kurbelwelle, ginge jedes Ventil ein zweites Mal auf, mitten im Verdichten oder Arbeiten, und das Gas würde entweichen.

Festgelegt wird das über die Zähne. Im Motor der Tour hat das Kurbelwellenrad 18 Zähne, jedes Nockenwellenrad 36. Bewegt sich der Riemen um einen Zahn weiter, dreht sich das kleine Rad doppelt so weit wie die großen. Beim Zweitaktmotor, der sein Arbeitsspiel in einer Umdrehung schafft, ist es anders: Hat er überhaupt eine Nockenwelle, dreht sie so schnell wie die Kurbelwelle, 1:1.

Nockenwelle und Kurbelwelle: der Unterschied

Beide sind lange Wellen, die sich im Motor drehen, und ihre Namen klingen ähnlich. Ihre Aufgaben sind aber ganz verschieden. Die Kurbelwelle liegt unten im Motorblock. Die Pleuel drücken auf ihre versetzten Hubzapfen und machen aus dem Auf und Ab der Kolben eine Drehung; sie gibt die Kraft des Motors ans Getriebe weiter. Die Nockenwelle sitzt oben im Zylinderkopf (bei älteren Bauarten unten im Block) und treibt das Auto nicht an. Sie nimmt der Kurbelwelle nur ein wenig Kraft ab, um die Ventile im richtigen Moment zu öffnen.

Die Bewegungen hängen zusammen, sind aber nicht gleich. Die Kurbelwelle treibt, die Nockenwelle wird angetrieben, über Riemen, Kette oder Zahnräder, mit halber Drehzahl. Auf der Kurbelwelle sitzen Hubzapfen und Gegengewichte, auf der Nockenwelle Nocken. Beide werden von Sensoren überwacht: Das Motorsteuergerät vergleicht die Signale von Nockenwellen- und Kurbelwellensensor. So weiß es, welcher Zylinder gerade verdichtet, und wann es zünden und einspritzen muss.

Obenliegend oder untenliegend: OHV, OHC und DOHC

Wo die Nockenwelle sitzt, gibt den Bauarten ihre Namen. Der Motor der Tour ist ein DOHC-Motor (double overhead camshaft): zwei obenliegende Nockenwellen im Zylinderkopf, eine für die Einlass- und eine für die Auslassventile, die jeweils direkt auf Tassenstößel drücken. So sind die meisten heutigen Pkw-Motoren gebaut, meist mit zwei Einlass- und zwei Auslassventilen pro Zylinder; das Modell beschränkt sich auf je eines.

Ein OHC- oder SOHC-Motor hat nur eine obenliegende Nockenwelle für beide Ventilreihen. Sie erreicht die Ventile oft über Kipp- oder Schlepphebel. Beim OHV-Motor liegt die Nockenwelle unten im Block neben der Kurbelwelle. Lange Stoßstangen übertragen die Bewegung jedes Nockens hinauf zu Kipphebeln am Zylinderkopf. Solche Motoren sind kompakt und einfach, deshalb bauen viele große amerikanische V8 bis heute so. Die vielen bewegten Teile begrenzen aber die Drehzahl.

Zahnriemen, Steuerkette und warum die Steuerzeiten stimmen müssen

Drei Bauteile können die Nockenwelle antreiben. Ein Zahnriemen ist leise, leicht und günstig, verschleißt aber und muss nach dem Intervall des Herstellers gewechselt werden, oft irgendwo zwischen etwa 60.000 und 160.000 km. Eine Steuerkette aus Stahl läuft im Öl und soll ein Motorleben lang halten, kann sich aber samt Spanner längen und rasseln. Zahnräder nimmt man, wenn die Nockenwelle nah an der Kurbelwelle liegt, etwa bei OHV-Motoren und vielen Lkw.

Bei vielen Motoren bleibt es nicht beim Liegenbleiben, wenn der Zahnriemen reißt. Bei einem sogenannten Freiläufer passiert nichts weiter. Bei einem Interferenzmotor (kein Freiläufer) dagegen ragt ein ganz offenes Ventil in den Raum, den der Kolben oben im Zylinder einnimmt; nur die Steuerzeiten halten die beiden auseinander. Reißt der Riemen, bleiben die Nockenwellen mit einigen offenen Ventilen stehen, während die Kurbelwelle weiterdreht, und die Kolben schlagen dagegen: verbogene Ventile, beschädigte Kolben, oft ein neuer Zylinderkopf. Deshalb ist das Wechselintervall wichtig, und beim Einbau eines neuen Riemens müssen die Markierungen genau stimmen.

Hub, Öffnungsdauer und Nockenwellenverstellung

Zwei Zahlen beschreiben einen Nocken: der Hub, also wie weit er das Ventil öffnet, und die Öffnungsdauer in Grad Kurbelwinkel. Mehr Hub und längere Öffnungsdauer lassen bei hoher Drehzahl mehr Luft hinein, wenn ein Takt nur wenige Tausendstelsekunden dauert. Deshalb haben Sport- und Rennmotoren „scharfe“ Nockenwellen. Bei niedriger Drehzahl entwischt bei der großen Überschneidung aber frisches Gemisch direkt in den Auspuff. Solche Motoren laufen im Leerlauf unruhig und ziehen untenherum schwach.

Eine feste Nockenwelle ist immer ein Kompromiss zwischen niedriger und hoher Drehzahl. Die Nockenwellenverstellung umgeht ihn: Ein Versteller am Nockenwellenrad, meist mit Öldruck betrieben, verdreht die Nockenwelle während der Fahrt gegenüber ihrem Rad, um bis zu mehrere Dutzend Grad Kurbelwinkel. So verschieben sich die Steuerzeiten, das Verhältnis 2:1 bleibt. Manche Systeme schalten zusätzlich zwischen zwei Nockenformen um oder verändern den Hub.

Wenn die Nockenwelle verschleißt

Nocken und Stößel reiben unter der vollen Kraft der Ventilfedern aneinander und brauchen deshalb sauberes Öl. Nutzt sich ein Nocken ab, öffnet sein Ventil zu wenig. Typische Anzeichen sind ein Tickern oder Klappern oben am Motor, unruhiger Leerlauf, Zündaussetzer, weniger Leistung, mehr Verbrauch und die Motorkontrollleuchte, oft mit einem Fehlercode zur Nockenwellenposition oder zu den Steuerzeiten. Ein defekter Nockenwellensensor kann ähnliche Symptome machen. Eine verschlissene Nockenwelle gehört in die Werkstatt; meist werden Welle und Stößel zusammen getauscht.

FAQ

Häufige Fragen