Ventiltrieb

Nockenwelle

Das wohl geheimnisumwittertste Teil Im Bereich der Leistungssteigerung.
Keinem anderen werden so viele positive Veränderungen zugeschrieben wie der Nockenwelle.

Also wollen wir  versuchen, diesem Mysterium auf den Grund zu gehen.

Dazu unterteilen wir das Thema in zwei Bereiche:

1. Die Nockenwelle mit ihren mechanischen Auswirkungen
2. Die NW mit ihren strömungsdynamischen Folgen

Fangen wir mit der Mechanik an.

Die NW besteht - wie jeder weiß - aus Stahl.

Früher wurde sie, meist als Guß (Schalenhartguß) oder Schmiedestahl, aus einem Stück
gefertigt und dann erst mit dem Nockenschliff versehen.

Danach wurde das Schmiedeteil oberflächengehärtet (etwa 0,2 mm tief).
Der Schalenhartguß hat ja bereits ein ausreichend harte Oberfläche.

Heute werden Nockenwellen "gebaut", d.h. sie bestehen aus mehreren Teilen.
In der Hauptsache aus einer zähen Welle (durchaus auch St52) und den einzelnen Nocken
aus z.B. Kugellagerstahl, aber auch Sinterwerkstoffen.
Die Nocken können besser und einfacher hergestellt werden, es sind auch negative Radien
möglich und die Durchhärtung verhindert einen Härteübergangsbereich.

Dazu sind diese Wellen leichter und vor allem billiger herzustellen.

Die Befestigung der Nocken auf der Welle erfolgt durch Hochdruckverformung der hohlen
Welle von innen (Flüssigkeitsdruck), durch thermisches Aufschrumpfen, oder einfach durch
rollieren der Welle und aufpressen wie hier dargestellt:

In unserem Falle, also der BMW 2V-Nockenwelle mit 308° handelt es sich um einen Schalenhartguß,
der erst hinterher geschliffen und gehärtet wurde.
Interessant daran ist die Kombination mit einem Stößel, ebenfalls aus Schalenhartguß,
was tribologisch (Tribologie = Reibungslehre) nach herrschender Meinung eher nicht ratsam sein soll.
Aber es funktioniert bei BMW prächtig.

Kommen wir zum Nocken.

Dieser wird so geschliffen, daß das Ventil schnellstmöglich öffnet, lange aufbleibt und
schnell wieder schließt.

„Schnellstmöglich öffnet“ heißt hierbei, so schnell wie die mechanische Belastungsfähigkeit
das zuläßt unter dem Gesichtspunkten der Dauerhaltbarkeit.

„lange aufbleiben“ hat etwas mit den Steuerzeiten zu tun, darauf kommen wir später zu sprechen.

„schnell wieder schließen“ ist wiederum ein Frage der mechanischen Belastbarkeit, insbesondere
der des Ventilsitzes, aber auch der Härte der Nockenflanke sowie der verfügbaren Federkraft.

So eine Öffnungskurve sieht typischerweise wie folgt aus:

Die kleine Steigung am Anfang sowie am Ende der Nockenkurve nennt man Rampe.
Die Rampe ist linear und überbrückt das immer notwendige Ventilspiel, um den Stößel an
den Nocken anzulegen, damit er dessen Bewegung folgen kann.

Ob eine solche Kurve aber überhaupt den Vorgaben entspricht, oder als gut bezeichnet
werden kann, ist daraus nicht ersichtlich.

Man kann allenfalls grob erkennen, ob eine Nocke eine kurze oder eher lange Öffnungszeit hat:

Für eine weitere Betrachtung schauen wir uns mal an, welche Geschwindigkeit der Ventiltriebdabei hat.

Die Geschwindigkeit ergibt sich aus der jeweiligen Steigung der Öffnungskurve an der
entsprechenden Stelle.
Also die erste Ableitung der Funktion.  (Wenn es denn eine nachrechenbare Funktion wäre)

Daraus ergibt sich dann die Kurve der Ventilantriebs-Geschwindigkeit:

Sehr schön kann man sehen, daß etwa auf Mitte der Flanke die Geschwindigkeit schon
wieder abnimmt. Es wird sozusagen das Abbremsen eingeleitet, an der höchsten Stelle
des Nockens ist die Geschwindigkeit ja wieder nachvollziehbar „0“.
Danach erreicht die Kurve der Ventil(triebs)geschwindigkeit negative Werte, das
Ventil wird gegen die Ventilfeder abgebremst und später wieder auf den Sitz abgelassen durch
die Rampe.

Die mechanische Belastbarkeit des Ventiltriebes ist aber auch hieraus noch nicht ersichtlich.
Dazu benötigt man die Werte für die Beschleunigung des Ventils.
Beschleunigung ist Änderung der Geschwindigkeit, also wieder eine Ableitung der Kurve
für die Geschwindigkeit.
(bezogen auf unsere Ventilöffnungskurve, also die 2. Ableitung)

Interessant hier ist zu sehen, daß die höchste Beschleunigung des Ventils direkt zu Beginn
der Flanke auftritt, somit auch die höchste Belastung für den gesamten Ventiltrieb.
Im Umkehrpunkt unserer Geschwindigkeitskurve ist die Beschleunigung natürlich schon wieder „0“,
die danach ersichtliche negativen Werte der Beschleunigung sind niedriger als die positiven.
Der höchste Negativwert wird nachvollziehbar am Nockengipfel, dem Umkehrpunkt erreicht.
Hier ist die Ventilfeder gefordert, den Nocken am „Weiterflug“, weg vom Nockenprofil, zu hindern.
Die Feder muß also im gespannten (zusammengepreßten) Zustand mehr Kraft aufbringen
als die aus der negativen Beschleunigung (Verzögerung) des Ventiltriebes resultierenden Kräfte !

Zu sehen ist hier sehr schön der Abstand der Linien Federkraft ./. Negativ-Beschleunigung.

Ist da zu wenig Kraftüberschuß flattert das Ventil auf dem Nocken, hebt schlimmstenfalls
ab und schlägt nachfolgend mit erheblichen materialmordenden Kräften wieder auf.

Dazu könnten wir jetzt noch über die Änderung der Beschleunigung, „Ruck“ genannt, unterhalten.
Änderung der Beschleunigung heißt mathematisch deren Ableitung, jetzt also schon die
dritte Ableitung unserer Erhebungskurve !
Der Ruck ist interessant im Zusammenhang mit elastischer Formänderung des Ventiltriebes,
daraus resultierenden Schwingungen und Geräuschen.
Heute werden Nockenantriebe daher ruckarm ausgelegt.

Hat damals aber nicht wirklich jemanden beschäftigt - uns daher hier und heute auch nicht.

Zurück zu unseren Kurven:

Die obigen Kurven stellen die idealisierte Form einer Nockenerhebung dar.
Warum das so ist, damit wollen wir uns jetzt erst mal beschäftigen.

Eine Nocke wurde damals konstruiert, gezeichnet und die Zeichnung zum Produzenten
gegeben.
Um die Werkzeuge mit den damaligen Möglichkeiten bauen zu können, mußte sich der Konstrukteur
relativ einfacher geometrischer Kurven bedienen.
Einfach heißt hier, daß im wesentlichen 3 Radien verwendet wurden.

Zur Erläuterung:

„R“ ist der Radius der eigentliche Nockenwelle
„RG“ der des Nockengrundkreises             (15 mm)
„RF1“ der der Nockenflanke                     (31 mm) 
„RSp“ der für die Nockenspitze                (10,6 mm)
„RO“ für den Rampenradius                     (17 mm)

Die Daten in Klammern sind die unserer 308° BMW-Seriennockenwelle

Was zeigt uns eine solche Zeichnung ?

Zuerst einmal, daß nicht der Nocken in Anlehnung an den höchsten Beschleunigungswert in
jedem Einzelpunkt errechnet wird, sondern die geometrische Darstellung eines solchen Nockens
im Vordergrund stand.

Und es wäre ein großer Zufall wenn ausgerechnet eine relativ einfache geometrische Form das
Optimum für eine Ventilöffnungskurve darstellen sollte...

Im extremen Falle kann dann sowas bei rauskommen:

Die dabei zu sehenden Spitzen der Beschleunigungskurve stellen ja nun auch Belastungsspitzen dar,
auf die der gesamte Ventiltrieb ausgelgt sein sollte.
Wenn aber diese Maximalbelastung verkraftet werden kann, dann sollte man dies auch über den
größtmöglichen Drehwinkel ausnutzen.

Idealisiert also eher so, grün eingezeichnet:

Dabei erreicht man die definierte Belastungsgrenze des Materials und nutzt diese aus.
Das Ventil wird also schnellstmöglich geöffnet und ebenso zügig wieder geschlossen.
Um so eine Kurve zu erreichen muß allerdings jeder einzelne Punkt der Kurve (in möglichst
engen Intervallen) einzeln berechnet werden.
Erst dann ergibt sich ein Nockenprofil, was sich an die gewünschten maximierten Steuerzeiten
anlehnt und nicht an die einfachen Produktionsmöglichkeiten.

Zur Ehrenrettung des Herstellers (BMW und Schleicher) sei aber gesagt,daß zum Zeitpunkt
der Konstruktion dieser Nockenwelle, diese noch händisch auf Papier gezeichnet wurden
weil CAD/CAE noch nicht bekannt waren.

Der 308°-Urnocken wurde übrigens Anfang 1964 noch vom Motorenpapst Paul Rosche,
„Nocken-Paule“ genannt, abgesegnet.
Später , ab 1975 war er als Leiter der Motorsport GmbH maßgeblich am F1-Projekt beteiligt.

Das Thema CAD ist aber auch ein Grund dafür, daß es seitdem nicht wirklich neue, richtig berechnete Nockenprofile gab.
Wie denn auch, wenn die zur Berechnung der Kräfte notwendigen Maße, Abstände und Drehpunkte
(diese auch noch teils außerhalb der Werkstücke !) nicht korrekt rechnerisch erfaßt waren
- und es auch heute noch sind.

Alle Zeichnungen der BMW-Motoren existieren - wenn überhaupt noch - nur auf dem Papier.
Und die sind nicht für Geld und gute Worte zu erhalten von BMW.

Es gibt keinerlei CAD-Dateien, die nachzufertigenden Werkstücke werden heute noch so
beim Zulieferer produziert wie vor 30 oder 40 Jahren.

Um also neue Berechnungen für ein optimiertes Nockenprofil anstellen zu können, müßte
man erst einmal den gesamten Motor mit seinem Ventiltrieb, geometrisch im Rechner erfassen.

Wer also über einen unbegrenzten Zugang zu einer 3D-Meßmaschine verfügt, kann sich da
gerne mal ransetzen.  

_________________

Die Fa. Schleicher erhielt den Auftrag zur Produktion der Serien-Nockenwellen, später auch
den für die BMW-Sportnockenwelle mit 336°.
Dazu lieferte Sie auch andere Profile für Sportzwecke.

Darunter die Ro214.5 mit 344° OEZ, die als RO160 mit identische Steuerzeiten bereits im
Kleinwagen BMW 700 im Jahre 1963 fröhlich Urstand feierte.
Die wurde dann auch gleich für die Motorradmodelle R51-R69 weiter mit angeboten.

Ebenso die KA508 mit 332° OEZ, die auch schon für die R50S angeboten wurde...
Insgesamt also alles Nockenprofile, die auf den geometrischen Konstruktionen beruhten.

Dabei war das Prinzip von Schleicher eigentlich ganz einfach.
Wenn man mehr Steuerzeiten wollte, also eine längere Öffnungszeit des Ventils, dann wurde
die Nockenflanke verlängert.
Das brachte neben den gleichbleibenden Beschleunigungsspitzen (und damit gleichbleibender
Belastung gegenüber der Serie), auch etwas mehr an Hub.
Wenn dann der Hub in OT, die Überschneidung also, „zu groß“ wurde, legte man die EL- und
AL-Nocken auf der Welle einfach etwas auseinander, vergrößerte also die Spreizung.

Ergebnis dieser Konstruktionsmethode waren Nocken, die alle in der Belastung des Ventiltriebes
auf der sicheren Seite bleiben.
Die folgenden, noch heute gebräuchlichen Nockenwellen, haben alle dieselbe (!) max. positive
Beschleunigung des Ventils zur Folge:

• 296°  - RO 267.7   - Enduronocke
• 308°  -                 - BMW-Serie
• 320°  - RO 240.6   - leichte SportNW 
• 320/3°                 - HPN-NW, entspricht der 320° Schleicher mit 3° KW Früh-Versatz
• 324°  - RO 270.6   - SportNW, als FallertNW bekannt
• 330°  - RO 340.10 - wurde ca. 1990 entwickelt
• 332°  - KA 508      - ganz alte Schleicher SportNW
• 336°  -                 - BMW-SportNW 
• 340°  - RO 227.4   - (entspricht in etwa der 344° mit mehr Hub)
• 344°  - RO 214.5   - BMW-RennNW 

Nur 3 Wellen fallen aus dem Rahmen, indem sie gegenüber der Serienwelle 308° eine
höhere negative Beschleunigung des Ventils zuließen:

• 324°  - RO 270.6
• 330°  - RO 340.10
• 340°  - RO 227.4

Um diese Kräfte aufzufangen wären also andere Ventilfedern notwendig.

Die BMW-Sport-NW mit 336° hat zwar in ihrer Einbauanleitung auch die Empfehlung zum
Vorspannen der Federn, die neg. Beschleunigungswerte sollen aber lt. Schleicher denen der
Serie entsprechen.

Die gab’s im übrigen auch in 2 Ausführungen, die andere dann mit 3° Frühversatz.
Eine Methode zur Korrektur des Einlaßschlusses in drehmomentförderliche Regionen, also
in tiefere Drehzahlbereiche.

Interessant an den ganzen Daten ist hier die Notwendigkeit von weiteren Ventilstriebsmodifikationen
für die o.g. Wellen.
Das können Erleichterungen sein (Stößel leichter) aber auch Festigkeitserhöhungen
(kugelgestrahlte Kipphebel, andere Stoßstangen etc.).
Oder eben andere Federn, die den Stößel sicher auf dem Nocken halten.
Baut man eine solche Welle ohne weitere Modifikationen ein, ist die Haltbarkeit des Ventiltriebes
sicherlich eingeschränkt.
Das heißt jetzt nicht, daß einem alles um die Ohren fliegt, aber auf Dauer kann es eben
Ermüdungserscheinungen (pitting etc.) geben.

        (Pittingbeispiel)

In der obigen Aufstellung sind, wie der geneigte Leser schon erkannt haben dürfte, ausschließlich
Nockenwellen eines einzigen Herstellers, der Fa. Schleicher vertreten.
Andere produzieren auch keine.

Wer jetzt eine in letzter Zeit populäre asymmetrische Nockenwelle im Vergleich vermißt, der sei hierauf verwiesen:

"asymmetrische Nockenwelle"

Ansonsten sind die größeren Unterschiede der verschiedenen Nockenwellen natürlich in ihren strömungstechnischen Auswirkungen begründet.

Alles dazu gibt's demnächst.

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