Nockenwellen

Die Nockenwelle ist der zentrale Punkt in einem Viertaktmotor. Sie bestimmt die Eigenschaften des Motors. Deswegen sind wir auch Anhänger der einen und einzigen Nocke :). Die Nochenwelle legt fest, wann, wie schnell und wie weit die Ventile geöffnet werden. Damit steuert die Nockenwelle, wie Frischgas in den Zylinder kommt und wie ihn das verbrannte Gas verlässt.

Drei grundlegende Faktoren bestimmen die Leistung eines Verbrennungsmotors: 1) der Hubraum 2) der mittlere Arbeitsdruck (Mitteldruck) und 3) die Drehzahl. Hubraum und Mitteldruck sind gleichbedeutend mit Drehmoment, und die Leistung ist das Produkt aus Hubraum mal Mitteldruck mal Drehzahl.

Wenn man den Hubraum beiseite lässt, muss man, um mehr Leistung zu erzielen, entweder den Mitteldruck oder die Drehzahl erhöhen, praktisch wird man meist beides steigern. (Wie man den Hubraum erhöht, steht unter Big bore.) Mehr Mitteldruck bedeutet, mehr Frischgas in den Zylinder zu bekommen, wenn man einmal andere Wege, den Mitteldruck zu erhöhen, ausser Betracht lässt, als da wären eine effektivere Verbrennung (durch höheres Versichtungsverhältnis) oder chemische Wege (Lachgas, Nitromethan), um mehr verbrennbares Gas und den dazu notwendigen Sauerstoff in die Verbrennungskammer zu bekommen.

Das Frischgas kommt über den Ansaugkanal in den Zylinder. Die dafür zur Verfügung stehende Zeit und der Effektivquerschnitt (zwei wichtige Faktoren, die bestimmen, wieviel Frischgas in den Zylinder strömt) werden vom Einlassventil und dem Einlassnocken, welcher das Einlassventil öffnet und schliesst, bestimmt. Das Ventil öffnet einen Ringspalt, duch den das Frischgas strömt. Der Querschnitt des Spalts ist eine Funktion des Ventilduchmessers und des Ventilhubs. Der Ventildurchmesser ist durch die Abmessungen des Ventils festgelegt, während der Ventilhub durch die Nockenwelle bestimmt wird. Die Fläche unter der Einlasserhebungskurve bestimmt den effektiven Einlassquerschnitt, den das Nockenprofil über die Zeit freigibt. Je grösser diese Fläche ist, desto mehr Frischgas kommt in den Zylinder. Grössre Ventile mit mehr Ventilhub bedeuten mehr Frischgas im Zylinder, damit mehr Mitteldruck und mehr Leistung. So einfach? Nun, ehe wir uns eingehender mit Ventildurchmessern und Ventilhüben beschäftigen, schauen wir uns einen anderen wichtigen Punkt an, der die Atmung eines Motors bestimmt.

Strömungsdynamik

Nur in den allerersten Tagen des Verbrennungsmotors, als 50 min-1 noch hohe Drehzahlen und die Erde noch eine Scheibe war, wurden der Ansaug- und Auspufftakt als statische Prozesse angesehen. Das Ventil öffnet sich, der Kolben geht nach unten und saugt dabei das Frischgas in den Zylinder. Das Ventil schliesst sich, der Kolben geht nach oben, verdichtet das Frischgas usw. Bald erkannte man, dass eine solche Herangehensweise die dynamischen Aspekte des Prozesses nicht berücksichtigt. Heutzutage sieht man den Gasstrom in einem Motor als einen strömungsdynamischen Prozess, der auch die dynamischen Eigenschaften des Luft-/Benzingemisches und der Gase berücksichtigt.

Bereits früh in der Motorenentwicklung wurde erkannt, dass das Einlassventil öffnen sollte, noch bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, und dass sich das Ventil erst nach Überschreiten des unteren Totpunktes schliessen sollte.

Folgendes passiert: Wenn sich das Einlassventil öffnet, ist das Auslassventil noch offen. Der Kolben ist kurz vor dem Ende des Auspufftaktes. Möglicherweise herrscht bereits etwas Unterdruck im Zylinder, da das verbrannte Gas bereits den Zylinder im Auspufftakt verlassen und damit einen Unterdruck hinterlassen hat, der bereits Frischgas in den Zylinder saugen kann. Während des Ansaugtaktes strömt Frischgas in den Zylinder und gewinnt dabei an Schwung. Der Kolben kommt an den unteren Totpunkt, während das Frischgas aufgrund der Trägkeit immer noch einströmt. Der Strom stoppt erst dann, wenn die Massenträgheit mit dem Rückstau des Frischgases, welches im Zylinder zusammengrdrückt wird, ein Gleichgewicht bildet. Idealerweise geht in genau diesem Moment das Einlassventil zu. Dieser Punkt, der Einlassschluss, ist der wichtigste Punkt für die Leistung! (Der zweitwichtigste ist der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils.) Wenn das Einlassventil zu früh schliesst, unterbricht es die Zylinderfüllung, ehe der Zylinder optimal gefüllt ist. Wird das Ventil zu spät geschlossen, hat sich der Gasstrom bereits umgekehrt und das Frischgas fliesst bereits wieder aus dem Zylinder zurück in den Ansaugkanal.

Dummerweise gibt es keinen festen "optimalen Schliesspunkt", nicht einmal für einen vorgegenen Motor mit feststehenden Strömungsverhältnissen. Tatsächlich hängt das Zusammenspiel von Nockenwelle und Ventilsteuerzeiten, Gasträgheit und Schwung, das den optimalen Schliesszeitpunkt bestimmt, nicht von der Nockenwellengradzahl ab, sondern von der absoluten Zeit, oder, anders ausgedrückt, von der Drehzahl. Wenn wir den optimalen Schliesspunkt festlegen wollen, können wir dies nur für eine bestimmte Drehzahl machen. Unterhalb dieser Drehzahl schliesst das Ventil zu früh, bei niedrigeren Drehzahlen wird der Schliesspunkt zu spät liegen.

Dynamik des Ventiltriebs

Warum legt man dann nicht den optimalen Einlassschluss sehr spät, so dass die beste Füllung und der beste Mitteldruck bei sehr hohen Drehzahlen anliegen, und wir unendliche Leistung bekommen, da die Leistung sich als Mitteldruck mal Drehzahl ergibt? Es gibt andere Faktoren, die ebenfalls von der Nockenform beeinflusst werden und die die Maximaldrehzahl eines Motors begrenzen. Normalerweise folgt der Ventiltrieb und das Ventil beim Öffnen und Schliessen dem Nockenprofil. Aber genauso wie das Frischgas, das in den Zylinder strömt, besitzt auch der Ventiltrieb Masse und damit Trägheit, Faktoren, die die mögliche Beschleunigung bestimmen. Die Ventilöffnung folgt dem Nockenprofil, und höhere Drehzahlen bedeuten erst einmal nur mehr Belastung für den Ventiltrieb (die Kipphebel beim Honda SOHC/4-Motor), Belastung, die Verschleiss bedeutet. Kritischer ist der Ventilschluss, bei dem die Stärke der Ventilfeder dafür verantwortlich ist, dass das Ventil und der Ventiltrieb dem Nockenverlauf folgen. Bei Überdrehzahlen folgt das Ventil beim Schliessen nicht mehr dem Nochenprofil, was allgemein als Ventilflattern bekannt ist. Das Ventil schliesst zu spät, wobei es mit dem Kolben oder dem anderen Ventil zusammenstossen kann, was üblicherweise einen Motorschaden zur Folge hat. Im schlimmsten Fall reisst das Ventil ab, der Ventilteller fällt in den Zylinder und richtet dort weiteren Schaden an Kolben, Zylinderlaufbahn, Pleuel, Kurbelwelle und Motorgehäuse an.

Die bestimmenden Faktoren für die Maximaldrehzahl, bis zu der der Ventiltrieb normal arbeitet, sind:

- Masse und damit Trägheit des Ventils und des Ventiltriebs

- Federrate und Vorspannung der Ventilfeder

- Nockenprofil

Aufgrund der geringeren Trägheit des Ventils und Ventiltriebs drehen SOHC Motoren höher als OHV Motoren, und, ich gebe es nicht gern zu, aber DOHC Motoren haben mehr Leistungspotential als SOHC Motoren. Sie haben einfach weniger bewegte Teile, die Masse und damit Trägheit besitzen.

Optimieren des Ventiltriebs

Bei einem vorhandenen Motor gibt es immer noch genügend Möglichkeiten, die Drehzahlfestigkeit zu erhöhen: Verringern der bewegten Massen von Ventil und Ventiltrieb, Ventilfedern mit einer höheren Federrate oder mehr Vorspannung oder Verwendung einer 'milderen' Nockenwelle, die weniger hohe Beschleunigung des Ventiltriebs fordert.

Sehen wir uns die drei Faktoren einmal genauer an:

Verringerung der bewegten Massen: Gut, aber mit beschränkten Möglichkeiten. Neben den Ventilen, deren Masse nicht viel verkleinert werden kann, haben wir die Kipphebel und die Federteller, an denen noch etwas verbessert werden kann. Was die Kipphebel angeht, sollte man nicht vergessen, dass das Trägheitsmoment mit dem Abstand von der Rotationsachse wächst. Mit anderen Worten, Material, das man an den Enden der Kipphebel entfernt bewirkt wesentlich mehr als Material, das man in der Nähe der Kipphebelachse entfernt. Man sollte sich genau überlegen, wo und wieviel man die Kipphebel abschleift - das Reduzieren der Massen sollte nicht auf Kosten der Stabilität gehen.

Eine einfache und bewährte Methode, um die Masse der Kipphebel zu reduzieren ist es, die Einstellmuttern auf die halbe Höhe abzudrehen und die Einstellschrauben entsprechend zu kürzen.

Eine andere bewährte Möglichkeit ist die Verwendung spezieller, leichterer Federteller, wie die aus Titan, die u.a. von Megacycle angeboten werden. Ich würde von Aluminium-Fdertellern abraten - die Dauerfestigkeit von Aluminium ist niedriger als die von Stahl oder Titan, und die Ventilkeile können sich mit der Zeit einarbeiten.

Ventilfedern mit höherer Federrate oder höhere Vorspannung der vorhandenen Federn: Der einfachste und effektivste Weg zu mehr Drehzahlfestigkeit. Aber alles hat auch seine Schattenseiten. Härtere Federn belasten den Ventiltrieb höher und erzeugen so auch mehr Verschleiss. Härtere Federn bedeuten auch mehr Leistungsverlust im Ventiltrieb, Leistung, die der Motor erzeugt, die aber nie am Hinterrad ankommt.

Mein Vorschlag ist: Nicht übertreiben. Es gab Ventilfedern von Yoshimura, mit denen man, zusammen mit anderen Änderungen, den roten Bereich auf 11.000 min-1 legen konnte, aber solange man nicht einen Motor hat, der diese Drehzahlen auch unter normalen Bedingungen erreicht, sind diese Federn einfach übertrieben. Ich habe schon Nockenwellen und Kipphebel gesehen, die durch zu harte Ventilfedern verschlissen sind.

Die Federn durch Unterlegen höher vorzuspannen war früher recht verbreitet, aber ich würde es nicht für den SOHC/4-Motor empfehlen. Obwohl es recht einfach ist - man setzt nur eine Scheibe oder grosse Unterlegscheibe unter die Feder - verkleinert es den freien Federweg was mit Tuningnockenwellen, die oft einen höheren Hub haben, zu Problemen führen kann.

Nockenprofil: Hier müssen wir uns ziemlich auf die Weisheit und Erfahrung des Nockenwellenherstellers verlassen. Flachere Flanken bedeuten weniger Beschleunigung, aber auch weniger effektiven Öffnungsquerschnitt und damit weniger Gemisch im Zylinder, weniger Mitteldruck und Leistung. Dies sind Faktoren, die sorgfältig abgewägt werden müssen.

Wichtig für die Praxis ist, dass, auch wenn in einem Motor nur die Nockenwelle geändert wird, sich die Drehzahlgrenze wegen der unterschiedlichen Nockenprofile verschieben kann.

Aus der Praxis

Nachdem so viele unterschiedliche Parameter in einer Nockenwelle zu beachten sind, ist es normalerweise schwierig, verschiedene Nockenwellen zu vergleichen. Einige Werte haben sich aber eingebürgert, um einen Nockenwelle als 'mild' bis 'scharf' zu bezeichnen. Schauen wir uns einmal an, welche Werte wir normalerweise in einem Nockenwellen-Datenblatt sehen:

	NW I	NW II	NW III
Einlass öffnet	5	19	29	Grad vor OT
Einlass schliesst	30	47	59	Grad nach UT
Auslass öffnet	35	48	73	Grad vor UT
Auslass schliesst	5	19	30	Grad nach OT
Hub Einlass	8,00mm	8,64mm	8,59
Hub Auslass	7,95mm	8,38mm	8,56mm

Man muss beachten, dass diese Werte üblicherweise bei weit grösserem Ventilspiel als im tatsächlichen Einsatz gemesser werden, üblicherweise bei 1 mm. Jedes Nockenprofil hat eine An- und eine Auslauframpe, die nur dazu dient, langsam das Ventilspiel aufzuheben und alle Teile des Ventiltriebs auf Schluss zu bringen, ehe das tatsächliche Öffnen des Ventils beginnt. Kleine Änderungen des Ventilspiels können den Öffnungszeitpunkt um einige Grad verschieben. Wenn man zwei Nockenwellen vergleicht, immer daraf auchten, dass die Werte beim gleichen Ventilspiel gemessen wurden!

Wenn man die Werte einer Nockenwelle ermittelt, wählt man dafür ein weiteres Prüfspiel, um sicherzustellen, dass man den Öffnungs- und Schliesszeitpunkt des eigentlichen Nockenprofils misst und nicht auf der Rampe. Es ist wichtig, dass verschiedene Nockenwellen jeweils beim selben Prüfspiel gemessen werden, wenn man die Werte vergleichen will! Das Problem unterschiedlicher Prüfspiele wird durch die Messung der Nockenmitte (lobe center) vermieden. Mehr dazu weiter unten.

Öffnungswinkel

Nun, den Bereich (in Grad), während der das Einlass- oder Auslassventil geöffnet ist, nennt man, naheliegenderweise, Öffnungswinkel. Da der Einlass vor dem oberen Totpunkt (OT) öffnet und nach dem unteren Totpunkt (UT) schliesst, ist der Einlass-Öffnungswinkel = Einlass öffnet + 180 + Einlass schliesst. Genauso ist der Auslass-Öffnungswinkel = Auslass öffnet + 180 + Auslass schliesst:

	NW I	NW II	NW III
Einlass-ÖW	215	246	268	Grad
Auslass-ÖW	220	247	283	Grad

Die Nockenwelle I hat den kleinsten Öffnungswinkel. Nockenwelle II hat einen grösseren Öffnungswinkel, und der von Nockenwelle III ist noch grösser (oder länger).Auch haben die Nockenwellen II und III einen höheren Ventilhub als Nockenwelle I. Die Nockenwelle I scheint also recht zahm zu sein, während II und III schärfer ausgelegt sind.

Überschneidung

Am Ende des Auspufftaktes bzw. Beginn des Ansaugtaktes ist für eine gewisse Zeit das Auslassventil noch offen, während sich das Einlassventil bereits öffnet. Dies bezeichnet man als Überschneidung, und berechnet sich als Einlass öffnet + Auslass schliesst:

	NW I	NW II	NW III
Überschneidung	10	38	59	Grad

Immer daran denken, dass Einlassschluss und Auslassöffnung die beiden wichtigsten Werte sind, die den Charakter eines Motors bestimmen.

Im allgemeinen gilt, je grösser (länger) die Überschneidung, desto schärfer die Nockenwelle. Da während der Überschneidung beide Ventile geöffnet sind, gelangt ein gewisser Teil unverbranntes Frischgas direkt in den Auspuff. Damit steigt der Verbrauch und die Abgaswerte verschlechtern sich (vor allem Kohlenwasserstoffe). Da beide Ventile geöffnet sind, ist auch das praktisch erreichte Verdichtungsverhältnis (Kompression) mit grosser Überschneidung niedriger, und oft sogar um einiges niedriger als das bei den Kolbenkits angegebene, theoretische Verdichtungsverhältnis. Mit einer Nockenwelle mit grosser Überschneidung kann man höher verdichtet Kolben oft auch mit normalem Tankstellenbenzin betreiben, da das praktische Kompressionsverhältnis durch die lange Überschneidung geringer ausfällt. Andersherum ist es oft sinnvoll, mit scharfen Nockenwellen ein höheres Verdictungsverhältnis zu verwenden, um nicht unnötig Leistung zu verschenken.

Nockenmitte (Lobe Center)

Die Nockenmitte bezeichnet den Punkt zwischen Anfang und Ende einer Nocke in Grad. Die Nockenmitte errechnet sich aus (Öffnungswinkel / 2) - Überschneidung:

	NW I	NW II	NW III
Einlass NM	97.5	85	75
Auslass NM	100	85.5	82.5

Bitte beachten, dass die Nockenmitte nur ein theoretischer Wert ist, der nicht unbedingt mit dem höchsten Punkt des Nockenprofils übereinstimmt.

Der Nebeneffekt, dass unverbranntes Frischgas in den Auspuff gelangt, verringert sich mit zunehmender Drehzahl, da die absolute Zeit, in der beide Ventile offen stehen, kleiner wird. Mit einer scharfen Nockenwelle kommt der Motor auch erst auf solche höheren Drehzahlen, da die Nockenwelle mit längerem Öffnungswinkel die Atmung des Motors verbessert so dass der Motor auch bei höheren Drehzahlen noch guten Mitteldruck aufbauen kann. Dies geht allerdings auf Kosten des Drehmoments in niedrigeren Drehzahlbereichen, wo die Effekte der langen Überschneidung ihren Tribut fordern. Damit stellt jede Nockenwelle einen Kompromiss zwischen Leistung im oberen, mittleren und unteren Drehzahlbereich dar, und die Auswahl der richtigen Nockenwelle hängt von der Anwendung und der gewünschten Motorcharakteristik ab.

Sehen wir uns, das im Hinterkopf, einmal an, was der Hersteller zu den drei Nockenwellen aus den obigen Beistielen zu sagen hat.

Nockenwelle I ist die Seriennocke der K0-6. (Honda hat dazu keinen Kommentar)

Nockenwelle II ist die 125-05 von Megacycle: "OK mit Serienkolben und -federn. Am besten mit stärkeren Federn. Allgemeiner Leistungszuwachs mit gleichmässiger Kraftentfaltung. Dies war ursprünglich ein Production Racer Profil."

Nockenwelle III ist die 125-25 von Megacycle: "Hochverdichtete Kolben und P.M. oder R/D Federn [zwei Federn, die von Megacycle angeboten werden]. Leistung im mittleren und oberen Drehzahlbereich, trotzdem noch gute Leistung untenherum."

Nockenwelle einstellen

Einstellbare Nockenwellenräder für die 750er gibt es von APE und anderen Herstellern. Und wer nicht sein schwer verdientes Geld dafür ausgeben will, für den führen eine Rundfeile und etwas Ellenbogenschmalz zum selben Ergebnis.

Beim Einstellen der Nockenwelle stellen wir sicher, dass die Nockenwelle tatsächlich auf der Stellung ist, auf der sie sein sollte. Beziehungsweise kann man die Motorcharakteristik durch Verstellen ändern.

So wird die Nockenwelle eingestellt:

Man baut eine Gradscheibe auf die Kurbelwelle. Suche nach dem oberen Totpunkt, Zeiger der Gradscheibe auf Null stellen. Wenn man das ernst meint, und seine Nockenwelle wirklich einstellen will, geht die Suche nach dem OT so: Man montiert eine Messuhr auf den Zylinderblock (ohne Kopf) und dreht die Kurbelwelle, bis der Kolben noch 25mm zum OT hat. Die entsprechende Gradzahl auf der Gradscheibe notieren. Dann dreht man die Kurbelwelle weiter, bis der Kolben sich 25mm nach OT befindet. Auch jetzt die entsprechende Gradzahl aufschreiben. Der echte OT befidnet sich genau zwischen diesen Markierungen. Jetzt kann man das mit den "T" Markierungen auf dem Zündversteller vergleichen. Wenn die Markierungen stimmen, ist alles in Ordnung, wenn nicht, sollte man die Markierungen korrigieren.

Nun den Kopf soweit zusammenbauen, aber den Ventildeckel noch weglassen. Eine Messuhr an einem Einlassventil anbringen und so einstellen, dass sie bei geschlossenem Ventil auf Null steht. Nun die Kurbelwelle drehen, bis das Ventil 1mm offen ist. Den Wert von der Gradscheibe ablesen (ÖFFNET) und notieren. Nun die Kurbelwelle weiter drehen, bis das Ventil bis auf 1mm geschlossen ist. Wieder den Wert von der Gradscheibe ablesen (SCHLIESST) und notieren. Die Nockenmitte (Lobe center) für den Einlass ist damit:

ÖFFNET - SCHLIESST	+90
2

Jetzt dasselbe für das Auslassventil. Die Nockenmitte (Lobe center) für den Auslass ist damit:

SCHLIESST - ÖFFNET	+90
2

Wenn diese Werte von den Herstellerangaben abweichen, sollte man das Nockenwellenrad verstellen, bis die gemessenen Werte mit den Herstellerangaben übereinstimmen. Wenn keine Werte vom Hersteller vorliegen, stellt man die Nockenwelle auf symmetrische Überschneidung, d.h. gleiche Nockenmitte für Einlass und Auslass ein.

Ventilabstand prüfen

Wenn man eine andere Nockenwelle einbaut, sollte man auf jeden Fall den Abstand zwischen Ventil und Kolben prüfen. Eine einfache Methode ist es, etwas Plastilin in die Ventiltaschen eines Kolbens zu geben. Danach baut man den Kopf zusammen (ich lasse dabei die Kopfdichtung weg und ziehe dafür die Kopfschrauben nur leicht an) mit Kipphebeln und stellt das Ventilspiel auf fast Null ein. Dann dreht man den Motor langsam durch. Wenn man ihn ein paar Kurbelwellenumdrehungen durchgedreht hat, nimmt man den Kopf wieder ab und prüft, wie weit das Plastilin in den Ventiltaschen zusammengedrückt worden ist. Es sollte mindestens 1mm Zwischenraum vorhanden sein - durch die fehlende Kopfdichtung ergibt sich später noch etwas mehr Abstand, nur um auf der sicheren Seite zu sein.