Nockenwellen

Bevor von Nockenwellen und Steuerzeiten die Rede ist, vorab lieber noch ein paar vorbereitende Worte.

Einem Kind würde man einen Viertaktmotor so erklähren:

1.Takt, Ansaugen:
Das Einlassventil ist offen und der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT).
Durch die Vergrößerung des Raumes über dem Kolben entsteht ein Unterdruck und das Gemisch wird angesaugt.
2.Takt, Verdichten:
Die Ventile sind geschlossen, der Kolben bewegt sich vom UT zum OT.
Das Gemisch wird verdichtet.
3.Takt, Arbeiten:
Die Ventile sind geschlossen, die Zündkerze entzündet das Gemisch.
Durch das verbrennende Gemisch wird ein großer Überdruck erzeugt, wodurch der Kolben vom OT zum UT gedrückt wird.
4.Takt, Auslassen:
Das Auslassventil ist geöffnet, der Kolben bewegt sich vom UT zum OT.
Dabei drückt der Kolben das verbrannte Gemisch in den Auslass.

Prinzipiell würde das funktionieren. Allerdings bräuchte so ein Motor gute zwei Liter Hubraum, um ein PS zu leisten (bei einer Höchstdrehzahl von vielleicht 500 U/min).

Ich versuche mal eine andere Beschreibung:

Ende 3.Takt:
Der Kolben wird vom verbrannten Gemisch in Richtung UT gedrückt.
Der Kolben gibt Leistung an die Kurbelwelle ab.
4.Takt:
Der Kolben befindet sich kurz vor dem UT, das Auslassventil wird geöffnet.
Durch die Vergrößerung der Raumes über dem Kolben ist der Druck auf den Kolben durch das verbrannte Gemisch gesunken.
Durch den Restdruck wird das Gemisch in Richtung des Auslasskanals bewegt.
Der Kolben überschreitet den UT und unterstützt durch seine Aufwärtsbewegung in Richtung des OT die Strömung der Abgase in Richtung Auslass.
Der Kolben hat im Bereich des OT eine deutlich geringere Geschwindigkeit als die Restgase, die weiter in Richtung Auslass strömen, somit entsteht ein Unterdruck.
Der Kolben hat den OT überschritten und das Auslassventil wird geschlossen.
1.Takt:
Der Kolben ist kurz vor dem OT, das Einlassventil wird geöffnet.
Durch den Unterdruck aus Takt 4 werden Frischgase angesaugt.
Der Kolben bewegt sich Richtung UT, und unterstützt die Bewegung der Frischgase.
Der Kolben ist im Bereich des UT und bewegt sich langsamer im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit der Frischgase (Masseträgheit).
Der Kolben befindet sich nun kurz nach dem UT und bewegt sich entgegen der Strömungsrichtung der Frischgase.
Das Einlassventil wird geschlossen, bevor sich die Strömungsrichtung der Frischgase umkehrt.
2.Takt:
Der Kolben bewegt sich weiter in Richtung des OT und verdichtet das Gemisch.
Beginn 3.Takt:
Der Kolben ist kurz vor dem OT und das Gemisch wird von der Kerze entzündet.
Der Kolben überschreitet den OT, die Flammfront breitet sich aus, es entsteht ein Überdruck, der Kolben gibt Leistung an die Kurbelwelle ab.
 
 

Nicht die Bewegungen vom OT zum UT und zurück bestimmen die Grenzen zwischen den einzelnen Takten, vielmehr überschneiden sich einzelne Takte. 
Diese beginnen mit einem Zündfunken oder werden vom Öffnen oder Schließen der Ventile begrenzt.
 
 

Nun sind wir bei den Steuerzeiten und damit endlich bei den Nockenwellen angelangt:


Im Bild oben kann man die Taktfolge "vier" gefolgt von "eins" sehen, dargestellt mit sogenannten Ventilerhebungskurven von Auslass- und Einlassventil.
Die Länge der Kurven ist dabei im Groben die Angabe, wie lange ein Ventil geöffnet ist, z.B. 245-Kurbelwellen-Grad.
(Warum im "Groben": Die reale Öffnungszeit kann bei gleichen Motoren durchaus variieren. Stichwort unterschiedliches Ventilspiel.

Dann haben verschiedene Hersteller unterschiedliche Methoden, die Öffnungszeit anzugeben: Einige geben eine Ventilöffnungszeit für ihre Nockenwellen mit einem theoretischen Wert von 0,5 mm Ventilspiel an, andere wiederum für 1,5 mm Ventilspiel. Viele, wie auch Triumph für ein Ventilspiel von 1,0 mm

Hört sich zuerst einmal blödsinnig an, macht aber in der Praxis durchaus Sinn:

Nockenwellen haben am Anfang und Ende ihrer Ventilöffnung eine sogenannte "Anlauframpe": einen Bereich, wo das Ventil erst sehr langsam geöffnet wird. 

Hintergrund: Die Nocke hat dadurch die Möglichkeit sich sanft an das Ventil anzulegen. Dadurch wird der Ventiltrieb geschont. Ohne Anlauframpe wäre so eine Nocke wie ein Hammer, der gnadenlos auf das Ventil einprügeln würde. Genau diese Anlauframpen sind mit einer Standard-Messuhr aber sehr schwer exakt zu erfassen (bezogen auf die Kurbelwellendrehung).

Deswegen der "Trick" mit dem theoretischen Ventilspiel: Man ignoriert einfach die Anlauframpen beim Messen, und kommt in einen Bereich, in welchem sich das Ventil viel stärker bewegt, gegenüber der Kurbelwellenbewegung. Ein bestimmter Ventilhub kann exakter auf einen bestimmten Kurbelwellenwinkel gemessen und eingestellt werden.)

Die Ventilüberschneidung ist dabei der Punkt, wo Ein- und Auslassventil die gleiche Öffnungshöhe haben. (Das muß nicht umbedingt der OT sein.)
Die "Lobe Center" sind jeweils die Punkte, an denen die Ventile die größte Öffnung haben und die Spreizung ist der Abstand in Kurbelwellengrad zwischen den Lobe Centern. (Meistens wird die Spreizung auch als "Lobe" angegeben: Halbe Spreizung.)

Ich will jetzt nicht zu tief in die Theorie von Nockenwellen einsteigen, aber so viel noch:
Je später das Einlassventil schließt, desto mehr Leistung hat man in immer höheren Drehzahlen.

Je höher und früher der Ventilüberschneidungspunkt liegt, desto höher ist das Drehmoment im unteren und mittleren Drehzahlbereich.

Längere Ventilöffnungszeiten bringen mehr Spitzenleistung bei höheren Drehzahlen, kürzere mehr Drehmoment in der Mitte sowie unten rum.
(Ich habe jetzt "Leistung" und "Drehmoment" tüchtig durcheinandergewürfelt. Beides hängt aber linear miteinander zusammen:

Leistung ist gleich Drehmoment mal Drehzahl! Wer selbst mit Leistungsdiagrammen rechnen möchte, muß die Angaben wie "Ps" oder "U/min" in Watt und Bogensekunden umrechnen.Dann bekommt man das richtige Drehmoment in "Nm".)

 

O.k., genug der Theorie! Bleiben wir bei den Twins und damit auch gleich in der Praxis:

Trotzdem wieder vorbereitende Worte: (Irgend was ist ja immer!...)

Die Konstrukteure bei Triumph haben uns einen genialen Ventiltrieb in unsere Twinns operiert: Eine extrem kurze Steuerkette, welche auf ein Zwischenrad wirkt und erst von da aus werden die Nockenwellen angetrieben. Das ganze auch noch mit einer doppelten Übersetzung: So sind abwechselnd andere Zähne im Eingriff, was den Verschleiß gleichmäßiger verteilt, und damit drastisch verringert. Leise und deutlich exakter ist er auch noch.
"Lieb" haben die von Triumph uns Leistungshungrige aber nicht:

Die Zahnräder auf den Nockenwellen sind verpresst, und nicht verschraubt: Nix mit mal eben Langlöcher in die Zahnräder fräsen, und damit die Nockenwellen anders einstellen können! :-(

Jammern ist aber langweilig! Zumindest kann man die Nockenwellen recht grob verstellen:
Versetzt man das Zwischenzahnrad gegenüber der Steuerkette und den Nockenwellen z.B. um zwei Zähne, hat man die Steuerzeiten insgesammt um gute 6° verstellt:

Endgültig in der Praxis angekommen: So (hier grün dargestellt) muß es aussehen, wenn man seine eigenen, originalen Nockenwellen behält, der Kopf aber um die 1,4mm "tiefer" sitzt, die aus der Verdichtungserhöhung resultieren:

Der Motor steht hier auf dem OT.
Das Zwischenzahnrad wird gegenüber der Steuerkette um zwei Zähne gegen den Uhrzeigersinn verdreht und die Nockenwellen gegenüber den Markierngen auf dem Zwischenzahnrad um zwei Zähne im Uhrzeigersinn.
Hintergrund: Durch das Planen wandern die Achsmittelpunkte von Kurbelwelle und Zwischenrad näher zusammen. Die Steuerkette behält aber die ursprüngliche Länge.
Um den (jetzt kleineren) Abstand der Bauteile (Kurbelwelle / Zwischenrad) noch sicher umspannen zu können, muß der Steuerkettenspanner weiter ausfahren (Macht der locker mit!).
Dabei verdeht sich aber das Zwischenzahnrad gegenüber der Kurbelwelle. Das muß natürlich ausgeglichen werden!
(Wer sich jetzt fragt, wo die Messuhren bleiben, die ich eingangs erwähnt habe? Naja, ein bischen hat uns Triumph doch "lieb": 

Das Verstellen der Steuerzeiten über mittels "Zähne zählen" ist so grob, da braucht man keine Messuhr mehr. Andererseits fein genug, um spürbare Ergebnisse zu erreichen. Genau der richtige Ventiltrieb, aus dem man was rausholen kann, auch wenn einem nicht die volle Werkstattausrüstung zur Verfügung steht...)

Wer die Verdichtung nicht erhöht (Warum nicht???), stellt die Steuerzeiten auf Werksangabe ein.

Ähm, bis auf ein Modell: die 790ccm Bonni !!!
Mit etwas anderen Steuerzeiten bekommt man bei diesem Twin mehr Drehmoment in der Mitte, ohne an Spitzenleisung zu verlieren:

Wieder befindet sich der Motor im OT.

Das Zwischenzahnrad wird (wie oben) gegen den Uhrzeigersinn (immer von links betrachtet) um fünf Zähne versetzt.

Die Einlassnockenwelle (von der ursprünglichen Markierung auf dem Zwischenzahnrad gezählt) wieder im Uhrzeigersinn um fünf Zähne zurück gedreht.

Die Auslassnockenwelle analog dazu auch im Uhrzeigersinn drehen, aber nur um vier (!!!) Zähne.

Optisch sollte das dann so änlich aussehen wie bei der Verstellung um zwei Zähne. Wenn man aber gedanklich eine Linie durch die Drehachsen von Zwischenzahnrad und Nockenwellen zieht, dann "hängen" die Einstellmarkierungen der Nockenwellen um einen halben Zahn nach unten.

Hintergrund hier: Die Seriensteuerzeiten der Bonny sind eigentlich so ausgerichtet, das der Motor seine Spitzenleistung erst deutlich jenseits des Drehzahlbegrenzers erreichen würde. Schon mit "nur" einem umbedüsten Originalvergaser und den Triumph-Racing-Endtöpfen dreht der Motor bis in den Begrenzer, ohne an Leistung zu verlieren.

 Durch die Umstellerei verschiebt man die Drehmomentkurve mit ihrem Berg deutlich in niedrigere Drehzahlregionen. Ergebnis: Mehr Drehmoment in der Mitte, und der Leistungszenit befindet sich jetzt diesseits des Drehzahlbegrenzers.

Bei den Paralleltwins die Nockenwellenbestückung mal als vergleich:
Gleicher Hubraum vorrausgesetzt, bringen die 790 ccm-Bonni-Nocken (richtig eingestellt) mehr Spitzenleistung bei weniger Drehmoment in der Mitte gegenüber den 865 ccm-Paralleltwin-Nocken. 

(Wer eine 790 ccm-Bonny und z.B. eine Thrux sein Eigen nennt, sollte mal über einen Nockenwellentausch zwischen den Möpis nachdenken: Eine Bonni mit aufrechter Sitzposition ist doch prädestiniert für Drehmoment aus dem Keller. Die Thrux hingegen beansprucht das Prädikat "Sportler" unter den Twins, die eigentlich ja auch mal "gedreht" werden dürfte. Eine Extraportion Leistung wäre da ja nicht zu verachten, oder?)

Wer sich jetzt überlegt, für seinen Paralleltwin 790 ccm-Bonni-Nocken (also 1 x Einlass- und 1 x Auslass-Nocke) zu kaufen, hier gibt es etwas Besseres: Zwei 790ccm-Bonny-Einlass-Nockenwellen!

Damit die Einstellung der Steuerzeiten später einfacher wird, sollte man sich an der Nockenwelle, welche später in den Auslass kommt vorher neue Markierungen setzen (am besten einritzen / fräsen).
Zwei Zähne im Uhrzeigersinn vom Loch für die Arretierstifte gezählt, hier wird die neue Einstellmarkierung gesetzt. (sorry, das ich momentan immer auf das gleiche Bild zurückgreife, ich habe gerade kein anderes...)

Jetzt bei der Einstellerei das gleiche Spiel: Zwischenzahnrad um drei (!!!) Zähne entgegen dem Uhrzeigersinn, die Nockenwellen von den ursprünglichen Markierungen auf dem Zwischenzahnrad gezählt ebenfalls um drei (!!!) Zähne im Uhrzeigersinn versetzen. 
(Wer die Nocken über "Raisch" bezieht, bekommt noch eine genauere Einbauanleitung mit mehr Bildern.)

Theoretisch müßte das Ganze auch analog für die 270°-Twins gelten, mit der 790 ccm-America-Einlass-Nockenwelle.
Angeblich haben die Wellen die gleichen Nocken wie die 790 ccm-Bonni. Ausprobiert habe ich das aber noch nicht und die America-Nockenwellen habe ich auch noch nicht vermessen. 
("Angeblich": In den WHB´s steht, zumindest in den Datenblättern, mehr Unsinn als Wahrheit!)

Ach ja, auch wenn nicht extra gesagt: Alle Verstell-Arien beziehen sich auf Motoren ohne Verdichtungserhöhung. Wer die "1,4 mm" hat, muß immer noch mal zwei Zähne dazu rechnen.

Nockenwellen die ich persönlich "mag":

Zwei 790 ccm-Bonni-Einlass-Nockenwellen für Thrux und alle anderen Paralleltwins, die auch mal "gedreht" werden wollen.
Habe ich bei mir selber in meinem "Frosch"! Und an einer EFI-Thrux kratze ich gerade an der 100 PS-Grenze: Original 865 ccm Hubraum, Drehzahlbegrenzer momentan bei 8500 U/min 
(Auf 8800 U/min werde ich noch gehen :-)   )

(Ventilerhebungskurve der Bonni-E-Nocke zum selber zeichnen.)

Für Bonni die Originalen, egal ob 790 ccm oder 865 ccm. Die Charakteristik stimmt: Ausreichend Drehmoment unten und in der Mitte und die erreichbare Spitzenleistung passt auch. Die Bonni ist halt die "eierlegende Wollmilchsau". Keine Extreme, aber von allem was.

270°-Twins: Die Scrambler-Nocken sind da mein eindeutiger Favorit!
Die Scram ist zwar im Original das leistungsschwächste Modell im Programm, es ist das Modell mit den zahmsten Steuerzeiten. Aaaaber: ein gemachter Twin-Motor mit Scram-Nockenwellen kommt so richtig "aus dem Keller" zur Sache. Spätestens bei 6.000 U/min schaltet man höher. (Was nicht heißt, das der Motor drehunwillig ist, man muß nur eben nicht...) Im Grunde braucht man da nur drei Gänge: den Ersten, den Dritten und den Fünften.

 

Grundsätzlich, wenn man Nockenwellen verbaut, egal ob die Originalen, andere, verstellt oder sonstwas:
Immer die Kerzen rausdrehen und den Motor per Hand durchdrehen. Sollte auch nur das kleinste "Haken" zu spüren sein, stimmt was nicht !!!!

Dann ist ein prinzipieller oder auch nur ein Flüchtigkeitsfehler gemacht worden und wahrscheinlich setzen die Ventile auf dem Kolben auf. Beim Druck auf den Startknopf gäbe dass dann ein Gemetzel.  :-(

(Zu meiner Schande muß ich gestehen, dass mir das auch schon passiert ist: Motor bis zum Zwischenrad komplettiert, schon mal durchgedreht, ob mit Kolben und Zylinder alles i.O. ist. 
Zwischendurch mußte ich dann was anderes machen. Und Murphy hatte mal wieder Recht: Beim Drehen blieb das Zwischenrad genau so stehen, wie wenn der Motor auf dem OT steht. 

(Ist aber immer nur bei jedem zweiten Mal so!)

Irgendwann geh ich wieder an den Motor, baue die Nockenwellen ein, drücke später auf den Startknopf, und es macht nur "klock": Alle Einlassventile krumm! - Momente, wo ich mir wünsche, eine Amöbe zu sein: Die denken (wahrscheinlich) nicht, machen dafür aber auch keine Twins kaputt und müssen sich nicht von der Chefetage verarschen lassen !!!  )

 
 

Hat zwar nicht direkt was mit den Steuerzeiten zu tun, passt aber irgendwie doch hierher: Das Ventilspiel:

Triumph gibt für alle Twins ein Ventilspiel für den Einlass von 0,15 - 0,20 mm und für den Auslass von 0,25-0,30 mm vor.
Ich stell das Ventilspiel immer mit einer Toleranz für den Einlass von 0,125-0,15 mm und für den Aauslass von: 0,225-0,25 mm ein. 

(Die Shims gibt es in dieser feinen Abstufung von Triumph .)

Hintergrund:
Die Anlauframpen sind bei den Nockenwellen ca. 0,3 mm hoch. Wenn der Motor nun seine Betriebstemperatur hat, vergrößert sich das Ventilspiel und zumindest die Auslassventile werden nicht mehr über die Anlauframpe angefahren, Die Nocke wird zu einem "Hammer", der sprichwörtlich auf das Ventil eindrischt (das kann man auch sehr gut hören: ein hohes "Tickern" im Takt der Drehzahl). 

Hört sich erst mal wild an, aber technische Defekte hatte ich deswegen allerdings noch nicht. Der Ventiltrieb ist sehr robust.

Trotzdem: So ein Geräusch tut einem Techniker in der Seele weh! Außerdem gibt es mit den neuen Ventilspielwerten noch mal ein wenig mehr Leistung. 

 

Einige interessante Dinge gibt es noch ausserhalb des Motors zu tun; z.B. die Restriktorplatte...





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