Ventilsteuerungen für Viertaktmotoren

SV, OHV, OHC, DOHC oder was?

Bei Motorradmotoren findet man heutzutage sowohl oben liegende als auch unten liegende Nockenwellen. Aber auch bei letzteren hängen die Ventile über Kopf im Brennraum. Stehende Ventile gibt es nicht einmal mehr bei Harley-Davidson und Indian. Eher bullige Motorräder wie die meisten Guzzis und die guten alten Boxer von BMW setzen noch auf Stößelstangen. Richtig fixe Guffeln mit Reihen-Vier- und Sechszylindern haben heute eine oben liegende Nockenwelle – oder gar deren zwei. Doch wie genau funktionieren diese verschiedenen Ventilsteuerungen für Viertaktmotoren?

Im Artikel über das Zwei- und das Viertakt-Prinzip habe ich ja erwähnt, dass der Gasaustausch hier mit Ventilen gesteuert wird. Allerdings bin ich nicht weiter darauf eingegangen, wie der zugehörige Klapparatismus funktioniert. Das soll hier nun nachgeholt werden.

Wichtig für die Ventilsteuerungen für Viertaktmotoren: Die Nockenwelle

Ventilsteuerungen für Viertaktmotoren verfügen eigentlich immer über einen Nockenwelle. Oder gar deren mehrere. Die Nocken auf so einer Nockenwelle sind in Achsrichtung betrachtet ungefähr eiförmig. Die Spitzen dieser Eier machen jeweils zur gebotenen Zeit ein Ventil auf. Dreht sich die Nockenwelle und damit die Nocke weiter, geht das Ventil wieder zu. Der Fachmann sagt auch, die Nockenwelle bestimmt die Steuerzeiten. Die Steuerzeiten sind nichts anderes als die Zeiten, zu denen die Ventile jeweils auf und zu machen.

Die Nockenwelle läuft immer mit halber Kurbelwellendrehzahl. Stellen wir uns einen Einzylindermotor mit je einem Ein- und Auslassventil vor. Ein Arbeitsspiel eines Viertaktmotors geht ja über zwei Kurbelwellenumdrehungen. Während dieser zwei Umdrehungen muss jede der beiden Nocken ihr Ventil genau einmal auf und zu machen. Und dazu muss sie sich eben genau einmal drehen. Also halb so schnell wie die Kurbelwelle.

Die Nockenwelle, ihr Antrieb und ein bisschen Gequatsche über Zahnräder

Dass das Übersetzungsverhältnis zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle genau eins zu zwei ist, ist ärgerlich für Ingenieure: Normalerweise vermeidet man nämlich Zähnezahlen, die einen gemeinsamen Teiler haben oder gar ein ganzzahliges Verhältnis wie eins zu zwei. In solchen Fällen treffen sich nämlich in kurzen Abständen immer wieder die gleichen Zähne. Und die Zahnpaare, die ausgerechnet immer bei Lastspitzen zusammentreffen, verschleißen dann schneller als die anderen. Anders als bei einem menschlichen Gebiss kann man bei Zahnrädern kaputte Zähne nicht einzeln ersetzen. Kronen und Brücken für Zahnradzähne sind noch nicht erfunden. Man muss dann also zwei Zahnräder wegschmeißen, bei denen die meisten Zähne noch pfenniggut sind. Nur weil ein paar davon zerurberte Zahnflanken haben.

Deswegen heißt eine wichtige Regel im Maschinenbau: Lasse niemals, nie und nimmer nicht zwei Zahnräder mit Zähnezahlen, die nicht teilerfremd sind, miteinander kämmen. Das kommt gleich nach dem Häuser anzünden. Wenn es nur um das Wandeln von Drehzahlen und Drehmomenten geht, darf man vom rechnerischen Übersetzungsverhältnis in aller Regel ein wenig abweichen. Man braucht zum Beispiel ein Verhältnis von eins zu drei. Dann wären rechnerisch 20 und 60 Zähne o. k. Aber: 60 ist nicht nur nicht teilerfremd zu 20, sondern auch noch ein ganzzahliges Vielfaches davon. Daher nimmt man dann zum Beispiel 21 und 62 Zähne. Das Übersetzungsverhältnis von 2,95 zu 1 ist in solchen Fällen meist o. k.

Ein Trick mit teilerfremden Zähnezahlen

Nimm also nie glatte Verhältnisse von Zähnezahlen. Es sei denn, es geht nicht anders, weil du ein genaues, ganzzahliges Übersetzungsverhältnis brauchst. So wie bei einem Nockenwellenantrieb. Zu allem Überfluss gibt es bei so einem Nockenwellenantrieb pro Nocke und Umdrehung eine wunderschöne Lastspitze: Dann nämlich, wenn die jeweilige Nocke ihr Ventil aufmachen muss. Leider geht das aber nicht anders.

Oder doch? Es gibt einen Trick, mit dem man doch teilerfremde Zähnezahlen bekommt: Allerdings kostet das Geld. Man braucht dazu nämlich ein Extra-Zahnrad. Ein Zwischenrad, so dass man eine Zahnradkaskade aus drei Zahnrädern bekommt. Bei einer Zahnradkaskade bestimmen einzig und allein das erste und das letzte Zahnrad das Übersetzungsverhältnis. Egal, wieviele Zahnräder mit welchen Zähnezahlen dazwischen sind.

Man nimmt also für das Zwischenrad einfach eine Zähnezahl, die zu beiden anderen Zähnezahlen teilerfremd ist. Wenn man nicht groß rumrechnen will, nimmt man eine Primzahl. Die ist garantiert zu sämtlichen unendlich vielen anderen Zahlen teilerfremd. Also auch den Zähnezahlen unserer beiden anderen Zahnräder.

Dass das zusätzliche Zahnrad natürlich Geld kostet, spielt keine Rolle, wenn man es eh‘ braucht, weil der Abstand von Kurbelwelle und Nockenwelle so groß ist, dass zwei Zahnräder zu breit bauen würden. Das kommt öfter vor, vor allem, bei obenliegenden Nockenwellen.

Nockenwellenantriebe bei Ventilsteuerungen für Viertaktmotoren

Wenn man sich das so recht überlegt, spricht doch dieses und jenes für einen Nockenwellenantrieb mit einer Kette. Zum einen verteilt sich die Last bei so einem Antrieb immer auf mehrere Zähne und der Verschleiß ist gleichmäßiger. Zum anderen sind Kettenräder und eine Kette billiger als Zahnräder, weil sie nicht so genau sein müssen wie letztere. Bei einer oben liegende Nockenwelle hat man einen verhältnismäßig großen Wellenabstand. Dafür sind Zugmitteltriebe die richtige Medizin. Also ein Kettentrieb oder, wie heute vielfach schon, ein Zahnriementrieb. Beides sind Zugmitteltriebe aber im Gegensatz zum normalen Riementrieb formschlüssig. Und deswegen schlupfffrei.

Bei einer unten liegende Nockenwelle bietet sich ein Zahnradantrieb an. Zum Beispiel wenn die Nockenwelle zwischen den Zylinderbänken eines V-Motors liegt. Bei oben liegende Nockenwellen findet man manchmal auch eine so genannte Königswelle. Das ist eine senkrecht stehende Welle, die zwei waagerechte Wellen mithilfe von Kegelradpaaren verbindet. Vielleicht heißt sowas auch deswegen Königswelle, weil es die Königsklasse ist. Vor allem auch im Preis.

Problem Zahnriemen

Ein Zahnriementrieb hat den Nachteil, dass er beim Kaputtgehen nicht erst meckert, sondern gleich ernst macht. Ein Kettentrieb klapperapappert, wenn er altersschwach wird, lange bevor die Kette reißt. Der gezahnte Riemen fatzt ohne Vorwarnung. Er wird daher auf Verdacht alle soundsoviel Kilometer ausgewechselt. Wenn er nämlich reißt, war’s das oft für den Motor: Bei modernen Motoren ragen die Ventile, wenn sie offen sind, nämlich dahin, wo der Kolben ist, wenn er im oberen Totpunkt steht. Und je mehr Zylinder der Motor hat, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass mindestens ein Ventil offen steht, wenn die Nockenwelle stehen bleibt.

Für Steinzeitmotoren: SV – Stehenden Ventile

Die einfachste Art mit Ventilen zu steuern, ist die mit stehenden Ventilen. Das Kürzel dafür heißt „SV“ wie standing valves – stehende Ventile. Man nennt so etwas auch Seitensteuerung. Weil die Ventile seitlich vom Zylinder stehen. Eine solche Ventilsteuerung ist hier abgebildet. Wie der Name sagt stehen die Ventile senkrecht mit dem „Kopf“ nach oben.

Das ist die einfachste Art aus der Familie der Ventilsteuerungen für Viertaktmotoren. Bei BMW baute man so etwas vor 100 Jahren. Aber bereits Ende der zwanziger Jahre des vorigen Jahrhunderts machten die Bayern modernere Motoren mit OHV-Steuerung. Dazu aber gleich mehr.

In der Abbildung ist nur ein Ventil dargestellt, das andere liegt dahinter. Es geht aber noch einfacher: Im Grunde braucht man nur das Auslassventil mechanisch zu betätigen. Das Einlassventil kann man notfalls als Schüffelventil ausführen. Ein Schüffelventil ist eigentlich nichts anderes als ein Rückschlagventil: Es lässt nur in eine Richtung durch. Wenn so ein Ventil dazu dient, etwas irgendwo hinein zu lassen, das angesaugt werden soll, heißt es halt Schüffelventil. Oder atmosphärisch gesteuertes Ventil. Ein Schüffelventil als Einlassventil gab es z.B. bei Harley-Davidsons erstem Zweizylinder-V-Motor von 1909.

Flathead und Indian

Der Flathead-Motor von Harley-Davidson ist ein seitengesteuerter Motor, also einer mit stehenden Ventilen. Dieser Motor kam 1929 heraus. Er wurde sehr lange gebaut. In Motorrädern kam er bis 1952 zum Einsatz, dreiräderigen Servi Car sogar bis 1973.

BMW baute seitengesteuerte Motoren bis 1941. Die V-Motoren von Indian waren bis zum bitteren Ende 1953 seitengesteuert. Wundert man sich da noch, dass die Pleite gemacht haben?

Stehende Ventile sind konstruktiv einfach. Es gibt zudem außer den Ventilen selbst so gut wie keine hin- und her gehende Massen. Dafür ist es aber unmöglich, mit einer solchen Seitensteuerung einen vernünftigen Brennraum und einen ordentlichen Gaswechsel hinzukriegen.

Ventilsteuerungen für Viertaktmotoren mit hängenden Ventilen: OHV

Einen brauchbar geformten Brennraum kriegt man eigentlich nur mit hängenden Ventilen hin. Sehr oft werden kugelige Brennräume verwendet. Aber auch andere Formen wie Keile oder längliche Mulden gibt es. In der Abbildung hier sieht man einen solchen Motor mit hängenden Ventilen. Auf Englisch heißen die hängenden Ventile Overhead Valves und die gängige Abkürzung ist OHV.

Die Betätigung von hängenden Ventilen gestaltet sich natürlich deutlich schwerer als die von stehenden. Wie das in etwa gemacht werden kann, ist in der Abbildung zu sehen: die Nocken der Nockenwelle betätigen die Ventilstößel. Diese Bewegung wird dann mit den Kipphebeln auf die Ventile übertragen.

Wie gesagt sind mit hängenden Ventilen vernünftige Brennräume möglich. Dafür gibt es aber deutlich mehr hin- und her gehende Massen als bei den stehenden Ventilen. Natürlich sind diese Ventilsteuerungen für Viertaktmotoren auch mechanisch aufwendiger. Der erste Harley-Davidson-Motor mit OHV-Steuerung war das Knucklehead-Aggregat von 1936. Allerdings galt dieser Motor als anfällig und selbst bei Harleys und Davidsons zuhause traute man ihm nicht über den Weg: An das Militär lieferte man den ganzen Zweiten Weltkrieg hindurch Motorrädern mit dem Flathead-Motor. Damit es keine Reklamationen geben sollte.

Dieser Motor überlebte sogar die Knucklehead-Maschine und damit seinen eigentlichen Nachfolger. Harley-Bikes mit Flathead wurden sogar noch in den ersten Jahren der Panhead-Ära parallel zu diesen gebaut.

Die Nockenwelle wandert nach oben: OHC – Overhead Camshaft

Im unten stehenden Bild ist ein Motor mit obenliegender Nockenwelle zu sehen. Man muss sich jetzt zwar Gedanken darüber machen, wie man die Drehbewegung der Kurbelwelle bis hinauf in den Zylinderkopf übertragen bekommt. Dafür spart man durch Wegfall der Ventilstößel oszillierende Massen ein.

Über die Möglichkeiten, die Nockenwelle anzutreiben, haben wir bereits gesprochen. Meist sieht man hier Ketten- oder Zahnriementriebe. Die oben liegende Nockenwelle mit einem solchen Zugmitteltrieb ist eigentlich so etwas wie Standard bei Reihenmotoren. Selbstverständlich findet man sie auch in den japanischen Vierzylinder-Reihenmotoren, mit denen die Jungs von den Inseln im fernen Pazifik in den sechziger Jahren begannen, den europäischen Motorradmarkt aufzumischen. Und seit einiger Zeit scheint es sich sogar bis nach Milwaukee herumgesprochen zu haben, dass man Nockenwellen auch über dem Zylinder einbauen kann.

So neu ist die oben liegende Nockenwelle aber gar nicht. Der französische Autohersteller Clément-Bayard baute so etwas schon 1908 in seinen Rennmotor ein. Im Artikel über den Dieselmotor gibt es auch eine Abbildung eines stationären Diesels, der eine oben liegende Nockenwelle und Kipphebel besitzt.

Ventilsteuerungen für Viertaktmotoren mit doppelter oben liegender Nockenwelle – DOHC

Der Gedanke, jeweils eine eigene Nockenwelle für die ein- und Auslassventile einer Zylinderbank vorzusehen, ist ebenfalls schon recht alt. Das gab es nämlich bei Peugeot schon 1912 in einem Rennmotor.

Ein wesentlicher Vorteil der doppelten oben liegende Nockenwelle: Man spart die Kipphebel. Die beiden Nockenwellen liegen jeweils über den Ein- und Auslassventilen. Dadurch können die Nocken direkt auf die Ventilen, um diese zu öffnen. Auch diese Bauweise ist hier in der Abbildung zu sehen.

In serienmäßigen Motorrädern taucht die doppelte oben liegende Nockenwelle in den sechziger Jahren auf. Honda baute sie in seine CB 450 von 1965 ein. Der nächste serienmäßige Motorradmotor mit DOHC kam aus Italien, von MV Agusta. Kawasaki zog mit der Z1 1972 nach. Heute ist diese Art der Steuerung mehr oder weniger Standard bei Motorrädern.

Scharfe Nockenwellen

Die Steuerzeiten, also der zeitliche Ablauf beim Öffnen und Schließen der Ventile, spielen eine große Rolle bei der Leistung und der Art der Kraftentfaltung bei einem Viertaktmotoren. Daher ist die Nockenwelle ein beliebter Ansatzpunkt für das Tuning. Von „scharfen Nocken“ von Yoshimura war in den siebziger Jahren schon gerne die Rede. Auch heute noch ist Yoshimura in dieser Hinsicht eine, wenn nicht gar die erste Adresse. Allerdings sind solche Teile nicht billig.

Theoretisch kann man natürlich eine vorhandene serienmäßige Nockenwelle auch umschleifen. Da muss man aber natürlich die Frage stellen, wozu das gut sein soll? Das Problem dabei ist, dass man ja für die selbst umgeschliffene Nockenwelle erst mal kein Teilegutachten hat. Das macht Probleme beim Eintragen. Darauf zu verzichten ist nicht ratsam: Es erlischt nämlich die Betriebserlaubnis und damit ist der Versicherungsschutz weg. Ganz abgesehen von der Strafe, wenn man – mit oder ohne Unfall – erwischt wird.

Teile von der Stange

Man fragt sich aber auch, warum man das Rad neu erfinden bzw. erfinden lassen soll? Schließlich gibt es scharfe Nocken von der Stange zu kaufen. Die passen dann zum jeweiligen Motorrad und man bekommt sie problemlos eingetragen, wenn es ein Teilegutachten dazu gibt. Für Nockenwellen ohne ein solches – zum Beispiel für Rennzwecke – gilt das gleiche wie für individuell umgeschliffene Teile.

Eine scharfe Nockenwelle ist vom Prinzip her jedoch keine schlechte Idee: die berühmte große Tuningfeile wird hier nur metaphorisch angesetzt. Tatsächlich ist da keinerlei spanende Bearbeitung von Motorenteilen erforderlich. Der Einbau eines solchen Teils ist daher etwas, das sich jeder versierte Schrauber zutrauen kann, wenn er grundsätzlich in der Lage ist, eine Nockenwelle auszuwechseln. Und natürlich auch die anderen Veränderungen durchzuführen, die gegebenenfalls notwendig werden, damit der Austausch Sinn macht.

Hier dürften auch ältere Motorräder die einfacheren Objekte sein, sofern es noch zulässige scharfe Nockenwellen dafür zu kaufen gibt. Guffeln leben bekanntlich lange und es sind noch genug unterwegs, die noch nicht mit Computer in das Digital fahren.