Technik im Gespräch (8) – Ventiltrieb

Erstellt am 9. November 2020
, Leselänge 11min
Text:
Gerhard Schütz
Fotos:
Daniel Reinhard 
1
Archiv Gerhard Schütz 
17
Bruno von Rotz 
1
Archiv 
7

Sozusagen eine Königsdisziplin beim Motorenbau ist die Ventilsteuerung. Über die Jahrzehnte führten viele Wege zum Ziel, nicht alle Lösungsvarianten haben überlebt. So verschwand etwa die Königswelle wieder weitgehend (Ausnahmen bestätigen die Regel). Bei den Kumpeln Exbert und Albert führte die Erinnerung daran aber zu einem interessanten Gespräch über Ventiltriebe  …

Albert: Dieser Robert hat mich wieder mal zur Weissglut getrieben. Behauptet der doch, es gäbe einen Königswellenantrieb! «Königswellenantrieb» – Kaiserschmarren so was! Es gibt den Kardanwellenantrieb oder früher noch den Kettenantrieb und Schluss. Dieser Typ ist so was von Besserwisser! Ich könnte ihn...

Exbert: Wenn ich auch mal was sagen dürfte...

A: Ich bin kurz vor dem Zerplatzen!

E: Und so darf ich mal wieder dein Wastegate spielen.

A: Ich bin dein Watergate?!

E: Manchmal schon beinahe. Aber ernsthaft – dein Wastegate.

A: «Weistgeit»?

E: Überdruckventil.

A: Ah.

E: Hör mal, weshalb verkehrst du überhaupt noch mit diesem Robert?

A: Er ist halt jetzt mein Chef.

E: Oh, das ist natürlich fatal.

A: Also, was ist jetzt mit Königswellenantrieb?

E: Nun, da muss ich etwas ausholen.

A: Aber bitte nicht so weit, dass ich dich nicht mehr einholen kann.

E: Also: Du brauchst mich ja gerade wieder einmal als Überdruckventil. Und da haben wir das Stichwort: Ventil. Die Königswelle diente zum Antrieb von obenliegenden Nockenwellen und diese wiederum bekanntlich  zur Öffnung und Schliessung  der Ventile.


Blick auf die Königswelle der Ducati 900 SS von 1981 - Versteigerung der Oldtimer Galerie im Dolder Grand Hotel 2017
Copyright / Fotograf: Bruno von Rotz

A: Und was ist denn das Königliche an dieser Welle?

E: Das sind die verwendeten Kegelzahnräder, die ein wenig an eine Krone erinnern, weshalb sie auch Kronenzahnräder heissen. Die Königswelle steht senkrecht, wird unten von der Kurbelwelle über ein  Kegelrad-Paar angetrieben und treibt oben am Zylinder-kopf über einen zweiten Kegelradsatz die Nockenwelle an.


Bugatti 37 (1925) - Motor des Bugatti 37 mit vier Zylindern und über Königswellen angetriebene Nockenwelle
Zwischengas Archiv

A: Verstehe. Kegelrad-Winkelgetriebe habe ich früher mit meinem Meccano-Kasten gebaut. Haben mich immer fasziniert. Aber die modernen Motoren haben Zahnriemen oder Ketten als Nockenwellenantrieb.

E: Genau, oder Zahnräder.


Zahnradantrieb für die Nockenwellen Ferrari F1 3 Liter, 2000, 268 PS pro Liter, 18'000 U/min
Copyright / Fotograf: Archiv Gerhard Schütz

Kettenantrieb für die Nockenwelle beim Ford 427 SOHC von 1966 - 611 PS
Copyright / Fotograf: Archiv Gerhard Schütz

Kettenantrieb für die Nockenwelle beim Porsche 911 mit Kipphebeln
Copyright / Fotograf: Archiv Gerhard Schütz

E: Die Vorteile der Königswelle waren: Leicht und kompakt, drehzahlfest und wartungsarm. Lange war sie nicht ganz zufällig im Motorradbau beliebt, z.B. bei Ducati oder Honda.

A: Wie bei allem wird es aber auch Nachteile geben.

E: Selbstverständlich. Der Antrieb ist laut und relativ teuer. Die Kosten für den Ventilantrieb waren in der Geschichte des Motorenbaus für das Alltagsauto immer ein wichtiger Faktor. Deshalb wurde ab 1962 bei obenliegenden Nockenwellen der Zahnrad- oder Kettenantrieb zunehmend durch einen günstigeren Zahnriemen abgelöst (in Europa mit dem Glas 1004 erstmals). Dieser brauchte keine Schmierung, musste dann aber dafür irgendwann mal ersetzt werden.


Glas S 1004 (1963) - Durchsichtszeichnung - der Vierzylinder mit obenliegender durch einen Zahnriemen angetriebener Nockenwelle
Archiv Automobil Revue

A: Die Kosten für die kürzere Lebensdauer wurden sodann vom Käufer getragen.

E: Du sagst es. Vor allem in den Anfängen dieser Technik kam es oft vorzeitig zu Zahnriemen-Rissen und entsprechenden Folgeschäden bei den Ventilen.

A: Ventilsalat.

E: Um den zu vermeiden, mussten strikte Wartungsintervalle eingehalten werden. Der Riemenersatz konnte dann aber bei gewissen Motoren, etwa bei Ferrari, sehr teuer werden, musste man doch im Extremfall den Motor dafür sogar ausbauen. Wenn die Riemen aber richtig dimensioniert sind, können sie sehr zuverlässig sein.

A: Das ganze Antriebsproblem kommt doch eigentlich daher, dass die obenliegende Nockenwelle so weit von der Kurbelwelle entfernt ist. Warum tut man sich das denn an?


Sechs obenliegende Nockenwellen beim BMW F1 1990 - V12 3,5 Liter, 5 Ventile pro Zylinder
Copyright / Fotograf: Archiv Gerhard Schütz

E: Das ist auf Anhieb schlecht nachzuvollziehen. Aber wenn du die Nockenwelle  seitlich montierst, nahe an der Kurbelwelle, hast du ein anderes Problem: Von den Nocken zu den Ventilen brauchst du dann lange Ventilstossstangen, um oben die Kipphebel zu erreichen, welche auf die Ventilschäfte drücken, und das funktioniert bei höheren Drehzahlen wie in Rennmotoren nicht mehr. Das Übertragungssystem mit den Stossstangen ist zu träge im Vergleich mit einer Welle, deren Nocken direkt von oben auf die Ventile wirken.

A: Ach so, deshalb heissen diese Motoren Stosstangenmotoren. Ich fragte mich immer, was wohl Stossstangen im Motor zu suchen haben.

E: Deutsch kann manchmal recht verwirrlich sein.

A: Und wie!


Ventilantrieb über Stossstangen beim Citroën 11 D von 1954
Copyright / Fotograf: Archiv Gerhard Schütz

Stosstangenantrieb beim Panhard 2-Zylinder Boxer
Copyright / Fotograf: Archiv Gerhard Schütz

A: Weißt du, was mich gerade ganz nostalergisch macht?

E: Meinst du jetzt nostalgisch oder allergisch?

A: Beides. Nostalgisch und allergisch: Das hochgejubelte Elektroauto wird uns ja nun nach und nach von all diesen Ventil- Sorgen erlösen.

E: Ja, da wird eine über mehr als 100 Jahre entwickelte, faszinierende Technik obsolet werden.

A: Ob – obsolet? Ist das ein anderes Wort für schrottreif?

E: So ähnlich.

A: Ja, dann sag’s doch gleich so.

E:  Obsolet tut etwas weniger weh. Die Ventile und ihr Antrieb sowie die Gestaltung des Brennraums standen immer im Zentrum der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, denn vor allem hier können Leistung, Fahrbarkeit und Abgasverhalten beeinflusst werden. Gewiss: Kurbelwellen, Zylinder, Kolben, Vergaser, Einspritzungen waren auch wichtige Elemente, aber was im Zylinderkopf läuft, das war schon eine Königsdisziplin des Motorenbaus. Brennraumgestaltung, Anzahl der Ventile (bis 5) und der Zündkerzen sowie ihre Lage, Antriebskonzepte –  eine tolle Spielwiese für Motoreningenieure.

A: Hmm – Königsdisziplin mit Königwellen. Und wie hat das alles mal begonnen?

E: In den Anfängen hatte man oft stehende Ventile, der Schaft schaute also nach unten und war so für eine kurbelwellennahe Nockenwelle einfacher zu erreichen als hängende Ventile. Manchmal wurde zur weiteren Vereinfachung nur das Auslassventil gesteuert. Das Ansaugventil dagegen war ein sogenanntes Schnüffelventil, bei dem der Ansaugvorgang das Ventil gegen einen Federdruck öffnete, was natürlich nicht gerade leistungsfördernd wirkte.


Schnüffelventil - auch "selbsttätiges" Ventil genannt
Zwischengas Archiv

A: A propos Schnüffelventil – weisst du, was mein Schnüffelventil gerade wahrgenommen hat?

E: Nein. Was denn?

A: Kaffee, italienischen. Einen Capuccino, bitte!

E: Und wenn der dich wieder aufputscht?

A: Ach was. Der einzige, der mich aufputscht, ist Robert.

E. Dann ist ja gut.

A: Aber beim Schnüffelventil ist es dann nicht geblieben...

E: Natürlich nicht. Im Lauf der Jahre, aber relativ früh, hat sich in Sachen Ventiltrieb und Zylinderkopfgestaltung nach und nach so eine Art  Königsweg ergeben, ein Konzept, das einfach leistungsmässig und technisch das beste war. In den 1910er Jahren entstanden nämlich die sogenannten Henry-Reihenachtzylinder-Grand-Prix-Motoren bei Peugeot, Ballot und Sunbeam. Sie waren die ersten Motoren mit zwei obenliegenden Nockenwellen, angetrieben über Königswellen und später über Zahnräder, sowie mit 4 Ventilen, V-förmig angeordnet in halbkugelförmigen Brennräumen.


Henry-Peugeot von 1913, 3 Liter Hubraum, 90 PS, 3000 U/min
Copyright / Fotograf: Archiv Gerhard Schütz

Und dieses Layout blieb mit zahlreichen Weiterentwicklungen erfolgreich bis in die Gegenwart hinein, besonders bei leistungsfähigen Renn- und Alltagsmotoren.


Bugatti Reihenachtzylinder für die Typen 51 und 55, nach System Henry/ Miller
Copyright / Fotograf: Archiv Gerhard Schütz

A: Und wer war denn dieser geheimnisvolle Henry?

E: Ernest Henry war ein Schweizer aus Genf. Zeitzeugen und Autohistoriker sind sich allerdings nicht einig, ob er nur der Zeichner in einer Gruppe von drei Rennfahrern und Technikern war, oder ob er der eigentliche Erfinder dieser Konstruktion war. Die Peugeot fuhren unter anderem drei Indy-Siege ein. Das Motorkonzept wurde dann in den Zwanzigerjahren von Harry Miller, von Bugatti und als Vierzylinder von Offenhauser in Indianapolis bis in die Siebzigerjahre weiterverwendet.  Auch die andern modernen Rennmotoren folgten diesem Prinzip, aber auch Motoren sportlicher Alltagswagen, denken wir etwa an die schönen Alfa- und Fiat-OHC-Motoren der Sechziger- und Siebzigerjahre.


Alfa Romeo Giulia Super (1965) - der Vierzylinder mit zwei obenliegenden Nockenwellen, Durchsichtszeichnung
Archiv Automobil Revue

A: OHC? Ober-heisse Caracho-Motoren?

E: Albert, sei nicht albern! – Nein, gemeint sind Overhead-Camshaft-Motoren, also wörtlich «Oben im (Zylinder-) Kopf-Nockenwellen-Motoren». Bei zwei (obenliegenden) Nockenwellen spricht man auch von Twin-Cam- Motoren. Es gibt aber auch solche mit vier Nockenwellen, also zwei pro Zylinderreihe bei V-Motoren, wobei dann je eine Nockenwelle für die Ansaug- und die andere für die Auspuffventile zuständig ist. Beispiele sind etwa die Ferrari- und Lamborghini-Zwölfzylinder oder die klassischen Maserati Achtzylinder. Die Version mit vier Nockenwellen erhöhte beim Ferrari 275 GTB/4 die Leistung um 15% von 260 auf 300 PS.

A: In unserem letzten Gespräch über Schnapsideen in der Autotechnik hast du kurz Alternativen zu den Ventilen und ihrem Antrieb erwähnt.

E: Dazu gehören die Schiebermotoren, am bekanntesten die 1910 patentierte Version von Knight. Hier wird der Gaswechsel über zwei konzentrisch zur Zylinderachse liegende Schieberbuchsen von 3 mm Dicke gesteuert, die sich während des Motorbetriebes mit einem Hub von etwa 25 mm auf und ab bewegen. Der Kolben läuft in der inneren Schieberbuchse. Angetrieben werden die Buchsen von einer im Kurbelwellengehäuse liegenden, mit halber Drehzahl laufenden Exzenterwelle über kurze Pleuelstangen. Bei der Bewegung der Schieberbuchsen werden abwechselnd die Ein- und Auslassschlitze freigegeben, die einander gegenüber am oberen Ende des Zylinders liegen.


Knight Schiebermotor
Copyright / Fotograf: Archiv Gerhard Schütz

A: Und das war letztlich eine Schnapsidee?

E: Jein. In der Frühzeit der Motorentechnik waren solche Schiebermotoren oft zuverlässiger als ventilgesteuerte Motoren, bei denen immer wieder Ventile zwischen Schaft und Teller brachen und meist den ganzen Motor zerstörten, und wurden für ihre außergewöhnliche Laufruhe sowie ihre gute Leistungsentfaltung im unteren Drehzahl-bereich geschätzt. Darin waren sie gleich großen ventilgesteuerten Motoren überlegen. Sie waren aber für hohe Drehzahlen nicht geeignet und somit in der Leistung begrenzt. Dazu waren Abdichtung und Ölverbrauch Problemzonen. So gesehen waren sie zu ihrer Zeit nicht einfach nur eine Schnapsidee, aber eine in der Herstellung teure Lösung,  die bald an ihre Grenzen stiess und dann von den weiterentwickelten Ventilmotoren überholt wurden.

A: So genau wollte ich es nun auch wieder nicht wissen. Mir brummt der Kopf. Meine grauen Zellen laufen rot an, ich …

E: Du brauchst doch deswegen nicht gleich zu hyperventilieren!

A: Was ist das nun wieder?

E: Eben, das was du gerade tust. Also, machen wir’s kurz:  Recht weit brachte es auch die Technik mit Drehschiebern, oft in Flugzeug- und Motorradmotoren. Und bei Zweitaktmotoren wirkt der Kolben zugleich als Steuerschieber, was viele Bauteile spart.


Kegel-Drehschiebermotor von Aspin aus den Vierzigerjahren
Zwischengas Archiv

A: Steuerschieber – das klingt schon beinahe nach Politik.

E: Du hast ja noch den Zahnriemen erwähnt. Der wurde …

A: Hör zu! Wollen wir nicht erst mal etwas für zwischen die Zähne bestellen?

E: Albert, reiss dich jetzt noch einen Moment am Riemen und beiss die Zähne zusammen!

A: Dann halt. Ich höre ...

E: Der Zahnriemen wurde erstmals vom Amerikaner Bill Devin eingesetzt, als er einem Panhard Dyna-Z-Motor den Zylinderkopf einer Norton Manx aufsetzte und die zwei obenliegenden Nockenwellen durch einen Zahnriemen antrieb. Im Normalauto kam er wie schon gesagt erstmals 1962 bei Glas im 1004 zum Einsatz. Danach verbreitete sich die neue Technik schnell, war sie doch kostengünstig, unter anderem auch, weil der Riemen nicht geschmiert werden musste (wegen des Materials auch nicht durfte). Dennoch haben sich bis heute auch der Ketten- und der Zahnradantrieb gehalten. Es gibt eben in der Technik selten nur die eine neue Patentlösung für ein Problem.

A: Ein schöner, philosophischer Schlusssatz!

E: Moment, Moment! Ich bin noch nicht ganz fertig. Zu unserem Thema gehört zwingend noch der desmodromische Ventiltrieb!

A: Demodromisch?

E: Desmo, nicht demo.


Beim Mercedes W154 F1 wurden die Ventile für das Öffnen und Schliessen über Nocken gesteuert
Copyright / Fotograf: Archiv Gerhard Schütz

E: Folgendes: Bei sehr hohen Drehzahlen kommen die Ventilfedern bei ihrer passiven Rückholaktion an ihre Grenzen, weshalb mit der sogenannten desmodromischen Tech-nik nicht nur das Öffnen der Ventile, sondern auch das Schliessen aktiv über Nocken erfolgt. Diese Technik ist dort verbreitet, wo mehr Leistung über hohe Drehzahlen generiert werden soll, also in Motorrädern (z.B. Ducati) oder Rennmotoren (z.B. Mercedes W196 1954).

A: Zwangsbeatmung sozusagen.


Desmodromische Ventilsteuerung bei Ducati-Motorradmotoren
Zwischengas Archiv

E: Zwangsbeatmung – ja. Hmm – hat mit dem Virus gerade eine etwas unheimliche Aktualität …

A: Allerdings. Aber schauen wir uns doch jetzt mal die aktuelle Menukarte an und atmen dann zwanglos und genüsslich den Duft einer deftigen Holzofenpizza ein!

Bilder zu diesem Artikel

Quelle:
von pe******
09.11.2020 (14:11)
Antworten
Sehr geehrter Herr Schütz,
Sie schreiben, dass die Königswelle "verschwand". Bitte werfen Sie einen Blick auf das Motorradangebot von Kawasaki und dort auf die Baureihe W800. Was auf der in Fahrtrichtung rechten Seite des Motors senkrecht steht, ist eine Königswelle, übrigens auch beim Modelljahrgang 2020. Mehr aktuelle Anwendungsfälle habe ich auch nicht parat, doch freue ich mich stets riesig, wenn ich eine W800 sehe.
Antwort vom Zwischengas Team (Chefredaktor)
09.11.2020 (14:41)
danke für den Hinweis. Guter Punkt! Wir haben das Intro, das nicht von Herrn Schütz stammt (;-) angepasst!
von hinti.org
09.11.2020 (17:24)
Antworten
Erwähnenswert ist ausserdem die durch Albert Roder erfundene Ultramax-Steuerung, wie sie in Motorrädern von NSU Verwendung fand! Absolut geniale, spielfreie Konstruktion, die das Ventilspiel unabhängig von der thermischen Materialausdehnung des Zylinders stets konstant hält!
von vp******
09.11.2020 (21:23)
Antworten
Super Artikel, und wunderschöne Bilder! Danke!
von sv******
10.11.2020 (08:35)
Antworten
Klasse Artikel, danke
von Jo******
10.11.2020 (08:36)
Antworten
Noch eine Variante, wie obenliegende Nockenwellen angetrieben werden können, "erfand" Walter O. Bentley für seinen grandiosen 8 Liter Motor von 1930. Er verlängerte die Kurbelwelle und die Nockenwelle vorne am Motor und versah diese mit je drei Kurbelzapfen, die über Pleuel die Nockenwelle antrieben, ganz wie die Pleuel die Kraft der Kolben auf die Kurbelwelle übertragen.
Ich kenne keinen anderen Motor, der dieses aufwändige Prinzip erfolgreich angewendet hat. Vielleicht können Sie auch noch eine Zeichnung zur Veranschaulichung dieses Ventilantriebs nachliefern.
JoT
Antwort von sr******
10.11.2020 (09:44)
das nennt man Schubstangenantrieb (analog den Lokomotiven) und wurde bei NSU-Motorradmotoren angewendet. Auch die 2-Zylinder Prinzmotoren hatten Stangenantrieb mit zwei Schubstangen (Pleuel).
Antwort vom Zwischengas Team (Chefredaktor)
10.11.2020 (19:36)
Der Autor konnte dazu zwei Bilder auftreiben, die jetzt der Galerie angehängt wurden
von 219w105
12.11.2020
Antworten
Vielen Dank den (Co-)Autoren dieses sehr lehrreichen Gesprächs und besonderen Dank an die Kommentatoren! Ihr seid unersetzlich!
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