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Motor | Fahrwerk | Service
Kompetenz in PKW-Parts
TechnikBROSCHÜRE
Ventiltriebkomponenten
1.Historie
INHALTSVERZEICHNIS
1. Historie 3
2. Der Ventiltrieb 4
4.5.1Einsteckventil
28
4.5.2Zentralventil
30
2.1 Anforderungen 4
5.Instandsetzung und Service
31
2.2Ausführungen 4
2.3Ventilspiel 5
5.1 Austausch mechanischer
Tassenstößel
31
2.4Ventilspielausgleich 6
5.2Austausch hydraulischer
Tassenstößel
32
3. Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten 7
7
3.1Tassenstößel
5.3Austausch des Schlepphebels
mit hydraulischem Abstützelement 32
5.4 Austausch des Kipphebels mit
hydraulischem Einsteckelement
32
33
3.1.1 Mechanischer Tassenstößel
7
3.1.2 Hydraulischer Tassenstößel
8
3.2 Schlepphebel mit Abstützelement
10
3.3Kipphebel mit Einsteckelement
12
5.6Empfehlungen zur Entlüftung von
hydraulischen Ventilspielausgleichs
elementen im Motor
34
3.4Schwinghebel
mit Einsteckelementen
14
5.7Empfehlungen zum Tausch von
Nockenwellenverstellern
16
3.5OHV-Ventiltrieb
3.6Schaltbare
Ventilspielausgleichselemente
4 .Nockenwellenverstellsysteme
4.1 Allgemeine Informationen
4.2Verschiedene Konzepte zur
Nockenwellenverstellung
in der Übersicht 17
20
20
20
4.3 Komponenten des Nockenwellen
verstellsystems und deren Funktion 21
4.4 Nockenwellenversteller
22
4.4.1 Axialkolbenversteller
22
4.4.2 Flügelzellenversteller
24
4.4.3 Unterschiede zwischen
Ketten- und Riemenversteller 25
4.4.4 Unterschiede zwischen
Ein- und Auslassverstellung
26
28
4.5Steuerventil
5.5Allgemeine Werkstatthinweise
35
35
6.1.1 Geräusche während der
Warmlaufphase
35
6.1.2 Geräuschentwicklung bei
warmem Motor
35
6.1.3 Geräuschentwicklung
durch „Aufpumpen“
35
36
6.2Restschmutz
In Europa wurden damals aus wirtschaftlichen Gründen
relativ kleinvolumige, hochdrehende Motoren konstruiert.
Der erste Serienanlauf in der Bundesrepublik Deutschland
erfolgte im Jahre 1971. 1987 war bereits eine große Anzahl
deutscher, englischer, schwedischer, spanischer und
japanischer Kraftfahrzeugtypen mit hydraulischen Ventilspielausgleichskomponenten ausgestattet. Ihr Anteil nimmt
kontinuierlich zu und seit 1989 verfügen auch französische
und italienische PKW über diese fortschrittliche Technologie.
Ingenieure und Techniker, die sich mit der Entwicklung
neuer Motoren befassen, stehen immer weiter wachsenden
Anforderungen gegenüber, gemeint sind insbesondere
Anforderungen an:
34
6. Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
6.1 Allgemeine Schadensbeurteilung Die historische Entwicklung der hydraulischen Ventilspielausgleichskomponenten lässt sich bis in die frühen 30er
Jahre zurückverfolgen, als die Idee geboren und erste
Patente in den USA angemeldet wurden. Bereits Ende der
50er Jahre waren dort 80 % aller PKW-Motoren serienmäßig mit hydraulischem Ventilspielausgleich ausgerüstet.
6.3Schadensbeurteilung von
Ventiltriebkomponenten
36
6.3.1 Schadensbeurteilung
Tassenstößel
37
6.3.2Schadensbeurteilung
Schlepphebel
38
6.3.3 Schadensbeurteilung
Nockenwellenverstellung
41
Umweltfreundlichkeit
Lärmemission
Zuverlässigkeit
Wirtschaftlichkeit
Wartungsaufwand
Leistung
All diese Anforderungen beeinflussen das Vorgehen beim
Auslegen der Ventilsteuerung und ihrer Elemente, und zwar
unabhängig vom Motorkonzept (OHV-, OHC-Motor). Entscheidend ist in jedem Fall, Ventilspiel auszuschließen und
die Leistungskennwerte des Motors über die Gebrauchsdauer stabil zu halten.
Vor allem thermisch bedingte Längenänderungen und
Verschleiß der Bauteile im Ventiltrieb ändern bei mechanischer Ventilsteuerung unkontrolliert das Betriebsspiel.
Die Folge ist, dass die Ventilsteuerzeiten von der optimalen
Festlegung abweichen.
Hydraulische Ventilspielausgleichskomponenten von
RUVILLE sind auf die Anforderungen abgestimmt, die an
Ventilsteuerungen moderner Motoren gestellt werden.
Sie machen Motoren:
schadstoffarm
Die konstruktiv optimierten Steuerzeiten des Motors –
und damit die Abgaswerte – bleiben während der
Gebrauchsdauer und während aller Betriebszustände
des Motors nahezu konstant.
leise
Der Geräuschpegel des Motors sinkt, da lärmerzeugendes Ventilspiel vermieden wird.
langlebig
Der Verschleiß verringert sich, da zwischen den Bauteilen
des Ventiltriebs stets Kraftschluss herrscht und dadurch
die Ventilaufsetzgeschwindigkeiten konstant niedrig bleiben.
wirtschaftlich
Kein Einstellen des Ventilspiels bei der Erstmontage.
wartungsfrei
Kein Einstellen des Ventilspiels während der gesamten
Motorgebrauchsdauer.
drehzahlfest
Durch die RUVILLE-spezifische Leichtbauweise werden
dauerhaft hohe Motordrehzahlen ermöglicht.
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 3
2.Der Ventiltrieb
Einem Verbrennungsmotor muss zyklisch Frischluft zugeführt
werden, während das Abgas, das er produziert, abgeführt
werden muss. Bei einem Vier-Takt-Motor bezeichnet man das
Ansaugen von Frischluft und das Ausschieben von Abgas als
Ladungswechsel. Im Verlauf mehrerer Ladungswechsel
werden die Steuerorgane der Zylinder (die Ein- und Aus
lasskanäle) periodisch durch Absperrorgane (die Ein- und
Auslassventile) geöffnet und geschlossen. Den Absperr
organen kommen bestimmte Aufgaben zu. Sie müssen
einen möglichst großen Öffnungsquerschnitt freigeben,
die Öffnungs- und Schließvorgänge schnell ausführen,
eine strömungsgünstige Form besitzen, um den auftretenden Druckverlust gering zu halten,
im geschlossenen Zustand eine gute Abdichtwirkung
erzielen,
über eine hohe Standfestigkeit verfügen.
2.1 Anforderungen
Der Ventiltrieb ist hohen Beschleunigungen und Verzögerungen ausgesetzt. Die damit verbundenen Trägheitskräfte
nehmen mit steigender Drehzahl zu und beanspruchen
die Konstruktion in hohem Maße. Darüber hinaus müssen
die Auslassventile hohen Temperaturen standhalten, die
von den heißen Abgasen herrühren. Um unter diesen Be-
dingungen einwandfrei funktionieren zu können, werden
an Ventiltriebkomponenten bestimmte Anforderungen
gestellt. Sie müssen beispielsweise
über eine hohe Festigkeit verfügen (und zwar über die
gesamte Lebensdauer des Motors),
reibungsarm funktionieren,
eine ausreichende Wärmeabfuhr von den Ventilen (insbesondere von den Auslassventilen) gewährleisten.
Außerdem ist darauf zu achten, dass die Ventiltriebkomponenten keinen Impuls in das System einleiten und dass
zwischen kraftschlüssig gekoppelten Bauteilen kein Kontaktverlust auftreten kann.
2.2 Ausführungen
Ventiltriebe gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Allen
gemeinsam ist der Antrieb über die Nockenwelle. Man unterscheidet Ventiltriebe nach
der Anzahl der Ventile, die sie betätigen, und
der Anzahl und der Lage der Nockenwellen, durch die sie
angetrieben werden.
Nockenwellen können an zwei Stellen in den Motor eingebaut werden; entsprechend bezeichnet man sie als unten
liegende bzw. oben liegende Nockenwellen.
OHV Ventiltrieb
Bildausschnitt (1) zeigt den so genannten OHV-Ventiltrieb
mit Stoßstange und mit unten liegender Nockenwelle. Bei
diesem Konzept sind viele Übertragungsteile notwendig, um
den Nockenhub auf das Ventil zu übertragen – Stößel, Stoßstange, Kipphebel, Kipphebellgerung. Mit der Weiterentwicklung der Motoren waren auch immer höhere Drehzahlen
verbunden, sollten sie doch leistungsfähiger, kompakter und
leichter werden. Hier stieß der OHV-Stoßstangentrieb wegen
seiner nur mäßigen Gesamtsteifigkeit bald an seine Drehzahlgrenzen. Folglich musste die Anzahl der bewegten
Ventiltriebteile geringer werden.
Bildausschnitt (2):
Die Nockenwelle wurde in den Zylinderkopf verlagert, so
dass auf die Stoßstange verzichtet werden konnte.
OHC-Ventiltrieb
Bildausschnitt (3):
Beim OHC-Ventiltrieb entfällt der Stößel, die Nockenwelle
ist weit höher verlegt und der Nockenhub kann direkt über
Kipp- oder Schlepphebel übertragen werden.
usw. – die Vor- und Nachteile abwägen und sich für eine
Bauart entscheiden, so dass vom Stoßstangentrieb bis zum
kompakten OHC-Ventiltrieb mit direkt betätigten Ventilen alle
Ventiltriebsteuerungen ihre Daseinsberechtigung haben.
2.3 Ventilspiel
Ein Ventiltriebsystem muss bei geschlossenem Ventil über
ein definiertes Spiel – das Ventilspiel – verfügen. Es dient
dazu, Längen- bzw. Maßänderungen der Bauteile auszugleichen, die von Verschleiß und wechselnden Temperaturen
herrühren, etwa
durch Temperaturschwankungen in den verschiedenen
Bauteilen im Motor (z. B. im Zylinderkopf),
durch den Einsatz verschiedener Werkstoffe mit
verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
durch Verschleiß an den Kontaktstellen zwischen
Nockenwelle und Ventil.
durch Verschleiß an den Kontaktstellen zwischen Ventil
und Ventilsitz.
1
2
Bildausschnitt (4):
Dieser Schlepphebeltrieb entspricht der steifsten Bauform
eines Hebelventiltriebes.
Bildausschnitt (5):
OHC-Ventiltriebe, deren Ventile direkt über Tassenstößel
betrieben werden, sind für höchste Drehzahlen geeignet.
Hier entfallen auch Kipp- oder Schlepphebel.
3
5
4
Overhead Valves: Unten liegende Nockenwellen
sind unterhalb der Trennlinie von Zylinderkopf
und Zylinderblock eingebaut. Den Ventiltrieb
eines solchen Motors nennt man auch Overhead-Valves-Ventiltrieb (OHV-Ventiltrieb).
Overhead Camshaft: Oben liegende Nockenwellen befinden sich oberhalb der Trennlinie
von Zylinderkopf und Zylinderblock. Ist nur eine
Nockenwelle vorhanden, wird diese Konstruktion
als Overhead Camshaft (OHC) bezeichnet.
4 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Double Overhead Camshaft: Im Fall zweier Nockenwellen spricht man vom Double Overhead
Camshaft (DOHC).
Alle Bauarten der Ventilsteuertriebe (Bildausschnitte (1)
bis (5)) finden sich heute in Großserienmotoren. Die Ingenieure müssen je nach Konstruktionsschwerpunkt – Leistung,
Drehmoment, Hubvolumen, Verpackung, Herstellkosten
OHV-/OHC-Ventiltrieb
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 5
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
2.4 Ventilspielausgleich
Sowohl früher als auch heute musste bei der Erstmontage
des mechanischen Ventiltriebs und danach in bestimmten
Wartungsintervallen das Ventilspiel über Einstellschrauben
oder Einstellscheiben justiert werden. Parallel dazu hat sich
auch der automatische hydraulische Ventilspielausgleich
etabliert. Dieser erreicht eine geringere Überschneidungs
variabilität der Hubkurven über alle Betriebszyklen während
der gesamten Motorlebensdauer und damit gleichbleibend
niedrige Emissionen.
Die Folgen eines zu kleinen oder zu großen Ventilspiels
reichen von Geräuschentwicklung im Ventiltrieb bis zum
Motorschaden. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die entstehende höhere Umweltbelastung durch schlechtere Emis
sionswerte. Nachfolgend sind mögliche Auswirkungen
durch zu kleines oder zu großes Ventilspiel aufgelistet.
Ventilspiel ist zu klein
Ventilspiel ist zu groß
Ventil öffnet früher und schließt später
Durch die verkürzte Schließzeit kann nicht genügend
Wärme vom Ventilteller an den Ventilsitz abgegeben
werden.
Der Ventilteller des Auslassventils erwärmt sich, bei zu
extremer Erwärmung reißt das Ventil ab.
Motorschaden
Ventil öffnet später und schließt früher
Dadurch ergeben sich kürzere Öffnungszeiten und
kleinere Öffnungsquerschnitte.
Füllung des Kraftstoffgemisches im Zylinder zu gering,
Motorleistung nimmt ab.
schlechtere Emissionswerte
Ventil schließt nicht vollständig
Es besteht die Gefahr, dass das Auslassventil oder
Einlassventil bei warmem Motor nicht vollständig schließt.
Am Auslassventil wird Abgas angesaugt und am Einlassventil schlagen Flammen zurück in den Ansaugtrakt.
Gas- und Leistungsverluste treten auf, Motorleistung
nimmt ab.
schlechtere Emissionswerte
Die Ventile werden durch die ständig vorbeiströmenden
heißen Abgase überhitzt, wodurch Ventilteller und Ventilsitze verbrennen.
Hohe mechanische Beanspruchung des Ventils
Geräuschentwicklung im Ventiltrieb
6 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
3.1 Tassenstößel
3.1.1 Mechanischer Tassenstößel
Der Tassenstößel-Ventiltrieb ist ein Ventiltrieb mit direktem
Antrieb. Zwischen Ventil und Nockenwelle ist kein Übersetzungsglied angebracht. Der Nockenhub wird direkt über
den Boden des Tassenstößels auf das Ventil übertragen.
Direkte Antriebe zeichnen sich durch sehr gute Steifigkeitswerte und gleichzeitig kleine bewegte Massen aus. Sie
zeigen daher auch bei hohen Drehzahlen ein gutes Verhalten. Tassenstößel besitzen einen Gleitabgriff, d. h., zwischen
Tassenboden und Nocken treten Reibungsverluste auf.
Durch eine geeignete Werkstoffpaarung können diese
Verluste gering gehalten werden. Um den auftretenden
Verschleiß weiter zu reduzieren, wird der Nocken schräg
angeschliffen und dem Tassenstößel gegenüber seitlich
versetzt angebracht, so dass der Tassenstößel bei jeder
Betätigung um einen gewissen Winkel gedreht wird.
Merkmale des mechanischen Tassenstößels:
Grundkörper aus Stahl
Ventil wird direkt betätigt
Ventilspiel wird mechanisch eingestellt
a
2
1
3
Merkmale
Die Einstellscheibe ist
im Grundkörper lose
eingelegt,
in verschiedenen Stärken erhältlich,
in Material und Wärmebehandlung frei wählbar,
durch ihre Stärke verantwortlich für das
eingestellte Ventilspiel (a).
Mechanischer Tassenstößel mit
oben liegender Einstellscheibe
B
a
b
Hohe mechanische Beanspruchung des Ventils
Geräuschentwicklung im Ventiltrieb.
Ventilhals wird verbogen.
Motorschaden
Weiterführende Informationen zum Ventilspielausgleich bei
Tassenstößeln, Schlepp- und Kipphebeln finden Sie im
folgenden Kapitel 3 „Aufbau und Wirkungsweise der Ventiltriebkomponenten“.
A
4
5
1
6
Merkmale
definiertes Grundspiel
(b) zwischen Nockengrundkreis und Tassenaußenboden durch die
Stärke der Einstellscheibe
sehr geringe Masse
des Tassenstößels,
damit werden die
Ventilfederkräfte und
die Reibleistung reduziert
großer Kontaktbereich
zum Nocken
Mechanischer Tassenstößel mit
unten liegender Einstellscheibe
C
a
Tassenstößel-Ventiltrieb
1.Aushebenut
2.Einstellscheibe
3.Tassenkörper
4.Tassenaußenboden
7
5.Tassenkörper
6.Einstellscheibe
7.Tassenkörper
Merkmale
Das Ventilspiel wird über
die Bodenstärke des Tassenstößels eingestellt (a)
geringste Masse des
Tassenstößels
Die Ventilfederkräfte (und
damit auch die Reibleistung) werden reduziert
großer Kontaktbereich
zum Nocken
kann sehr kostengünstig
hergestellt werden
Mechanischer Tassenstößel
mit gestufter Bodenstärke
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 7
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
3.1.2 Hydraulischer Tassenstößel
Hydraulischer Ventilspielausgleich beim Tassenstößel
Öl unter Motoröldruck
Öl unter Hochdruck
Merkmale
Ventil wird direkt betätigt
sehr hohe Ventiltriebsteifigkeit
Ventilspiel wird automatisch ausgeglichen
wartungsfrei über die gesamte Lebensdauer
Ventiltrieb sehr geräuscharm
gleichmäßig niedrige Abgasemissionen über die
gesamte Lebensdauer
1
Hydraulischer Tassenstößel
b
2
3
a
4
A.Tassenstößel mit Auslaufsicherung
Während der Stillstandphase des Motors kann kein Öl
aus dem äußeren Vorratsraum auslaufen – verbessertes
Mehrfachstartverhalten.
A
B
D.3CF-Tassenstößel (3CF = cylindrical cam contact face)
mit zylindrischer Nockenkontaktfläche –
Rotationssicherung
einfache Ölversorgung
Öffnungs- und Schließbeschleunigung
80 % weniger Öldurchsatz durch Stößelführung
niedrige Flächenpressung im Nockenkontakt
effektivere Ventilhebungscharakteristik bei kleinerem
Stößeldurchmesser möglich, dadurch ...
geringste Stößelmasse,
höchste Steifigkeit,
reduzierte Reibleistung
8 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
c
1.Außengehäuse
2.Kolben
3.Innengehäuse 4.Ventilkugel
6
7
B.Tassenstößel mit Untenansaugung
Ölvorratsvolumen kann besser genutzt werden – verbessertes Mehrfachstartverhalten.
C.Tassenstößel mit Labyrinth
Kombination von Auslaufsicherung und Untenansaugung
deutlich verbessertes Mehrfachstartverhalten
5
Tassenstößel wird durch Motorventilfederkraft und
Massenkräfte belastet.
Abstand zwischen Kolben und Innengehäuse wird
verkürzt, dadurch wird eine geringe Ölmenge aus dem
Hochdruckraum durch den Leckspalt ausgepresst (a)
und in den Ölvorratsraum zurückgeführt (b).
Am Ende des Absinkvorgangs entsteht ein geringes
Ventilspiel.
Über die Eintrittsbohrung und/oder den Führungsspalt
wird eine geringe Öl-Luftmenge ausgepresst (c).
5.Ventilfeder
6.Ventilkappe
7.Rückstellfeder
Absinkvorgang (Nockenhub)
Öl unter Motoröldruck
Tassenstößel mit Auslaufsicherung
C
Tassenstößel mit Untenansaugung
D
8
9
10
11
12
13
14
15
Tassenstößel mit Labyrinth
3CF-Tassenstößel
d
Die Rückstellfeder drückt den Kolben und das Innengehäuse auseinander, bis das Ventilspiel ausgeglichen ist.
Das Kugel-Rückschlagventil öffnet durch den Differenzdruck zwischen dem Hochdruckraum und dem Ölvorratsraum (Kolben).
Öl strömt aus dem Ölvorratsraum (10) über den Ölübertritt, den Ölvorratsraum (9) und das Kugel-Rückschlagventil in den Hochdruckraum (d).
Das Kugel-Rückschlagventil schließt; der Kraftschluss
im Ventiltrieb ist wieder hergestellt.
8.Ölübertritt
9.Ölvorratsraum (Kolben)
10.Ölvorratsraum (Außengehäuse)
11.Leckspalt
12.Führungsspalt
13.Hochdruckraum
14.Ölzufuhrnut
15.Eintrittsbohrung
Ausgleichsvorgang (Grundkreis)
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 9
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
3.2 Schlepphebel mit Abstützelement
Schlepphebel werden vorzugsweise aus Blech gefertigt.
Den Kontakt zum Nocken stellt häufig eine wälzgelagerte
Rolle her (Rollenschlepphebel). Daneben gibt es Schlepp
hebel, die im Feingussverfahren aus Stahlguss hergestellt
werden. Im Vergleich zu Tassenstößeln erzeugen kurze
Hebel kleinere Trägheitsmomente. Es lassen sich Konstruk
tionen mit geringeren, auf der Ventilseite reduzierten Massen
realisieren. Hinsichtlich der Steifigkeit sind die Rollenschlepphebel den Tassenstößeln jedoch deutlich unterlegen.
Die verschiedenen Ventiltriebkonstruktionen erfordern unterschiedlich geformte Nocken. Vergleicht man die Nocken
für einen Tassenstößel-Ventiltrieb mit denen, die für Rollenschlepphebel-Ventiltriebe eingesetzt werden, besitzen Letztere
einen größeren Spitzenradius sowie konkave Flanken und
erzeugen, abhängig vom Übersetzungsverhältnis, einen
kleineren Nockenhub.
Die Nockenwelle befindet sich oberhalb der Rolle, die bevor
zugt mittig zwischen dem Ventil und dem Abstützelement
angeordnet ist. Diese Anordnung macht den Schlepphebel
für Vier-Ventil-Dieselmotoren interessant. Bei diesen Motoren
sind die Ventile entweder parallel oder unter einem kleinen
Winkel zueinander angeordnet, so dass erst durch den
Einsatz von Schlepphebeln ein ausreichend großer Abstand
zwischen den Nockenwellen entsteht.
Merkmale des Schlepphebels
Kontakt vom Schlepphebel zum Nocken vorzugsweise
mit wälzgelagerter Nockenrolle
Reibung im Ventiltrieb sehr gering
Zylinderkopf einfach zu montieren
Öl kann im Zylinderkopf einfach zugeführt werden
benötigt nur geringen Bauraum
Merkmale
aus Stahlblech umgeformt
Höhe der Führungslaschen am
Ventil ist frei wählbar
wahlweise mit Ölspritzdüse
wahlweise mit Sicherungsklammer, die die Zylinderkopfmontage
vereinfacht
sehr hohe Oberflächen-Traganteile im Bereich der Kalotte und
der Ventilauflage
sehr kostengünstig
Hydraulischer Ventilspielausgleich beim Schlepphebel
Das hydraulische Abstützelement (b) wird durch die Ventil
federkraft und die Massenkräfte belastet, wodurch der
Abstand zwischen Kolben (5) und Gehäuse (6) verkürzt
wird. Eine geringe Ölmenge wird aus dem Hochdruckraum
durch einen Leckspalt ausgepresst und über die Leckölfang
nut und die Eintrittsbohrung in den Ölvorratsraum rückgeführt. Am Ende des Absinkvorgangs entsteht ein geringes
Spiel im Ventiltrieb. Eine geringe Öl-Luftmenge wird über
die Entlüftungsbohrung (8) und den Leckspalt ausgepresst.
Öl unter Motoröldruck
Öl unter Hochdruck
2
3
1
a
b
5
6
4
7
8
Absinkvorgang (Nockenhub)
Blechschlepphebel
Merkmale
komplizierte Hebelgeometrie
möglich
hoch belastbar
sehr steif, je nach Ausführung
niedriges Massenträgheitsmoment, je nach Ausführung
Gussschlepphebel
Merkmale
mittels Polygonring gegen
Zerlegen gesichert
stützt hohe Querkräfte sicher ab
1
2
1.Nockenwellen
5
2.Rollenschlepphebel
3
3.Ventilfeder
4.Ventil
5.hydraulisches
4
Abstützelement
Schlepphebel mit Abstützelement
Die Rückstellfeder drückt Kolben (5) und Gehäuse (6)
auseinander, bis das Ventilspiel ausgeglichen ist. Das
Rückschlagventil öffnet durch den Differenzdruck zwischen
Hochdruckraum und Ölvorratsraum. Öl strömt aus dem
Ölvorratsraum über das Rückschlagventil in den Hochdruckraum. Das Rückschlagventil schließt und der Kraftschluss
im Ventiltrieb ist wieder hergestellt.
1.Nockenrolle
2.Ölspritzdüse (optional)
3.Sicherungsklammer (optional)
4.Führungslasche
5.Kolben
6.Gehäuse
7.Rückhaltering (Polygonring)
8.Entlüftungsbohrung/Druckentlastungsbohrung
a.Blechschlepphebel mit Nockenrolle
b.Abstützelement
Öl unter Motoröldruck
2
3
1
a
b
5
6
8
4
7
Ausgleichsvorgang (Grundkreis)
Hydraulisches Abstützelement
10 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 11
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
3.3 Kipphebel mit Einsteckelement
Bei Kipphebel-Ventiltrieben ist die Nockenwelle unterhalb
des Kipphebels an einem seiner Enden positioniert. Der
Nockenhub wird über einen Gleitabgriff oder eine Rolle
(Rollenkipphebel) auf den Hebel übertragen. Um Reibungsverluste gering zu halten, werden in modernen Kipphebeln
nadelgelagerte Nockenrollen verwendet. Am anderen Ende
des Kipphebels befindet sich ein hydraulisches Ventilspiel
ausgleichselement (z. B. ein hydraulisches Einsteckelement)
oder eine Justierschraube zur mechanischen Einstellung
des Ventilspiels. Über dieses Kipphebelende wird das
Ein- bzw. Auslassventil betätigt.
Der Kontaktpunkt zwischen dem Ausgleichselement (Einsteckelement) und dem Ventil muss stets auf dem Ventilschaftende liegen. Da der Kipphebel eine Schwenkbewegung ausführt, muss die Kontaktfläche des Einsteckelements
zum Ventilbetätigungselement eine leicht gewölbte (ballige)
Form besitzen. Daraus resultiert eine sehr kleine Auflagefläche,
die wiederum zu einer vergleichsweise großen Flächenpressung am Ventilschaftende führt. Nimmt sie sehr hohe
Werte an, werden Einsteckelemente eingesetzt, die einen
Schwenkfuß bzw. Gleitschuh besitzen. Der Schwenkfuß
(oder Gleitschuh) ist über ein Kugelgelenk mit dem Einsteckelement verbunden und liegt daher immer eben auf dem
Ventilschaftende auf. Es entsteht eine größere Kontaktfläche
und die Flächenpressung am Ventilschaftende nimmt ab.
1.Kipphebel
2.hydraulisches
Einsteckelement
3.Nockenwelle
4.Ventil
5.Ventilfeder
a
b
1
Merkmale
Der Grundkörper (a) des Kipp hebels ist vorzugsweise aus
Aluminium gefertigt
Darin eingebaut sind:
eine nadelgelagerte Nockenrolle (1)
ein hydraulisches Einsteck element (b)
Die Reibung im Ventiltrieb mittels
Kipphebel ist sehr gering. Zudem
benötigt man nur geringen Bauraum, da alle Ventile durch eine
Nockenwelle betätigt werden
können
Kipphebel
Merkmale
ist über eine Kugel-/Kalottenver bindung am Einsteckelement
schwenkbar gelagert
Der Gleitschuh (c) ist aus gehär tetem Stahl gefertigt
Die Flächenpressungen im Kon taktzum Ventil sind sehr gering
2
5
3
4
Schlepphebel mit
Abstützelement
12 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Öl unter Motoröldruck
Öl unter Hochdruck
2
a
3
b 4
5
6
7
1
Absinkvorgang (Nockenhub)
c
Hydraulisches Einsteckelement
mit Gleitschuh
Merkmale
kurzer Bauraum
geringes Gewicht
(geringe bewegte Masse)
sehr kostengünstig
Hydraulisches Einsteckelement
ohne Gleitschuh
1
Hydraulischer Ventilspielausgleich beim Kipphebel
Das hydraulische Einsteckelement (b) wird durch die Ventilfederkraft und die Massenkräfte belastet, wodurch der
Abstand zwischen Kolben (4) und Gehäuse (5) verkürzt
wird. Eine geringe Ölmenge wird aus dem Hochdruckraum
durch einen Leckspalt ausgepresst und über die Leckölfang
nut und die Eintrittsbohrung in den Ölvorratsraum rückgeführt. Am Ende des Absinkvorgangs entsteht ein geringes
Spiel im Ventiltrieb. Eine geringe Öl-Luftmenge wird über
die Entlüftungsbohrung und den Leckspalt ausgepresst.
Merkmale der hydraulischen Einsteckelemente
im Allgemeinen
gleichen das Ventilspiel automatisch aus
wartungsfrei
sehr geräuscharm
gleichmäßig niedrige Abgasemission über die gesamte
Lebensdauer
Die Ölversorgung der Einsteckelemente erfolgt über die
Kipphebelachse, von der aus Bohrungen im Kipphebel zu
den Einsteckelementen führen
Die Rückstellfeder drückt Kolben (4) und Gehäuse (5)
auseinander, bis das Ventilspiel ausgeglichen ist. Das
Kugel-Rückschlagventil öffnet durch den Differenzdruck
zwischen Hochdruckraum und Ölvorratsraum. Öl strömt
aus dem Ölvorratsraum über das Kugel-Rückschlagventil
in den Hochdruckraum. Das Kugel-Rückschlagventil schließt
und der Kraftschluss im Ventiltrieb ist wieder hergestellt.
1.Nockenrolle
2.Ölkanal
3.Abstützscheibe
4.Kolben
5.Gehäuse
6.Haltekäfig aus Blech oder Kunststoff
7.Gleitschuh
a.Kipphebel
b.Einsteckelement
2
3
b 4
5
Öl unter Motoröldruck
a
4
4
1
Ausgleichsvorgang (Grundkreis)
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 13
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
3.4 Schwinghebel mit Einsteckelementen
Bei Schwinghebel-Ventiltrieben ist die Nockenwelle oberhalb
des Schwinghebels positioniert und kann mehrere Ventile
gleichzeitig betätigen. Die Betätigung erfolgt durch zwei
Nocken, die über zwei Rollen (Rollenschwinghebel) im Hebel
auf zwei oder drei Einsteckelemente einwirken. Bei der Ausführung mit zwei Einsteckelementen spricht man von einem
Doppel-Schwinghebel, bei drei von einem Drillings-Schwinghebel. Anwendung findet dieses Prinzip in Mehrventil-Dieselmotoren. Selbst wenn diese eine gedrehte Ventilanordnung
aufweisen, ist es möglich, alle Ventile über nur eine Nockenwelle zu betätigen. Gleichzeitig lässt diese Anordnung
genügend Raum für die Einspritzdüsen.
Merkmale des Rollenschwinghebels
Der Grundkörper des Schwinghebels ist vorzugsweise aus
Aluminium gefertigt. Darin eingebaut sind:
nadelgelagerte Nockenrollen
hydraulische Einsteckelemente
für jedes Ventil separat
gleichen das Ventilspiel automatisch aus
wartungsfrei
sehr geräuscharm
gleichmäßig niedrige Abgasemission über die
gesamte Lebensdauer
extrem drehzahlfest
geringe Reibleistung
Hydraulischer Ventilspielausgleich beim Schwinghebel
Das hydraulische Einsteckelement wird durch die Ventil
federkraft und die Massenkräfte belastet, wodurch der
Abstand zwischen Kolben und Gehäuse verkürzt wird.
Eine geringe Ölmenge wird aus dem Hochdruckraum durch
einen Leckspalt ausgepresst und über die Leckölfangnut
und die Eintrittsbohrung in den Ölvorratsraum rückgeführt.
Am Ende des Absinkvorgangs entsteht ein geringes Spiel
im Ventiltrieb. Eine geringe Öl-Luftmenge wird über die
Entlüftungsbohrung und den Leckspalt ausgepresst.
Öl unter Motoröldruck
Öl unter Hochdruck
a
2
3
4
b
5
Schwinghebel-Ventiltrieb
1
a
1.DrillingsSchwinghebel
a)Grundkörper
b)Einsteckelement
Die Rückstellfeder drückt Kolben und Gehäuse auseinander,
bis das Ventilspiel ausgeglichen ist. Das Kugel-Rückschlagventil öffnet durch den Differenzdruck zwischen Hochdruckraum und Ölvorratsraum. Öl strömt aus dem Ölvorratsraum
über das Kugel-Rückschlagventil in den Hochdruckraum.
Das Kugel-Rückschlagventil schließt und der Kraftschluss
im Ventiltrieb ist wieder hergestellt.
b
Rollenschwinghebel
2
2.DoppelSchwinghebel
a)Grundkörper
b)Einsteckelement
a
b
Nockenhubphase (in der Vorderansicht)
1.Nockenrolle
2.Ölkanal
3.Kolben des Einsteckelements
4.Gehäuse des Einsteckelements
5.Gleitschuh des Einsteckelements
a.Drillings-Rollenschwinghebel
b.Einsteckelement
Öl unter Motoröldruck
a
b
4
4
1
Grundkreisphase (in der Seitenansicht)
Rollenschwinghebel
14 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 15
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
3.5 OHV-Ventiltrieb
3.6 Schaltbare Ventilspiel-Ausgleichselemente
In Motoren mit unten liegender Nockenwelle ist der Abstand
zwischen Nocken und Hebel relativ groß. In diesem Fall leitet
eine Stoßstange die Hubbewegung auf den Hebel weiter.
Stoßstangen werden in Kombination mit speziellen Nockenfolgern bzw. Stößeln eingesetzt. Diese stellen entweder über
eine Gleitfläche (Flach- oder Pilzstößel) oder über eine Rolle
(Rollenstößel) den Kontakt zum Nocken her und haben außerdem die Aufgabe, die Stoßstange zu führen.
Der Wunsch der Motorkonstrukteure und Thermodynamiker,
unterschiedliche Hubkurven auf ein Ventil zu übertragen,
besteht bereits seit Beginn des 20. Jahrhunderts – dies
belegt eine Vielzahl von Patenten.
Die verschärften Vorgaben für Abgasemissionen und die
Forderung nach geringerem Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig größerem Fahrspaß, der sich in Größen wie Leistung,
Drehmoment und Ansprechverhalten ausdrückt, erfordern
eine erhöhte Flexibilität des Ventiltriebs. Heute sind Hubumschaltsysteme mit den entsprechenden Nockenfolgern wie
schaltbaren Kipphebeln, Schlepphebeln oder Tassenstößeln
bereits realisiert. Die Hubumschaltung wird eingesetzt, um
abhängig vom Betriebspunkt verschiedene Ventilerhebungskurven realisieren zu können, d. h. den jeweils optimalen
Ventilhub einzustellen. Voraussetzung ist, dass für jeden
Alternativ-Ventilhub auch ein entsprechender Nocken als
hubgebendes Element vorhanden ist – es sei denn, die
Alternative ist der Nullhub, also die Stilllegung des Ventils.
Dabei stützt sich das mit dem Ventil in Eingriff stehende
Element am Grundkreisnocken ab.
Die Zylinderabschaltung oder Ventilstilllegung kommt
vorwiegend bei großvolumigen Mehrzylindermotoren
(mit z. B. 8, 10 oder 12 Zylindern) zum Einsatz. Ziel dieses
Verfahrens ist es, die Ladungswechselverluste (Pump- bzw.
Drosselverluste) zu minimieren bzw. den Betriebspunkt zu
verlagern. Aufgrund der äquidistanten (gleichmäßigen)
Zündfolgen lassen sich gängige V8- und V12- Triebwerke
auf R4- bzw. R6-Maschinen „umschalten“. Versuche an
einem V8-Motor im stationären Betrieb zeigen, dass der
Einsatz einer Zylinderabschaltung in üblichen Fahrzyklen zu
Kraftstoffeinsparungen zwischen 8 % und 15 % führt. Um ein
Ventil stillzulegen, verzichtet man auf einen zweiten Hub
nocken pro Nockenfolger. In diesem Fall wird das Element,
welches den Hub vom Nocken abgreift, vom Ventil abge-
OHV-Ventiltriebelemente
Merkmale
verfügt über ein spezielles internes Ölführungssystem (LabyrinthAusführung)
verbessert die Notlaufeigenschaften, auch wenn die Druck
ölversorgung nicht optimal ist
gleicht das Ventilspiel automatisch aus
ist wartungsfrei
sehr geräuscharm
gleichmäßig niedrige Abgas
emission über die gesamte
Lebensdauer
1
2
9
5
6
8
4
7
3
Hydraulischer Rollenstößel
Merkmale
wird als Montageeinheit Hebel/
Hebellagerung geliefert
Der Kipphebel ist schwenkbar
Der Kipphebel (b) ist mittels
Nadellager (6) auf dem Kipp
hebellagergestell (c) gelagert
reibungsarme Bewegung
b
1
1
c
Kipphebel mit
Kipphebellagergestell
16 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
1.Hydraulischer Rollenstößel
2.Kipphebel
3.Nockenrolle
4.Gehäuse
5.Kolben
6.Verdrehsicherung
7.Stoßstange
8.Kipphebellagergestell
9.Nadellager
koppelt. Die Bewegung des Abgriffelements läuft ins Leere,
man spricht daher auch vom „Lost-motion“-Hub. Da zur
Ventilfeder keine Verbindung mehr besteht, müssen die
auftretenden Massenträgheitskräfte von einer weiteren Feder
(der so genannten „Lost-motion“-Feder) aufgenommen
werden. Der Teil des Ventiltriebs, für den keine Stilllegung
bzw. Zylinderabschaltung geplant ist, führt die Hubbe
wegung unverändert aus. An den deaktivierten Zylindern
arbeitet die Nockenwelle nur noch gegen die „Lost-motion“Federkräfte, die um den Faktor vier bis fünf kleiner sind als
entsprechende Ventilfederkräfte. Auf diese Weise werden
Reibungsverluste reduziert.
Schaltbarer mechanischer
Tassenstößel
Schaltbares Abstützelement
Schaltbarer Rollenstößel
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 17
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
Funktion des schaltbaren Tassenstößels
Grundkreisphase (Umschaltvorgang)
Die Abstützfeder (7) drückt den Außenstößel (6) gegen
den Anschlag des Innenstößels (5).
Der Innenstößel (5) ist in Kontakt zum Innennocken (2);
zwischen dem Außennocken (1) und dem Außenstößel (6)
besteht geringes Spiel.
Bei verringertem Motoröldruck verbindet der federgestützte Verriegelungskolben (4) den Außenstößel (6) mit
dem Innenstößel (5).
Schaltzustände eines schaltbaren
mechanischen Tassenstößels
1
2
5
6
1
4
3
2
7
5
9
6
Nockenhubphase entriegelt
4
Nockenhubphase, verriegelt (Vollhub)
Das Außennockenpaar (1) bewegt die miteinander verriegelten Außenstößel (6) und Innenstößel (5) nach unten
und öffnet das Motorventil.
Das hydraulische Ausgleichselement (8) wird belastet.
Eine geringe Ölmenge aus dem Hochdruckraum wird
durch den Leckspalt ausgepresst.
Nach Erreichen der Grundkreisphase wird das Ventilspiel
auf null gestellt.
10
11
7
Grundkreisphase
Schaltbare Abstützelemente
Grundkreisphase (Umschaltvorgang)
Nockenhubphase verriegelt
5
1.Außennocken
2.Innennocken
3.Betätigungskolben
4.Verriegelungskolben
5.Innenstößel
6.Außenstößel
7.Abstützfeder
8.Ausgleichselement
9.Abstützblech
10.Führungsnut
11.Verdrehsicherung
Motoröldruck gedrosselt
Motoröldruck
Öl unter Hochdruck
6
3
7
4
7
1
Nockenhubphase, entriegelt (Teilhub)
2
1.Kolben
2.Führung
3.Rückstellfeder
5
4.Verriegelungskolben
6
3
5.Innenstößel
4
6.Außenstößel
7
7.Abstützfeder
(„Lost-motion“-Feder)
Nockenhubphase, verriegelt (Vollhub)
18 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
3
4
7
Wird der Motoröldruck größer als der Schaltöldruck,
drückt der Betätigungskolben (3) den Verriegelungskolben (4) zurück in den Außenstößel (6), dadurch wird
der Außenstößel (6) vom Innenstößel (5) entkoppelt.
Das hydraulische Ausgleichselement (8) im Innenstößel (5)
gleicht das Ventilspiel aus.
Nockenhubphase, entriegelt (Null- oder Teilhub)
Das Außennockenpaar (1) bewegt den Außenstößel (6)
gegen die Abstützfeder (7) nach unten.
Das Motorventil folgt der Kontur des Innennockens (2).
Werden alle Motorventile eines Zylinders deaktiviert
(Außenstößel (6) entriegelt), kann der Zylinder abgeschaltet werden, dadurch wird der Kraftstoffverbrauch
deutlich verringert.
3
8
3
4
Schaltbarer Rollenstößel
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 19
4.Nockenwellenverstellsysteme
4.1 Allgemeine Informationen
Das Ziel der Nockenwellenverstellung ist die Änderung der
Steuerzeiten der Gaswechselventile im Verbrennungsmotor.
Dabei ist sowohl eine Einlass- als auch eine Auslassverstellung der Nockenwelle sowie eine Kombination aus beiden
möglich. Durch die Verstellung der Nockenwelle werden
Abgasemissionen und Kraftstoffverbrauch reduziert. Typische Verstellwinkel liegen zwischen 20° und 30° bei der
4.3 Komponenten des Nockenwellenverstellsystems
und deren Funktion
Nockenwelle und zwischen
40° und 60° bei der Kurbelwelle. Die Nockenwellenverstellsysteme finden in Riemenund Kettentriebmotoren
Verwendung. Dabei erfüllen
verschiedene kompakte
Designs unterschiedliche
Bauraumanforderungen.
1
4
Kammer verbunden mit Motoröldruck
Kammer entlastet/Ölrücklauf
2
4.2 Verschiedene Konzepte zur Nockenwellenverstellung in der Übersicht
Konzept
Vorteile
Einlassnockenwellenverstellung
Emissionsreduzierung
Kraftstoffverbrauchsreduzierung
Komfortverbesserung
(Senkung der Leerlaufdrehzahl)
Drehmoment- und Leistungssteigerung
Auslassnockenwellenverstellung
Unabhängige Nockenwellenverstellung
von Ein- und Auslassnockenwelle (DOHC)
Synchrone Nockenwellenverstellung
von Ein- und Auslassnockenwelle
(DOHC/SOHC)
Emissionsreduzierung
Kraftstoffverbrauchsreduzierung
Komfortverbesserung
(Senkung der Leerlaufdrehzahl)
Emissionsreduzierung
Kraftstoffverbrauchsreduzierung
Komfortverbesserung
(Senkung der Leerlaufdrehzahl)
Drehmoment- und Leistungssteigerung
5
Hubkurven der
Gaswechselventile
3
EO
EO
IO
IO
IC
IC
EC
EC
EO
IO
IC
EC
EO
IO
IC
EC
Emissionsreduzierung
Kraftstoffverbrauchsreduzierung
Verschiedene Verstellerkonzepte ermöglichen unterschiedliche Vorteile:
Versteller in Spätposition
Versteller in Frühposition
geregelte Position
(Versteller wird auf einer Winkelposition gehalten)
1.Nockenwellenversteller
2.Steuerventil
3.Motorsteuerung
4.Triggerrad und Sensor Nockenwelle
5.Triggerrad und Sensor Kurbelwelle
Nockenwellenverstellung – Regelkreis
Die Nockenwelle wird in einem geschlossenen Regelkreis
kontinuierlich verstellt. Das Regelsystem wird mit dem
Motoröldruck betrieben:
In der Motorsteuerung (3) wird der Soll-Winkel der Steuerzeit der Gaswechselventile in Abhängigkeit vom Lastzustand, der Temperatur und der Drehzahl des Motors aus
einem Kennfeld gelesen.
Der Ist-Winkel der Steuerzeit der Gaswechselventile wird
aus Signalen der Sensoren an Nocken- (4) und Kurbelwelle (5) im Motorsteuergerät (3) berechnet und mit dem
Soll-Winkel verglichen.
Weichen Soll- und Ist-Winkel voneinander ab, wird der
Strom am Steuerventil (2) so verändert, dass Öl aus dem
Ölkreislauf des Motors in die zu vergrößernde Ölkammer
im Nockenwellenversteller (1) und Öl aus der zu verkleinernden Ölkammer in die Ölwanne fließt.
In Abhängigkeit vom fließenden Ölvolumenstrom erfolgt
eine mehr oder weniger schnelle relative Verdrehung der
Nockenwelle zur Kurbelwelle bzw. eine Verschiebung der
Steuerzeiten der Gaswechselventile zu einem früheren
oder späteren Öffnungs- und Schließzeitpunkt.
Das Berechnen des Ist-Winkels und das Vergleichen mit
dem Soll-Winkel im Motorsteuergerät (3) erfolgen permanent und mit hoher Frequenz.
Vorteile des Regelkreises:
Soll-Winkelsprünge werden in kürzester Zeit ausgeglichen
Ein konstanter Soll-Winkel wird mit hoher Winkelgenauigkeit gehalten
EO > Auslass geöffnet
IO > Einlass geöffnet
EC > Auslass geschlossen
IC > Einlass geschlossen
20 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 21
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
4.4 Nockenwellenversteller
Aktuell befinden sich in laufenden Serienanwendungen zwei
Designstände: Axialkolbenversteller und Flügelzellenversteller.
1
2
3
4
Funktion eines Axialkolbenverstellers
Je nach Anforderung sorgt das Anliegen von Strom am
Elektromagneten (7) dafür, dass der hydraulische Schieber
(8) – im hydraulischen Teil (6) des Steuerventils – den Ölfluss in einer der beiden Ölkammern des Verstellers reguliert.
Das Antriebsrad (1) und die Abtriebsnabe (3) sind paarweise über eine schräg verzahnte Steckverzahnung miteinander verbunden.
Durch eine axiale Verschiebung des Verstellkolbens (2)
als Bindeglied zwischen Antriebsrad (1) und Abtriebsnabe
(3) wird eine relative Verdrehung zwischen Nocken- und
Kurbelwelle möglich.
Der typische Verstellbereich beim Nockenwinkel (C) liegt
zwischen 20° und 30° und beim Kurbelwinkel zwischen
40° und 60°.
Der Verstellkolben (2), der zum Halten einer konstanten
Winkelposition dient, ist im geregelten Betrieb (B) hydraulisch eingespannt; es liegt an beiden Seiten Öldruck an.
Hauptbestandteile eines Axialkolbenverstellers
4.4.1 Axialkolbenversteller
Merkmale
Axialkolbenversteller gibt es sowohl für Ketten- als auch
für Riemensteuertriebe.
Je nach Funktion und Bauraum können die Ölwege zu
den Kammern des Verstellers mehr oder weniger aufwändig abgedichtet sein:
Häufig werden Dichtringe (Stahl- oder Kunststoffdicht ringe) auf der Nockenwelle (im Bereich des Nocken wellenlagers) eingesetzt
Alternativ kann das Öl durch einfache Nuten im Gleit lager auf die Nockenwelle übertragen werden
Die Montage des Axialkolbenverstellers an der Nockenwelle erfolgt mittels einer Zentralschraube
1.Antriebsrad
2.Verstellkolben
3.Abtriebsnabe
4.Zentralschraube
7
3
2
A.Grundstellung
B.Regelposition
C.Nockenwinkel
1.Antriebsrad
2.Verstellkolben
3.Abtriebsnabe
4.Triggerrad Nockenwelle
5.Dichtring
6.Steuerventil, hydraulischer Teil
7.Steuerventil, Elektromagnet
8.hydraulischer Schieber
9.Feder
I. Kammer verbunden mit Motoröldruck
II.Kammer entlastet/Ölrücklauf
8
9
1
6
B
4
C
5
A
Die Ölversorgung erfolgt über das erste Nockenwellenlager und die Nockenwelle
Ein robustes Design, geringe Ölleckage und hohe Regelgenauigkeit zeichnen diesen Verstellertyp aus
22 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 23
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
4.4.2Flügelzellenversteller
Hauptbestandteile von Flügelzellenverstellern
Merkmale
A
A
1
Flügelzellenversteller gibt es sowohl für Ketten- (A) als
auch für Riemensteuertriebe (B)
Der Stator (1) ist über den Steuertrieb mit der Kurbelwelle
und der Rotor (2) ist mittels Zentralschraube mit der
Nockenwelle verbunden
Der Rotor (2) ist zwischen zwei Endanschlägen im Stator
(1) verdrehbar gelagert
Der typische Verstellbereich liegt zwischen 20° bis 30°
Nockenwinkel bzw. 40° bis 60° Kurbelwinkel
Die im Rotor eingesteckten und gleichzeitig angefederten
„Flügel“ (3) bilden in Verbindung mit Segmenten im Stator
(1) Ölkammerpaarungen, welche im Betrieb vollständig
mit Öl gefüllt sind
Die Übertragung des Drehmoments von Stator (1) auf
Rotor (2) erfolgt über die hydraulisch eingespannten
„Flügel“ (3)
Die typische Flügelanzahl liegt zwischen 3 und 5 Flügeln,
abhängig von der Anforderung an die Verstellgeschwindigkeit und den Belastungen auf das System insgesamt
Ein Verriegelungselement (4) verbindet den Antrieb und
den Abtrieb während des Startvorgangs des Motors
mechanisch fest miteinander. Es wird hydraulisch entriegelt, sobald der Versteller aus der Grundposition heraus
verstellt werden soll
4.4.3Unterschiede zwischen Ketten- und
Riemenversteller
Der Riemenversteller (B) muss nach außen hundertprozentig dicht sein. Dies ist beim Versteller im Kettentrieb (A)
nicht notwendig, da der Kettentrieb selbst mit einem
Deckel abgedichtet ist
Die Abdichtung des Riemenverstellers erfolgt durch Dichtelemente im Versteller, durch den rückseitigen Deckel,
der als Kontaktfläche zum Wellendichtring ausgeführt ist,
und durch die vorderseitige Verschlusskappe, die den
Versteller nach der Montage der Zentralschraube vorn
abdichtet
3
4
2
Versteller im Kettentrieb
den Anforderungen entsprechend anders gestaltete
„Laufbahn“ für Steuerkette, bzw. Zahnriemen
Flügelzellenversteller für Kettentriebe
B
B
3
1
Riemenversteller
2
Flügelzellenversteller für Riementriebe
1.Stator (Antriebsrad)
2.Rotor (Abtriebsnabe)
3.„Flügel“
4.Verriegelungselement
24 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 25
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
Auslassverstellung durch Flügelzellenversteller im
Riementrieb
Versteller in Grundstellung (A)
Die Ventilsteuerzeit befindet sich in Stellung „früh“ oder
auch „spät“.
Das Verriegelungselement ist eingerastet.
Die Schleppreibung der Nockenwelle wirkt bremsend in
Richtung „spät“.
Die Spiralfeder (7) besitzt ein größeres Moment als das
Reibmoment der Nockenwelle.
4.4.4Unterschiede zwischen Ein- und
Auslassverstellung
Einlassverstellung durch Flügelzellenversteller im
Kettentrieb
Versteller in Grundstellung (A)
Die Ventilsteuerzeit befindet sich in Stellung „spät“.
Das Verriegelungselement (4) ist eingerastet.
Gleichzeitig belastet Öldruck in der Ölkammer (B) die
„Flügel“ (3) einseitig und hält diese am Endanschlag.
Die Spiralfeder (7) ist im Deckel (8) eingehängt und im
Zentrum über ein im Zentralschraubenklemmverband befindliches Aufnahmeblech (9) mit dem Rotor (2) verbunden.
Das Steuerventil ist stromlos geschaltet.
Versteller im geregelten Betrieb (B)
Das Steuerventil wird bestromt.
Öl wird in die zweite Kammer (A) geleitet.
Das Öl entriegelt dort das Verriegelungselement (4) und
verdreht den Rotor (2).
Damit wird die Nockenwelle in Richtung „früh“ gedreht.
4
B
1
A
Zum Halten in einer Zwischenposition wird das Steuerventil
in die so genannte Regelposition gebracht. Damit sind alle
Ölkammern weitgehend verschlossen. Lediglich die Ölleckage, die eventuell auftreten kann, wird ausgeglichen.
B
4
2
1.Stator
2.Rotor
3.Dichtelemente
4.Deckel Rückseite
5.Wellendichtring
6.Verschlusskappe vorn
7.Feder
8.Deckel
9.Aufnahmeblech
I. Kammer verbunden mit Motoröldruck
II.Kammer entlastet/Ölrücklauf
A
B
B
1
2
8
3
1
5
9
6
2
A.Grundstellung
B.Regelposition
7
B
A
B
A
A
P
A
4
3
2
1.Stator
2.Rotor
3.„Flügel“
4.Verriegelungselement
1
Versteller im geregelten Betrieb (B)
Das Steuerventil wird bestromt.
Öl wird in die zweite Kammer (A) geleitet.
Das Öl entriegelt dort das Verriegelungselement und
verdreht den Rotor (2).
Damit wird die Nockenwelle in Richtung „spät“ gedreht.
A.Grundstellung
B.Regelposition
A
B
P
T
T
A.und B. Ölkammern
I. Kammer verbunden mit Motoröldruck
II.Kammer entlastet/Ölrücklauf
26 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Flügelzellenversteller im Kettentrieb
Flügelzellenversteller im Riementrieb
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 27
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
4.5 Steuerventil
Merkmale
Das Ventil ist kompakt, aber modular aufgebaut und
erlaubt Modifikationen zur Anpassung an den jeweiligen
Einsatzfall. So sind Lage und Form des Steckers und der
Anschraublasche ebenso wie die Druckölzufuhr (seitlich
oder stirnseitig), und die Lage der Abdichtung zwischen
„nassem“ Hydraulikteil und „trockenem“ Steckerbereich
flexibel darstellbar
Das Steuerventil als Einstecklösung gibt es in zwei
Varianten:
4.5.1 Einsteckventil
1
B
A
2
P
T
Hauptfunktionsteile eines Einsteckventils
1.Elektromagnet
2.hydraulischer Teil
Das Steuerventil ist als Proportionalventil mit 4 Anschlüssen
ausgeführt, mit je einer Verbindung zu:
P.Ölpumpe
T.Rücklauf
Arbeitskammer A. des Nockenwellenverstellers
Arbeitskammer B. des Nockenwellenverstellers
28 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
direkt in den Zylinderkopf integriert
über ein Zwischengehäuse angebaut
Das Ventil ist elektrisch mit dem Motorsteuergerät
verbunden
Der hydraulische Schieber sitzt in einer Bohrung mit
Anschlüssen für die Ölversorgung, die Arbeitskammern
des Nockenwellenverstellers sowie den Ölrückfluss
Der Schieber wird durch eine Feder in Richtung Grundstellung axial belastet und gegen die Kraft dieser Feder
verschoben, wenn Strom durch den Elektromagneten
fließt
Der Ölzufluss und -abfluss der beiden Kammern ändert
sich
In der so genannten Regelposition sind alle Ölwege
weitgehend verschlossen, so dass der Rotor im Nockenwellenversteller steif eingespannt wird
Funktion eines Einsteckventils
Bei Anliegen eines Stroms am Elektromagneten (1) verschiebt dieser den inneren Steuerschieber (2) gegen eine
Federkraft im Hydraulikteil des Ventils und schaltet so den
Öldruck zwischen den Arbeitskammern (A) und (B).
Die jeweils nicht mit Öldruck beaufschlagte Arbeitskammer
ist mit dem Rücklauf (T) verbunden. Zum Fixieren einer
Steuerzeitenlage wird das Ventil in der so genannten
Mittellage gehalten, hier sind die Verbindungen aller
Anschlüsse voneinander nahezu getrennt.
A.Grundstellung
1
B.Regelposition
C.Nockenwinkel
1.Elektromagnet
2.Steuerschieber
3.Zufuhr Ölkammer
4.Rücklauf T.
2
A
B
5.Motorsteuergerät
6.Verbindung zum Sensor
der Kurbelwelle
7.Verbindung zum Sensor
der Nockenwelle
I. Kammer verbunden
mit Motoröldruck
II.Kammer entlastet/Ölrücklauf
B
C
4
P
T
A
7
6
5
B
3
A
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 29
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
4.5.2 Zentralventil
P
T
B
A
T
2
1
Hauptfunktionsteile des Zentralventils
1.hydraulischer Teil
2.Elektromagnet
Merkmale
Der separate Zentralmagnet ist koaxial vor dem Zentralventil positioniert.
Das Zentralventil wird in die Nockenwelle eingeschraubt.
Der Nockenwellenversteller ist auf der Nockenwelle fest
montiert (Schweißverbindung).
Kurze Ölwege zwischen Zentralventil und Nockenwellenversteller sorgen für geringe Öldruckverluste und hohe
Verstellgeschwindigkeiten.
30 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Das Zentralventil ist als Proportionalventil mit 5 Anschlüssen
ausgeführt, mit je einer Verbindung zu:
Ölpumpe P.
Rücklauf T. (2x)
Arbeitskammer A. des Nockenwellenverstellers
Arbeitskammer B. des Nockenwellenverstellers
Funktion
Bei Anliegen eines Stroms am koaxial angeordneten Elektromagneten (2) verschiebt dieser den inneren Steuerschieber
gegen eine Federkraft im Hydraulikteil des Ventils und schaltet
so den Öldruck zwischen den Arbeitskammern. Die jeweils
nicht mit Öldruck beaufschlagte Arbeitskammer ist mit dem
Rücklauf verbunden.
Zum Fixieren einer Steuerzeitenlage wird das Ventil in der so
genannten Mittellage gehalten, hier sind die Verbindungen
aller Anschlüsse voneinander nahezu getrennt.
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 31
5.Instandsetzung und Service
Wichtig:
Um Funktionsstörungen durch Fremdpartikel zu vermeiden, muss auf SAUBERKEIT geachtet werden!
Bereits geringste Verschmutzungen können die Funktion
der Komponenten beeinträchtigen und zum Totalausfall
führen!
Es ist auf den richtigen Einbau der Teile zu achten (Kalotte
auf Kugelkopf und Ventilauflagefläche auf Ventilschaft)
Aufgrund baulicher Unterschiede bei Kipphebeln ist die
Einbauposition zu beachten (Kröpfung)
Aufgrund der Präzision der hydraulischen Ventilspiel
ausgleichskomponenten dürfen diese nicht demontiert
werden
Die Motoren dürfen nur mit den freigegebenen Ölen
befüllt werden
5.2Austausch hydraulischer Tassenstößel
Mechanischer Tassenstößel mit
oben liegender Einstellscheibe
Weicht das gemessene Einstellmaß von den Herstellerangaben ab (Ventilspiel zu klein bzw. zu groß), muss die entsprechende Einstellscheibe gewechselt werden (der Ausbau der
Nockenwelle ist nicht erforderlich!).
Wichtig: Der Austausch von allen Hydraulikkomponenten
ist gemäß den jeweiligen Herstellerangaben durchzuführen.
Die hier angeführten Methoden sind grundsätzlich auf alle
Typen anwendbar. Hydraulischer Tassenstößel ist nicht gleich
hydraulischer Tassenstößel! Manche Varianten mögen zwar
äußerlich die gleichen Abmessungen besitzen, sind aber im
„Innenleben“ völlig verschieden, d. h. hydraulische Tassenstößel sind nicht ohne weiteres austauschbar.
Gründe hierfür sind:
unterschiedliche Absinkzeiten
des hydraulischen Elements
Dosierung der Ölmenge
andere Spezifikation des Öls
andere Oberflächenbeschaffenheit des Tassenbodens (z. B.
gehärtet oder nitriert)
unterschiedlicher Öldruck
Art des Stößels (Labyrinth-, auslaufgesicherter oder Tassenstößel
mit Innenumlenkung)
unterschiedliche Federkräfte des
Rückschlagventils
verschiedene Hübe (Weg in mm)
5.1 Austausch mechanischer Tassenstößel
Bei der Erstmontage werden alle Fertigungstoleranzen
zwischen Nockengrundkreis und Ventilsitz durch Verwendung unterschiedlich dicker Einstellscheiben ausgeglichen.
Wichtig:
Nach erfolgter Einstellung muss ein definiertes Grundspiel
zwischen Nockengrundkreis und Einstellscheibe vorhanden
sein. Dieses Grundspiel dient zur Kompensation der Längenänderung des Ventiltriebs:
durch Wärmedehnung
durch den Setzungsvorgang
durch Verschleiß
Mechanischer Tassenstößel mit
unten liegender Einstellscheibe
Weicht das gemessene Einstellmaß von den Hersteller
angaben ab (Ventilspiel zu klein bzw. zu groß), muss die
entsprechende Einstellscheibe gewechselt werden (dazu ist
der Ausbau der Nockenwelle und der Tasse erforderlich!).
Mechanischer Tassenstößel
mit gestuftem Tassenboden
5.3Austausch des Schlepphebels mit hydraulischem
Abstützelement
Um Mehrfachreparaturen und höhere Kosten für den
Kunden zu vermeiden, sollten im Instandsetzungsfall immer
Schlepphebel-Sets verbaut werden. Wird ein Abstützelement mit einem nicht erneuerten Schlepphebel montiert,
entsteht ein ungünstiges Kontaktverhältnis zwischen der
Kalotte des Schlepphebels und dem Kopf des Abstützelements, was zu einem hohen Verschleiß führt.
Wichtig: Der Unterschied zwischen den verschiedenen
hydraulischen Abstützelementen besteht hauptsächlich in
der Absinkzeit. Wird ein falsches hydraulisches Abstützelement mit einem Schlepphebel verbaut, können erhebliche
Funktionsstörungen im Ventiltrieb des Motors auftreten –
bis hin zu einem kapitalen Motorschaden.
5.4Austausch des Kipphebels mit hydraulischem
Einsteckelement
Beschädigte Kipphebel müssen immer mit dem hydraulischen
Einsteckelement ersetzt werden!
Gründe hierfür sind:
Die Aufnahmebohrung des
Kipphebels ist dem Außen durchmesser des hydraulischen
Einsteckelements genau
angepasst (Passmaß).
Das hydraulische Einsteckelement
lässt sich nur schwer und unter
„Gewaltanwendung“ mit Hilfe
eines Werkzeuges (z. B. einer
Zange) aus dem Kipphebel lösen,
wodurch die Aufnahmebohrung
des hydraulischen Einsteckele ments „verdrückt“ und somit
beschädigt wird.
Sind die Ölzulaufbohrungen oder die Ölzulaufkanäle aufgrund von
Ablagerungen alten Öls verstopft, ist die Ölversorgung des hydraulischen
Einsteckelements nicht mehr gewährleistet.
Die Nockenrolle (Nadellager) des Kipphebels unterliegt einem ständigen
Verschleiß durch Kontakt zum Nocken der Nockenwelle.
Wichtig: Der Unterschied zwischen den verschiedenen
hydraulischen Einsteckelementen besteht hauptsächlich
in der Absinkzeit. Wird ein falsches hydraulisches Einsteck
element mit einem Kipphebel verbaut, kann ein kapitaler
Motorschaden entstehen.
Weicht das gemessene Einstellmaß von den Herstellerangaben ab (Ventilspiel zu klein bzw. zu groß), muss die entsprechende Tasse gewechselt werden (dazu ist der Ausbau der
Nockenwelle erforderlich!).
32 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 33
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose /
Schadensbeurteilung
5.5 Allgemeine Werkstatthinweise
Diese allgemein gehaltenen Werkstatthinweise sind generell
bei der Montage am Ventiltrieb zu beachten. Parallel dazu
sind in jedem Fall die Herstellerangaben hinzuzuziehen.
Austausch nach 120.000 km
Bei der Überholung eines Motors mit einer Laufleistung von
über 120.000 km sollten generell die hydraulischen VentilspielAusgleichskomponenten ausgetauscht werden. Aufgrund
der engen Toleranzen ist nach dieser Betriebsdauer in den
meisten Fällen die Verschleißgrenze der Hydraulikkomponenten erreicht bzw. bereits überschritten.
Austausch immer satzweise
Bei Defekten an einem oder mehreren hydraulischen VentilspielAusgleichskomponenten sollte immer ein Austausch des kompletten Satzes erfolgen. Werden nur einzelne Komponenten
erneuert, so ist ein einheitlicher Ventilhub aufgrund unterschiedlicher Leckölauspressung nicht gewährleistet. Dies kann Ventilschließfehler verursachen, die dann oft zum Durchbrennen
des Ventilsitzes führen. Um Mehrfachreparaturen und höhere
Kosten für den Kunden zu vermeiden, sollten im Instandsetzungsfall immer Schlepphebel-Sets verbaut werden.
Neue Nockenwelle – neue hydraulische Tassenstößel
Eine Erneuerung von hydraulischen Tassenstößeln muss
immer den Tausch der Nockenwelle nach sich ziehen und
umgekehrt. Aufgrund des Tragbildes an Tassenstößelboden
und Nockenlaufbahn würde eine Kombination von neuen mit
bereits gelaufenen Komponenten keine lange Lebensdauer
gewährleisten.
Auswahl der Hydraulikkomponenten
Hauptkriterien zur Bestimmung von Hydraulikelementen sind
immer effektive Baulänge (entspricht u. U. nicht der Gesamt-
34 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
länge des Hydraulikelements), Außendurchmesser sowie
Dimension und Anordnung der Ölnuten. Generell sind nur
die in Stücklisten bzw. Katalogen angegebenen Hydraulik
elemente zu verwenden. Vorsicht: Es ist darauf zu achten,
dass hydraulische Tassenstößel mit Standardmaß nicht in
Übermaßbohrungen des Zylinderkopfes montiert werden!
Füllen von Hydraulikkomponenten
Hydraulische Ausgleichselemente werden im Ersatzteilmarkt
teilweise ab Werk mit dem vorgeschriebenen Ölvolumen
befüllt oder mit einer für die Einlaufphase ausreichenden
Ölmenge versehen. Bei teilgefüllten Ausgleichselementen
stellt sich die Höhe des Hydraulikkolbens beim ersten Anlaufen des überholten Motors automatisch auf das erforderliche
Maß ein. In dieser kurzen Zeitspanne entlüftet sich das
System selbst, verursacht jedoch im Vergleich zu befüllten
Ausgleichselementen bis zur ausreichenden Ölbefüllung
durch den Motorölkreislauf Klappergeräusche im Zylinderkopfbereich. Da die Hydraulikelemente in Transportposition
angeliefert werden, sinken sie erst nach dem Einbau und
Belastung durch die Nockenwelle in die individuelle Einbauposition ab. Während dieser Zeit sollte die Nockenwelle nicht
gedreht werden. Üblicherweise dauert der Absinkvorgang bei
Raumtemperatur zwischen 2 und 10 Minuten. Danach kann
die Nockenwelle gedreht bzw. der Motor gestartet werden.
Allgemeine Einbauanleitung
Motoröl ablassen
Ölsystem reinigen, insbesondere die Ölkanäle zu den
Hydraulikkomponenten, eventuell Ölwanne und Ölsieb
demontieren und reinigen
neuen Ölfilter montieren
Ölstand korrigieren und Ölversorgung überprüfen
Zylinderkopf komplettieren
Absinkzeit der Hydraulikelemente abwarten, bis Nockenwelle gedreht bzw. bis der Motor gestartet wird
5.6Empfehlungen zur Entlüftung von hydraulischen
Ventilspielausgleichselementen im Motor
5.7Empfehlungen zum Tausch von Nockenwellen verstellern
Unter bestimmten Betriebsbedingungen (Mehrfachstart/
Kaltstart/Motorerstmontage) kann es zu Ventiltriebgeräuschen
kommen. Ein schnelles Entlüften der HydraulikelementeHochdruck- und Vorratsräume ist bei Einhalten der folgenden
Empfehlungen gewährleistet:
Den Motor für ca. 4 Minuten bei einer konstanten Drehzahl von ca. 2.500 U/min oder wechselnden Drehzahlen
(zwischen 2.000 und 3.000 U/min) laufen lassen.
Timing-Pin
Anschließend den Motor für ca. 30 Sekunden im Leerlauf
laufen lassen.
Sind danach keine Ventiltriebgeräusche hörbar, ist das
Hydraulikelement entlüftet. Sollten immer noch Ventiltriebgeräusche wahrnehmbar sein, sind die ersten beiden
Schritte zu wiederholen.
Einige Nockenwellenversteller besitzen einen Timing-Pin.
Beim Einbau muss darauf geachtet werden, dass dieser Pin
mit der entsprechenden Bohrung in der Nockenwelle fluchtet,
anderenfalls verkippt der Versteller. Dadurch ist die Funktion
nicht gegeben und der Riemen bzw. die Kette werden nicht
richtig geführt.
Wellendichtring
Beim Austausch des Nockenwellenverstellers empfiehlt es
sich unbedingt, auch den Wellendichtring, der die Verbindungsstelle zwischen Nockenwelle und Motorblock abdichtet,
auszutauschen.
Zentralschraube (a)
Beim Austausch des Nockenwellenverstellers sollte die Zentralschraube, welche den Versteller mit der Nockenwelle verbindet, ausgetauscht werden. Durch das Anzugsdrehmoment,
welches je nach Fahrzeughersteller schwankt und unbedingt
eingehalten werden muss, wird die Schraube plastisch verformt. Eine Wiederverwendung ist daher nicht zulässig.
Es ist davon auszugehen, dass in 90 % aller auftretenden
Fälle mit dem ersten Laufzyklus Abhilfe geschaffen wird. In
wenigen Einzelfällen kann es erforderlich sein, den o. g.
Laufzyklus bis zu 5 oder 6 mal zu wiederholen. Sind die
Ventiltriebgeräusche nach dem 5. Mal noch deutlich hörbar,
empfiehlt es sich, die betroffenen Elemente auszutauschen
und weitere Untersuchungen durchzuführen.
Verschlussschraube (b)
Wird der Nockenwellenversteller ausgetauscht, empfiehlt es
sich, ebenfalls die Verschlussschraube, welche den Versteller
nach außen hin abdichtet, zu erneuern. Sie besitzt einen Dichtring, der beim Lösen der Schraube beschädigt werden kann.
a
b
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 35
6.Schadensdiagnose/
Schadensbeurteilung
6.1 Allgemeine Schadensbeurteilung
6.1.2 Geräuschentwicklung bei warmem Motor
6.2 Restschmutz
Bei metallischen Reibpartnern treten unter Mischreibungsbedingungen abrasive und adhäsive Verschleißvorgänge
auf. Beide Verschleißmechanismen sowie der Ermüdungsverschleiß, welcher zur Pittingbildung an der Oberfläche
führt, bewirken oft einen Totalausfall der Gleitkontaktpartner.
Verschleiß kann auch durch die unterschiedlichsten Formen
von Korrosion hervorgerufen werden.
Abrasion bedeutet im Allgemeinen Abtragen oder
Abschaben.
Geräuschentwicklung bei warmem Motor ist häufig auf
mangelnde Ölversorgung zurückzuführen. Gründe hierfür
können sein:
Klemmen des Hydraulikkolbens aufgrund verschmutzten Öls
Verschäumen des Öls aufgrund eines zu hohen oder zu
niedrigen Motorölstands
Undichtigkeiten auf der Ansaugseite der Ölpumpe
zu geringer Öldruck infolge Undichtigkeiten in den
Ölleitungen
Bei der Überprüfung von reklamierten Teilen werden häufig
Restschmutzpartikel in großer Menge gefunden. Diese
Restschmutzpartikel, z. B. Aluminium, stammen von einer
Zylinderkopfbearbeitung.
Adhäsion kann wirksam werden, wenn sich Grund- und
Gegenkörper unmittelbar berühren.
Viele Parameter beeinflussen den Verschleiß:
Werkstoffe (Werkstoffpaarung, Wärmebehandlung,
Beschichtung)
Kontaktgeometrie (Makro-/Mikrogeometrie, Form
genauigkeit, Rauheit, Traganteil)
Belastung (Kräfte, Momente, Hertzsche Pressung)
kinematische Auslegung (Relativgeschwindigkeit, hydrodynamische Geschwindigkeit, Flächenpressung)
Schmierung (Öl, Viskosität, Menge, Additivierung,
Verschmutzung, Alterung)
6.1.3 Geräuschentwicklung durch „Aufpumpen“
Fehlerquellen hierfür können sein:
defekte, ermüdete oder falsche Ventilfedern (Falsch
zuordnung von Teilen)
defekte Ventilführungen oder Ventilschäfte
Überdrehen des Motors
Als Folge hiervon heben die miteinander laufenden Kontaktflächen des Ventiltriebs ab, was zu einem überproportionalen
Kolbenhub führt. Folglich kann beim Beaufschlagen des
Hydraulikelements nicht genügend Öl innerhalb der kurzen
Zeitspanne verdrängt werden.
Aluminiumrückstände von der Zylinderkopfbearbeitung
Aber auch Flusen von Reinigungstüchern oder Reinigungslappen und Verbrennungsrückstände von Dieselmotoren
werden oft im Motoröl gefunden.
6.1.1 Geräusche während der Warmlaufphase
Geräusche während der Warmlaufphase des Motors sind
in den meisten Fällen kein Grund zur Beanstandung. Bei
abgestelltem Motor können sich einige Ventile in geöffneter
Position befinden und das hydraulische Spielausgleichs
element durch die Ventilfeder beaufschlagen. Dadurch wird
Öl aus dem Hochdruckraum ausgepresst, das während der
Warmlaufphase allmählich ergänzt wird.
Das in diesem Zustand im Hydraulikelement vorhandene
Luftpolster ist komprimierbar und verursacht diese vorübergehenden Klappergeräusche.
36 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Folge: Das Ventil schließt nicht vollständig, was zu Leistungsverlust und auch zum Durchbrennen des Ventils führen kann.
Ein auf den Kolbenboden aufsetzendes Ventil verursacht als
weitere Folge einen schwerwiegenden Motorschaden. Auf-
Verbrennungsrückstände eines Dieselmotors
grund der extrem engen Toleranzen reagieren die Ausgleichs
elemente sehr empfindlich auf Verunreinigungen im Motoröl.
6.3 Schadensbeurteilung von Ventiltriebkomponenten
Abgesehen vom erhöhten Verschleiß der sich bewegenden
Teile machen sich Schmutzpartikel im hydraulischen Ventilspielausgleichssystem durch Klappergeräusche bemerkbar.
Wichtig:
Die Prüfung vermeintlich defekter Hydraulikkomponenten ist
gemäß den jeweiligen Herstellerangaben durchzuführen. Die
hier angeführten Methoden sind grundsätzlich auf alle Typen
anwendbar.
Optische Prüfung
Hydraulikkomponenten, die äußerliche Beschädigungen wie
Riefen, Kratzer oder Fressspuren aufweisen, sind unbedingt
auszutauschen. Die Passfläche im Ventiltrieb ist ebenfalls zu
kontrollieren. Bei hydraulischen Tassenstößeln ist insbesondere der Stößelboden zu untersuchen. Diese Kontaktfläche
stellt die am höchsten druckbelastete Stelle des Motors dar.
Im Neuzustand weist die phosphatierte Anlauffläche des
Stößelbodens bei VW-Stößeln eine ballige Kontur auf. Diese
Schicht trägt sich während des Einlaufvorgangs ab. Beurteilungskriterium für einen verschlissenen Tassenstößel ist somit
nicht das Tragbild der Beschichtung, sondern die Kontur des
Stößelbodens. Verfügt er nach gewisser Laufzeit über eine
konkave Oberfläche, so sind alle Tassenstößel gemeinsam
mit der Nockenwelle zu erneuern.
Manuelle Prüfung
Eine im Werkstattbereich einfache, aber aussagefähige
manuelle Überprüfung eines hydraulischen Ventilspielausgleichselements ist die Komprimierbarkeit von Hand. Ein
gefülltes Element darf sich nicht schnell von Hand zusammendrücken lassen. Der Prüfvorgang muss jedoch mit
Vorsicht vorgenommen werden, da andernfalls das Öl über
den Leckölspalt ausgepresst wird. Lässt sich das gefüllte
Element ohne großen Kraftaufwand schnell zusammen
drücken, so ist es unbedingt auszutauschen. Eine genauere
Funktionsprüfung der Hydraulikelemente ist nur unter Verwendung aufwändiger Test- und Prüfeinrichtungen möglich.
Diese Prüfung umfasst u. a. die Ermittlung des Absinkwertes,
die nur direkt beim Hersteller vorgenommen werden kann.
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 37
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose/
Schadensbeurteilung
6.3.1 Schadensbeurteilung Tassenstößel
6.3.2 Schadensbeurteilung Schlepphebel
Normaler Verschleiß
normales Laufbild eines Tassenstößels
Die kreisförmig umlaufenden Spuren sind durch die Rotation des Stößels bedingt und nicht zu beanstanden
Maßnahme:
Keine Maßnahme erforderlich – das Tassenbild ist in
Ordnung.
Verschleißerscheinungen an Schlepphebel und
Abstützelement
Erhöhter Verschleiß
starke Verschleißspuren am Tassenboden
Liegt solch ein Laufbild vor, kann von einem hohen
Materialabtrag durch Verschleiß am Tassenboden aus
gegangen werden
Maßnahme:
Der Tassenstößel und die Nockenwelle müssen ausgetauscht werden.
Blickrichtung der Abbildungen a) bis d)
Normaler Verschleiß
a
Starker Verschleiß
Adhäsiv-abrasiver Verschleiß bis zum Totalausfall
Maßnahme:
Der Tassenstößel muss ausgetauscht werden. Ebenso ist eine
intensive Überprüfung der Nockenwellenposition erforderlich.
Gehäuse des Tassenstößels und Führungsbohrung
zeigen Riefen
Ursache: Zu hoher Restschmutzanteil im Motoröl
Folge: Tassenstößel klemmt in der Aufnahmebohrung.
Maßnahme:
Motor reinigen (spülen)
beim Einbau des neuen Tassenstößels auf Sauberkeit
achten
38 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Erhöhter Verschleiß
Tassenstößel
Führungsbohrung
b
polierte Glättungsspur im
Bereich des Kontaktes mit
der Schlepphebelkalotte
über die Laufzeit normale
Verschleißspuren
Polierte Glättungsspur im
Bereich des Kontaktes mit
dem Kugelkopf
Maßnahme: Keine Maßnahme erforderlich – das Tragbild
ist in Ordnung.
c
d
Starker abrasiver Verschleiß
am Kugelkopf in einer
kritischen Größenordnung;
der Verschleiß führte zu einer
Änderung der geometrischen
Form des Kugelkopfes.
Starker abrasiver Verschleiß
in der Kalotte in einer
kritischen Größenordnung;
der Verschleiß führte zu einer
Änderung der geometrischen
Form der Kalotte.
Maßnahme: Das hydraulische Abstützelement und der
entsprechende Schlepphebel müssen ausgetauscht werden.
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 39
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose/
Schadensbeurteilung
Verschleißerscheinungen an der Ventilauflage des
Schlepphebels
Verschleißerscheinungen am Außenring
der Nockenrolle
a b
Funktionsstörung im Abstützelement
a b
c d
c d
Blickrichtung der Abbildungen a) und b)
Blickrichtung der Abbildungen c) und d)
Normaler Verschleiß
Normaler Verschleiß
leichte Glättungsspuren auf der Ventilauflage durch die
Relativbewegung zwischen Schlepphebel und Ventil
über die Laufzeit normale Verschleißspuren
a
Verschleißerscheinungen am Rollenbolzen des
Schlepphebels
Maßnahme: Keine Maßnahme erforderlich – das Tragbild
ist in Ordnung.
Der Außendurchmesser der Nockenrolle weist keinen
sichtbaren Verschleiß auf. Die umlaufenden Spuren sind
normal und stammen von kleinen Fremdpartikeln zwischen
Nockenrolle und Nocke
über die Laufzeit normale Verschleißspuren
c
Maßnahme: Keine Maßnahme
erforderlich – das Tragbild ist in
Ordnung.
Überprüfen des Radialspiels des
Rollenbolzens
Das Radialspiel lässt sich relativ einfach durch Bewegung
der Nockenrolle in radialer Richtung nach oben und unten
ermitteln.
Bei einem Radialspiel im Bereich von mehreren Zehnteln ist
die Lastzone des Rollenbolzens verschlissen und der Schlepphebel muss ausgetauscht werden.
Starker Verschleiß
Starker Verschleiß in der
Lastzone des Rollenbolzens
Starker Verschleiß
starker abrasiver Verschleiß der Ventilauflage
Deutlich ausgeprägte Kanten am Rand des Kontakt
bereichs deuten auf eine Verschleißtiefe im Bereich von
einigen Zehnteln hin.
Bei weiterer Laufzeit bestünde die Gefahr eines Hebelbruchs.
Maßnahme: Das hydraulische
b
Abstützelement und der entspre
chende Schlepphebel müssen aus
getauscht werden. Der Ventilschaft
muss überprüft werden.
Starker Verschleiß
Starker Verschleiß am Außendurchmesser der Nockenrolle
mit deutlich veränderter Geometrie der Nockenrolle
Maßnahme: Das hydraulische
d
Abstützelement und der entspre
chende Schlepphebel müssen aus
getauscht werden. Zudem ist die
entsprechende Nockenwellenposition zu überprüfen
Rückschlagventil des Abstützelements
Ursache: Fremdpartikel, die als Verunreinigungen über
das Motorenöl in das Ventilspielausgleichselement gespült
wurden.
Folge: Das Rückschlagventil arbeitet nicht mehr korrekt.
Achtung!
Die Gewährleistungsverpflichtung des Herstellers erlischt,
wenn Teile innerhalb dieses Zeitraums von der Werkstatt
zerlegt werden! Aufgrund der geforderten Präzision des
hydraulischen Abstützelements dürfen zerlegte Teile nicht
mehr montiert werden, da dann die Funktion nicht mehr
gewährleistet werden kann.
Endstadium des Verschleißes:
Die Nadeln im Rollenbolzen sind
nicht mehr fixiert.
Maßnahme: Das hydraulische Abstützelement und der
entsprechende Schlepphebel müssen ausgetauscht werden.
40 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 41
1.Historie
2.Der Ventiltrieb
3.Aufbau und Wirkungsweise
der Ventiltriebkomponenten
4.Nockenwellenverstellsysteme
5.Instandsetzung und Service
6.Schadensdiagnose/
Schadensbeurteilung
6.3.3 Schadensbeurteilung Nockenwellen verstellung
Klappergeräusche im Bereich des Verstellers bei
Motorstart
Ursache:
Verriegelungsspiel zu groß
Maßnahme:
Steuerventil funktioniert nicht
Ursache:
Durch Schmutzpartikel im Motorenöl kann der Kolben im
Steuerventil nicht richtig arbeiten, der Kolben
verklemmt
Wackelkontakt an der Steckverbindung zum Steuerventil
Versteller muss ausgetauscht werden.
Maßnahme:
Versteller arbeitet nicht oder nur eingeschränkt
Ursache:
Verschlammtes oder verschmutztes Motorenöl
Maßnahme:
Motor reinigen (spülen) und Öl wechseln
Versteller austauschen
42 | Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten
Das Steuerventil muss ausgetauscht werden
Die Steckverbindung muss geprüft bzw. instand gesetzt
werden
Hinweis: Erreicht der Kolben des Steuerventils nicht die
erforderlichen Endpositionen, wird vom Motorsteuergerät
eine entsprechende Fehlermeldung („Soll-Winkel wird nicht
erreicht“) ausgegeben.
Technikbroschüre Ventiltriebkomponenten | 43
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