Racing Nockenwellen

Fragt man einen Rennfahrer welche Nockenwelle er in seinem Motor verbaut hat, erhält man in den meißten Fällen die Antwort “Spezial” wodurch man zwar nicht viel schlauer als vorher ist, aber zumindest erfahren hat das es sich nicht um die Original vom Werk verbaute Welle handelt. Deshalb will ich hier einmal die Aufgabe der Nockenwelle und den Einfluß der verschiedenen Nockenformen auf die Motorcharakteristik erläutern.
Aufgabe der Nockenwelle ist es die Ein- und Auslaßventile exakt zum richtigen Zeitpunkt zu öffnen und zu schließen. Angetrieben wird sie von der Kurbelwelle, entweder mittels Steuerkette, Zahnriemen oder auch durch Zahnräder. Allerdings darf die Nockenwelle nur halb so schnell drehen wie die Kurbelwelle weshalb das Nockenwellenzahnrad doppelt soviel Zähne wie das der Kurbelwelle aufweist.
Je nach Einbaulage der Nockenwelle spricht man entweder von OHV, OHC oder DOHC gesteuerten Motoren.
Beim OHV ( Over Head Valves) gesteuerten Motor ist die Nockenwelle unterhalb des Zylinderkopfs verbaut und steuert die Ventile mittels Stößelstangen und Kipphebel. Diese Art der Motorsteuerung wurde im Bahnsport  bis Ende der 1970er Jahre bei den 2 Ventilern verwendet.
Heutzutage sind fast alle Bahnmotoren OHC (Overhead Camshaft) gesteuert wobei man manchmal auch noch die Bezeichnung SOHC (Single Overhead Camshaft) findet. Hier ist die Nockenwelle im Zylinderkopf verbaut und betätigt die meißtens 4 Ventile über gegabelte Kipp- oder Schlepphebel. Dieses Prinzip wird von GM und auch von JAWA verwendet.
Daneben gibt es noch die DOHC (Double Overhead Camshaft) Motorsteuerung. Hier befinden sind zwei obenliegende Nockenwellen im Zylinderkopf wobei jeweils eine die Einlaß- und die andere die Auslaßventile betätigt . Dies geschieht entweder über Kipphebel, Schlepphebel oder direkt über Tassenstößel. Dieses Prinzip, welches heute bei Modernen Auto- und Motorradmotoren Standard ist, konnte sich bei den Bahnmotoren bisher noch nicht richtig durchsetzen und wird aktuell nur beim GTR Motor verwendet.

Im Bild links ist einmal der Unterschied zwischen einer Seriennocke und einer Rennnocke dargestellt. Während bei der Seriennocke das Öffnen und schließen des Ventils, unter anderen wegen besserer Laufruhe des Motors, harmonisch geschieht, verfolgt man bei Rennnocken ein anderes Ziel. Hier soll das Ventil so schnell und so weit wie möglich geöffnet und solange wie eben möglich geöffnet bleiben. Auch soll es so schnell wie möglich wieder geschlossen werden und dabei noch  sanft in seinen Sitz aufsetzen. All diese Vorgaben werden durch die Form des Nockens bestimmt.
Durch die ovale Nockenform sind die Ventile bis zu 20° Kurbelwinkel länger geöffnet, das heißt sie öffnen ca. 10° früher und schließen ca.10° später als bei der Seriennocke. Der steile Öffnungswinkel bewirkt bei hohen Drehzahlen eine erhebliche Leistungssteigerung wodurch der Motor bei niedrigen Drehzahlen allerdings sehr unruhig läuft. Die Übertragung der Nockenerhebung auf das Ventil ist bei solch einem steilen Öffnungswinkel nur über nadelgelagerte Rollenstößel oder Schlepphebeln mit kreisbogenförmiger Gleitfläche möglich., da es wegen der starken Ventil- beschleunigung, sonst zum abheben des Stößels vom Nocken und damit zum einschlagen der beiden Komponenten käme.

Im linken Bild sind die einzelnen Zonen dargestellt die bei einer Nockenwellenumdrehung (360°) durchlaufen werden. Beginnend mit dem Grundkreis, er bildet mehr als die Hälfte der Nockenkontur und wird durchlaufen während das Ventil geschlossen ist. In dieser Phase sollte zwischen Nocken und Abnehmer ein Spiel vorhanden sein. Es folgt die “Anlauframpe” ,sie hat eine ansteigende Gerade, hebt das Ventilspiel auf und soll einen stoßfreien Beginn der Ventilöffnung einleiten. Danach beginnt die eigentliche Ventilöffnung bei der das Ventil kurzzeitig  stark  beschleunigt wird, bevor eine bis zur Nockenspitze andauernde Verzögerung einsetzt. Während dieser Phase tritt bereits die Ventilfeder in Aktion und hält das Ventil am Nocken. Ein großer Gipfelradius ist dabei kennzeichnend für Rennmotoren.  Nach dem Überschreiten der Nockenspitze folgt das Schließen des Ventils, welches vollständig von der Ventilfeder übernommen wird. Ist die Federkraft zu gering verläßt der Abnehmer die Nockenbahn und trifft erst später wieder auf den Nocken auf , was nicht nur zu erhöhten mechanischen Verschleiß sondern auch zur Verlängerung der Steuerzeit führen würde.  Damit das Ventil nicht schlagartig auf seinen Sitz auftrift und wieder hochgeschleudert wird, wird dessen Geschwindigkeit durch die Ablauframpe stark verzögert so das es anschließend relativ sanft in seinen Sitz gleitet.

Links der Zylinderkopf des GM-Motors, er ist mit einer mittig, zwischen den Ventilen,  eingebauten Nockenwelle ausgelegt. Sowohl die Einlaß,- als auch die Auslaßnocke befinden sich auf einer gemeinsamen Welle. Die gegabelten Kipphebel betätigen die jeweils zwei Einlaß,- und Auslaßventile. Wie auf dem mittleren Bild zu erkennen ist, sind die Kipphebel mittig gelagert und gleiten mit Rollen über die Nockenbahn. Am anderen Ende befinden sich Einstellschrauben zur Korrektur des Ventilspiels.  Jawa OHC-Motoren verwenden das gleiche Steuerungsprinzip. Anders dagegen das Prinzip beim GTR Motor (Bild rechts), hier ist die Nockenwelle über dem Ventil angeordnet und betätigt das Ventil über einen Schlepphebel mit bogenförmiger Gleitfläche. Die Einstellung des Ventilspiels erfolgt hier über Shims, wobei es sich um Einstellplättchen mit unterschiedlicher Stärke handelt , die oberhalb des Ventiltellers verbaut sind.

Ventilerhebungskurve

Eine weitere wichtige Meßgröße bei der Gestaltung der Nocken ist die Ventilerhebungskurve, die den Weg des Ventils pro Grad Kurbel- wellendrehung anzeigt. Sie resultiert aus der gemeinsamen Bewegung von Nocken und Abnehmer. Die Nockenform wird dabei immer von der Form des Abnehmers bestimmt, so das sich bei einem Rollenabnehmer eine völlig andere Ventilerhebungskurve als bei einem Abnehmer mit Gleitfläche ergibt. Die Länge der Kurven gibt dabei an wie lange und wie weit das Ventil geöffnet ist.  Der in der linken Grafik  angezeigte Ventilhub entspricht dabei nicht dem Nockenhub sondern ist das Resultat aus Nockenhub und Kipphebel-Übersetzung. Der Über- tragungsfaktor liegt bei  Bahnmotoren mit Kipphebeln zwischen 1,2 und 1,3. Das heißt, bei 10 mm Ventilhub beträgt der Nockenhub etwa 8,33 mm.    Da der Platz zwischen Kolben und geöffneten Ventil sehr gering ist, bleibt dem Tuner für eine Vergrößerung des Ventilhubs wenig Spielraum, so das eine Verbesserung der Motorfüllung nur durch eine Vergrößerung des Ventilquerschnitts oder einer Änderung der Ventilüberschneidung erreicht werden kann. Auslaßventile haben wegen ihres kleineren Durchmessers bis zu 1 mm weniger Öffnungshub als Einlaßventile.
Auch muß das Ventil sehr präzise der Bewegung des Nockens folgen und darf beim schließen nicht “nachflattern”, weshalb besonders starke, speziell auf die Rennnocke abgestimmte, Ventilfedern verbaut werden müssen.
Einen großen Einfluß auf die Charakteristik eines Motors hat die Ventilüberschneidung. Sie bezeichnet den Bereich in dem Ein- und Auslaßventil zugleich geöffnet sind. Das ist am Ende des 4. Taktes, beim Übergang vom Auspufftakt hin zum Ansaugtakt, der Fall. Hierbei wird der Sog der ausströmenden Abgase ausgenutzt um die einströmenden Frischgase zu beschleunigen und somit eine bessere Zylinderfüllung zu erreichen. Durch die große Bewegungsenergie des Frischgases kann das Einlaßventil auch noch nach dem unteren Totpunkt offen gehalten werden.  Das Ganze funktioniert allerdings nur bei hohen Drehzahlen mit entsprechend hoher Abgasgeschwindigkeit  und ist bei festen Überschneidungszeiten  immer ein Kompromiß zwischen hoher Spitzenleistung und optimaler Leistung im unteren und mittleren Drehzahlbereich.
Da sich beim OHC Motor Einlaß- und Auslaßnocke auf der selben Welle befinden, betrifft eine Änderung der Steuerzeiten immer beide Nocken im gleichen Maße. Vorteilhafter ist  in diesem Fall eine DOHC Steuerung wo sich die Steuerzeiten von Einlaß- und Auslaßnocke unabhängig voneinander durch verdrehen der Kettenräder in den Langlöchern verändern lassen.
Abhilfe könnte hier auch durch verstellbare Nockenwellen geschaffen werden mit der sich die Überschneidung und  der Ventilhub, je nach Drehzahl, automatisch erhöht oder verringert. Dadurch ist es möglich einen günstigen Drehmomentverlauf über einen weiten Drehzahlbereich auf hohen Niveau zu halten. Solche Systeme sind heute im Automobilbau und bei Straßenmotorrädern Serienstand, wenngleich es hier mehr um die Reduzierung von Schadstoffen im Abgas geht.
Egon Müller hat lange mit solchen verstellbaren Nockenwellen experimentiert. (Bild links). Es gab zwei handgefertigte Versionen davon die auch eine erhebliche Mehrleistung brachten. Der Motor war so scharf das man Schwierigkeiten beim losfahren bekam. Leider stimmte der Härtegrad des Materials nicht, so das der Exenter bereits nach kurzer Zeit ausgeschlagen war. Da das Ganze Experiment mit der Zeit  auch zu teuer wurde, verfolgte man die Sache nicht mehr weiter und legte den Motor erstmal zur Seite. Ganz vom Tisch ist das Thema laut Egon allerdings noch nicht und soll bei Gelegenheit erneut aufgegriffen werden.
Ebenfalls aus der Ventilerhebungskurve ersichtlich ist die Ventilspreizung. Sie bezeichnet den Winkelabstand (gemessen in ° Kurbelwinkel ) von O.T. bis zum maximalen Hub des Ein- bzw. des Auslaßventils. Für Tuner eine der entscheidendsten Stellen zur Bestimmung der Leistungs- und Drehmomentkurve, denn durch eine Verkleinerung der Spreizung wird der nutzbare Drehmomentbereich  nach oben  und bei einer Vergrößerung nach unten verschoben.

Nockenwellen Herstellung

Nockenwellen können wegen ihrer exzentrischen Form nur auf speziellen Dreh- und Fräsmaschinen gefertigt werden. Die Nockengeometrie wird dabei mit  einem CAD Programm entworfen und dann in die CNC gesteuerte Fräsmaschine übertragen.  Man unterscheidet dabei zwischen gebauten und einteiligen Nockenwellen. Bei Bahnmotoren kommen eigentlich nur einteilige Nockenwellen zum Einsatz die aus einem Rundstahl gefräst werden.
Als Werkstoff wird hier ein Rundstahl aus legierten Einsatzstahl mit der Bezeichnung 16MnCr5 verwendet, ein Stahl der sich durch eine hohe Festigkeit und dennoch gute Bearbeitbarkeit auszeichnet. Außerdem läßt sich dieser gut härten.

Bei der Firma Großewächter in Spenge, einer der führenden Hersteller für Racing-Cams, benutzt man  eine Nockenschleifmaschine der Fa. SERDI auf der sich alle Arten von Nockenformen schleifen lassen. Nach der Bearbeitung wird die Oberfläche der kompletten Welle bis zu einer Tiefe von 1,2-1,5 mm,  in einem speziellen Verfahren gehärtet
Bei Großewächter sind für alle Bahnmotoren bis zu zehn verschiedene Nockenwellen erhältlich, so daß für jede Bahn und jeden Einsatzzweck die passende Welle zur Verfügung steht.

Alle hier gemachten Angaben wurden nach besten Wissen und Gewissen gemacht, ohne Garantie auf die Richtigkeit !!

Bauvorschriften für 500 ccm Gespanne 2017

Da es  für Bahngespanne nur wenige Firmen gibt die überhaupt soche Fahrgestelle anbieten , sind die meißten Gespanne Eigenbauten die überwiegend von aktiven oder Ex-Fahrern hergestellt werden.  Wer ein Seitenwagengespann für Bahnrennen bauen will ist dabei eng an den Bauvorschriften der FIM gebunden, welche nur wenig Platz für eigene Ideen läßt. Keine Einschränkung gibt es dagegen was Typ, Motor und Marke betrifft . Der Seitenwagen muß für die Beförderung eines Beifahrers  ausgelegt sein und  mit dem Motorrad eine permanente Einheit bilden. Der Versatz von Vorder,- und Hinterradspuren darf Maximal 75 mm betragen wodurch die Torsionskraft der Lenkung verringert wird. Das Gewicht eines Gespanns darf 115 kg nicht unterschreiten. Seit ein paar Jahren ist auch wieder Titan für bestimmte Baugruppen erlaubt, außer für den Rahmen, der Vordergabel, den Lenker und des Schwingarms. Da Titan nicht magnetisch ist ist daher eine Überprüfung, während der Maschinenabnahme, ohne größeren Aufwand möglich.
 Eine Menge Vorschriften gibt es auch im Bereich des Lenkers und der Lenkung überhaupt einzuhalten. So darf die Lenkerbreite 800 mm nicht über- schreiten und der Lenker muß mindestens einen Durchmesser von 16 mm aufweisen. Die Lenkerschellen müssen sorgfältig abgerundet sein so das keine Risse am Lenker auftreten können. Beim Gespann auf dem Bild links ist die Auflagefläche der Schellen nach außen verlängert. Der Abstand zwischen den Schellen darf 120 mm nicht unterschreiten. Gelenkt werden darf ausschlieslich nur das Vorderrad wobei der Lenkeinschlag nach beiden Seiten mindestens 40° betragen muß. Lenkbare und angetriebene Seitenwagenräder sind nicht gestattet.  Alle Handhebel, wie Kupplung Schaltung, Bremse u.s.w. müssen am Ende eine Kugel von mindestens 16 mm Durchmesser haben und dürfen im gezogenen Zustand nicht über das Lenkerende hinausragen. Alle Hebel müssen einzeln drehbar gelagert und so geformt sein das ein Einklemmen der Finger zwischen Hebel und Lenker unmöglich ist. Der hier auf dem Bild zu sehende Lenkungs- dämpfer ist nicht vorgeschrieben, wird aber heute von fast allen Fahrern verwendet um das gefürchtete Lenkerschlagen beim starken Beschleunigen zu verhindern.
Eine Besonderheit bei den Gespannen ist die an der linken Seite angebrachte Fußraste die mit einem am Rahmen angebrachten Sturzbügel versehen sein muß und sich mindesten 150 mm über den Boden befinden soll.
Genau vorgeschrieben sind auch die Maße für die Räder, die bei Gespannen ungleich höheren Belastungen ausgesetzt sind als bei Solomotorrädern. Das Vorderrad muß mindestens einen Durchmesser von 18 Zoll haben und mit einer Radachse aus Stahl von mindestens 15 mm Durchmesser ausgestattet sein. Beim hinteren Antriebsrad muß die Radachse gar 17 mm Durchmesser haben und die Speichen mindestens 4 mm im Durchmesser aufweisen. Die Reifenbreite des Hinterrads darf höchstens 100 mm betragen wobei die Profiltiefe eines 22” Hinterrades 12 mm beträgt. Für das Seitenwagenrad gilt ein Maximaldurchmesser von 16 Zoll und eine maximale Neigung von 30° nach innen, während das gesamte Gespann höchstens 15° Neigung aufweisen darf. Die vorderen und hinteren Kotflügel müssen aus flexiblen Material bestehen und dürfen bei Bruch keine Verletzungen hervorrufen. Hinten muß der Kotflügel das Rad komplett abdecken und darf zum Boden höchstens einen Abstand von 200 mm haben; gleiches gilt für das Seitenwagenrad.
Der Name des Rahmenherstellers und der Name des Motorenherstellers müssen auf dem Motorrad angegeben sein, was auch für Eigenbauten gilt.
Für den Motor gelten die gleichen Bauvorschriften wie bei den Solomaschinen. Es ist lediglich vorgegeben das der Motor sich vor der Hinterachse befinden muß und die Halteplatten mindestens eine stärke von 5 mm (Alu) oder 4 mm bei Stahl aufweisen müssen.. Allerdings dürfen Gespanne mit Vergasern bis zu 38 mm Durchmesser ausgestattet sein. Eine kleine Änderung gibt es bei den Auspuffrohren, wo es nun heißt das sie interne oder externe Geräuschunterdrückungssysteme enthalten dürfen womit der Verwendung von Power-Bomb Systemen nichts im Wege steht, sofern der Außendurchmesser des Krümmerrohres von 50 mm nicht überschritten wird. Der Schalldämpfer selbst muß natürlich eine eingestanzte FIM Homologationsnummer  haben und darf eine Lautstärke von 112 dB(A) nicht überschreiten. Seit 2016 ist auch ein fest montiertes Hitzeschild vorgeschrieben um Fahrer und Beifahrer bei Berührungen vor Verbrennungen zu schützen.
Dieser Auszug aus den Bauvorschriften für 500 ccm Gespanne stellt nur eine grobe Übersicht dar. Er soll nur zeigen das es gar nicht so einfach ist ein Bahngespann herzustellen. Genaue Bauvorschriften, die sich natürlich ständig ändern, finden sich in den jedes Jahr neu herausgegebenen Technischen Bestimmungen der FIM bzw. des DMSB.

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