3D Nockenwelle
Eine Nockenwelle ist ein Maschinenelement in Form eines Stabes, auf dem mindestens ein gerundeter Vorsprung (der "Nocken") angebracht ist. Die Welle dreht sich um die eigene Achse, durch den oder die auf ihr angebrachten Nocken wird diese Drehbewegung wiederholt in eine kurze Längsbewegung umgewandelt.
Diese technische Vorrichtung zur Umwandlung rotierender in lineare Bewegungen war schon in der Antike bekannt. Seit dem 11. Jahrhundert wurde die Nockenwelle in Form von Nocken oder Daumen an verlängerten Wellbäumen oder Achsen an Mühlrädern gewerblich genutzt. Durch den Druck der Nocken ließen sich Futterstampfen, Hämmer, Walken und Pochstempel heben, während sie beim Weiterdrehen der Welle niederfielen und ihre Arbeit verrichteten. Nach dem gleichen Prinzip wurden auch Blasebälge und Sägen betrieben. Die Nockenwelle spielte zu Beginn des Hochmittelalters eine wichtige Rolle bei der Mechanisierung zahlreicher Gewerbe [1].
In der Motorentechnik steuert die Nockenwelle die Ein- und Auslassventile an den Zylindern eines Verbrennungsmotors an. Die Form und Anordnung der Nocken bestimmt den Ventilhub und somit das Verbrennungsverhalten und die Leistung des Motors. Die Nockenwelle ist mit der Kurbelwelle üblicherweise per Zahnriemen oder Steuerkette verbunden und hat die halbe Drehzahl der Kurbelwelle.
Nockenwelle [2]
Arbeitsprinzip Viertaktmotor [3]
Phasen beim Viertaktmotor:
I (Inlet) - Ansaugen
C (Compression)- Verdichten
P (Power) - Arbeiten
E (Exhaust) - Ausstoßen
Im Internet findet man einige zum Teil sehr komplexe mit CAD-Software erstellte Animationen einer Nockenwelle. Dennoch hat es einen Reiz, eine solche Animation auch mit einerm einfachen Programm wie dem Graphing Calculator 3D zu erzeugen (s. Animationen oben und unten auf der Seite).
Die Animation besteht aus der Nockenwelle mit zwei Nocken und zwei Ventilstößeln. Für die Form des Nockens habe ich einen Halbkreis mit Radius b mit einer anschließenden halben Ellipse mit den Halbachsen a und b gewählt (vgl. folgende Grafik). Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung von Nockenprofilen finden Sie unter Kreise verbinden.
Anmerkung: wenn Sie als Leser Maschinenbauer (insbesondere im Bereich Motorentechnik) sind, mögen Sie mir diesen einfachen Ansatz verzeihen. Ich weiß, dass die Konstruktion einer Nockenkurve eine komplexe Angelegenheit ist, bei der vielzählige Parameter berücksichtigt werden müssen, um die gewünschte Motorsteurerung realisieren zu können.
Für
den Hub h der Ventilstößel in Abhängigkeit des Drehwinkels
φ
der Welle ergibt sich für eine 360°-Drehung (s. auch folgende linke Animation):
und somit die Ventilerhebungskurve in der folgenden rechten Grafik. Dabei ist Δφ der Winkelversatz der Nocken (im Beispiel 105°).
Abschließend noch zwei Animationen bestehend aus Nockenwelle mit zwei Nocken, zwei Ventilstößeln und einer Verbindung zur Kurbelwelle per "Zahnriemen" (s. auch 3D Riementrieb) und per Zahnradgetriebe (s. auch 3D Zahnrad).
