Volkswagen, Ford, Toyota – einige Autohersteller verzichteten in der Vergangenheit bei manchen Motoren schon mal auf Zahnriemen und Steuerkette. Stattdessen wurden die Nockenwellen über einen Zahnradsatz von der Kurbelwelle angetrieben. Das bietet einige Vor- aber auch Nachteile, die wir im Folgenden einmal beleuchten wollen.
Verzicht auf Zahnriemen
Zunächst einmal scheint der Verzicht auf einen Zahnriemen ein großer Vorteil zu sein. Denn eigentlich hat dieses Gummiteil – genau genommen bestehen Zahnriemen aus Polyurethan – am ansonsten metallischen Motorkonzept nichts zu suchen. Schließlich müssen sie die Nockenwelle und damit die Ventile bei niedrigen wie hohen Drehzahlen extrem präzise ansteuern. Und das kann ein direkter, metallischer Zahnradsatz deutlich besser. Nicht umsonst setzten viele Formel-1- und Le-Mans-Rennwagen auf diesen präziseren Antrieb.
Bei einigen modernen Zahnriemen-Motoren kommt noch erschwerend hinzu, dass die Riemen durchs Ölbad laufen – was Gummi oder Kunststoff bekanntermaßen überhaupt nicht mögen. Entsprechend belastet wird das Material, drohende Motorschäden sind die Folge. Ein solider Kompromiss schien für viele Hersteller die eiserne Steuerkette zu sein, die sich ebenso flexibel an der Motorfront verlegen lässt, in puncto Haltbarkeit und Genauigkeit aber konstruktive Vorteile bietet. Es gibt aber auch hier viele Beispiele für Kettenlängungen oder sich auflösende Laufschienen.
Zahnradsatz als Stirnradantrieb für Nockenwellen
Mechanisch spricht also alles für einen sogenannten Stirnradantrieb, der aus vielen schrägverzahnten Zahnrädern auf parallel verlaufenden Achsen besteht, und sich so bis zu den Nockenwellen in jeder denkbaren Übersetzung starr gestalten lässt. Abgesehen von den speziellen Rennmotoren wurde dieser Nockenwellenantrieb bisher eher bei großvolumigen, langsam laufenden Dieselmotoren eingesetzt.
Die haben meist ein weniger dynamischen Motorlauf in einem kleinen Drehzahlfenster und müssen dabei aber höhere Antriebskräfte übertragen. In schnell laufenden Pkw-Motoren ist der Stirnradantrieb dagegen selten zu finden. Der große Abstand zwischen Kurbel- und Nockenwelle verlangt nach Zwischenrädern. Durch sie nehmen aber die beschleunigten Massen zu und die Drehzahlfestigkeit ab.
Immerhin können auch sämtliche Nebenaggregate wie Wasser- und Ölpumpe, Klima-Kompressor oder Servolenkung über einen gemeinsamen Zahnradtrieb angetrieben werden. Bei modernen Motoren verlangt aber schon die strenge Emissionsnorm, dass man solche Aggregate während der Fahrt auch vom Motor entkoppeln muss. Das senkt den Verbrauch, erhöht aber den Konstruktionsaufwand. Für Servolenkung oder Klimaanlage gibt es mittlerweile ohnehin effizientere Elektro-Varianten, die gar keinen mechanischen Antrieb vom Verbrenner mehr benötigen.
Vorteile des Stirnradantriebs
Kurz zusammengefasst: Der Stirnradantrieb ist hauptsächlich in Getrieben und selten an Motoren zu finden. Dabei bietet er sowohl technische als auch wirtschaftliche Vorteile. Zu den wichtigsten zählt seine einfache Konstruktion und robuste Bauweise, die eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer ermöglichen. Durch die gerad- oder schräg verzahnten Zahnräder ist die Kraftübertragung sehr präzise, was sich positiv auf die Laufruhe und die Übertragungsgenauigkeit auswirken kann.
Nachteile des Stirnradantriebs
Einige Nachteile machen den Stirnradantrieb in bestimmten Anwendungen unpraktisch, insbesondere bei hochbelasteten oder geräuschempfindlichen Motoren. Denn Geräusche erzeugt er deutlich mehr als etwa ein Zahnriemen aus Gummi. Die Schwingungen können gerade bei hohen Drehzahlen stören. Tatsächlich ist auch die Haltbarkeit ein Thema, denn unzerstörbar sind auch Zahnräder nicht. Sie unterliegen an den Flanken starker Belastung. Ein Austausch ist aufwändig und teuer. Zudem benötigt der Stirnradantrieb relativ viel Platz in axialier Länge – das heißt vor dem Motorblock.
VW-Motor EA 153
Stirnradantrieb und Volkswagen – klingelt da was? Richtig – vor zwei Jahrzehnten hatten die Wolfsburger diese Technik ohne Zahnriemen oder Steuerkette in der Serie. Gemeint ist der 2,5-Liter-TDI (EA 153) der zwischen 2003 und 2009 mit 130 PS bis 174 PS zu haben war. Quer eingebaut trieb der Fünfzylinder mit Pumpe-Düse-Technik hunderttausende VW T5-Busse an, längst eingebaut nicht ganz so viele Touareg. Abgesehen von einigen anderen Problemen galt der Antrieb als äußerst solide und zuverlässig.
Auch Toyota setzte eine Zeit auf den Stirnradantrieb bei einigen Diesel-Motoren – den sogenannten B-Engines. Diese extrem robusten Vierzylinder haben Hubraum von drei bis 4,1 Liter und erreichen ihre Höchstleistung (max. 153 PS) bereits bei 3.200 Touren. Ebenso experimentierte Ford mit der Stirnrad-Technik, wobei hier die Zahnräder nicht aus Metall waren und mit der Zeit kaputtgingen.
