Voor de aandrijving van de nokkenassen wordt afhankelijk van de constructie gebruik gemaakt van een distributieketting, distributieriem of tandwielset. De nokkenassen bedienen de inlaat- en uitlaatkleppen. Door middel van direct contact via komstoters of hevelconstructies wordt het openen en sluiten van de kleppen tot stand gebracht.
De aandrijving van de nokkenassen gebeurt bij moderne motoren met bovenliggende nokkenassen met behulp van een trekkende aandrijving. Voor de aandrijving van bovenliggende nokkenassen worden tandriemen of kettingen toegepast.
Motoren met een onderliggende nokkenas hebben een tandwielset die met het krukastandwiel is verbonden.
Voor welke methode wordt gekozen, ketting, riem of tandwielen, hangt af van de keuze van de constructeur.
In dit artikel gaan we dieper in op de distributieketting.
De belangrijkste criteria voor het kiezen van een soort aandrijving zijn kosten, constructieruimte, onderhoudsvriendelijkheid, levensduur en geluidsontwikkeling. Het grootste voordeel van distributieketting aandrijvingen ten opzichte van die met tandriemen is het volledig onderhoudsvrij zijn over de gehele motorlevensduur, waarbij tandriemen afhankelijk van de toepassing nagespannen of afhankelijk van de onderhoudsinterval vervangen moeten worden.
Dat was tot op heden altijd het uitgangspunt. Dat dit moet worden herzien blijkt verderop in dit artikel.
Aandrijvingen in moderne motoren zorgen - naast de nokkenasaandrijving - ook nog voor het aandrijven van nevenaggregaten, zoals oliepomp en de hogedrukpomp voor de directe benzine-inspuiting of voor de common-rail bij dieselmotoren.
Omdat zowel de nokkenas als de krukas ongelijkvormig draaien – dus niet een constante snelheid hebben - en onderhevig zijn aan roterende trillingen, ontstaan zeer gecompliceerde belastingen in de aandrijving tijdens het draaien. Ook de brandstofinspuitpomp kent deze belastingen. Hierdoor ontstaan er nog meer wisselende krachten op de aandrijving van de distributieketting.
Figuur 1: Aandrijving van de distributieketting
Er zijn een aantal soorten distributiekettingen te onderscheiden. De hulzenketting, tandketting en rollenketting. Bij een hulzenketting raken de tandflanken van het kettingwiel de vaststaande hulzen steeds
op dezelfde plaats. Hierdoor ontstaat een extra belasting van de hulzen. Daarom is een optimale smering van die aandrijvingen van groot belang.
Hulzenkettingen beschikken bij een gelijke verdeling en overbruggingskracht over een groter schakeloppervlak dan de vergelijkbare rollenketting, omdat de pendiameter door het wegvallen van de rol kan worden vergroot. Een groter schakeloppervlak heeft een geringere schakeloppervlaktedruk en daarmee tot minder slijtage in de schakels tot gevolg en daardoor een langere levensduur van de kettingaandrijving.
De hulzenketting heeft zich met name bewezen bij de zwaar belaste nokkenasaandrijvingen in dieselmotoren, omdat daar door het binnendringen van een groot aandeel roet in de motorolie een verhoogde slijtagebescherming noodzakelijk is.
Bij de tandketting zijn de schakels zodanig gevormd, dat zij zorgen voor de krachtoverbrenging tussen ketting en kettingwiel. Bij de rollen- of hulzenketting wordt de verbinding tot stand gebracht met pennen, huls of rol.
Tandkettingen kunnen in principe zonder verandering van de constructie in praktisch elke willekeurige breedte geproduceerd worden. Tegen het van het wiel aflopen worden geleidingsschakels ingevoegd. Deze zijn in het midden of buiten (aan beide zijden) aangebracht.
Een andere variant van de tandketting is de aan beide kanten getande uitvoering, die ook als een rollen- en hulzenketting kan worden toegepast.
Door de combinatie van de voordelen van een hulzenketting en een tandketting ontstaat een nieuw kettingtype voor regelaandrijvingen; een hulzen-tandketting. Enerzijds maakt hun speciale constructie van de tandschakels een rustig inlopen in het kettingwiel mogelijk; anderzijds wordt door de toepassing van hulzen de slijtage van pennen en schakels verminderd. Deze kettingvariant wordt in die situaties aanbevolen, waar het op de beste slijtagebestendigheid alsmede een goed akoestiek- en dynamiekgedrag aankomt.
In het verloop van tientallen jaren ervaring, zijn er voor de distributieaandrijvingen een aantal afmetingen voor rollen-, hulzen- en tandkettingen geschikt bevonden. Dat zijn 3/8”- hulzenkettingen voor dieselmotoren en 8 mm-hulzenkettingen en 8 mm-rollenkettingen voor ottomotoren.
Vier wezenlijke factoren kenmerken de gebruikseigenschappen van distributiekettingen: breukbestendigheid, levensduur, slijtagebestendigheid en akoestisch gedrag.
Als oorzaak van een breuk kan worden gezien het overschrijden van de statische dynamische breukbelasting. Met name bij distributieaandrijvingen zal men geen gelijkvormige belasting aantreffen, zodat de levensduur van de ketting de krachtbegrenzende grootheid is.
Bij de tegenwoordige motoren met nauwkeurige distributietijden en een geringe ruimte tussen zuiger en kleppen is slechts geringe rek ten gevolge van kettingslijtage toelaatbaar. Slijtage gerelateerde rek van maar 0,2…0,5% van de kettinglengte zijn bij motoren met tot 350 000 afgelegde kilometers momenteel op betrouwbare wijze haalbaar door de optimalisering van de schakels met pennen en hulzen.
In het bijzonder turbodieselmotoren met directe inspuiting, maar ook de nieuwste modellen van de ottomotoren met directe inspuiting hebben distributiekettingen nodig met de hoogste mate aan slijtagebestendigheid.
De tandvorm van de kettingwielen is voor rollenkettingen, hulzenkettingen en tandkettingen genormeerd (DIN ISO 606). De DIN-norm staat aanzienlijke vrijheidsgraden toe bij de verfijning van de kettingwielvertanding, zodat een tandgatvorm tussen een minimum en een maximum gat kan ontstaan.
Bij de vormgeving van de tandvorm van tandkettingen past elke fabrikant zijn eigen ontwerpfilosofie toe (bijvoorbeeld geluids- en slijtagegeoptimaliseerd), zodat deze kettingen niet aan de norm voldoen. De vormgeving van de kettingwielen is afhankelijk van de constructieruimte, de bedrijfsomstandigheden en de vermogensoverdracht van de kettingaandrijving.
Door het toepassen van permanent werkende spannings- en geleidingselementen, die op de betreffende motor nauwkeurig afgestemd zijn, kan de kettingaandrijving dusdanig geoptimaliseerd worden, dat deze met de levensduur van de motor overeenkomt.
Figuur 2: Kettinggeleider
De kettingspanner, mechanisch of hydraulisch werkend, verzorgt een aantal taken in de distributieaandrijving. Ten eerste wordt de distributieketting onder bedrijfsomstandigheden in het stationaire gebied onder een gedefinieerde belasting voorgespannen; ook tijdens de werking met een door slijtage veroorzaakte rek. Onder spanningsloze trek verstaat men het niet getrokken, in zekere mate belastingvrije kettinggedeelte. Door een dempingselement – hetzij wrijving- of viscosedemping – worden trillingen tot een toelaatbare omvang gereduceerd.
Figuur 3: Kettingspanner
Er zijn momenteel veel problemen met distributiekettingen. Niet alleen een aantal motoren uit het VAG-concern zijn daar aan onderhevig, maar ook verschillende motoren van het PSA-concern, BMW en Alfa Romeo.
Deze problemen variëren van overmatige geluidsontwikkeling, verminderd motorvermogen tot aan het stilvallen van de machine. En dan zal bij een aantal problemen ook het MIL- lampje (Malfunction Indicator Lamp) gaan oplichten als resultaat van het opslaan van een foutcode in het motormanagement.
Dit laatste kan bijvoorbeeld duiden op het niet ‘op tijd’ staan van de distributie. In het motormanagement liggen toleranties opgeslagen, waarbinnen de timing zich kan bewegen. Dus op welk moment (in krukasgraden uitgedrukt) de inlaat kleppen openen en sluiten en ook de uitlaatkleppen dit doen. Ook de relatie tussen de openings- en sluitingstijden van de inlaat- en uitlaatkleppen is vastgelegd.
Dat bijvoorbeeld de MIL-lamp oplicht hoeft niet te liggen aan de nokkenassensor, maar meestal wordt door de diagnosetester aangegeven dat de nokkenaspositie (van inlaat- of uitlaatnokkenas of de relatie daartussen) buiten de in het motormanagement opgeslagen tolerantie ligt.
Vaak is dan de oorzaak een versleten distributieketting.
Belangrijk is wel dat de oliedruk binnen de specificaties valt. Bij sommige auto’s, zoals die uit de VAG-modellenreeks is de oliepomp vaak de boosdoener. Bij een te lage oliedruk komt de kettingspanner losser te staan, de distributieketting ziet kans een paar tanden over te slaan en de kleppen komen met de zuigers in aanraking. Bij een aantal VAG-modellen moet er op gelet worden dat de meest recente uitvoering van de kettingspanner is gemonteerd. In een aantal landen is hiervoor een terugroepactie voor uitgevoerd.
Figuur 4: Plaats waar bij benadering de spanning kan worden bepaald
Nadat de distributie is gerepareerd moeten ook de adaptiewaarden in de ECU worden gereset. Blijft dit achterwege dan is de kans groot dat de motor regelmatig afslaat, niet voldoende vermogen levert en er weer foutcodes in het storingsgeheugen worden opgeslagen.
Let ook bij de VAG-auto’s op het aanpassen van de smoorklep.
Bij een aantal motoren van Mini, BMW en Peugeot (PSA) kan tijdens het starten een ratelend geluid optreden. Het betreft in dat geval meestal de N12/14/16/18 van Mini, de N13 van BMW en de PSA-motoren 1.4/1.6 (EP6xx en EP3xx).
Ook in deze gevallen is het belangrijk, vanwege de nokkenasverstelling, de oliedruk te controleren; dus meten met een drukmeter bij een bepaalde temperatuur. Bij de BMW/Mini-motoren B38 en B48 is er, naast de hiervoor opgesomde motorproblemen, nog een aspect waar men op moet letten. Dat is de combinatie van een te lage oliedruk en een mechanisch defect van de VANOS-eenheid.
Dat betekent dus oliedruk controleren (zie waarden in de werkplaatsdocumentatie), maar ook eventueel ook schade aan nokkenaslagerkappen. De oliefiltereenheid kan overigens een interne lekkage vertonen. Deze moet dan worden vervangen.
Het niet goed functioneren van het VANOS-systeem kan ook veroorzaakt worden door het borgringetje dat de plunjer op zijn plaats houdt. Deze kan er zijn uitgeschoten en is ergens in het oliecarter terecht gekomen.
En dan kan een niet goed functioneren van het VANOS-systeem veroorzaakt zijn door afgebroken bouten. Het verschil tussen de bouten die naar aanleiding van een terugroepactie zijn gemonteerd (veelal bij N55-motoren in een aantal landen) is dat deze zwart zijn in tegenstelling tot de zilverkleurige oorspronkelijke bouten. Als de bouten zijn afgebroken moeten de restanten uit het carter worden gevist.
Uiteindelijk zal in de meeste gevallen toch het VANOS-systeem moeten worden vervangen. Controleer dan ook grondig de ketting, de kettinggeleiders, enz.
Figuur 5: Was dit de kettinggeleider?
Het is in ieder geval belangrijk dat men weet dat er verschillende typen VANOS-magneetkleppen gemonteerd kunnen zijn. Raadpleeg de werkplaatsdocumentatie, ISTA of de documentatie bij de dealer. Het heeft ook te maken met de software in de ECU. Bij alle merken verdient het aanbeveling na te gaan of er terugroepactief of technische bulletins van toepassing zijn.
Nog even samenvattend; wat te controleren als de distributieketting moet worden vervangen.
Kortweg;
- Het geluid afkomstig van de distributieketting;
- Is deze al gebroken, ga dan na wat (vermoedelijk) de oorzaak was;
- Als de motor nog functioneert, controleer met een oscilloscoop de nokkenastiming.
Fig. 6: De ketting heeft weinig houvast aan het krukastandwiel: er missen een paar tanden…
Voor eventuele reparaties is het raadzaam te beschikken over:
- het benodigde speciaalgereedschap;
- werkplaatsdocumentatie;
- beschikken over externe bronnen, zoals de technische servicebulletins van bijvoorbeeld Diagnose Dan (TSB);
- toegang tot een verzameling oscilloscoopbeelden die betrouwbaar zijn (van bijvoorbeeld Mechanic Mindset);
Deze twee laatstgenoemde zijn dan afkomstig van sites die een abonnementensysteem kennen.
De foto’s bij dit verhaal zijn afkomstig van de FB-pagina van Vos Voertuig Service te Heino;
waarvoor dank!
Atte Roskam
