¶ Kettenspanner: Warum ein Kettentrieb ihn wirklich braucht
Schematisch. Die Animation dazu steht weiter unten im Artikel.
¶ Das Wichtigste in Kürze
Eine Kundenfrage, die uns immer wieder erreicht: Warum hat euer Kettenumbau für den Ölpumpenantrieb einen Kettenspanner, wenn manche Lösungen am Markt ohne ihn gebaut werden? Die kurze Antwort: Weil jede Kette sich über ihre Lebensdauer längt, weil jeder Kettentrieb konstruktionsbedingt schwingt und weil eine Kette, die den Ölpumpenantrieb verliert, den Motor innerhalb von Sekunden mitnimmt. Ein Spanner ist die einzige Komponente, die alle drei Punkte gleichzeitig beherrscht: Er kompensiert die Längung, er dämpft die Schwingungen, und er hält die Kette über Jahre dort, wo sie hingehört.
Kettenlängung ist dabei kein Defekt, sondern normaler Gelenkverschleiß: Werkstattdaten nennen als Größenordnung etwa ein halbes Prozent Längung über 250.000 Kilometer, ab rund einem Prozent gilt eine Steuerkette als verschlissen. Ohne Spanner wandert diese Längung direkt in Kettendurchhang, und Durchhang ist der Anfang einer Verschleißspirale aus Kettenschlag, beschleunigter Längung und am Ende überspringender oder reißender Kette. Die bekannten Kettenschäden bei VW-TSI- und BMW-Dieselmotoren zeigen zudem: Wenn Ketten sterben, ist fast immer der Spanner oder seine Peripherie beteiligt. Die Antwort darauf ist nicht, den Spanner wegzulassen, sondern ihn robust auszuführen.
Die Langfassung erklärt, warum sich Ketten überhaupt längen, was der Polygoneffekt ist, wie federbelastete und hydraulische Spanner von innen funktionieren, was das morgendliche Kaltstart-Rasseln vieler Motoren damit zu tun hat und warum wir die Zusatzkosten eines Spanners für alternativlos halten.
¶ Die Frage, die den Artikel ausgelöst hat
Sie stammt sinngemäß aus einer echten Support-Anfrage: „Ich habe Umbau-Lösungen verglichen. Eure hat einen Kettenspanner, andere nicht. Ist der Spanner nötig, oder bezahle ich da ein Bauteil, das die anderen sich sparen?" Das ist eine ausgezeichnete Frage, und sie verdient eine Antwort, die tiefer geht als „ist besser so". Denn hinter ihr steckt ein echtes Stück Maschinenbau, das man in einer Produktbeschreibung nicht unterbringen kann, in einem Wissensartikel aber sehr wohl.
Um sie zu beantworten, müssen wir drei Dinge verstehen: was eine Kette über ihr Leben tut (sie längt sich), wie sie sich dabei benimmt (sie schwingt) und was auf dem Spiel steht, wenn beides zusammenkommt (beim Ölpumpenantrieb: alles). Danach schauen wir in den Spanner hinein und zum Schluss auf die Frage, warum manche ihn trotzdem weglassen und warum wir davon abraten.
¶ Ketten längen sich. Alle. Immer.
Das Wort „Kettenlängung" führt in die Irre, denn es klingt, als würde Metall gedehnt wie ein Gummiband. Tatsächlich dehnt sich an einer Kette fast nichts. Was wächst, sind ihre Gelenke: Jedes Kettenglied dreht sich bei jedem Umlauf um seinen Bolzen, und an jeder dieser Bolzen-Hülsen-Paarungen trägt der Verschleiß mit den Jahren Material ab, Tausendstel für Tausendstel. Eine Steuerkette hat je nach Länge über hundert solcher Gelenke, und die winzigen Einzelspiele addieren sich über die Kettenlänge zu messbarem Längenzuwachs. Verschleiß mal Gliederzahl, das ist die ganze Formel.
Die Größenordnungen aus der Werkstattpraxis, wohlgemerkt als typische Anhaltswerte, nicht als Normwerte:
| Zustand | Längung | Bedeutung |
|---|---|---|
| Neuzustand nach Einlaufphase | erste messbare Längung in den ersten tausenden Kilometern | normal, Gelenke „setzen sich" |
| Gebraucht, hohe Laufleistung | ca. 0,5 % über etwa 250.000 km | normaler Verschleißverlauf |
| Verschleißgrenze | ab ca. 1 % | Kette gilt als verschlissen, Tausch fällig |
Zwei Dinge an dieser Tabelle sind wichtig. Erstens die Einlaufzeile: Eine Kette längt sich nicht linear, sondern macht einen ersten Setzsprung, wenn die frischen Gelenkflächen sich aufeinander einarbeiten. Eine Konstruktion ohne Nachstellmöglichkeit ist also streng genommen schon nach dem Einlaufen nicht mehr auf Sollspannung. Zweitens die Verschleißgrenze: Ein Prozent klingt lächerlich wenig. Bei einer Kette von einem halben Meter Länge sind das fünf Millimeter, und fünf Millimeter freier Durchhang in einem Trieb, der tausendmal pro Minute umläuft, sind mechanisch eine Welt. Moderne Motorsteuerungen erkennen gelängte Steuerketten übrigens indirekt über den Phasenversatz der Nockenwelle, denn eine längere Kette verdreht die Nockenwelle messbar gegen die Kurbelwelle. Die Werkstattpraxis nennt dafür Größenordnungen von wenigen Grad: Bei BMW gelten je nach Modell etwa vier Grad als Toleranzgrenze und sechs Grad als kritisch, bei VW-Motoren werden mehr als acht Grad Phasenversatz als deutliche Längung gewertet. Das sind Diagnose-Anhaltswerte aus Werkstattquellen, keine offiziellen Herstellerfreigaben, aber sie zeigen, in welch feinen Größenordnungen ein Kettentrieb lebt: Zwischen „in Ordnung" und „kritisch" liegen wenige Grad Verdrehung, entstanden aus Hundertstelmillimetern Gelenkverschleiß.
Dass sich eine Kette längt, ist kein Zeichen schlechter Qualität. Die Kettenhersteller planen es von vornherein ein. Das Fachbuch „Kettensteuertriebe" von Peter Bauer, erschienen mit fachlicher Unterstützung des Kettenherstellers iwis, nennt als üblichen Wert im Lastenheft moderner Motoren „eine gemessene Kettenlängung von 0,5 % bei einer Laufleistung von ca. 250 000 km". Eine Übersichtsarbeit über Prüfstandsstudien zum Kettenverschleiß (Paulovics, Rohde-Brandenburger und Tóth-Nagy, FME Transactions 2022) nennt 0,3 bis 0,5 Prozent über die Lebensdauer als übliche Herstellervorgabe. Dieselbe Arbeit beschreibt den Verlauf an Ketten, die von einem Spanner gespannt werden: Nach einem schnellen Einlauf wächst die Längung lange Zeit gleichmäßig, und erst am Lebensende wird sie wieder schneller. Bauer geht noch einen Schritt weiter. Innen- und Außenglieder werden bewusst mit einem kleinen Teilungsunterschied gebaut, der sich erst nach einer gewissen Laufzeit ausgleicht. Der Verschleiß ist also in der Auslegung der Kette mitgedacht. Die ein Prozent aus der Tabelle sind die Grenze, ab der die Werkstatt tauscht, nicht das, was eine gute Kette im Normalbetrieb erreicht. Mehr zu den Studien und dazu, was die Längung beschleunigt, steht im Beitrag Die Steuerkette: Bauarten, Längung und warum das Öl der größte Hebel ist.
¶ Was ein Prozent in Millimetern bedeutet
Prozente sagen wenig, solange man nicht weiß, wie lang die Kette ist. Dieselbe Prozentzahl ergibt an einer langen Steuerkette ein Vielfaches an Millimetern wie an einer kurzen Ölpumpenkette. Die Rechnung ist einfach: Kettenlänge mal Prozentsatz. Die Tabelle zeigt drei Beispiellängen. 1.530 Millimeter entsprechen dem Rechenbeispiel aus der genannten Übersichtsarbeit, einer Steuerkette mit 9 Millimetern Teilung und 170 Gelenken.
| Längung | Kette 500 mm | Kette 1.000 mm | Kette 1.530 mm |
|---|---|---|---|
| 0,1 % | 0,5 mm | 1,0 mm | 1,5 mm |
| 0,3 % | 1,5 mm | 3,0 mm | 4,6 mm |
| 0,5 % | 2,5 mm | 5,0 mm | 7,7 mm |
| 1,0 % | 5,0 mm | 10,0 mm | 15,3 mm |
Schon der Einlauf einer neuen Kette bringt eine erste messbare Längung, an einer kurzen Kette sind das schnell ein paar Zehntelmillimeter. Ein halber Millimeter klingt nach nichts. Warum er trotzdem zählt, zeigt der nächste Schritt.
¶ Warum aus wenig Längung viel Ausschlag wird
Die zusätzliche Länge verteilt sich nicht gleichmäßig über die Kette. Sie sammelt sich im losen Trum, also dem Abschnitt, der gerade nicht zieht. Dort liegt sie nicht als gerades Stück, sondern als Bogen, und ein flacher Bogen braucht nur wenig Mehrlänge, um weit auszuweichen. Für einen flachen Bogen über eine freie Strecke s gilt näherungsweise: Durchhang ≈ √(3 · s · Mehrlänge ÷ 8). Die folgenden Werte haben wir mit dieser Formel gerechnet und mit der exakten Bogenlänge gegengeprüft.
| Mehrlänge im Trum | Durchhang bei 150 mm freier Länge | Durchhang bei 300 mm freier Länge |
|---|---|---|
| 0,5 mm | etwa 5 mm | etwa 7,5 mm |
| 1,5 mm | etwa 9 mm | etwa 13 mm |
| 5 mm | etwa 17 mm | etwa 24 mm |
Ein halber Millimeter Mehrlänge wird also zu mehreren Millimetern Durchhang, rund das Zehnfache. Und weil der Strang von einer Seite zur anderen schlagen kann, ist der Weg, den er dabei zurücklegt, noch größer. Die Werte sind Größenordnungen für einen einfachen Bogen, kein Maß für einen bestimmten Motor. Wie viel davon im echten Trieb ankommt, hängt von Geometrie, Einbaulage und Drehzahl ab.
Zum Problem wird das, sobald der Ausschlag den Platz ausfüllt, den die Kette hat. Dann schlägt sie gegen Gehäuse, Schienen oder Räder. Jeder Schlag trifft die Gelenke, die Längung wächst, und weil der Durchhang mit der Längung wächst, wächst auch der Schlag. Mit Spanner wird diese Spirale bei jedem Millimeter wieder zurückgesetzt, und die Längung verläuft über lange Zeit gleichmäßig, so wie es die Studien beschreiben. Ohne Spanner fehlt diese Bremse. Aus unserer Werkstatterfahrung schaukelt sich das dann in kurzer Zeit auf, bis die Kette am kleinen Rad über einen Zahn springt oder reißt. Eine veröffentlichte Messreihe zu diesem Verlauf haben wir nicht gefunden.
Schematisch, nicht maßstäblich, Längung und Ausschlag im gleichen Verhältnis stark überhöht. Aus einem kleinen Stück Mehrlänge wird ein großer Ausschlag, und ohne Spanner holt ihn niemand zurück.
Deshalb braucht jeder Kettentrieb einen Spanner, auch einer, dessen Kette sich nur um ein Zehntelprozent längt.
Halten wir fest: Längung ist kein Ausnahmefall, gegen den man sich wappnen kann, indem man eine besonders gute Kette kauft. Sie ist der zertifizierte Normalzustand jeder Kette, vom ersten bis zum letzten Kilometer. Die Frage ist nie, ob die Kette länger wird. Die Frage ist nur, wer das ausgleicht.
Schematisch, nicht maßstäblich, die Längung stark übertrieben. Erst ein kurzer, schneller Einlauf, danach eine lange, gleichmäßige Längung: So altert jede Kette, auch eine gute. Der Spanner fährt nach und hält sie gespannt.
¶ Der Polygoneffekt: warum Ketten von Natur aus unruhig laufen
Zur Längung kommt eine Eigenschaft, die Ketten von Zahnriemen und Zahnrädern grundsätzlich unterscheidet: Eine Kette läuft nicht rund. Sie kann es nicht, denn sie besteht aus starren Gliedern. Auf dem Kettenrad liegt sie nicht wie ein Riemen auf einer Kreisbahn, sondern wie ein Vieleck auf seinen Ecken, und ein Vieleck, das abrollt, erzeugt eine periodische Geschwindigkeitsschwankung. Die Fachwelt nennt das den Polygoneffekt.
Wie stark er ausfällt, hängt von der Zähnezahl des Rades ab: Bei einem kleinen Rad mit 16 Zähnen schwankt die Kettengeschwindigkeit um etwa zwei Prozent pro Umdrehung, mit steigender Zähnezahl wird es schnell besser, ab etwa 40 Zähnen ist der Effekt praktisch verschwunden. Kompakte Kettentriebe mit kleinen Rädern, wie sie im beengten Bauraum eines Motors üblich sind, zappeln also konstruktionsbedingt am meisten. Diese ständige kleine Beschleunigung und Verzögerung wirkt auf die Kette wie ein Rüttler: Sie regt Schwingungen an, und zwar in beide Richtungen. Längsschwingungen lassen die Zugkraft im Strang pulsieren, Querschwingungen bringen lange, lose Kettenabschnitte zum Flattern, bis sie hörbar gegen Führungen und Gehäuse schlagen. Werkstätten kennen das Geräuschbild als Kettenrasseln oder Kettenschlag.
Ein straffer Kettenstrang kann kaum quer schwingen, sein flatternder Abschnitt ist schlicht zu kurz. Ein durchhängender Strang dagegen ist eine gespannte Gitarrensaite mit Anregung im Dauerbetrieb. Und jeder Schlag der Kette gegen Führung oder Rad ist ein kleiner Hammerschlag auf genau die Gelenke, deren Verschleiß die Längung antreibt. Damit schließt sich der Kreis zur vorigen Sektion, und zwar als Spirale: Längung erzeugt Durchhang, Durchhang erlaubt Schwingung, Schwingung beschleunigt die Längung. Diese Spirale läuft von allein, wenn niemand eingreift. Der Eingriff heißt Kettenspanner.
Schematisch, nicht maßstäblich. Jeder Zahn hebt und senkt den ablaufenden Strang ein wenig, und dieser Takt regt die Kette zum Schwingen an.
¶ Was beim Ölpumpenantrieb auf dem Spiel steht
An dieser Stelle ein Einwand, den wir ernst nehmen: Beim Steuertrieb eines Ventiltriebs leuchtet jedem ein, dass eine überspringende Kette eine Katastrophe ist, denn dann treffen Ventile auf Kolben, und der Zylinderkopf ist hinüber. Eine Ölpumpenkette steuert aber nichts. Ob die Pumpe eine Zehntelumdrehung „falsch" steht, ist ihr vollkommen gleichgültig. Braucht so ein Trieb überhaupt dieselbe Sorgfalt?
Unsere Antwort: mehr davon. Denn was der Ölpumpenkette an Präzisionsanforderung fehlt, hat sie an Konsequenz. Beim Ventiltrieb kündigt sich eine sterbende Kette meist an, mit Rasseln, mit Phasenversatz-Fehlermeldungen, mit spürbar unrundem Lauf. Der Ölpumpentrieb hat kein solches Frühwarnsystem im Cockpit. Er hat nur zwei Zustände: Er läuft, oder er läuft nicht. Springt die Kette dort ab oder reißt sie, steht die Ölpumpe, und mit ihr endet die Versorgung jedes Lagers im Motor, bei voller Fahrt, ohne Vorwarnung, mit der Öldruckwarnleuchte als letzter Meldung eines bereits laufenden Schadens. Wir haben die Anatomie dieses Szenarios beim Serien-Antrieb über den Sechskant-Mitnehmer im Ausgleichswellenmodul-Artikel beschrieben, und die Lektion von dort gilt hier genauso: Der Antrieb der Ölpumpe ist die einzelne Stelle im Motor, an der ein kleines Bauteilversagen ohne Zwischenstufe zum Totalschaden wird.
Wer einen Kettentrieb für genau diese Stelle konstruiert, hat deshalb aus unserer Sicht keinen Ermessensspielraum bei der Frage, ob die Kette über 200.000 Kilometer sauber gespannt bleibt. Er hat nur die Wahl, wie.
¶ Federbelastet oder hydraulisch: die zwei Schulen
Kettenspanner gibt es in zwei Grundbauarten, und beide sind ausgereifte, millionenfach bewährte Technik.
Der federbelastete Spanner ist die robuste Schule: Eine Feder drückt dauerhaft einen Spannschuh oder eine Schiene gegen den losen Kettenstrang. Er braucht keinen Öldruck, funktioniert vom ersten Kurbelwellengrad an, hat keine Kammern, die leerlaufen können, und kein Ventil, das undicht werden kann. Seine Dämpfung bezieht er aus Federkennlinie und Reibung.
Der hydraulische Spanner ist die feinfühlige Schule: Auch hier liefert eine Feder die Grundspannung, aber die eigentliche Arbeit macht Motoröl. Der Spannkolben sitzt in einem Zylinder, der über ein kleines Rückschlagventil aus dem Ölkreislauf befüllt wird. Drückt die Kette stoßartig gegen den Kolben, kann das Öl nur langsam durch einen definierten Leckspalt entweichen, der Spanner steht in diesem Moment praktisch starr und schluckt den Stoß. Lässt die Kettenspannung nach, schiebt die Feder den Kolben nach, das Rückschlagventil lässt Öl nachströmen, und die neue Position ist hydraulisch abgestützt. Viele Ausführungen tragen zusätzlich eine mechanische Ratsche, die den Kolben gegen Zurückrutschen verriegelt, falls der Öldruck fehlt.
Schematisch, nicht maßstäblich. Gibt die Kette nach, schiebt die Feder den Kolben vor und Öl strömt über das Rückschlagventil nach. Durch den Leckspalt tritt ständig etwas Öl aus, beim Schlag mehr: Der Spanner steht fast starr und weicht nur langsam aus. Die Rastersperre begrenzt, wie weit der Kolben zurückweichen kann.
| federbelastet | hydraulisch | |
|---|---|---|
| Spannkraftquelle | Feder | Feder + Öldruck |
| Dämpfung | Federkennlinie, Reibung | Leckspalt-Drosselung (geschwindigkeitsabhängig) |
| Funktion ohne Öldruck | uneingeschränkt | eingeschränkt (Feder + ggf. Ratsche als Rückfallebene) |
| Typische Schwäche | begrenzte Dämpfungsfeinheit | undichtes Rückschlagventil, leergelaufene Kammer |
| Typischer Einsatz | einfache, kurze Triebe, Nebenaggregate | Steuertriebe mit hoher dynamischer Last |
Keine der beiden Bauarten ist pauschal die bessere. Welche die richtige ist, hängt von Motor, Last und Einsatzzweck ab – und von einem Punkt, der leicht übersehen wird: Ein hydraulischer Spanner ist immer nur so stark wie der Öldruck, der ihn versorgt. Ausgerechnet an einem Motor mit Öldruckproblemen, also dort, wo es am meisten darauf ankommt, kann er im falschen Moment nachgeben, während ein federbelasteter Spanner unabhängig vom Öldruck weiterspannt. Warum diese Abwägung am Ölpumpentrieb anders ausfällt als am Steuertrieb, erklärt das nächste Kapitel.
Der bekannteste Alltagsbeweis dafür, dass diese Technik wirklich arbeitet, ist übrigens ein Geräusch, das viele Leser kennen: das kurze Kettenrasseln mancher Motoren in den ersten zwei, drei Sekunden nach dem Kaltstart. Die Erklärung ist ein Blick in die Tabelle: Bei vielen hydraulischen Spannern läuft über Nacht Öl aus der Druckkammer ab, etwa über das Rückschlagventil oder einen leerlaufenden Zulaufkanal, und beim Start hängt die Kette durch, bis die Ölpumpe den Spanner wieder gefüllt hat. Das Geräusch ist also nichts anderes als der hörbare Unterschied zwischen einer gespannten und einer ungespannten Kette, jeden Morgen aufs Neue vorgeführt. Wer es einmal so gehört hat, braucht keine weitere Begründung, warum Kettenspannung kein optionales Feature ist. Ein kurzes Rasseln allein ist dabei noch kein Schaden. Wird es aber länger oder tritt es auch warm auf, ist das ein Verschleißsignal, das man nicht ignorieren sollte.
Schematisch, nicht maßstäblich. Gleicher Auslöser, gleicher Kettenschlag, zwei Antworten: Der federbelastete Spanner braucht keinen Öldruck, schwingt aber länger nach. Der hydraulische dämpft über das Öl, hängt dafür am Öldruck.
¶ Ölpumpentrieb und Steuertrieb: zwei verschiedene Aufgaben
Die Tabelle oben ordnet den federbelasteten Spanner den kurzen, einfachen Trieben zu und den hydraulischen den Steuertrieben. Das ist keine Geschmacksfrage. Es folgt aus dem, was an der Kette zieht.
Am Steuertrieb hängt die Nockenwelle. Jeder Nocken drückt ein Ventil gegen seine Feder auf und lässt es wieder zurücklaufen. Beim Öffnen bremst die Ventilfeder die Nockenwelle, beim Schließen schiebt sie sie an, und so wechselt das Moment an der Welle bei jeder Umdrehung mehrfach die Richtung. Die Kette wird im Takt der Ventile abwechselnd gezogen und entlastet. Dazu kommen Nockenwellenversteller, die die Welle während der Fahrt gegenüber der Kurbelwelle verdrehen, und jeder Lastwechsel, der über die Kurbelwelle in die Kette schlägt. Steuerketten sind außerdem lang, weil sie von der Kurbelwelle bis in den Zylinderkopf reichen, und ein langer Strang schwingt leichter. Der Spanner muss dort Stöße schlucken, die in schneller Folge aus beiden Richtungen kommen. Dafür ist die hydraulische Dämpfung gemacht: Einem schnellen Stoß gibt sie kaum nach, einer langsamen Längung folgt sie willig.
Am Ölpumpentrieb geht es ruhiger zu. Die Pumpe setzt der Kette einen gleichmäßigen Widerstand entgegen, der mit Drehzahl und Öltemperatur langsam steigt und fällt, aber nicht im Takt einzelner Ventile hin- und herspringt. Ob der Fahrer Gas gibt oder vom Gas geht, ändert an ihrem Bedarf im Moment wenig. Die Kette ist kurz, denn Kurbelwelle und Ölpumpe liegen meist nah beieinander. Was an Unruhe bleibt, kommt vor allem aus der Längung und aus dem Polygoneffekt, also aus langsamen oder gleichmäßig wiederkehrenden Vorgängen. Die gleicht eine Feder aus, ohne dafür Öldruck zu brauchen. Das Fachbuch von Bauer beschreibt es für Ölpumpentriebe genauso: „Auf ein hydraulisches Spannelement wird in der Regel verzichtet; zum Einsatz kommen üblicherweise mechanische Spanner mit Federvorspannung." Auf den Spanner selbst verzichtet man dagegen nicht.
| Steuertrieb | Ölpumpentrieb | |
|---|---|---|
| Was an der Kette zieht | Nockenwelle, das Moment wechselt bei jedem Ventilhub die Richtung | Ölpumpe, gleichmäßiger Widerstand |
| Lastwechsel | schlagen über die Kurbelwelle durch, dazu Nockenwellenversteller | wirken kaum |
| Kettenlänge | lang, bis in den Zylinderkopf | kurz |
| Was der Spanner leisten muss | schnelle Stöße aus beiden Richtungen dämpfen | Längung nachführen, Strang ruhig halten |
| Passende Bauart | hydraulisch | federbelastet |
Dazu kommt der Punkt aus dem vorigen Kapitel: Ein hydraulischer Spanner hängt am Öldruck. An dem Trieb, der den Öldruck überhaupt erst erzeugt, wäre das ein Zirkelschluss. Gerade beim Kaltstart, wenn die Pumpe noch Druck aufbauen muss, wäre ihr eigener Spanner noch leer. Bei unseren Ölpumpen-Kettenumbauten setzen wir deshalb auf einen federgespannten Spanner. Wie er ausgelegt ist, behalten wir, wie bei unseren Pumpenkennlinien auch, für uns.
Umgekehrt lässt sich daraus nicht schließen, dass am Steuertrieb eine Feder genügen würde. Eine Feder, die am Ölpumpentrieb reicht, wäre für die Stöße der Nockenwelle zu weich. Eine Feder, die hart genug für diese Stöße wäre, würde die Kette dauerhaft überspannen und Kette, Schienen und Lager schneller verschleißen lassen. Diesen Widerspruch löst erst die hydraulische Dämpfung, die nur gegen schnelle Bewegungen hart ist.
¶ Wann eine Gleitschiene dazukommt
Ein Spanner drückt an einer Stelle auf den losen Strang. Ist der Strang lang, bleibt zwischen Spanner und Kettenrad genug freie Kette, um trotzdem zu schwingen, und dann gehört eine Gleitschiene dazu, die ihn auf ganzer Länge führt. Eine feste Grenze, ab welcher Länge das nötig ist, gibt es nicht. Es hängt von mehreren Dingen zugleich ab:
- Freie Länge und Kettengröße. Was bei der einen Kette noch ruhig läuft, flattert bei einer anderen schon. Es kommt auf das Verhältnis von freier Länge, Kettenteilung und Spannkraft an.
- Einbaulage. Ein senkrecht hängender Strang wird von der Schwerkraft längs gezogen und hängt sich gerade. Ein liegender Strang wird quer zu seiner Laufrichtung nach unten gezogen, hängt durch und kommt leichter ins Schlagen. Dieselbe Kette kann in der einen Lage ohne Schiene auskommen und in der anderen eine brauchen.
- Drehzahlbereich. Jeder freie Strang hat Drehzahlen, bei denen ihn der Polygoneffekt im Takt anstößt und er aufschaukelt. Liegen sie im Betriebsbereich des Motors, braucht er Führung.
- Die Geometrie des Ganzen. Kette, Spanner und Schiene arbeiten als ein System: wo der Spanner angreift, wie lang und wie gekrümmt die Schiene ist, in welchem Winkel der Strang auf die Räder zuläuft. Eine Schiene an der falschen Stelle hilft so wenig wie keine.
Deshalb legen wir für jeden Einbauort und jede Bauart einzeln fest, ob eine Gleitschiene dazugehört und wie sie aussieht. Was eine Gleitschiene aushalten muss und woraus sie besteht, steht im Beitrag zu den Gleit- und Spannschienen der Steuerkette.
¶ Lehren aus fremden Schäden
Dass ausgerechnet der Spanner die kritische Komponente eines Kettentriebs ist, muss man nicht theoretisch begründen. Die Schadensstatistik der letzten fünfzehn Jahre hat es zweimal in Großserie vorgeführt, und beide Fälle sind lehrreich, gerade weil sie nicht unsere Motoren betreffen.
VW EA111 (1.2/1.4 TSI): Die Steuerkettentriebe dieser Benziner-Generation fielen teils schon nach 30.000 bis 40.000 Kilometern auf. Werkstatt-Fachportale benennen als Kernproblem den Spanner: ein schwacher Verriegelungsmechanismus, dem ein wirksames Rückschlagventil fehlte, sodass der Spanner seine Position ohne Öldruck nicht halten konnte, dazu verschleißende Gleitschienen. VW selbst nannte 2012 eine andere Ursache. Laut Handelsblatt vom 13. April 2012 räumte VW beim 1,4-Liter-TSI einen Produktionsfehler ein: Der Zulieferer der Kette habe seine Stanzwerkzeuge „über deren Verschleißgrenze hinaus verwendet", so der Chef der VW-Qualitätssicherung gegenüber der Zeitschrift „Auto Bild". An den Kettenlaschen entstanden Späne und Grate, und die Kette verschliss im Betrieb schnell. Das ist ein Fertigungsfehler an der Kette, nicht am Spanner. Beide Erklärungen schließen sich nicht aus, und beide führen in dasselbe Schadensbild. Die Folge war das komplette Programm aus diesem Artikel: Durchhang, Rasseln, beschleunigte Längung, übersprungene Kette, Motorschaden. Laut den Werkstattportalen besserte VW 2012 auch den Spanner nach. Die Nachfolgegeneration EA211 stellte VW gleich ganz auf Zahnriemen um.
BMW N47 (2.0 Diesel): Hier kamen Gleitschienen und Spanner gemeinsam in Verruf. Werkstätten beobachten, dass die Kunststoffschienen mit den Jahren hart werden und brechen und dass der hydraulische Spanner die wachsende Kettenlängung irgendwann nicht mehr einholt. Eine veröffentlichte Laboruntersuchung gebrochener N47-Schienen haben wir nicht gefunden, selbst der Werkstoff wird in den Quellen widersprüchlich angegeben. Dass die Wärme im Öl die Schienen spröde gemacht hat, ist deshalb eine naheliegende Vermutung und kein Befund. Was über Kunststoff, Temperatur und Alterung bekannt ist, steht im Beitrag zu den Gleit- und Spannschienen der Steuerkette. Auch hier stand am Ende der Verschleißspirale der kapitale Motorschaden. Als Abhilfe der Nachfolgegeneration nennen Werkstatt-Fachportale einen verstärkten Spanner, zähere Schienen und eine geänderte Kettengeometrie, ein Herstellerdokument dazu haben wir nicht gefunden.
Ein dritter Fall stammt aus unserer eigenen Motorenfamilie, und er ist der lehrreichste von allen: die Antriebskette der frühen EA189-Ausgleichswellenmodule. Diese Kette wurde von einem hydraulischen Spanner gespannt, also von einem Bauteil, das selbst am Öldruck hängt. Verschliss nun der Sechskant-Mitnehmer und wurde die Ölpumpe des Moduls nicht mehr sauber angetrieben, fiel der Öldruck, der Spanner verlor seine Spannkraft, die Kette begann zu schlagen und zerlegte die ganze Antriebseinheit. Die vollständige Geschichte steht im Modul-Artikel. Für dieses Kapitel liefert sie die dritte Lektion: Ein hydraulischer Spanner ist immer nur so gut wie die Öldruckversorgung hinter ihm. Ein Kettentrieb, der an einem kränkelnden Ölsystem hängt, verliert im schlechtesten Moment auch noch sein Spannsystem, und genau deshalb gehören bei unseren Umbauten Kettenauslegung und Pumpenauslegung zusammen gedacht: Die Kette unseres Umbaus hängt an einer Pumpe mit Reserven, nicht an einer sterbenden.
Die Pointe aller drei Fälle ist dieselbe, und sie wird gern falsch herum gelesen: Nicht „Ketten sind Problembauteile", sondern „Kettentriebe stehen und fallen mit ihrem Spannsystem und dessen Versorgung". In allen drei Fällen war das System beteiligt, das die Spannung der Kette halten sollte, beim EA111 nach Aussage von VW zusätzlich ein Fertigungsfehler an der Kette selbst. Wer daraus den Schluss zieht, man könne das Spannsystem einfach weglassen, hat die Statistik einmal komplett gegen ihren Inhalt interpretiert.
¶ Woran man ein müdes Spannsystem erkennt
Aus den Schadensfällen lässt sich ein praktischer Nutzen ziehen, denn ein alterndes Spannsystem kündigt sich oft hörbar an. Die Geräusche sind Hinweise, keine Diagnose, aber sie sagen, wann sich ein Blick in der Werkstatt lohnt:
| Geräuschbild | Wahrscheinliche Bedeutung | Dringlichkeit |
|---|---|---|
| kurzes Rasseln nur beim Kaltstart, nach wenigen Sekunden weg | Spanner hat über Nacht Öl verloren und füllt sich, bis der Öldruck steht. Bei vielen Motoren normal | kein Handlungsbedarf, Dauer im Blick behalten |
| Kaltstart-Rasseln wird über Monate deutlich länger | Spanner oder Kette verschleißen möglicherweise | Werkstatttermin einplanen |
| Rasseln auch beim warmen Wiederstart oder im Leerlauf | Spannsystem hält die Kette auch mit Öldruck nicht mehr | zeitnah prüfen lassen |
| dauerhaftes Kettenschlagen, dazu Fehlermeldungen zur Nockenwellenstellung | Längung jenseits der Toleranz, Überspringen droht | nicht mehr fahren, prüfen lassen |
Die Tabelle ist keine Zeitachse. Viele Motoren rasseln jahrelang ein, zwei Sekunden nach dem Kaltstart, ohne dass je mehr daraus wird. Die Hersteller sagen das in ihren Werkstattunterlagen ausdrücklich. Mercedes schreibt zum Startrasseln der Motoren M276, M278 und M157 „No consequential damage is to be expected" (ein Folgeschaden ist nicht zu erwarten), Audi zum Rasseln des V6 3.0 TFSI in den ersten ein bis drei Sekunden nach dem ersten Start des Tages „The noises do not lead to damage" (die Geräusche führen zu keinem Schaden). Ford schreibt 2021 zum Rasseln der Nockenwellenversteller im 3,5-Liter-V6 der F-150, ein solches Geräusch beeinträchtige weder Sicherheit noch Leistung noch Abgaswerte. Ernst wird es, wenn sich das Bild verändert: wenn das Rasseln länger wird, auch warm auftritt oder Fehlermeldungen dazukommen. Wer sich merkt, wie lange das Geräusch morgens dauert, bemerkt so eine Veränderung früh. Wie man das Rasseln nach Dauer und Zeitpunkt deutet und wann es gar nicht vom Spanner kommt, steht im Beitrag Rasseln beim Kaltstart.
Für den Ölpumpentrieb gilt die Einschränkung aus dem Kapitel oben: Er hat dieses Vokabular nur eingeschränkt, denn er sitzt tief im Motor und seine Geräusche gehen im Lauf des Kurbeltriebs leichter unter. Umso wichtiger ist dort, was die Konstruktion von sich aus mitbringt, und damit sind wir bei der Ausgangsfrage zurück.
¶ Warum ein Kettentrieb ohne Spanner keine Option ist
Bleibt die Ausgangsfrage: Warum gibt es am Markt überhaupt Umbauten ohne Kettenspanner? Die Gründe sind wirtschaftlich, nicht technisch. Ein Spanner kostet Geld, er braucht Bauraum, und er muss konstruiert, erprobt und gefertigt werden. Lässt man ihn weg, wird der Umbau billiger. Das Argument, das dann meist folgt, lautet: kurze Kette, wenig Längung, kein Spanner nötig. Wir halten es für falsch, und wir raten in jedem Fall davon ab, eine Kette ohne Spanner zu montieren.
Warum, haben Sie in diesem Artikel gelesen. Jede Kette längt sich, und zwar zuerst im Einlauf, schon nach den ersten tausenden Kilometern. Eine fest montierte Kette ist danach länger als bei der Montage, und niemand stellt sie nach. Schon diese kleinste Längung reicht, damit die Kette im losen Trum zu schlackern beginnt, denn wie die Tabelle oben zeigt, wird aus einem halben Millimeter Mehrlänge ein Vielfaches an Ausschlag. Jede dieser Schlackerbewegungen stört den ruhigen Lauf, die Glieder treffen hart auf die Zähne, die Gelenke verschleißen über das normale Maß hinaus, die Kette wird länger und schlackert noch stärker. Das schraubt sich auf, bis die Kette überspringt oder reißt. Dazu kommt der Betrieb: Der Achsabstand ist im warmen, arbeitenden Motor keine feste Zeichnungsgröße. Wärmedehnung, Lagerspiele und Lastwechsel lassen die Spannung im Strang pendeln, und was die Konstruktion nicht nachführt, wird zu Durchhang und Schwingung.
Auch ein kurzer Achsabstand ändert daran nichts. Besonders deutlich wird das, wenn der Trieb liegend eingebaut ist, wenn er in einem Drehzahlbereich arbeitet, in dem der freie Strang anfängt zu schwingen, oder wenn die Kette durch den Einlauf gleich zu Beginn den entscheidenden Millimeter verliert. Ein Trieb ohne Spanner mag am ersten Tag unauffällig laufen. Er wird mit jedem Kilometer schlechter, ohne dass etwas nachstellt und ohne dass es jemand bemerkt. Dass manche Anbieter den Spanner aus Kostengründen weglassen, halten wir deshalb für die falsche Sparstelle, denn die Lebensdauer des ganzen Triebs hängt daran. Ein Trieb mit Spanner wird ebenfalls älter, aber er wird dabei ständig nachgestellt und gedämpft.
Das Bild zeigt beide Triebe mit derselben, gleich weit gelängten Kette. Links schiebt die Feder den Spanner um genau das Stück nach, das die Kette länger geworden ist, und der lose Strang bleibt ruhig. Rechts holt niemand dieses Stück ein. Der Strang hängt durch, der Polygoneffekt stößt ihn bei jedem Zahn an, und er beginnt zu schlagen, gegen das Gehäuse, gegen die Räder und gegen sich selbst.
Man kann es auch in der Sprache unseres Auslegungs-Artikels sagen: Wer auf den Spanner verzichtet, wettet darauf, dass Einlauf, Wärmedehnung und Verschleiß beim konkreten Motor über die gesamte Restlebensdauer günstig ausfallen. Diese Wette geht nach allem, was wir über Ketten wissen, nicht auf. Wir bauen den Spanner ein, weil wir Umbauten für die volle zweite Lebenshälfte eines Motors konstruieren, nicht für die ersten unauffälligen Jahre danach. Bei einem Bauteil, dessen Versagen den Motor komplett zerstört, halten wir jede andere Entscheidung für die falsche Sparstelle.
¶ Vom Einlauf bis zum Riss
Wie das zu Ende geht, zeigt die Animation an einem senkrechten Ölpumpentrieb, unten die Kurbelwelle, oben die Ölpumpe. Links läuft die Kette ohne Spanner, so kurz wie möglich und spielfrei montiert. Rechts läuft derselbe Trieb mit einer Spannschiene, die eine Feder gegen das lose Trum drückt. Er hat seine eigene Geometrie, denn an die kürzestmögliche Kette passt kein Spanner, der von der Seite dazukommt. Beide laufen mit derselben Drehzahl und derselben Laufleistung. Im Rechenbeispiel mit 8 Millimetern Teilung und 50 Gliedern wird die Kette im Einlauf 0,4 Millimeter länger, und schon das lässt das lose Trum rund 4 Millimeter zur Seite ausweichen. Ab einer bestimmten Drehzahl bildet sich eine Welle, die Kette schlägt gegen das Gehäuse, und jeder Schlag längt sie weiter. Am Ende steigt sie am Pumpenrad auf die Zähne und reißt. Die Kurbelwelle dreht weiter, die Ölpumpe steht, der Öldruck fällt auf null, und kurz darauf ist der Motor hinüber. Rechts schiebt die Feder die Schiene um genau das Stück nach, um das die Kette länger wird. Kette und Öldruck bleiben ruhig.
Schematisch, Maße als Rechenbeispiel. Gleiche Drehzahl, gleiche Laufleistung: Ohne Spanner endet der Trieb im Riss, mit Spanner läuft er ruhig weiter. Der graue Bereich der Manometer unter 1 bar ist der, in dem ein solches Gerät keinen genauen Wert mehr zusichert (warum).
¶ Warum überhaupt eine Kette?
Bleibt zum Schluss die Frage vor der Frage: Warum setzen wir für den Ölpumpenantrieb überhaupt auf eine Kette, wo die Motorenwelt doch auch andere Konzepte kennt? Die Antwort ergibt sich aus dem Vergleich der drei Zugmittel, die für diese Aufgabe infrage kommen, und sie fällt deutlicher aus, als man denkt.
Der Formschluss über einen Mitnehmer, die Serienlösung des EA189 mit Ausgleichswellenmodul, ist kompakt und billig, konzentriert aber die gesamte Kraftübertragung auf eine winzige, verschleißende Kontaktfläche, mit den bekannten Folgen. Der Zahnriemen im Ölbad läuft leise und reibungsarm, besteht aber aus einem Elastomer, das im alternden Öl chemisch lebt und stirbt, seine Bilanz haben wir ausführlich gezogen. Die Kette schließlich ist das einzige der drei Konzepte, das vollständig aus Metall besteht: Ihr ist die Ölqualität chemisch gleichgültig, sie kennt keine Zersetzung, und ihr einziger Alterungsmechanismus, die Gelenklängung, ist genau der, den ein Spanner konstruktiv beherrscht.
Das ist die eigentliche Pointe dieses Artikels, und sie beantwortet die Kundenfrage vom Anfang vollständiger, als es der Spanner allein könnte: Eine Kette mit Spanner ist die Kombination, bei der jede bekannte Schwäche des Systems ein zuständiges Gegenbauteil hat. Die Längung fängt der Spanner, die Schwingung dämpft er mit, und das Material altert nicht mit dem Öl. Eine Kette ohne Spanner hätte ihre Hauptschwäche dagegen unbeantwortet gelassen, und genau deshalb war der Spanner bei uns nie eine Ausstattungsfrage, sondern Teil des Konzepts.
Aus derselben Logik folgt übrigens, warum die Kette bei uns nicht nur beim EA189-Modulersatz zum Einsatz kommt: Bei den Motorvarianten, deren Ölpumpe ab Werk am Zahnriemen im Ölbad hängt, ersetzen unsere Umrüstungen genau diesen Riemen durch eine verstärkte High-Performance-Kette samt neu konstruiertem Pumpenantrieb. Das Elastomer-Bauteil mit dem unlösbaren Abriebproblem verschwindet, an seine Stelle tritt das Zugmittel, dessen einziger Alterungsmechanismus beherrschbar ist. Dieselbe Entscheidung, zweimal getroffen, aus denselben Gründen.
¶ Siehe auch
- Der Steuerkettentrieb: Aufbau, Verschleiß, Ölversorgung
- Rasseln beim Kaltstart: Spanner, Versteller oder Kette?
- Gleit- und Spannschienen der Steuerkette: welcher Kunststoff drinsteckt und was Hitze aus ihm macht
- Das Ausgleichswellenmodul im 2.0 TDI (EA189)
- Die Ölpumpe verstehen: was sie leistet, was sie begrenzt und was sie fürchtet
- Warum mehr Förderleistung immer die bessere Wahl ist
- Zahnriemen im Öl: die Zeitbombe, die man nicht prüfen kann
- Die Öldruckwarnleuchte: was sie sagt und was nicht
Transparenzhinweis: Wir entwickeln und verkaufen den hier erwähnten Kettenumbau selbst. Die Längungs- und Gradzahlen stammen aus Werkstatt-Fachportalen und sind als typische Anhaltswerte gekennzeichnet, die Schadensbilder EA111 und N47 aus Werkstatt-Fachportalen und der Presse (Handelsblatt, 13.04.2012), die Aussagen von Audi, Mercedes und Ford zum Startrasseln aus deren Werkstattunterlagen. Die Auslegungsdetails unseres eigenen Spannsystems veröffentlichen wir nicht.