¶ Steuerkette gelängt? Warum das Öl mehr zählt als die Kette
Neuteil, eigenes Foto. Eine Rollenkette für den Steuertrieb. Jedes Gelenk ist ein Bolzen in einer Hülse, und dort entsteht die Längung.
¶ Das Wichtigste in Kürze
Eine gelängte Steuerkette ist nicht gedehnt. Der Stahl ihrer Laschen bleibt so lang, wie er war. Länger wird die Kette, weil sich in jedem ihrer rund 150 bis 180 Gelenke der Bolzen ein kleines Stück in seine Lagerstelle hineinarbeitet. Diese winzigen Spiele addieren sich. Die Folge ist, dass die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zurückbleibt, und genau diesen Phasenversatz misst das Motorsteuergerät.
Es gibt drei Bauarten. In der Rollenkette und der Hülsenkette dreht sich der Bolzen in einer eingepressten Hülse. In der Zahnkette läuft er direkt in den Bohrungen gezahnter Laschen. Die Zahnkette ist leiser, verschleißt aber nach Fachliteratur und Forschung mehr. Viele Benziner fahren eine, etwa der 1,4-Liter-TSI der Baureihe EA111.
Der Verschleiß läuft in drei Phasen. Am Anfang längt sich eine neue Kette schnell, weil die Gelenkflächen sich einarbeiten. Danach wächst die Längung bei einem gespannten Trieb lange Zeit gleichmäßig, und erst am Ende der Lebensdauer wird sie wieder schneller. Die Herstellervorgabe für moderne Motoren liegt bei etwa 0,5 Prozent Längung nach rund 250.000 Kilometern.
Der größte einzelne Hebel ist dabei nicht die Kette, sondern das Öl. Im Kettengelenk bildet sich kein tragendes Ölpolster, dort reibt Metall auf Metall, geschützt nur von hauchdünnen Schichten aus dem Öl. Eine Übersichtsarbeit der Universität Győr fasst Motorversuche so zusammen, dass gealtertes, verdünntes, saures oder stark verrußtes Öl den Kettenverschleiß um mehr als das Zehnfache steigern kann. Kalter Kurzstreckenbetrieb wirkt in dieselbe Richtung, über Wasser, Säuren und Kraftstoff, die aus den Blow-by-Gasen im Öl landen. Wer seiner Kette etwas Gutes tun will, wechselt das Öl rechtzeitig und nimmt das richtige.
Das war die kurze Antwort. Wer verstehen will, was in einem Kettengelenk tatsächlich passiert, woher die Zahlen stammen und wo die Forschung selbst noch Lücken hat, findet ab hier die Langfassung: mit Messwerten aus Motorprüfständen, Angaben aus der Fachliteratur der Kettenhersteller und den Stellen, an denen man vorsichtig sein sollte.
¶ Rollenkette, Hülsenkette, Zahnkette: drei Bauarten, drei verschiedene Gelenke
Von außen sieht jede Steuerkette gleich aus: Laschen, Bolzen, ein endloses Band aus Stahl. Der Unterschied steckt im Gelenk, also dort, wo sich zwei Kettenglieder gegeneinander drehen. Und weil der Verschleiß genau dort entsteht, entscheidet die Bauart des Gelenks mit darüber, wie stark sich eine Kette im Laufe ihres Lebens längt.
Das Fachbuch „Kettensteuertriebe" von Peter Bauer, 2013 mit fachlicher Unterstützung des Kettenherstellers iwis erschienen, beschreibt die drei Bauarten so. Eine Rollenkette besteht aus Innen- und Außengliedern. Im Innenglied sind zwei Hülsen in die Innenlaschen gepresst, über den Hülsen drehen sich Rollen. Im Außenglied halten zwei Außenlaschen die Bolzen, und jeder Bolzen steckt in einer Hülse. Die Hülsenkette verzichtet auf die Rollen. Ihre Hülsen sind im Durchmesser größer und greifen selbst in das Kettenrad. Die Zahnkette ist eine Sonderform. Bei ihr sind die Laschen selbst gezahnt und übernehmen den Eingriff ins Rad, und eine Hülse gibt es nicht.
Schematisch, nicht maßstäblich. Die ockerfarbene Linie ist die Gelenkfläche. Dort entsteht der Verschleiß, der die Kette länger macht.
Die Zeichnung zeigt, worauf es ankommt. Bei Rollen- und Hülsenkette dreht sich der Bolzen in einer eigens gefertigten Hülse. Bauer beschreibt, dass solche Hülsen gewickelt oder kalt fließgepresst, gleitgeschliffen, einsatzgehärtet und in ihrer Form so vorgehalten werden, dass nach dem Einpressen eine gleichmäßige Linienberührung zum Bolzen entsteht. Bei der Zahnkette fehlt dieses Bauteil. Wörtlich heißt es bei Bauer, die innere Reibung werde „bei Rollen- oder Hülsenketten maßgeblich durch den Kontakt Bolzen – Hülse, bei Zahnketten durch den Kontakt Bolzen – Lasche bestimmt". Der Bolzen läuft also direkt in der gestanzten Bohrung einer Lasche. Die Stanzkante ist die Lagerfläche.
¶ Welche Bauart verschleißt am wenigsten?
Bauer stellt die Bauarten in einer vergleichenden Bewertung nebeneinander. Die folgende Tabelle gibt einen Ausschnitt wieder, die Zeichen stammen aus dem Buch.
| Eigenschaft | Hülsenkette | Rollenkette | Zahnkette |
|---|---|---|---|
| Verschleißfestigkeit | +++ | ++ | o |
| Geräusch und Schwingung (NVH) | o | + | ++ |
| Reibung | +++ | ++ | o |
Quelle: Bauer, Kettensteuertriebe, Abb. 2. Legende im Buch: + positiv, o neutral. Das Buch weist selbst darauf hin, dass ein Zahnriemenhersteller die Bewertung anders vornehmen könnte.
Die Hülsenkette hat die größte Gelenkfläche. Bei gleicher Teilung und Bruchkraft ergibt die größere Fläche laut Bauer eine geringere Flächenpressung im Gelenk und damit weniger Verschleiß. Deshalb findet man sie „insbesondere bei hoch beanspruchten Nockenwellenantrieben und bei schnelllaufenden Dieselmotoren". Das deckt sich mit einer Übersichtsarbeit von László Paulovics und Kollegen, 2022 an der Audi-Hungaria-Fakultät für Fahrzeugtechnik der Széchenyi-István-Universität in Győr entstanden. Hülsenketten sitzen danach typischerweise in Dieselmotoren, Zahn- und Rollenketten meist in Benzinern.
Die Zahnkette verliert beim Verschleiß und gewinnt beim Geräusch. Dieselbe Übersichtsarbeit schreibt über sie, sie sei „silent ... but has higher friction loss and higher wear", also leise, aber mit mehr Reibverlust und mehr Verschleiß. Bauer geht noch weiter. Zahnketten hätten sich lange nur in dynamisch gering belasteten Trieben bewährt, in stärker belasteten Motoren habe man sie „aufgrund der im Vergleich zu Hülsen- und Rollenketten größere Kettenlängung bislang nicht eingesetzt". Die Branche hat darauf reagiert. Bauer beschreibt eine Zahn-Hülsenketten-Kombination, bei der in die Zahnlaschen wieder eine Hülse eingesetzt ist, mit „deutlich niedrigeren Verschleißwerten" als bei der herkömmlichen Zahnkette. Das Gelenk wandert damit zurück in die Hülse.
Die Rollenkette liegt in der Mitte. Paulovics und Kollegen nennen sie einen Kompromiss zwischen den beiden anderen, der vergleichsweise selten verbaut werde.
¶ Ein bekanntes Beispiel für eine Zahnkette: der EA111
Welche Kette in einem bestimmten Motor steckt, steht in keiner Betriebsanleitung. Für den 1,4-Liter-TSI der VW-Baureihe EA111, gebaut von 2005 bis 2015, ist es dokumentiert. Die technische Werkstattinformation FTEC138 des Ersatzteilherstellers Ferdinand Bilstein beschreibt den Steuertrieb als „metal-toothed silent chain, tensioned by a hydraulic tensioner", also als Zahnkette mit hydraulischem Spanner. Dieselbe Schrift nennt die Kette „in theory, maintenance-free if the engine is regularly serviced with quality lubricants", in der Theorie wartungsfrei, sofern der Motor regelmäßig mit gutem Öl versorgt wird. Den Nachsatz sollte man nicht überlesen. Er ist das Thema der zweiten Hälfte dieses Beitrags.
Beim EA111 gab es außerdem einen Fertigungsfehler, den VW im April 2012 selbst eingeräumt hat. Darauf kommen wir im Kapitel über die Qualität einer Kette zurück, weil er zeigt, wie direkt Fertigung und Längung zusammenhängen.
¶ Kettenlängung: warum sich nichts dehnt und die Kette trotzdem länger wird
Als VW 2012 die Probleme mit den Steuerketten des 1,4-Liter-TSI einräumte, schrieb das Handelsblatt, schuld seien „Motor-Steuerketten, die sich ausdehnen". So spricht fast jeder über das Thema, und es führt in die Irre. Stahl dehnt sich unter den Kräften im Steuertrieb elastisch und federt zurück. Bleibend länger wird eine Kette auf anderem Weg. Die Grundlagen dazu stehen in unserem Beitrag zum Kettenspanner, hier gehen wir tiefer in das Gelenk hinein.
Neuteil, eigenes Foto. Steuerketten eines V6-Motors. Länger wird keine Lasche, sondern das Spiel in jedem einzelnen Gelenk.
Paulovics und Kollegen beschreiben den Vorgang in einem Satz. Verschleiß verursacht Längung „due to the increasing play between the chain links", also durch das wachsende Spiel zwischen den Gliedern. Der Verschleiß sitzt in den Gelenken, bei Rollen- und Hülsenketten zwischen Bolzen und Hülse, bei Zahnketten zwischen Bolzen und den beweglichen Laschen. Jedes Gelenk gibt ein wenig nach. Weil eine Kette sehr viele davon hat, wird aus dem Wenigen viel.
¶ Wie klein die Einzelwerte sind
Die Übersichtsarbeit rechnet ein Beispiel vor, das die Größenordnung greifbar macht. Eine typische Steuerkette hat eine Teilung von 6 bis 10 Millimetern und 150 bis 180 Gelenke. Eine Kette mit 9 Millimetern Teilung und 170 Gelenken ist damit 1.530 Millimeter lang. Die übliche Vorgabe erlaubt über die Lebensdauer 0,5 Prozent Längung, das sind 7,65 Millimeter.
Verteilt man diese 7,65 Millimeter auf 170 Gelenke, bleiben für jedes Gelenk 0,045 Millimeter. Das ist unsere eigene Rechnung aus den Zahlen der Arbeit. Fünfundvierzig Tausendstel Millimeter Verschleiß je Gelenk, über die ganze Lebensdauer eines Motors, entscheiden also darüber, ob eine Kette noch im Rahmen ist. Man sieht das keinem einzelnen Glied an.
Die Vorgabe selbst bestätigen zwei Quellen unabhängig voneinander. Bauer nennt als üblichen Wert im Lastenheft moderner Motoren „eine gemessene Kettenlängung von 0,5 % bei einer Laufleistung von ca. 250 000 km". Paulovics und Kollegen schreiben, die Hersteller ließen über die Lebensdauer der Kette 0,3 bis 0,5 Prozent zu, bei Pkw etwa 250.000 bis 300.000 Kilometer. Wird der Wert überschritten, muss die Kette getauscht werden.
¶ Was der Spanner kann und was nicht
Ein Kettenspanner drückt über die Spannschiene gegen das lockere Kettentrum und nimmt den Durchhang auf, der durch die Längung entsteht. Bauer beschreibt das als seine Aufgabe, die Kette „in allen Betriebsbedingungen im Leertrum zu spannen, auch wenn durch den Motorbetrieb eine gewisse Verschleißlängung der Kette eingesetzt hat".
Was der Spanner nicht kann, ist die Steuerzeit zurückholen. Paulovics und Kollegen schreiben ausdrücklich, die Längung durch Verschleiß könne der Spanner nicht ausgleichen, er könne nur Schwingungen verringern. Der Satz klingt zunächst wie ein Widerspruch, ist aber keiner. Der Spanner hält die Kette straff. Die zusätzliche Länge verschwindet dadurch nicht, sie verschiebt nur die Stellung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle. Die Kette läuft straff und trotzdem zu spät. Die Schwingungen klein zu halten, ist dabei keine Nebensache. Genau sie treiben den Verschleiß, wenn niemand sie bremst.
Schematisch, Verschleiß und Versatz stark übertrieben. Links ein Gelenk, rechts der ganze Trieb.
¶ Ein Detail aus der Fertigung: der Teilungsvorhalt
Ein Detail aus Bauers Buch zeigt, wie genau Kettenhersteller mit diesem Verschleiß rechnen. Damit eine Kette über die gesamte Motorlebensdauer gut verschleißt, „muss ein Teilungsvorhalt zwischen Innen- und Außenglied der Kette vorgesehen werden". Innen- und Außenglieder werden also bewusst nicht exakt gleich lang gebaut, und erst nach einer gewissen Laufzeit gleichen sich ihre Teilungen an. Der Verschleiß ist damit nicht nur ein Übel, gegen das man anbaut. Er ist in der Auslegung bereits mitgedacht.
¶ Verschleißverlauf: schneller Einlauf, lange Gerade, spätes Ende
Wie verläuft die Längung über die Zeit? Für Ketten, deren Spanner die Längung laufend nachführt, gibt es dazu Messungen. Für Triebe ohne Spanner gibt es sie nicht, dort fehlt genau das Bauteil, das den Kreislauf aus Spiel, Schlagen und Verschleiß unterbricht.
Paulovics und Kollegen schreiben: „Between the end of the running-in phase and the end of life wear-out, wear processes are generally linear, assuming a permanent contact area. In this phase, the amount of wear depends on the load and the sliding distance." Zwischen dem Ende des Einlaufs und dem Verschleiß am Lebensende läuft der Verschleiß also im Allgemeinen gleichmäßig, und seine Menge hängt an Last und Gleitweg. A. Becker, D. Meffert und B. Sauer von der Universität Kaiserslautern haben auf der Jahrestagung der amerikanischen Tribologen-Gesellschaft STLE 2019 Versuche an einzelnen Kettengelenken und an ganzen Ketten verglichen und sprechen dort von „stationary wear rates" nach dem Einlauf, also von gleichbleibenden Verschleißraten. Beide Versuchsreihen liefen an Ketten, die von einem Spanner gespannt wurden.
Daraus ergeben sich drei Phasen:
- Einlauf. Eine neue Kette längt sich am Anfang schnell, weil die frischen Flächen sich aneinander einarbeiten.
- Die lange, gleichmäßige Phase. Solange der Spanner nachführt, wächst die Längung linear mit Laufzeit, Last und Gleitweg. Hier verbringt eine Kette fast ihr ganzes Leben.
- Lebensende. Erst ganz am Ende, wenn die Flächen aufgebraucht sind, wird der Verschleiß wieder schneller.
Schematisch, ohne Zahlen. Die gestrichelte Linie zeigt dieselbe Kette mit dauerhaft schlechtem Öl, sie erreicht die Verschleißgrenze nach einem Bruchteil der Zeit.
Wie wichtig der Einlauf ist, zeigt ein Detail aus der Ölprüfung. Der Motortest Sequence X (ASTM D8279), mit dem Motoröle für die amerikanischen Normen ILSAC GF-6 und API SP auf Schutz vor Kettenverschleiß geprüft werden, lässt die Prüfkette zuerst acht Stunden einlaufen. Erst danach wird die Nulllänge gemessen, von der aus die Längung zählt. Sonst würde der Einlauf das Ergebnis verfälschen.
Einen Teil dieser Anfangslängung nehmen die Kettenhersteller schon im Werk vorweg. Bauer beschreibt, dass jede Kette nach der Montage in einer Mess- und Belastungseinheit zuerst gemessen und dann mit einer Kraft unterhalb der Bruchkraft gereckt wird: „Infolge der Belastung der Kette kommt es zu Setzvorgängen in den Fügestellen, die zu einer Längenzunahme der Kette führen." Die Presssitze von Hülsen und Bolzen in den Laschen setzen sich also, bevor die Kette in den Motor kommt. Dass damit eine Längung vorweggenommen wird, die sonst in den ersten Betriebsstunden im Motor entstünde, ist unsere Schlussfolgerung aus dieser Beschreibung. Das Einarbeiten der Gelenkflächen selbst kann das Vorrecken nicht ersetzen, das geschieht erst im Betrieb.
Für die Praxis heißt der gleichmäßige Verlauf etwas Beruhigendes und etwas Unbequemes. Beruhigend ist, dass eine gespannte Kette mit etwas Längung nicht plötzlich in eine Abwärtsspirale gerät. Das leistet der Spanner, der jeden Millimeter nachführt. Ohne ihn fehlt diese Bremse, wie unser Beitrag zum Kettenspanner zeigt. Unbequem ist, dass man ihr deshalb auch nicht ansieht, wann sie die Grenze erreicht. Die Steigung der Geraden bestimmt, wie lange die Kette hält. Und diese Steigung hängt, wie das nächste Kapitel zeigt, weniger an der Kette als an dem, was durch ihre Gelenke fließt.
¶ Grenzreibung im Kettengelenk: warum dort kein Ölpolster trägt
In einem Kurbelwellenlager schwimmt die Welle auf einem Ölfilm. Sie dreht sich schnell und immer in dieselbe Richtung, und dabei zieht sie Öl in den Spalt und baut einen tragenden Druck auf. Metall berührt Metall dort im Normalbetrieb kaum. Wie viel Öl die Ölpumpe dafür liefern muss, steht in unserem Beitrag zur Ölpumpe.
Ein Kettengelenk kann das nicht. Wenn das Kettenglied auf das Rad läuft, schwenkt der Bolzen in seiner Hülse um einen kleinen Winkel, beim Ablaufen schwenkt er zurück, dazwischen steht er still. Paulovics und Kollegen schreiben dazu: „The small angular swivel motion of the joints leads to a boundary friction regime, making the chain joints more sensitive to oil quality and contamination." Die kleine Schwenkbewegung führt zu Grenzreibung und macht die Gelenke empfindlicher für die Qualität und die Verschmutzung des Öls.
Grenzreibung heißt, dass die Oberflächen sich unter Last berühren. Getrennt werden sie nur noch von sehr dünnen Schichten, die sich aus dem Öl und seinen Wirkstoffen auf dem Metall bilden. Ein tragender Ölfilm, wie im Gleitlager, fehlt. Wie gut das Gelenk geschützt ist, hängt deshalb unmittelbar davon ab, in welchem Zustand das Öl ist, das gerade dort ankommt.
Schematisch, Spiel stark vergrößert. Im Lager trägt der Ölkeil, im Kettengelenk liegen die Flächen unter Last aneinander.
Das Spiel im Gelenk erfüllt trotzdem eine Aufgabe. Unter Zug liegt der Bolzen an einer Seite der Hülse an. Eine abgelaufene US-Patentschrift von 1987 beschreibt diesen Zustand mit den Worten, Bolzen und Hülse seien dort „separated by a relatively thin film of lubricant", getrennt durch einen relativ dünnen Schmierfilm. Auf der gegenüberliegenden, unbelasteten Seite bleibt ein Spalt. Dort sammelt sich Öl, und aus diesem Vorrat wird die belastete Seite bei jeder Schwenkbewegung nachversorgt. In der Animation weiter oben ist das die ockerfarbene Fläche links vom Bolzen.
Ein Nebenbefund aus derselben Übersichtsarbeit zeigt, wie empfindlich dieses kleine Schmiersystem ist. In Versuchen mit dem Kraftstoff E85 stieg der Verschleiß der Kettenbolzen gegenüber Super mit 95 Oktan im Kaltbetrieb um 20 Prozent und im Warmbetrieb um etwa 30 Prozent. Für den Anstieg im Warmbetrieb nennen die Autoren als Ursache Kavitation des Kraftstoffs, der ins Öl gelangt war, und zwar genau in den Kettengelenken. Im heißen Öl bildet der eingetragene Kraftstoff dort also unter den wechselnden Drücken Dampfblasen, die die Flächen angreifen. Für den Kaltbetrieb nennt die Arbeit keine eigene Ursache.
¶ Das Öl ist der größte Hebel: was die Messungen zeigen
Kettenhersteller haben viele Stellschrauben: Stahlsorte, Härtung, Beschichtung der Bolzen, Qualität der Laschen. Sie alle wirken, und sie alle wirken in einem Rahmen, den das Öl vorgibt. Dazu gibt es Messungen, und sie sind deutlicher, als man erwarten würde.
Die Übersichtsarbeit von Paulovics und Kollegen wertet mehrere Motorprüfstandsstudien an Benzin- und Dieselmotoren aus, mit Hülsen- und mit Zahnketten. Ihre Schlussfolgerung lautet wörtlich: „aged, degraded, acidified, heavily soot-contaminated, and with water and fuel diluted oils can increase wear by more than 10 times." Gealterte, abgebaute, saure, stark verrußte und mit Wasser und Kraftstoff verdünnte Öle können den Verschleiß also mehr als verzehnfachen.
Die Einzelstudien dahinter sehen so aus. Jede Zeile misst etwas anderes, die Werte lassen sich deshalb nur innerhalb einer Zeile vergleichen, nicht zwischen den Zeilen.
| Studie | Motor und Kette | Vergleich | Ergebnis | Gemessene Größe |
|---|---|---|---|---|
| Paulovics et al., Győr | Diesel, Hülsenkette, hohe Last, 1.250 bis 4.000/min | frisches 0W-20 und 0W-30 gegen dasselbe 0W-30 nach 200 Prüfstandsstunden | 0,5 bis 0,8 nm/h gegen 7,2 bis 11,2 nm/h, mehr als das Zehnfache | Verschleißrate, radioaktiv markierte Bolzen und Hülsen |
| Gergye et al., Győr | Benziner, Zahnkette | frisches Öl gegen Öl nach 15.000 km | Bolzen mit Vanadiumbeschichtung im Mittel doppelter, unbeschichtete Laschen im Mittel zehnfacher Verschleiß | Verschleiß, radioaktiv markierte Bolzen und Laschen |
| Schwarze et al. | Benziner, 500 Stunden Stadt- und Autobahnprogramm | Öl kalt gehalten (20 bis 50 °C) gegen warm (110 bis 140 °C) | Gesamtverschleiß kalt zehnmal so hoch, auf gleiche Strecke gerechnet etwa dreißigmal | Gesamtverschleiß der Kettenbolzen, gemessen über radioaktive Markierung |
| Schwarze et al., gleiche Reihe | wie oben | mittlere Verschleißtiefe der Bolzen nach 500 Stunden | 3 µm warm, 15 µm kalt, 7 µm kalt mit abgesaugten Blow-by-Gasen | mittlere Verschleißtiefe aus der Oberflächenanalyse, eine andere Größe als der Gesamtverschleiß in der Zeile darüber |
Quelle: Paulovics, Rohde-Brandenburger, Tóth-Nagy, Timing Chain Wear Investigation Methods, FME Transactions 50 (2022), Abschnitt 5.3. Die Arbeit fasst die Studien zusammen, die Originalarbeiten sind dort zitiert.
Drei Werte aus dieser Tabelle verdienen einen zweiten Blick.
Die 200 Prüfstandsstunden entsprechen dem Ölwechselintervall. Die Autoren setzen sie mit etwa 15.000 Kilometern gleich, „which is the prescribed oil change interval for this engine", dem vorgeschriebenen Wechselintervall dieses Motors. Das Öl war also nicht verwahrlost, sondern am Ende seiner regulären Laufzeit. Einschränkend muss man dazusagen, dass der Prüfstand mit hoher Last lief, höher als im Alltag. Ob normales Fahren ein Öl bis zum Wechsel ähnlich stark altern lässt, sagt dieser Versuch nicht. Er zeigt aber, dass der Kettenverschleiß nicht auf Frischöl-Werten bleibt, bis das Öl sichtbar schlecht ist.
Bei der Zahnkette verschleißt mit altem Öl vor allem die Lasche. Die Bolzen waren beschichtet und verschlissen doppelt so stark, die unbeschichteten Laschen zehnmal so stark. Die Schwachstelle wandert also auf die weichere Gegenfläche. Wer eine Kette nur nach der Beschichtung ihrer Bolzen beurteilt, schaut auf die falsche Hälfte des Gelenks.
Die Öltemperatur selbst spielte kaum eine Rolle. In der Zahnkettenstudie brachte Öl mit 120 °C „slightly higher wear than at 90 °C", etwas mehr Verschleiß als bei 90 °C, laut den Autoren aber ohne Bedeutung für die Lebensdauer der Kette. Wir sagen das ausdrücklich dazu, auch wenn es unsere eigenen Messungen relativiert. In unserer Messkampagne lag das Öl nach dem Umbau auf eine Ölpumpe mit mehr Fördervolumen im Schnitt 10 bis 15 °C kühler. Für die Kette selbst bringt das nach dieser Studie wenig. Für die Kunststoffschienen, die neben der Kette laufen, könnte es anders aussehen, denn ihre Wärmealterung hängt stark an der Temperatur, wie unser Beitrag zu Gleit- und Spannschienen zeigt. Ob kühleres Öl eine Schiene messbar länger halten lässt, hat niemand gemessen, auch wir nicht. Wir halten es für plausibel, und wir sagen es als das, was es ist: eine These.
¶ Kaltbetrieb: warum Kurzstrecke der Kette zusetzt
Die auffälligste Zahl der Tabelle ist der Kaltbetrieb. Die Kette verschliss mit kaltem Öl insgesamt zehnmal so stark wie mit warmem, obwohl sie im Kaltprogramm nur ein Drittel so viele Umläufe machte. Auf dieselbe Strecke gerechnet war der Verschleiß etwa dreißigmal so hoch. Der Faktor zehn beschreibt den Gesamtverschleiß, gemessen über die radioaktive Markierung. Die 3 gegen 15 µm aus der Tabelle sind eine andere Größe, die mittlere Verschleißtiefe an den Bolzen nach der Oberflächenanalyse, und liegen deshalb nur beim Faktor fünf.
Der Grund ist chemisch, nicht mechanisch. Die Autoren schreiben, dass bei niedrigen Temperaturen Wasser, Schwefel- und Salpetersäure sowie Kraftstoff aus den Blow-by-Gasen kondensieren, also aus den Gasen, die an den Kolbenringen vorbei ins Kurbelgehäuse strömen. Die Säuren greifen zusammen mit dem Wasser Metall und Öl an, der Kraftstoff verdünnt das Öl und nimmt ihm Schmierfähigkeit. Als die Forscher die Blow-by-Gase so weit wie möglich aus dem Kurbelgehäuse absaugten, halbierte sich der Kaltverschleiß ungefähr, von 15 auf 7 µm, während der Warmwert gleich blieb.
Zwei Einschränkungen gehören zwingend dazu. Erstens lief der Versuch an einem Ottomotor. Dass bei einem Diesel dieselben Mechanismen wirken, halten wir für plausibel, belegt ist es mit diesen Messungen nicht. Zweitens schreiben die Autoren selbst, dass das Absaugen Wasser, Säuren und Ölalterung verringert, „but fuel dilution persists", die Kraftstoffverdünnung aber bleibt. Wie Kraftstoff ins Öl kommt und woran man das erkennt, erklärt unser Beitrag zur Ölverdünnung. Was die Blow-by-Gase im Motor sonst noch anrichten, steht im Beitrag zu Blow-by und Ölnebel.
¶ Ruß: warum es einen eigenen Kettentest für Motoröle gibt
Dass Ruß die Kette angreift, ist so gut belegt, dass die Ölindustrie dafür eine eigene Prüfung eingeführt hat. Der Motortest Sequence X (ASTM D8279) soll laut dem Prüfinstitut Southwest Research Institute zeigen, ob ein Öl gegen „soot-induced timing chain wear" schützt, gegen rußbedingten Kettenverschleiß in modernen Benzin-Direkteinspritzern. Geprüft wird an einem Ford 2,0-Liter EcoBoost mit Zahnkette. Damit genug Ruß ins Öl kommt, werden die Kolbenringstöße vergrößert, bis etwa 70 Liter Blow-by-Gas je Minute durchs Kurbelgehäuse strömen. Nach 216 Stunden darf sich die Kette um höchstens 0,085 Prozent gelängt haben.
Dieser Test gehört zu den amerikanischen Normen ILSAC GF-6 und API SP. Für europäische Diesel mit Herstellerfreigabe ist er kein Maßstab, dort zählt die Freigabe des Fahrzeugherstellers. Wie man die richtige findet, steht in unserem Beitrag Welches Öl?. Der Test zeigt aber, wie ernst die Industrie den Zusammenhang zwischen Ölzustand und Kettenverschleiß nimmt.
Wie viel Ruß zu viel ist, hängt vom System ab. In einem Laborversuch der Universität Győr mit echten Kettenteilen erhöhte ein Zusatz von 1 Prozent Industrieruß den Verschleiß noch nicht, 2 Prozent dagegen schon. Mit genormten Stahlkugeln statt Kettenteilen stieg der Verschleiß schon bei 0,5 Prozent. Die Autoren folgern daraus, dass man Ruß am echten Bauteil prüfen muss und nicht an vereinfachten Proben.
¶ Wie groß der Unterschied zwischen zwei Ketten sein kann
Wie verhält sich der Einfluss des Öls zum Einfluss der Kette selbst? Einen sauberen Vergleich, bei dem jemand dieselbe Motorbaureihe einmal mit verschiedenen Ketten und einmal mit verschiedenen Ölen gefahren hätte, haben wir nicht gefunden. Einen Anhaltspunkt gibt es. In Győr liefen Steuerketten zweier Hersteller in einem von außen angetriebenen Benzinmotor ohne Verbrennung jeweils über 1.000 Stunden. Nach 1.000 Stunden hatte sich die eine um 0,81 Millimeter gelängt, die andere um 1,01 Millimeter. Die Autoren nennen den Unterschied klein.
Der Unterschied zwischen diesen beiden Ketten lag also bei rund einem Viertel. Der Unterschied zwischen frischem und gealtertem Öl lag in den Motorversuchen beim Zehnfachen und darüber. Die Versuche sind nicht direkt vergleichbar, sie liefen an verschiedenen Motoren unter verschiedenen Bedingungen, und die Kettenversuche liefen mit gebrauchten Ölen. Die Größenordnungen sprechen trotzdem eine deutliche Sprache. Aus unserer Sicht ist der Zustand des Öls der größte einzelne Hebel für die Lebensdauer einer Steuerkette, größer als jeder Unterschied zwischen zwei ordentlich gefertigten Ketten. Das ist unsere Gewichtung, nicht die der Quellen.
Was daraus folgt, ist unspektakulär. Ölwechsel nicht über das vorgeschriebene Intervall hinausziehen, bei viel Kurzstrecke eher früher wechseln, ein Öl mit der passenden Herstellerfreigabe nehmen und Kraftstoff im Öl ernst nehmen. Mehr kann ein Halter für seine Kette nicht tun, und weniger verträgt sie schlecht.
¶ Längung messen: der Phasenversatz der Nockenwelle
Eine ausgebaute Kette zu vermessen, ist in der Werkstatt kaum sinnvoll. Kettenhersteller messen die Länge unter einer genau festgelegten Zugkraft, über zwei Scheiben mit Achsabstandsmessung oder über das Teilungsbild, bei Zahnketten optisch. Die Zugkraft ist je nach Kettentyp vorgeschrieben, und ohne Referenzlänge des Neuteils sagt ein gemessener Wert wenig. Ausgebaut ist die Kette außerdem ohnehin zu tauschen.
Im eingebauten Zustand bleibt eine indirekte, aber elegante Messung, die der Motor selbst liefert. Wird die Kette länger, bleibt die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zurück. Das Motorsteuergerät kennt die Stellung beider Wellen aus ihren Sensoren und kann den Versatz erkennen.
Wie klein die zulässigen Werte sind, zeigen die Quellen deutlich. Bauer schreibt, im Rahmen von CO2-Minderungsstrategien seien „heute Steuerzeitverschiebungen von 1,0 bis 1,5° bezogen auf die Kurbelwelle noch zulässig". Paulovics und Kollegen nennen denselben Rahmen von 1 bis 1,5 Grad Kurbelwinkel und ergänzen, dass starker Verschleiß, also eine Längung von wenigen Millimetern, die Steuerzeit um 5 bis 8 Grad verschieben könne. Für Dieselmotoren sei das besonders gefährlich. Wegen der hohen Verdichtung kommen die Kolben den Ventilen sehr nahe, und ein spät schließendes Auslassventil kann getroffen werden.
Für einzelne Motoren kursieren in Werkstattportalen Grenzwerte, ab welchem Versatz eine Kette als gelängt gilt. Einige haben wir im Beitrag zum Kettenspanner als Anhaltswerte genannt. Offizielle Herstellergrenzen sind das nicht. Maßgeblich ist, was die Reparaturanleitung des Herstellers für den jeweiligen Motor und seine Diagnose vorschreibt. Und wer einen Phasenversatz im Fehlerspeicher findet, sollte wissen, dass nicht nur die Kette ihn verursachen kann. Auch ein Nockenwellenversteller oder ein Geber kann dahinterstecken.
Ein zweites Messprinzip kommt aus der Forschung. In den Versuchen in Győr ließ sich die Längung verlässlich über die Stellung des Kettenspanners verfolgen, gemessen mit einem Laservibrometer, und die Werte passten zu den Messungen an der ausgebauten Kette. Der Spanner fährt umso weiter aus, je länger die Kette wird. Diese Messung braucht im Alltag niemand, sie zeigt aber, dass Spannerweg und Längung zusammengehören.
Woran man eine gelängte Kette im Alltag bemerkt, welche Geräusche harmlos sind und welche nicht, und wann ein Wechsel fällig ist, steht in unserer Übersicht zum Steuerkettentrieb. Das Rasseln in den ersten Sekunden nach dem Kaltstart hat oft eine andere Ursache als die Längung, nämlich einen Spanner, der nach der Standzeit erst wieder Öl bekommen muss. Das erklärt der Beitrag Rasseln beim Kaltstart.
¶ Fertigung: was eine Kette gegen Längung robust macht
Der Käufer sieht einer Kette ihre Qualität kaum an. Was er wissen kann, ist, worauf gute Fertigung achtet. Bauers Buch beschreibt die Herstellung ausführlich, und drei Punkte daraus hängen direkt mit der Längung zusammen.
Neuteil, eigenes Foto. Ketten aus einem Satz. Wie sorgfältig sie gefertigt sind, sieht man ihnen von außen nicht an.
Saubere Laschen ohne Grat. Laschen werden gestanzt, und dabei gibt es große Unterschiede. Beim einfachen Normalstanzen werden die Konturen laut Bauer nur zu etwa 20 Prozent geschnitten und zu 80 Prozent gebrochen, die Kanten haben eine Rautiefe von etwa 20 bis 40 µm. Beim Nachschneiden in mehreren Arbeitsgängen sind es etwa 6 bis 10 µm, beim Feinschneiden liegt der Glattschnittanteil bei bis zu 95 Prozent. Steuerketten mit einfach gestanzten Laschen werden laut Bauer bei Neuentwicklungen nicht mehr eingesetzt. Nach dem Vergüten werden die Laschen gleitgeschliffen, „um anhaftende Stanzgrate zu beseitigen".
Wie wichtig das ist, zeigt der Fall EA111. Im April 2012 räumte VW laut Handelsblatt erstmals einen Produktionsfehler ein. Der Zulieferer der Kette habe „seine Stanzwerkzeuge über deren Verschleißgrenze hinaus verwendet". Daraus ergab sich eine ungenaue Stanzung der Kettenlaschen mit Spänen und Graten, und die Ketten verschlissen im Betrieb rasch. VW sprach von Fallzahlen im niedrigen dreistelligen Bereich und davon, dass die Fertigung inzwischen optimiert sei. Eine Eingrenzung auf bestimmte Chargen oder Zeiträume sei nicht möglich. Bei einer Zahnkette ist die gestanzte Bohrung die Lagerfläche des Gelenks. Ein Grat dort ist kein Schönheitsfehler, er ist Schleifmittel im Gelenk. Einschränkend gilt, dass es ein Pressebericht ist, der VW zitiert, und dass er nichts darüber sagt, wie der Stand der Teile heute ist.
Behandelte Bolzen. Der Bolzen ist der Partner im Gelenk, und er wird besonders behandelt. Bauer beschreibt drei Wege: eine Chromkarbidschicht von 10 bis 20 µm, aufgebracht im CVD-Verfahren, mit einer Oberflächenhärte über 1.500 HV, eine Chromnitridschicht von 1 bis 2 µm im PVD-Verfahren mit 1.800 bis 2.200 HV, oder Nitrieren mit einer harten Verbindungsschicht von 3 bis 8 µm und einer Diffusionszone von etwa 0,1 bis 0,2 mm darunter. In vergleichenden Verschleißversuchen an Hülsenketten bot laut Bauer die Kombination aus PVD-beschichtetem Bolzen und karbonitrierter Hülse den besten Schutz. Dass mit altem Öl dann die unbeschichtete Gegenfläche verschleißt, haben wir im Ölkapitel gesehen. Eine gute Kette braucht beide Seiten des Gelenks.
Vorgereckt im Werk. Wie oben beschrieben, wird jede Kette nach der Montage gemessen und unter einer Last unterhalb der Bruchkraft gereckt, damit sich die Fügestellen setzen. Bauer beschreibt danach eine Rundlaufprüfung und weitere Kontrollen, Ultraschallreinigung und Beölen. Und er erwähnt ein Detail, das den EA111-Fall in ein anderes Licht rückt. Bolzen werden in Durchmesserklassen gefertigt, „da die eingesetzten Stanz- und Hülsenwerkzeuge im Betrieb verschleißen". Werkzeugverschleiß ist also ein bekannter Teil jeder Kettenfertigung. Entscheidend ist, ob ein Hersteller ihn beherrscht.
Keines dieser Merkmale steht auf der Verpackung eines Kettensatzes. Was man beim Kauf tatsächlich prüfen kann und worauf man beim Einbau achten sollte, beschreibt unser Beitrag Steuerkettensatz kaufen.
¶ Was die Forschung noch nicht beantwortet
Wir schreiben die offenen Punkte gesondert auf, damit niemand sie für geklärt hält.
- Diesel im Kaltbetrieb. Die Messungen zum zehnfachen Kaltverschleiß stammen von einem Ottomotor. Für Dieselmotoren haben wir keine vergleichbare Messreihe gefunden.
- Alltag statt Prüfstand. Die Altölversuche liefen bei hoher Last. Wie stark das Öl im normalen Alltagsbetrieb bis zum Wechsel altert und was das für die Kette heißt, ist nicht gemessen.
- Kette gegen Öl im selben Versuch. Einen Versuch, der den Einfluss einer besseren Kette und eines besseren Ölzustands am selben Motor unter gleichen Bedingungen gegenüberstellt, haben wir nicht gefunden. Unsere Gewichtung beruht auf Größenordnungen aus verschiedenen Versuchen.
- Grenzwerte je Motor. Ab welchem Phasenversatz ein Hersteller für einen bestimmten Motor den Kettenwechsel vorschreibt, ist in frei zugänglichen Quellen kaum dokumentiert.
- Welche Kette in welchem Motor. Die Bauart ist für einzelne Motoren belegt, für viele nicht. Hersteller nennen sie dem Käufer in der Regel nicht.
Wenn Sie zu einer dieser Fragen Messwerte oder eigene Befunde haben, schreiben Sie uns über den Support. Wir ergänzen diesen Beitrag, sobald es neue Belege gibt.
¶ Siehe auch
- Der Steuerkettentrieb: Aufbau, Verschleiß, Ölversorgung
- Rasseln beim Kaltstart: Spanner, Versteller oder Kette?
- Gleit- und Spannschienen: welcher Kunststoff drinsteckt und was Hitze aus ihm macht
- Steuerkettensatz kaufen: woran man Qualität erkennt
- Ölverdünnung: der unsichtbare Öltausch ins Schlechte
- Welches Öl? Warum wir keine pauschale Empfehlung geben
- Glossar