Königswelle

Die mechanische Zuverlässigkeit und das geringe Gewicht im Vergleich zur Zahnradkaskade brachten der Königswelle früher eine weite Verbreitung in den Nockenwellenantrieben von Reihen- und V-Motoren, die als Flugmotor konzipiert waren. Beispiele sind der Hispano-Suiza 8 (1914), Mercedes D III (1915), BMW IIIa (1917), Napier Lion (1918), Hispano-Suiza 12 (1920), BMW VI (1925), Klimow M-100/M-105 (1935/1938), Daimler-Benz DB 600 (1935), DB 601 (1937), DB 603 (1942) und DB 605 (1941).

Der Antrieb der Nockenwellen zur Ventilsteuerung an Viertaktmotoren wird nur selten mit Königswellen realisiert. Zwar sind diese drehzahlfest und so gut wie wartungsfrei, aber laut und vergleichsweise teuer in der Herstellung. Schraubenräder sind leiser als Kegelräder, haben aber einen schlechteren Wirkungsgrad. Weitaus häufiger werden zur Ventilsteuerung Zahnriemen oder Steuerketten verwendet.

In der Sowjetunion wurde Ende der 1930er Jahre der Dieselmotor W-2 entwickelt, der im Panzer T-34 und seinen Nachfolgern weite Verbreitung fand. Dieser V-Motor mit vier Ventilen je Zylinder hat zwei Königswellen für den Antrieb der insgesamt vier Nockenwellen (DOHC-Ventilsteuerung). Die Grundkonstruktion wird noch heute (2013) im Motor W-92 S2 des Panzers T-90 eingesetzt.

Vom März 1974 bis Oktober 1993 war die Königswelle als „Begriff des technischen Sprachgebrauchs“ für die normgerechte Benennung Zwischenwelle in der DIN-Norm 6260, Teil 3 „Verbrennungsmotoren; Teile für Hubkolbenmotoren; Motorsteuerung, Begriffe“ aufgeführt und für die Zwischenwelle die Erklärung festgelegt: Welle zur Überbrückung des Abstandes Kurbelwelle-Nockenwelle. Diese nationale Norm wurde im November 1993 durch die international harmonisierte Norm DIN ISO 7967-3 ersetzt, in ihr fehlt der Begriff ganz.

Selten sind Konstruktionen von Viertaktmotoren mit Nockenwellen, die die Position einer üblichen Königswelle einnehmen und zum Beispiel über Kulissenscheiben („Nockenscheiben“) (Chater-Lea) und Hebel die Ventile betätigen. Solche Konstruktionen werden oft – fachlich unkorrekt – als Königswelle mit montierter Nocke, als Steuerscheibe oder Tellernocken bezeichnet.

Ältere Bearbeitungsmaschinen (in der Fertigungstechnik) und Sondermaschinen (Maschinen für Automatisierungsaufgaben) folgen einem Maschinenkonzept, das eine Königswelle als zentrale Antriebswelle durch die ganze Maschine hindurch vorsieht.

Durch mehrere Abtriebe entlang dieser Königswelle werden verschiedene Maschinenteile angetrieben. Insbesondere bei Automatisierungsmaschinen werden dort spezielle Getriebe, wie Kurven- oder Kurbelgetriebe angebaut, die die für die jeweilige Aufgabe benötigte Einzelbewegung erzeugen. Eine Eigenschaft dieses Maschinenkonzeptes ist, dass alle Bewegungen fest gekoppelt mit dem Hauptantrieb laufen. Das bedeutet, dass für jede Winkelstellung der Königswelle beschrieben ist, in welcher Stellung die einzelnen Elemente stehen. So lässt sich ein Einrichtbetrieb an einer Maschine zum Beispiel durch eine Handkurbel an der Königswelle realisieren. Daher sind Automatisierungsmaschinen nach diesem Maschinenkonzept auch wenig flexibel, da Änderungen der Fertigung sehr oft mit Änderungen der Abtriebe an der Königswelle einhergehen.

Mehrspindel-Drehautomaten sind ein klassischer Einsatzfall solcher Antriebe. Auf ihnen werden zum Beispiel große Serien von Drehteilen für die Massenproduktion von Fahrzeuggetriebe-Gangrädern hergestellt.

Konstruktiv ist eine Maschine mit Königswelle eine besondere Herausforderung, weil viele kinematische Randbedingungen beachtet werden müssen. Auch die Montage der Maschine selbst erfordert besondere Kenntnisse, weil dafür gewöhnlich viele zeitraubende Einstell- und Abstimmaufgaben anfallen.

Die Königswelle mit mehreren Abtrieben wurde daher fast vollständig durch die Rechnersteuerung (CNC) mit Schritt- oder Servomotoren ersetzt. Einfache Bewegungen, die keine besonderen dynamischen Anforderungen erfüllen müssen, werden durch Pneumatik- oder Hydraulikzylinder ausgeführt.

Bei Maschinen, in denen jedes Bewegungselement mit einem eigenen dieser Antriebe ausgestattet ist, sind die Bewegungen nicht mechanisch gekoppelt, sondern werden meist durch eine speicherprogrammierbare elektronische Steuerung (SPS) koordiniert. Dadurch werden diese Maschinen in ihrer Verwendung flexibler und auch viele Einstell- und Abstimmaufgaben werden einfacher.

In historischen Wind- und Wassermühlen überträgt die Königswelle die Leistung vom Antrieb (Windflügelrad oder Wasserrad) zu den Mahlwerken und übernimmt damit die zentrale Kraftübertragung von der Erzeugung zum Verbrauch. Die Königswellen wurden durch Seiltriebe verdrängt.

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  Schemazeichnung einer Wassermühle:
  1: Wasserrad
  2: Antriebswelle
  3: Kammrad
  4: Kronenrad
  5: Königswelle
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  Kronradgetriebe in einer Windmühle zur Übertragung des Drehmomentes von der Flügelwelle auf die vertikale Königswelle
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  Königswelle in einer Holländerwindmühle

1. Motor Klassik, Das Oldtimermagazin, 2/2008, S. 30–35.
2. Barth, Jürgen; Büsing, Gustav: Das große Buch der Porsche-Typen. Stuttgart: Motorbuch-Verlag, 2010, ISBN 978-3-613-03241-5.