CH628398A5

CH628398A5 - Cam for controlling the valves of a piston engine

Info

Publication number: CH628398A5
Application number: CH583078A
Authority: CH
Inventors: Gerhard Deschler; Hans Gebhardt; Dieter Wittmann
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1978-05-29
Publication date: 1982-02-26
Also published as: DD136516A1; IT1096506B; SE434540B; IN150782B; HU176700B; SE7806696L; FR2393933A1; JPS547015A; GB1584330A; DE2726073C2; IT7824365A0; RO84376B; SU957773A3; DE2726073A1; RO84376A; FR2393933B1

Description

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2 2nd

PATENTANSPRUCH Nocken zur Steuerung der Ventile einer Hubkolbenmaschine, durch den das Ventil über einen Gleitstössel mit ebenem Boden gegen die Kraft einer Schliessfeder geöffnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient PATENT CLAIM Cam for controlling the valves of a reciprocating piston machine, by means of which the valve is opened against the force of a closing spring by means of a sliding tappet with a flat bottom, characterized in that the quotient

H, G, U und W bedeuten dabei dimensionslose Faktorengruppen, die stellvertretend für H, G, U and W mean dimensionless groups of factors that represent

Y = Y =

rN rN

rG + z entweder den Wert 0,15 éi y ^ 0,25 oder den Wert y ^ 0,6 hat, wobei rN der Nocken-Krümmungsradius, rG der Grundkreisradius des Nockens und z der jeweilige Nockenhub bedeuten. rG + z has either the value 0.15 éi y ^ 0.25 or the value y ^ 0.6, where rN is the radius of curvature of the cam, rG is the base radius of the cam and z is the respective cam stroke.

15 15

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nocken zur Steuerung der Ventile einer Hubkolbenmaschine, durch den das Ventil 20 über einen Gleitstössel mit ebenem Boden gegen die Kraft einer Schliessfeder geöffnet wird. The invention relates to a cam for controlling the valves of a reciprocating piston machine, by means of which the valve 20 is opened against the force of a closing spring via a sliding plunger with a flat bottom.

Kraft- oder Arbeitsmaschinen mit zyklischer Arbeitsweise brauchen zur Durchführung des Kreisprozesses Ventile, die üblicherweise über drehende, auf einer Welle angeordnete 25 Nocken gesteuert werden. Bei der Umsetzung der drehenden Bewegung des Nockens in eine hin- und hergehende am Ventil treten hohe Beschleunigungen auf, die in den Steuerungsteilen grosse Belastungen hervorrufen und besonders in den Teilen mit grossen Relativbewegungen, wie beispielsweise an Nocken 30 und Stössel, zu starkem Verschleiss führen. Diese Erscheinung der auf die Laufzeit der Maschine bezogen rascheren Abnützung der aufeinander gleitenden Flächen von Nocken und Stössel wird durch den heute üblichen Bau leistungsstarker und damit zum Teil auch höher drehender Motoren verstärkt. Die 35 Ursachen sind vorwiegend in der nicht optimalen Ausbildung eines tragfähigen hydrodynamischen Schmierfilms im für die Schmierung kritischen Bereich der Nockenspitze zu suchen, da, wie die Praxis zeigte, auch dynamisch gut ausgelegte Nokkenprofile keine Garantie für einen verschleissarmen Betrieb 40 geben, wenn nicht die hydrodynamischen Voraussetzungen hierfür geschaffen werden. Cyclic working machines or machines need valves to carry out the cycle process, which are usually controlled by rotating cams arranged on a shaft. When the rotating movement of the cam is converted into a reciprocating movement at the valve, high accelerations occur, which cause great stress in the control parts and, particularly in the parts with large relative movements, such as on cam 30 and tappet, lead to excessive wear. This phenomenon of the faster wear of the sliding surfaces of cams and tappets in relation to the running time of the machine is reinforced by the construction of powerful and thus sometimes higher rotating motors that is common today. The 35 causes are mainly to be found in the non-optimal formation of a stable hydrodynamic lubricating film in the area of the cam tip which is critical for the lubrication, since, as practice has shown, even dynamically well-designed cam profiles do not guarantee low-wear operation 40, if not the hydrodynamic one Prerequisites for this are created.

Es ist bereits bekannt und wurde durch Messungen bestätigt, dass sich auch zwischen hochbelasteten Gleitflächen bei flüssiger Schmierung ein Schmierfilm bilden kann, der zwar 45 nicht zu einer vollkommenen Trennung der aneinander gleitenden Flächen führt, jedoch durch einen hydrodynamischen Traganteil den Flächenanteil metallischer Berührung reduziert. Dieser Schmierungszustand wird physikalisch mit Mischreibung bezeichnet und ihr Zweck besteht darin, über einen 50 gewählten kinematischen Bewegungsablauf einen möglichst grossen Flüssigkeits-Traganteil zu erreichen. Mit Einführung der Theorie der elasto-hydrodynamischen Schmierung können experimentell nachweisbare Filmstärken berechnet werden. Diese neue Theorie stellt eine Abwandlung der von Osborne 55 Reynolds 1886 begründeten klassischen Theorie der hydrodynamischen Schmierung dar und berücksichtigt den Viskositätsanstieg des Schmiermittels unter Druckbeanspruchung sowie eine örtlich begrenzte elastische Verformung der belasteten Kontaktflächen. 6o It is already known and has been confirmed by measurements that a lubricating film can also form between highly loaded sliding surfaces with liquid lubrication, which does not lead to a complete separation of the surfaces sliding against one another, but reduces the surface proportion of metallic contact due to a hydrodynamic load-bearing component. This state of lubrication is physically referred to as mixed friction and its purpose is to achieve the largest possible proportion of liquid carried over a selected kinematic motion sequence. With the introduction of the theory of elasto-hydrodynamic lubrication, experimentally detectable film thicknesses can be calculated. This new theory is a modification of the classic theory of hydrodynamic lubrication founded by Osborne 55 Reynolds 1886 and takes into account the increase in viscosity of the lubricant under pressure and a localized elastic deformation of the loaded contact surfaces. 6o

Die Formel für die Berechnung des minimalen Schmierfilms wurde von Dowson und Higginson (Aufsatz Fowle «Die elastohydrodynamische Schmierungstheorie», veröffentlicht von Shell International Petroleum Co. Ltd., London) aufgestellt und ist das Ergebnis einer mathematischen Analyse der elasto- 65 hydrodynamischen Schmierungstheorie. Sie lautet: The formula for the calculation of the minimum lubrication film was drawn up by Dowson and Higginson (article Fowle "The Elastohydrodynamic Lubrication Theory", published by Shell International Petroleum Co. Ltd., London) and is the result of a mathematical analysis of the elasto-65 hydrodynamic lubrication theory. It is:

H = H =

mm mm

? ?

G = Cfi x Ef G = Cfi x Ef

U = V * u E» x $ U = V * u E »x $

¥ = ¥ =

w w

E< E <

eingesetzt werden. be used.

Hierin bedeuten: Here mean:

hmjn = die Mindeststärke des Schmierfilms, hmjn = the minimum thickness of the lubricating film,

tp = den theoretischen Krümmungsradius, er wird gebildet aus l/<p = l/(pi + l/<p2, wobei <pi und q>2die Krümmungsradien der beiden in Kontakt stehenden Oberflächen sind. tp = the theoretical radius of curvature, it is formed from l / <p = l / (pi + l / <p2, where <pi and q> 2 are the radii of curvature of the two surfaces in contact.

a = den Druckkoeffizient der Schmierstoffviskosität nach der Beziehung tip = t| x e aP, mit t|p der Viskosität beim Druck P. a = the pressure coefficient of the lubricant viscosity according to the relationship tip = t | x e aP, with t | p the viscosity at pressure P.

E' = den reduzierten Elastizitätsmodul für die Werkstoffe der aneinandergleitenden Oberflächen, E '= the reduced modulus of elasticity for the materials of the sliding surfaces,

En En

+ +

1zÛ. 1zÛ.

E. E.

wobei Ei und Ez den Elastizitätsmodul und vi und vi die Pois-sonsche Zahlen der beiden Oberflächen darstellen, where Ei and Ez represent the modulus of elasticity and vi and vi represent the Pois-Sonic numbers of the two surfaces,

T| = die Schmierstoffviskosität bei Atmosphärendruck und U mgebungstemperatur, T | = the lubricant viscosity at atmospheric pressure and ambient temperature,

w = die Belastung auf die Breiteneinheit der Kontaktstelle, u = die Gleitgeschwindigkeit der Kontaktfläche 1 und 2 nach der Beziehung u = Vi(u\ + U2). w = the load on the unit width of the contact point, u = the sliding speed of the contact surfaces 1 and 2 according to the relationship u = Vi (u \ + U2).

In der genannten Gleichung ist der reduzierte Elastizitätsmodul E' nur mit einem sehr kleinen Exponenten (Ea03) versehen, ausserdem unterscheiden sich die im Maschinenbau verwendeten Werkstoffe im Elastizitätsmodul voneinander nur wenig (E = 80 000 bis 210 000 N/mm2). Auch bewegt sich der Druckkoeffizient bei den zur Anwendung kommenden Schmiermitteln nur in engen Grenzen, und der Einfluss der Laständerung auf die Schmierfilmstärke (siehe Faktorengruppe W) kann wegen des kleinen Exponenten unberücksichtigt bleiben. Dowson und Higginson geben daher für die Berechnung der Mindeststärke hmin des Schmierfilms folgende vereinfachte Formel an, in der die Ausdrücke G006 und W-a'3 obiger Formel durch Konstante ersetzt werden. Sie lautet: In the equation mentioned, the reduced modulus of elasticity E 'is only provided with a very small exponent (Ea03); moreover, the materials used in mechanical engineering differ only slightly from one another in the modulus of elasticity (E = 80,000 to 210,000 N / mm2). The pressure coefficient for the lubricants used is also only within narrow limits, and the influence of the change in load on the thickness of the lubricating film (see factor group W) can be disregarded due to the small exponent. Dowson and Higginson therefore give the following simplified formula for the calculation of the minimum thickness hmin of the lubricating film, in which the expressions G006 and W-a'3 of the above formula are replaced by constants. It is:

hmin =5X10-6 XV 7}XUX <p hmin = 5X10-6 XV 7} XUX <p

(II) (II)

H = 1,6 x G0'6 x U0'7 x W-°' H = 1.6 x G0'6 x U0'7 x W- ° '

1.13 1.13

(I) (I)

Wie aus den beiden Formeln zu entnehmen ist, wird die Schmierfilmstärke neben der Viskosität r) von der Gleitgeschwindigkeit u sowie dem theoretischen Krümmungsradius <p der Kontaktfläche bestimmt. As can be seen from the two formulas, the lubricating film thickness is determined in addition to the viscosity r) by the sliding speed u and the theoretical radius of curvature <p of the contact surface.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Nocken der eingangs beschriebenen Art die Nockengeometrie im Bereich der Nockenspitze, dem Bereich kritischer Schmierfilmbildung, so festzulegen, dass optimale Schmierverhältnisse erreicht werden. The object of the invention is to determine the cam geometry in the area of the cam tip, the area of critical lubrication film formation, in such a way that optimal lubrication conditions are achieved in the case of a cam of the type described in the introduction.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Quotienty = r N/rc+z entweder den Wert 0,15 ^y^ 0,25 oder den Wert y ^ 0,6 hat, wobei rN der Nocken-Krümmungsradius, rG der Grundkreisradius des Nockens und z der jeweilige Nockenhub bedeuten. According to the invention the object is achieved in that the quotienty = r N / rc + z has either the value 0.15 ^ y ^ 0.25 or the value y ^ 0.6, where rN is the radius of curvature of the cam, rG the Base circle radius of the cam and z mean the respective cam stroke.

Als Kriterium für diese Erkenntnis dient die Berechnung des minimalen Schmierfilms hmjn nach der Beziehung von Dowson und Higginson. Der übersichtlichen Herleitung wegen wird The criterion for this knowledge is the calculation of the minimal lubricating film hmjn according to the relationship between Dowson and Higginson. Because of the clear derivation

3 3rd

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die vereinfachte Formel (II) betrachtet und die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen: the simplified formula (II) considered and the invention explained in more detail using an exemplary embodiment shown in the drawings. Show it:

Fig. 1 den Aufbau einer Nockensteuerung rein schematisch, Fig. 2 die Abhängigkeit der hydrodynamischen Beurteilungskennzahl von der relativen Schmierfilmstärke in Form einer graphischen Darstellung. Fig. 1 shows the structure of a cam control purely schematically, Fig. 2 shows the dependence of the hydrodynamic rating on the relative lubricating film thickness in the form of a graphic representation.

In Fig. 1 ist ein Nocken 1 angedeutet, der soeben auf einen Gleitstössel 2 mit ebenem Boden 3 aufläuft. Mit rG ist der Grundkreisradius und mit rN der Krümmungsradius des Nokkens 1 bezeichnet. Der Abstand des Mittelpunktes 4 des Krümmungsradius tn vom Mittelpunkt 5 des Grundkreisradius rG ist mit a angegeben, wobei der Abstand a durchaus nicht die weiteste Entfernung der beiden Mittelpunkte 4,5 voneinander darstellt, sondern immer den in Bewegungsrichtung des Gleitstös-sels 2 gemessenen Abstand, je nach Stellung des Nockens 1. In Fig. 1, a cam 1 is indicated, which just runs onto a slide rod 2 with a flat bottom 3. RG denotes the base circle radius and rN denotes the radius of curvature of cam 1. The distance between the center point 4 of the radius of curvature tn and the center point 5 of the base circle radius rG is indicated by a, the distance a not representing the furthest distance between the two center points 4, 5, but always the distance measured in the direction of movement of the slide plunger 2, depending on the position of the cam 1.

, Das gleiche gilt für den Nockenhub z, der an der jeweils zu betrachtenden Stelle gemessen wird und die Entfernung vom 5 Grundkreisradius rG zum Boden 3 des Gleitstössels 2 angibt. Der Nocken 1 dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit to in Richtung des Pfeiles 6. The same applies to the cam stroke z, which is measured at the point to be considered in each case and indicates the distance from the base circle radius 5 rG to the base 3 of the slide rod 2. The cam 1 rotates at an angular velocity to in the direction of the arrow 6.

Es wird zunächst die Gleitgeschwindigkeit ui am Nocken 1 io errechnet, die sich aus ui = rNx oi ergibt. Die Gleitgeschwindigkeit u: am Stössel 2 errechnet sich aus uz = — ax co, allerdings genau genommen in Stösselmitte. First, the sliding speed ui on cam 1 io is calculated, which results from ui = rNx oi. The sliding speed u: on the ram 2 is calculated from uz = - ax co, but strictly speaking in the middle of the ram.

Die Gleitgeschwindigkeit u zwischen Nocken 1 und Stössel 2 bestimmt sich daraus mit The sliding speed u between the cam 1 and the tappet 2 is also determined from this

U = X (u-^ + u2) = U = X (u- ^ + u2) =

1 1

2 rF ' (rG + z) 2 rF '(rG + z)

X y*J (IV) , X y * J (IV),

worin allerdings der Abstand -a durch die für Flachstössel gül- Wird auch noch der theoretische Krümmungsradius <p tige Gleichung -a = rN - (rG + z) ersetzt und in die Gleichung durch den Nockenkrümmungsradius rN ersetzt, so ergibt sich II eingeführt wird. für die Mindeststärke des Schmierfilms hmin = const* x (Ta + 25 ) x where, however, the distance -a is valid for the flat tappet. If the theoretical radius of curvature <p tige equation -a = rN - (rG + z) is also replaced and the equation is replaced by the cam radius of curvature rN, then II is introduced. for the minimum thickness of the lubricating film hmin = const * x (Ta + 25) x

G G

"N "N

trG + Z trG + Z

(III) (III)

—6 —6

mit const. = 5 x 10~ x with const. = 5 x 10 ~ x

y xo) y xo)

^1r- ^ 1r-

Diese Beziehung hat zwei Nullstellen bei This relationship has two zeros

"N "N

rG + Z rG + Z

= 0 und = 0 and

N N

rG + z rG + z

= 0,5 = 0.5

zwischen denen der maximale Funktionswert für hmin liegt. Mindeststärke des Schmierfilms hmin auf den optimalen Wert between which the maximum function value for hmin lies. Minimum thickness of the lubricating film hmin to the optimal value

Wird die dimensionslose, geometrische Grösse rN/rG+z mit hopt, der im kritischen Bereich 0< y<0,5 überhaupt möglich ist, If the dimensionless, geometric variable rN / rG + z with hopt, which is even possible in the critical range 0 <y <0.5,

der das Profil über Grad Nockenwinkel festgelegt ist, als hydro- so ergibt sich die relative Schmierfilmdicke £. The profile is determined by the degree of the cam angle as hydro- so the relative lubricating film thickness £ results.

dynamische Beurteilungszahl y bezeichnet und bezieht man die 45 dynamic assessment number y denotes and refers to the 45th

f h,. mm f h ,. mm

\2tF- -y\ \ 2tF- -y \

liopt x (0</<0,5) V 0,125 liopt x (0 </ <0.5) V 0.125

Der Vollständigkeit wegen wird auch die Funktion der rela- gung der vollständigen Formel zur Berechnung des hmin-Wertes tiven Schmierfilmdicke £ angegeben, die sich bei Berücksichti- ergibt. For the sake of completeness, the function of the relation of the complete formula for calculating the hmin value of the lubricating film thickness £ is also given, which is taken into account.

/ /

mm mm

= I(2y— Dl0'7 xr°'45 = I (2y— Dl0'7 xr ° '45

hopt x (°<r<°.5) 0,35038 hopt x (° <r <° .5) 0.35038

Fig. 2 zeigt die relative Schmierfilmdicke als Funktion der hydrodynamischen Beurteilungskennzahl y. Aus der Tatsache heraus, dass sich die hydrodynamische Beurteilungskennzahl y aus den geometrischen Grössen des Nockens 1, wie Krümmungsradius rN, Grundkreisradius rG und Nockenhub z zusammensetzt, von denen Nockenhub z wie Krümmungsradius rN durch Verschleiss verändert werden und damit die Kennzahl y beeinflussen, ist optimale Auslegung eines Nockenprofiles im gefährdeten Bereich 0< y<0,5 nur dann erreicht, wenn in Nokkenspitze die Kennzahl y links des Kurvenmaximums zu liegen 65 kommt (Bereich I), da dann auftretender Verschleiss mit der Folge einer y-Verschiebung der hydrodynamischen Beurteilungskennzahl y in Richtung 0,5 zuerst eine Verbesserung und nach Überschreiten des Maximums eine Verschlechterung in Fig. 2 shows the relative lubricating film thickness as a function of the hydrodynamic rating y. Based on the fact that the hydrodynamic rating y is made up of the geometrical sizes of cam 1, such as radius of curvature rN, base circle radius rG and cam stroke z, of which cam stroke z such as radius of curvature rN are changed by wear and thus influence the parameter y, is optimal Design of a cam profile in the endangered area 0 <y <0.5 only achieved if the index y lies to the left of the curve maximum 65 in the tip of the cam (area I), since wear then occurs with the result of a y shift of the hydrodynamic assessment index y towards 0.5 first an improvement and after exceeding the maximum a deterioration in

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der Bildung eines tragfähigen Schmierfilms bewirkt. Im Bereich y>0,5 (Bereich II) hingegen bringt der Verschleiss in der Schmierfilmbildung nur Vorteile. the formation of a stable lubricating film. In the range y> 0.5 (range II), on the other hand, the wear in the lubricating film formation only has advantages.

Dieser Bereich wird übrigens nur selten erreicht, wie z. B. Incidentally, this area is rarely reached, e.g. B.

bei Rundnocken. Zu erwähnen wäre lediglich noch, dass die stark ausgezogene Kurve 7 nach der vereinfachten Formel von Dowson und Higginson und die strichlierte Kurve 8 nach der vollständigen Formel ermittelt wurde. for round cams. It should only be mentioned that the strongly drawn curve 7 was determined using the simplified formula by Dowson and Higginson and the dashed curve 8 was determined using the complete formula.

G G

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings