DE102005039044A1

DE102005039044A1 - Ventiltrieb und Verfahren zum Auslegen einer Nockenkontur eines Nockens eines Ventiltriebs

Info

Publication number: DE102005039044A1
Application number: DE102005039044A
Authority: DE
Inventors: Manfred Scherer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2005-08-18
Filing date: 2005-08-18
Publication date: 2007-03-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb (1) zum Betätigen eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, mit einem drehend antreibbaren Nocken (3), der direkt oder indirekt auf ein Ventilglied (4) des Gaswechselventils einwirkt, sowie einer Ventilfeder (9), die das Ventilglied (4) in Richtung des Nockens (3) mit einer Federkraft (A) beaufschlagt. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Auslegung einer Nockenkontur (11) eines drehend antreibbaren Nockens (3) eines Ventiltriebs zum Betätigen eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine. Um bei hohen Drehzahlen für ein ruhigeres dynamisches Verhalten des Nockens (3) und in einer Hubphase des Nockens (3) für eine ausreichende Kraftreserve der Kontaktkraft zu sorgen und dadurch ein Abheben des Nockens zu verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Nockenkontur (11) des Nockens (3) so auszulegen, dass in der Hubphase des Nockens (3) eine Differenz (D) zwischen der Federkraft (A) und Massenkräften (B) von bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) über einen vorbestimmten Nockendrehwinkel (phi) konstant gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Auslegen einer Nockenkontur eines Nockens eines Ventiltriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Die Auslegung von Nockenkonturen von Nocken von Ventiltrieben zum Betätigen von Gaswechselventilen von Brennkraftmaschinen erfolgt in der Regel anhand von kinetostatisch berechneten Größen unter Berücksichtigung vordefinierter Randbedingungen, wobei die bei der Auslegung berücksichtigten Grenzwerte die Belastbarkeit des Ventiltriebs beschreiben. Dabei verfolgt die Auslegung die Strategie, die zumeist auf Erfahrungswerten beruhenden Belastungsgrenzen der Komponenten des Ventiltriebs nicht zu überschreiten. Dynamische Effekte werden in diesem Stadium der Entwicklung noch nicht berücksichtigt, jedoch werden ihre Auswirkungen nach der Auslegung der Nockenkonturen in Mehrkörpersimulationsprogrammen simuliert und im Anschluss daran anhand von Versuchen überprüft.

Durch diese Vorgehensweise werden oft Nockenkonturen ausgelegt, die zwar die kinetostatischen Grenzen einhalten, deren Geometrien jedoch für Hochdrehzahlkonzepte ungeeignet sind, da durch die derart ausgelegten Nockenkonturen in der Hubphase des Nockens bzw. des Ventilglieds dynamische Effekte angeregt werden. Zum Beispiel kann es durch eine ungünstige Auslegung zu einem Abheben eines zwischen dem Nocken und dem Ventilglied angeordneten Schlepp- oder Kipphebels vom Nocken oder zu einem Aufpumpen eines hydraulischen Ventilspielausgleichselements des Ventiltriebs kommen. Durch einen unsteten Verlauf der Federkraft zwischen dem Anfang und dem Ende der Hubphase kann es zudem zu einer dynamischen Anregung von einigen der bewegten Komponenten des Ventiltriebs kommen, die eine höhere Belastung einzelner Komponenten und akustische Auffälligkeiten zur Folge haben kann.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb und ein Verfahren zum Auslegen einer Nockenkontur eines Nockens eines Ventiltriebs der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein ruhigeres dynamisches Ver halten des Nockens und in einer Hubphase des Nockens eine ausreichende Kraftreserve gewährleistet ist, die ein Abheben einer mit dem Nocken im Kontakt befindlichen Komponente des Ventiltriebs vom Nocken bzw. ein Aufpumpen eines hydraulischen Spielausgleichselements des Ventiltriebs sicher verhindert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Nockenkontur des Nockens so ausgelegt wird, dass in einer Hubphase des Ventilgliedes über einen vorbestimmten Nockendrehwinkel eine Differenz zwischen der Federkraft der Ventilfeder und Massenkräften von bewegten Komponenten des Ventiltriebs, wie zum Beispiel dem Ventilglied, einem zwischen dem Nocken und dem Ventilglied angeordneten Schwenk- oder Kipphebel, einer Ventilfeder, sowie ggf. von mechanischen oder hydraulischen Spielausgleichselementen, konstant gehalten wird.

Die oben genannten Massenkräfte der bewegten Komponenten des Ventiltriebs können unter anderem Trägheitskräfte, Beschleunigungskräfte, Bremskräfte und Gewichtskräfte dieser Komponenten umfassen und werden aus den Massen und Massenträgheitsmomenten der Komponenten aufgrund der vorliegenden Beschleunigungen berechnet.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird über den vorbestimmten Nockendrehwinkel während der Hubphase für eine konstante Kontaktkraft zwischen dem Nocken und dem Ventilglied bzw. einem zwischen Nocken und Ventilglied angeordneten Übertragungs- oder Spielausgleichselement gesorgt. Diese konstante Kontaktkraft gewährleistet, dass bei hohen Drehzahlen ausreichend Sicherheit gegen ein Abheben einer mit dem Nocken im Kontakt befindlichen Komponente des Ventiltriebs vom Nocken besteht, also stets ein Kraftfluss zwischen den bewegten Komponenten des Ventiltriebs und dem Nocken vorhanden ist, wodurch ein ruhigeres dynamisches Verhalten erzielt werden kann. Die konstante Kraftdifferenz zwischen der Federkraft und den Massenkräften sorgt darüber hinaus für eine günstigere Belastung von hydraulischen Spielausgleichselementen, so dass kein Aufpumpen derselben erfolgt.

Die Erfindung sieht vor, die Nockenkontur so auszulegen, dass die Differenz zwischen der Ventilfederkraft und den Massenkräften der bewegten Komponenten des Ventiltriebs während eines vorbestimmten Nockendrehwinkels konstant gehalten wird, gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung über den gesamten Bereich negativer Beschleunigungen durch die Massenkräfte, zweckmäßig jedoch mindestens über einen Nockendrehwinkel von 60 Grad und vorzugsweise von 80 Grad. Dieser Nockendrehwinkel erstreckt sich vorzugsweise im Wesentlichen symmetrisch beiderseits der Mitte der Hubphase, wo das Ventil ganz geöffnet und der Abstand zwischen der Nockenkontur und einer Drehachse des Nockens am größten ist.

Vorteilhaft wird die Nockenkontur weiter so ausgelegt, dass die Differenz zwischen der Federkraft der Ventilfeder und den Massenkräften der bewegten Komponenten des Ventiltriebs in einem Bereich zwischen zwei Punkten konstant gehalten wird, an denen die Massenkräfte der bewegten Komponenten des Ventiltriebs jeweils ihr Vorzeichen wechseln.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verhältnis zwischen der Federkraft der Ventilfeder und den Massenkräften der in Betracht gezogenen bewegten Komponenten, mit anderen Worten die Kontakt- oder Überschusskraft zwischen dem Nocken und der mit dem Nocken im Kontakt stehenden Komponente des Ventiltriebs, mindestens 1,3 beträgt. Der Verlauf der konstanten Kontakt- oder Überschusskraft über den Nockendrehwinkel ist vorzugsweise symmetrisch zur Mitte der Hubphase.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Nockenwelle mit Ventiltrieben von zwei Gaswechselventilen eines Zylinders einer Brennkraftmaschine;
2 eine Schnittansicht durch einen Nocken der Nockenwelle entlang der Linie II-II aus 1;
3 ein Schaubild der Federkraft einer Ventilfeder von einem der Gaswechselventile sowie der Massenkräfte von bewegten Komponenten des Ventiltriebs dieses Gaswechselventils über den Nockendrehwinkel.
Die in 1 der Zeichnung dargestellten Ventiltriebe 1 zweier Einlassventile eines Zylinders einer Brennkraftmaschine bestehen jeweils in bekannter Weise im Wesentlichen aus einem über eine Nockenwelle 2 überstehenden Nocken 3, einem beweglichen Ven tilglied 4 mit einem Ventilteller, der einen Einlasskanal im Zylinderkopf öffnet bzw. verschließt, einem Ventilfederteller (nicht dargestellt), einem hydraulischen Ventilspielausgleichselement 5, sowie einem zwischen dem Nocken 3 und dem Ventilglied 4 angeordneten Rollenschlepphebel 6 mit einer drehbaren Rolle 7, die mit einer umlaufenden Nockenkontur 8 des Nockens 3 im Anlagekontakt steht, um das Ventilglied 4 zum Öffnen des Einlasskanals entgegen der Kraft einer Ventilfeder 9 nach unten zu drücken.
Wie am besten in 2 dargestellt, weist die Nockenkontur 8 in bekannter Weise einen Grundkreis 10 mit konstantem Krümmungsradius und eine Hubkontur 11 auf. Solange der Grundkreis 10 mit der Umfangsfläche der Rolle 7 des Rollenschlepphebels 6 im Anlagekontakt steht, verschließt der Ventilteller den Einlasskanal. Wenn die Hubkontur 11 mit der Rolle 7 des Rollenschlepphebels 6 in Anlagekontakt tritt, beginnt am Punkt 12 der Nockenkontur 8 die sogenannte Hubphase des Nockens 3, in der das Ventilglied 4 vom Nocken 3 bzw. von der zwischen dem Nocken und dem Ventilglied 4 angeordneten Rolle 7 des Rollenschlepphebels 6 zuerst entgegen der Kraft der Ventilfeder 9 in Richtung Zylinder bewegt wird, bis es in der Mitte der Hubphase am Punkt 13 der Nockenkontur 8 bei einem Nockenwinkel φ von 0° seine tiefste Stellung erreicht, wo das Ventil vollständig geöffnet ist. Im Anschluss daran wird das Ventilglied 4 durch die Federkraft der Ventilfeder 9 wieder nach oben in Richtung der Nockenwelle 2 bewegt, wobei es im Anlagekontakt gegen die Rolle 7 und diese im Anlagekontakt gegen die Nockenkontur 8 des Nockens 3 gehalten wird, bis das Ventilglied 4 gegen Ende der Hubphase am Punkt 14 der Nockenkontur 8 erneut seine oberste Stellung erreicht, wo das Ventil wieder vollständig geschlossen ist.
Wie am besten in 3 dargestellt, ist die Nockenkontur 8 so ausgelegt, dass das Verhältnis zwischen dem Betrag einer von der Ventilfeder 9 auf das Ventilglied 4 ausgeübten Federkraft (Kurve A) und dem Betrag der Massenkräfte der bewegten Komponenten der Ventiltriebs 1 (Kurve B), das heißt der Massenkräfte des Ventilglieds 4, des Rollenschlepphebels 6, der Ventilfeder 9, des Ventilfedertellers und ggf. von Teilen des Spielausgleichselements 5, während der gesamten Hubphase, d.h. während der Bewegung der Rolle 7 des Rollenschlepphebels 6 entlang der Hubkontur 11 des Nockens 3 über einen Nockendrehwinkel φ von etwa 90° konstant auf einem Wert von zum Beispiel 1,3 gehalten wird. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht dies einer Kraftdifferenz D von etwa 250 N. Dadurch wird in diesem Bereich das Ventilglied 4 auch bei hohen Drehzahlen mit dieser konstanten Kraftdifferenz D oder Kontaktkraft gegen die Rolle 7 des Rollenschlepphebels 6 und diese wiederum gegen die Nockenkontur 8 des Nockens 3 angepresst. Die konstante Kontakt- bzw. Überschusskraft gewährleistet, dass auch bei hohen Drehzahlen stets ein Kraftfluss zwischen den Komponenten 4, 7 des Ventiltriebs 1 und dem Nocken 3 vorhanden ist, der ein Abheben des Nockens 3 von der Rolle 7 des Hebels 6 verhindert und eine günstigere Belastung des hydraulischen Ventilspielausgleichselements 5 gewährleistet, so dass ein Aufpumpen desselben verhindert wird. Darüber hinaus werden durch die konstante Anpresskraft dynamische Effekte verhindert, was für einen ruhigeren und geräuschloseren Lauf des Ventiltriebs 1 sorgt.
Wie in 3 dargestellt, wird die Hubphase der Nockenkontur 11 auch dadurch bestimmt, dass die Massenkräfte (Kurve B) der bewegten Komponenten 4, 6, 9 des Ventiltriebs 1 am Beginn und am Ende der Hubphase, d.h. an den Punkten 12 und 14, ihr Vorzeichen ändern und dass der Betrag der Massenkräfte (Kurve B) ebenso wie der Betrag der Federkraft (Kurve A) der Ventilfeder 9 in der Mitte der Hubphase am Punkt 13 ein Maximum erreicht.
Aus 2 und 3 lässt sich weiter entnehmen, dass die Hubkontur 11 des Nockens 3 und damit die Federkraft der Ventilfeder 9 in Bezug zur Mitte 13 der Hubkontur 11 bzw. Hubphase im Wesentlichen symmetrisch verläuft, was einem zur Mitte 13 der Hubkontur 11 bzw. Hubphase im Wesentlichen symmetrischen Verlauf der Massenkräfte innerhalb der Hubphase entspricht.
Die für die Auslegung des Nockens 3 erforderlichen Massenkräfte werden berechnet, indem aus den Massenträgheitsmomenten bzw. Massenträgheitskräften der Komponenten 4, 6, 9 Ersatzmassen ermittelt werden, die zusammen mit den jeweiligen Beschleunigungen der Komponenten 4, 6, 9 der Berechnung der Massenkräfte zugrunde gelegt werden.

1: Ventiltrieb
2: Nockenwelle
3: Nocken
4: Ventilglied
5: Ventilspielausgleichselement
6: Rollenschlepphebel
7: Rolle
8: Nockenkontur
9: Ventilfeder
10: Grundkreis
11: Hubkontur
12: Beginn Hubphase
13: Mitte Hubphase
14: Ende Hubphase
A: Federkraft
B: Massenkräfte
D: Kraftdifferenz

Claims

Ventiltrieb zum Betätigen eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, umfassend einen drehend antreibbaren Nocken, der direkt oder indirekt auf ein Ventilglied des Gaswechselventils einwirkt, sowie eine Ventilfeder, die das Ventilglied in Richtung des Nockens mit einer Federkraft beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nockenkontur (11) des Nockens (3) ausgelegt ist, um in einer Hubphase des Nockens (3) eine Differenz (D) zwischen der Federkraft (A) und Massenkräften (B) von bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) über einen vorbestimmten Nockendrehwinkel (φ) konstant zu halten.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkontur (11) ausgelegt ist, um die Differenz (D) zwischen der Federkraft (A) der Ventilfeder (9) und den Massenkräften (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) im Bereich negativer Beschleunigungen durch die Massenkräfte (B) konstant zu halten.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkontur (11) ausgelegt ist, um die Differenz (D) zwischen der Federkraft (A) der Ventilfeder (9) und den Massenkräften (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) über einen Nockendrehwinkel (φ) von mindestens 60 Grad und vorzugsweise mindestens 80 Grad konstant zu halten.
Ventiltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkontur (11) ausgelegt ist, um die Differenz (D) zwischen der Federkraft (A) der Ventilfeder (9) und den Massenkräften (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) über einen Nockendrehwinkel (φ) von mindestens 20 und vorzugsweise mindestens 40 Grad beiderseits einer Mitte (13) der Hubphase konstant zu halten.
Ventiltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkontur (11) ausgelegt ist, um die Differenz (D) zwischen der Federkraft (A) der Ventilfeder (9) und den Massenkräften (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) in einem Bereich zwischen zwei Punkten (12, 13) konstant zu halten, an denen die Massenkräfte (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) jeweils ihr Vorzeichen wechseln.
Ventiltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der Federkraft der Ventilfeder (9) und den Massenkräften (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) über den vorbestimmten Nockendrehwinkel (φ) mindestens etwa 1,3 beträgt.
Verfahren zur Auslegung einer Nockenkontur eines drehend antreibbaren Nockens eines Ventiltriebs zum Betätigen eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkontur (11) des direkt oder indirekt auf ein Ventilglied (4) des Gaswechselventils einwirkenden Nockens (3) so ausgelegt wird, dass in einer Hubphase des Nockens (3) eine Differenz (D) zwischen einer Federkraft (A) einer Ventilfeder (9) des Gaswechselventils und Massenkräften (B) von bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) über einen vorbestimmten Nockendrehwinkel (φ) konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkontur (11) so ausgelegt wird, dass die Differenz (D) zwischen der Federkraft (A) der Ventilfeder (9) und den Massenkräften (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) im Bereich negativer Beschleunigungen durch die Massenkräfte (B) konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkontur (11) so ausgelegt wird, dass die Differenz (D) zwischen der Federkraft (A) der Ventilfeder (9) und den Massenkräften (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) über einen Nockendrehwinkel (φ) von mindestens 60 Grad und vorzugsweise mindestens 80 Grad konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkontur (11) so ausgelegt wird, dass die Differenz (D) zwischen der Federkraft (A) der Ventilfeder (9) und den Massenkräften (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) über einen Nockendrehwinkel (φ) von mindestens 30 und vorzugsweise mindestens 40 Grad beiderseits der Mitte (13) der Hubphase konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkontur (11) so ausgelegt wird, dass die Differenz (D) zwischen der Federkraft (A) der Ventilfeder (9) und den Massenkräften (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) in einem Bereich zwischen zwei Punkten (12, 13), an denen die Massenkräfte (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) jeweils ihr Vorzeichen wechseln, konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenkontur (11) so ausgelegt wird, dass ein Verhältnis zwischen der Federkraft (A) der Ventilfeder (9) und den Massenkräften (B) der bewegten Komponenten (4, 6, 9) des Ventiltriebs (1) über den vorbestimmten Nockendrehwinkel (φ) mindestens etwa 1,3 beträgt.