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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Nockentrieb bei einem Verbrennungsmotor
eines Kraftfahrzeuges, bestehend aus einer Antriebswelle mit mindestens
einem ortsfest hierauf angeordneten Nocken, durch dessen Nockenprofil
eine aus unterschiedlichen mathematischen Funktionen zusammengesetzte
und zumindest teilsweise sinusförmige Beschleunigungsverläufe
umfassende Nockenbahn gebildet ist, die mit mindestens einem Stößel
zur Erzeugung einer translatorisch oszillierenden Antriebsbewegung
zusammenwirkt.
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Stand der Technik
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Nockentriebe
der hier interessierenden Art werden im Kraftfahrzeugbau vornehmlich
im Rahmen von Kraftstoffeinspritzeinrichtungen angewendet. Bei einer
Kraftstoffeinspritzeinrichtung wird der Kraftstoff, meist Dieselkraftstoff,
auf Drücke von bis zu 2000 bar komprimiert, um diesen unter
Hochdruck einer effizienten Verbrennung zur Verfügung zu
stellen. Der Hochdruck wird dabei von speziellen Hochdruckpumpen
erzeugt, welche insbesondere im Rahmen einer sogenannten Common-Rail-Einspritzung eingesetzt
werden. Hierbei füllt der unter Hochdruck stehende Kraftstoff
ein Rohrleitungssystem, das beim Motorbetrieb ständig unter
Druck steht. Für derartige Hochdruckpumpen werden gewöhnlich
entweder Exzenterantriebe oder die hier interessierenden Nockentriebe
verwendet.
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Die
DE 10 2004 011 284
A1 offenbart eine Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
eines Verbrennungsmotors. Die Hochdruckpumpe weist ein mehrteiliges
Gehäuse auf, in dem eine durch den Verbrennungsmotor rotierend
angetriebene Antriebswelle angeordnet ist. Die Antriebswelle besitzt
wenigstens einen Nocken, dessen Nockenprofil einen Stößel
antreibt, der die Funktion eines Pumpenkolbens ausführt.
Der Pumpenkolben ist in einem im Gehäuse ausgebildeten
Zylinder verschiebbar geführt und begrenzt mit seiner der
Antriebswelle abgewandten Stirnseite einen Pumpenarbeitsraum. Der
Pumpenarbeitsraum weist über einen im Gehäuse
verlaufenden Kraftstoffzulaufkanal eine Verbindung mit einem Kraftstoffzulauf
mit Einlassventil auf. Weiterhin ist am Pumpenarbeitsraum ein Kraftstoffablaufkanal
auslassseitig angeordnet, der mit einem Hochdruckspeicher in Verbindung
steht. An dieser Stelle ist ein Auslassventil vorgesehen. Der als
Pumpenkolben dienende Stößel stützt sich
direkt mit einem aus dem Zylinder in Richtung Nockenwelle hinausragenden
Kolbenfuss an der Nockenbahn ab. Im Kontaktbereich ist eine Rollenschuhanordnung zwecks
Reibungsminimierung vorgesehen.
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Das
Nockenprofil ist bei diesem Stand der Technik als Doppelnocken ausgeführt,
so dass bei einer Umdrehung der Antriebswelle zwei Kolbenhübe des
Stößels erzeugt werden. Die Formgebung des Nockenprofils
richtet sich bei einem Nockentrieb gewöhnlich nach dem
gewünschten Stößelhubverlauf über
den Drehwinkel der Antriebswelle.
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Gemäß des
allgemein bekannten Standes der Technik werden Nockenprofile üblicherweise
abschnittsweise zusammengesetzt, um für die verschiedenen
Bewegungsphasen bei Förder- und Saughub die gewünschten
Beschleunigungsverläufe zu erzielen. Eine Randbedingung
für diese abschnittsweise Auslegung ist beispielsweise
durch maximale Beschleunigung gesetzt, die an den vom Nocken betätigten
Maschinenelementen auftreten dürfen. Eine weitere Randbedingung
kann die gewünschte Fördercharakterisik darstellen.
Weil abschnittsweise in Umfangrichtung des Nockens unterschiedliche
Randbedingungen gelten, wird die Nockenform auch abschnittsweise
in Umfangsrichtung zusammengesetzt.
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Bei
dieser abschnittsweisen Synthese ist es jedoch schwierig zu berücksichtigen,
dass der Nocken die betätigten Elemente nicht mit einem
bestimmten Vielfachen seiner Umdrehungsfrequenz zu Schwingungen
anregen darf. Diese schwingungserregende Eigenschaft eines Nockens
ist keine Eigenschaft, die sich einem Einzelabschnitt auf seinem Umfang
zuordnen lässt. Die schwingungserregende Eigenschaft lässt
sich jedoch beurteilen, wenn der Nocken bei den von ihm angetriebenen
Elementen, als Fourier summe – also der Summe aus Sinusschwingungen
verschiedener Ordnung – wie folgt dargestellt wird: s = A0 + A1·sin(1α + α1) + A2·sin(2α + α2) + ... + An·sin(nα + αn),
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Darin
sind:
- s
- Hub
- α
- Drehwinkel des Nockens
in Umfangsrichtung
- αn
- Phasenlage der Schwingung
der Ordnung n
- n
- die Ordnung der Schwingung
- An
- die Amplituden der
einzelnen Ordnungen
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Der
Nocken regt die von ihm betätigten Elemente mit dem n-Vielfachen
seiner Umdrehungsfrequenz an. Dies ist naturgemäß insbesondere
dann der Fall, wenn ein n-Vielfaches der Umdrehungsfrequenz eine
Eigenschaft eines betätigten Elements trifft und es zur
Resonanz kommt. Maßgeblich dafür, ob dieser nachteilige
Fall eintritt, ist der Betrag der Amplitude An der
zu den eigenschwingungsanregenden Ordnungen n gehört.
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Nachteilig
bei bekannten Nockenantrieben mit abschnittsweise zusammengesetzten
Profil ist, dass diese nicht auf die kritischen Amplituden An hin optimiert werden können.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Nockentrieb
mit einem Nockenprofil zu schaffen, mit dem Resonanzerscheinungen
durch einfache technische Maßnahmen wirkungsvoll unterdrückbar
sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem Nockentrieb gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden
Merkmalen gelöst.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Nockenprofil
des Nockens aus einer solchen Summe von Sinusfunktionen zusammengesetzt
ist, deren jeweilige Einzelamplituden An (der Ordnung
n) an das Drehzahlband der Antriebswelle so angepasst sind, dass
durch den Nocken angetriebene Elemente nur außerhalb ihrer
Eigenfrequenz erregt werden.
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Mit
anderen Worten werden erfindungsgemäß die Nockenprofile
so ausgelegt, dass die zu den Ordnungen n gehörenden Amplituden
An hinreichend klein sind, um die Schwingungserregung
der betätigten Elemente bei bestimmten n-Vielfachen der
Umdrehungsfrequenz zu minimieren. Damit wird die der Erfindung zu
Grunde liegende Problemstellung direkt an der Ursache bekämpft.
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Erfindungsgemäß ist
das Nockenprofil anhand eines Drehzahlbandes zwischen einer minimalen
und einer maximalen Drehzahl der Antriebswelle ausgelegt. Vorzugsweise
lässt sich die erfindungsgemäße Lösung
bei einem Nockenprofil in Form eines genau zwei Hübe pro
Umdrehung der Antriebswelle erzeugenden Doppelnockens abwenden.
Es ist jedoch auch denkbar, dass die erfindungsgemäße
Lösung für 1-fach, 3-fach oder andere n-fach ausgebildete
Nockenprofile angewendet wird, wobei die Periode entsprechend anzupassen
ist.
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Ein
für die Vermeidung von Schwingungserregung vorteilhaftes
Nockenprofil ergibt sich beispielsweise, wenn die Amplituden der
Hubcharakteristik An ab der Ordnung n ≥ 4
besonders klein sind, nämlich A4 ≤ 4‰;
A5 ≤ 1‰ vom Maximalhub.
Die Amplituden ab der 6. Ordnung sind gewöhnlich << 1‰.
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Bestimmte
Oberschwingungen, d. h. bestimmte Vielfache der anregenden Frequenz
der Antriebswelle, werden nicht angeregt und eine größere Variabilität
des Nockenprofils gegenüber einem reinen Sinusnocken der
ersten Ordnung wird erzielt.
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Der
Hubwegverlauf des Stößels, der sich durch ein
nach Art eines Doppelnockens ausgebildetes Nockenprofil ergibt,
wird durch die folgende mathematische Funktion gebildet: s = A0 + A1·sin(1α + α1) + A2·sin(2α + α2) + ... + An·sin(nα + αn), wobei die verwendeten Formelzeichen
analog zu der vorstehend angegebenen Gleichung sind. Diese spezielle
mathematische Funktion, nach welcher die Formgebung des Nockenprofils
erfolgt, bietet den Vorteil, dass das Nockenprofil in bestimmten
Bereichen – vorzugsweise im oberen und unteren Totpunkt – den
Anforderungen an eine harmonische Formgebung besser angepasst werden
kann, als dies bei einer einfachen Sinusform gemäß der
eingangs genannten mathematischen Funktion möglich wäre.
Ein Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Lösung äußert sich
darin, dass bestimmte schädigende Oberschwingungen eben
nicht angeregt werden, dass das Abhebeverhalten des Stößels
verbessert wird, und dass die Beschleunigungsänderungen
pro Winkelintervall deutlich kleiner ausfallen als beim Stand der Technik.
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Ein
besonders harmonisches Nockenprofil ergibt sich, wenn die Anzahl
n der Summanden der vorstehend aufgeführten mathematischen
Funktion im Bereich zwischen 3 und 10 liegt, vorzugsweise maximal
5 beträgt, ganz vorzugsweise maximal 4 und besonders vorzugsweise
maximal 3. Mit jedem Summand kommt ein Vielfaches der Frequenz hinzu. Es
sollen zur Bildung eines harmonischen Nockenprofils die Summanden
berücksichtigt werden, mit denen eine gefährdende
Schwingung vermieden wird.
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Insbesondere
bei der Anwendung als Hochdruckpumpe sollte der Betrag der Amplituden
4. Ordnung und 5. Ordnung A4 ≤ 4‰ bzw.
A5 ≤ 1‰ vom Maximalhub
betragen.
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Ein
Nockenantrieb, dessen Nockenprofil nach der vorgenannten speziellen
mathematischen Funktion ausgebildet ist, umfasst vorzugsweise auch eine
Druckfeder, mit welcher der Stößel gegen die Nockenbahn
des Nockens gepresst wird. Die Druckfeder kann dabei als Schraubenfeder
aus Stahl ausgeführt sein und zwischen einem Getriebegehäuse des
Nockentriebs und der den Nocken zugewandten Ende des Stößels
wirken. Der Stößel wirkt dabei vorzugsweise indirekt über
eine Rollenschuhanordnung oder dergleichen als Kopplungsmittel mit
dem Nocken zusammen. Neben diesen Kopplungsmitteln ist es jedoch
auch denkbar, andere geeignete reibungsminimierende Kopplungsmittel
einzusetzen.
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Ausführungsbeispiele
anhand Figurenbeschreibung
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigt:
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1 einen
Längsschnitt einer Hochdruckpumpe für eine Kraftstoffeinspritzung,
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2 eine
schematische Seitenansicht eines Nockentriebs bei der Hochdruckpumpe
nach 1, und
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3 ein
Hub-Winkel-Diagramm mit harmonischer Zerlegung des Hubweges des
Doppelnockens nach 2 bei einer halben Umdrehung.
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Gemäß 1 weist
die Hochdruckpumpe ein mehrteiliges Pumpengehäuse 1 auf,
in dem eine durch einen – hier nicht weiter dargestellten – Verbrennungsmotor
eines Kraftfahrzeuges eines rotierend angetriebene Antriebswelle 2 drehbar
gelagert ist. Die Antriebswelle 2 weist zwischen endseitigen Gleitlagerstellen
einen Nocken 3 mit einem Nockenprofil 4 auf, welches
hier in Form eines Doppelnockens ausgebildet ist. Über
eine Nockenbahn 5 des Nockenprofils 4 wird ein
Stößel 6 in eine oszillierende Hubbewegung
versetzt. Der Kontakt zwischen dem Stößel 6 und
der Nockenbahn 5 wird über eine dazwischen angeordnete
Rollenschuhanordnung 7 der Druckfeder 13 realisiert.
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Der
Stößel 6 ist mit einem ihn umgebenden, seitens
des Pumpengehäuses 1 ausgebildeten Zylinder 8 gepaart.
Durch die Bewegung des insoweit eine Kolbenfunktion ausführenden
Stößels 6 innerhalb des Zylinders 8 gelangt
während einer Einlaufphase über einen Kraftstoffzulaufkanal 9 Kraftstoff
in einem Hochdruckraum 10 und wird während der
anschließenden Förderphase komprimiert, um das
Pumpengehäuse 1 über einen hieran ausgebildeten
Kraftstoffablaufkanal 11 zu verlassen. Damit der Kraftstoff nach
der Förderphase nicht vom nachgeordneten Rail in den Hochdruckraum
zurückfließt, ist ein Federrückschlagventil 12 vorgesehen.
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Wie
in 2 illustriert ist das Nockenprofil 4 des
Nockens 3 in Form eines genau zwei Hübe pro Umdrehung
der Antriebswelle erzeugenden Doppelnocken ausgebildet. Das Nockenprofil 4 des
Nockens 3 ist dabei aus einer solchen Summe von Sinusfunktionen
zusammengesetzt, die bei jeweils variabler Amplitude maximal nur
eine Ordnung aufweist, die an die maximale Drehzahl der den Nocken 3 in
Drehbewegung versetzenden Antriebswelle 2 angepasst ist.
Hierdurch werden durch die Bewegung des Nockens 3 bestimmte
Oberschwingungen nicht erzeugt, welche beispielsweise der Eigenfrequenz
einer den Stößel 6 gegen den Nocken 3 anpressenden
Druckfeder 13 entsprechen, so dass unter anderem das Abhebeverhalten
des Stößels 6 durch die spezielle Formgebung
verbessert wird.
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Die 3 zeigt
den bei einer halben Umdrehung des Doppelnockens auftretenden Hubverlauf
s, wobei Graph I den Hub und die Graphen III bis IV den Verlauf
bezüglich der ersten Ordnung bis zur dritten Ordnung darstellt.
Der Graph I ist bei dieser harmonischen Zerlegung die Summe der übrigen
Graphen II bis IV. Der die 0. Ordnung darstellende Graph II ist ein
konstanter Offset. Die Graphen III und IV der nachfolgenden Ordnungen
unterscheiden sich in der Amplitude sowie der Frequenz gemäß der
vorstehend angegebenen erfindungsgegenständlichen mathematischen
Funktion.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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