DE102010036145A1

DE102010036145A1 - Nockenwelle mit einem abgeglichenen Massendämpfer

Info

Publication number: DE102010036145A1
Application number: DE102010036145A
Authority: DE
Inventors: Craig D. Mich. Marriott; Hong Wai Mich. Nguyen; Ronald Jay Mich. Pierik
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2011-07-21
Also published as: US20110061614A1; CN102022148B; US8096275B2; CN102022148A

Abstract

Eine Nockenwellenbaugruppe kann eine erste Welle, die ausgebildet ist, um drehend angetrieben zu werden, ein erstes Nockenelement, das zur Drehung mit der ersten Welle fixiert ist, und einen Torsionsdämpfer aufweisen, der an der ersten Welle fixiert ist. Der Torsionsdämpfer kann eine Massenstruktur, die an der ersten Welle fixiert ist, und ein elastisches Element aufweisen, das zwischen der Massenstruktur und der ersten Welle angeordnet und mit diesem gekoppelt ist. Das elastische Element kann eine Federkonstante aufweisen, die eine erste Seiteenfrequenz für die Nockenwellenbaugruppe schafft.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Motor-Nockenwellenbaugruppen und spezieller konzentrische Nockenwellenbaugruppen.
HINTERGRUND
Dieser Abschnitt liefert auf die vorliegende Offenbarung bezogene Hintergrundinformation, die nicht notwendigerweise Stand der Technik darstellt.
Verbrennungsmotoren können ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff in Zylindern verbrennen und dadurch ein Antriebsdrehmoment erzeugen. Die Luft- und Kraftstoffströmung in die Zylinder und aus diesen kann durch einen Ventiltrieb gesteuert werden. Die Ventiltriebe weisen typischerweise eine Nockenwelle auf, die Einlass- und Auslassventile betätigt und dadurch den Zeitpunkt und die Menge der Luft und des Kraftstoffs, die in die Zylinder eintreten, und der Abgase steuert, welche die Zylinder verlassen. Bei Ventiltrieben mit obenliegender Nockenwelle (OHC-Ventiltrieben) ist die Nockenwelle in einem Zylinderkopf oberhalb der Verbrennungskammern angeordnet, und sie betätigt die Einlass- und Auslassventile typischerweise mittels Stößeln, die mit den Einlass- und Auslassventilen gekoppelt sind.
Motoren mit mehreren Einlass- und/oder Auslassventilen in jedem Zylinder können eine Ausbildung mit Doppel-OHC-Ventiltrieb aufweisen. Doppel-OHC-Ventiltriebe umfassen typischerweise eine erste Nockenwelle, welche die Einlassventile betätigt, und eine zweite Nockenwelle, welche die Auslassventile betätigt. Typischerweise weisen die Nockenwellen einen Nocken auf, der jedem von den jeweiligen Einlass- und Auslassventilen entspricht und den Ventilzeitpunkt steuert. Einige Nockenwellen sind konzentrische Nockenwellen, die für eine relative Drehung zwischen ersten Nockenelementen und zweiten Nockenelementen sorgen, welche die Ventile betätigen. Die ersten Nockenelemente können an einer röhrenförmigen äußeren Welle zur Drehung mit der äußeren Welle fixiert sein. Die zweiten Nockenelemente können durch die äußere Welle radial gelagert sein, und sie können zur Drehung mit einer inneren Welle fixiert sein. Die innere Welle kann in der äußeren Welle angeordnet sein, und sie kann radial durch die äußere Welle gelagert sein.
Ein Nockenphasensteller kann mit der äußeren Welle und der inneren Welle gekoppelt sein, und er kann eine relative Drehposition zwischen der äußeren Welle und der inneren Welle steuern. Auf diese Weise kann der Nockenphasensteller verwendet werden, um die gesamte zeitliche Steuerung der Ventile einzustellen, indem die Dauer der Ventilöffnung variiert wird. Ein Impulsgeberrad kann mit der äußeren Welle oder der inneren Welle gekoppelt sein, und es kann verwendet werden, um eine Drehposition der entsprechenden Welle zu detektieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Nockenwellenbaugruppe kann eine erste Welle, die ausgebildet ist, um drehend angetrieben zu werden, ein erstes Nockenelement, das zur Drehung mit der ersten Welle fixiert ist, und einen Torsionsdämpfer aufweisen. Der Torsionsdämpfer kann eine Massenstruktur und ein elastisches Element aufweisen, das zwischen der Massenstruktur und der ersten Welle angeordnet und mit diesen gekoppelt ist. Das elastische Element kann eine Federkonstante aufweisen, die eine erste Seitenband-Eigenfrequenz und eine zweite Seitenband-Eigenfrequenz mit einem zweiten Seitenband für die Nockenwellenbaugruppe schafft.
Bei einer alternativen Anordnung kann eine Nockenwellenbaugruppe eine erste Wellenbaugruppe und eine zweite Wellenbaugruppe umfassen. Die erste Wellenbaugruppe kann eine erste Welle und ein erstes Nockenelement aufweisen, das an der ersten Welle fixiert ist. Die erste Welle kann ausgebildet sein, um drehend angetrieben zu werden, und sie kann eine sich axial erstreckende Bohrung aufweisen. Die zweite Wellenbaugruppe kann eine zweite Welle, ein zweites Nockenelement und einen Torsionsdämpfer aufweisen. Die zweite Welle kann in der sich axial erstreckenden Bohrung angeordnet sein, und sie kann relativ zu der ersten Welle drehbar sein. Die zweite Welle kann zusätzlich ein erstes Ende, das ausgebildet ist, um drehend angetrieben zu werden, und ein zweites Ende entgegengesetzt zu dem ersten Ende aufweisen. Das zweite Nockenelement kann an der ersten Welle drehbar gelagert sein und zur Drehung mit der zweiten Welle fixiert sein. Der Torsionsdämpfer kann an der zweiten Welle fixiert sein.
Bei einer alternativen Anordnung kann eine Nockenwellenbaugruppe eine erste Wellenbaugruppe und eine zweite Wellenbaugruppe umfassen. Die erste Wellenbaugruppe kann eine erste Welle und ein erstes Nockenelement aufweisen, das an der ersten Welle fixiert ist. Die erste Welle kann ausgebildet sein, um drehend angetrieben zu werden, und sie kann eine sich radial erstreckende Bohrung definieren. Die zweite Wellenbaugruppe kann eine zweite Welle, ein zweites Nockenelement und einen Torsionsdämpfer aufweisen, der an der zweiten Welle fixiert ist. Die zweite Welle kann in der sich radial erstreckenden Bohrung angeordnet sein, und sie kann relativ zu der ersten Welle drehbar sein. Die zweite Welle kann ein erstes Ende, das ausgebildet ist, um drehend angetrieben zu werden, und ein zweites Ende entgegengesetzt zu dem ersten Ende aufweisen. Das zweite Nockenelement kann drehbar an der ersten Welle gelagert sein und zur Drehung mit der zweiten Welle fixiert sein. Der Torsionsdämpfer kann einen kreisförmigen Ring und ein elastisches Element aufweisen, das zwischen dem kreisförmigen Ring und der zweiten Welle angeordnet ist und den kreisförmigen Ring an die zweite Welle koppelt. Das elastische Element kann ausgebildet sein, um für eine erste Drehoszillation des kreisförmigen Rings zu sorgen, die mit einer entsprechenden zweiten Drehoszillation der zweiten Welle während der Drehung der zweiten Welle außer Phase ist.
Weitere Anwendungsgebiete werden anhand der hierin vorgesehenen Beschreibung offensichtlich werden. Die Beschreibung und die speziellen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur zu Darstellungszwecken gedacht und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Darstellungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
1 ist eine Draufsicht einer Zylinderkopfbaugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Schnittansicht der Zylinderkopfbaugruppe von 1;
3 ist eine Perspektivansicht der Nockenwellenbaugruppe und des Nockenphasenstellers von 1;
4 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Nockenwellenbaugruppe von 1;
5 ist eine fragmentarische Schnittansicht der Nockenwellenbaugruppe von 1;
6 ist eine Perspektivansicht des Impulsgeberrades von 1;
7 ist ein Diagramm, das eine Drehmomenteingabe für die Nockenwellenbaugruppe von 1 darstellt; und
8 ist ein Diagramm, das ein drehendes Ansprechen der Nockenwellenbaugruppe von 1 auf die Drehmomenteingabe von 7 darstellt.
Entsprechende Bezugszeichen geben überall in den verschiedenen Zeichnungsansichten entsprechende Teile an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Beispiele der vorliegenden Offenbarung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen vollständiger beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung ist nur beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendungsmöglichkeit oder Verwendungen nicht einschränken.
Unter Bezugnahme auf 1–2 ist eine Zylinderkopfbaugruppe 10 für eine Motorbaugruppe dargestellt. Die Zylinderkopfbaugruppe 10 ist als eine von dem Typ mit obenliegender Nockenwelle gezeigt, und sie kann an einer Motorblockstruktur (nicht gezeigt) angebracht sein. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf Anordnungen mit obenliegender Nockenwelle beschränkt. Die Motorblockstruktur kann eine von verschiedenen Ausbildungen sein, die Ausbildungen vom Reihentyp und vom V-Typ umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein.
Die Zylinderkopfbaugruppe 10 kann eine Zylinderkopfstruktur 12, eine Einlass-Ventiltriebbaugruppe 14 und eine Auslass-Ventiltriebbaugruppe 16 umfassen. Die Zylinderkopfstruktur 12 lagert die Einlass- und die Auslass-Ventiltriebbaugruppe 14, 16, und sie kann Einlassöffnungen 20, Auslassöffnungen 22 und Fluiddurchgänge 24 aufweisen. Die Einlass- und die Auslassöffnungen 20, 22 können Einlassluft, die in die Zylinder eintritt, und Verbrennungsabgase leiten, die aus den Zylindern austreten. Die Fluiddurchgänge 24 können ein unter Druck stehendes Fluid aus dem Inneren des Motors zu verschiedenen Komponenten der Einlass- und der Auslass-Ventiltriebbaugruppen 14, 16 leiten.
Die Einlass-Ventiltriebbaugruppe 14 kann Einlass-Ventilbaugruppen 30 aufweisen, die mittels Einlass-Ventilhubmechanismen 32 durch eine Einlass-Nockenwellenbaugruppe 34 betätigt werden. Die Einlass-Ventiltriebbaugruppe 14 kann ferner einen Nockenwellenphasensteller 36 aufweisen. Die Auslass-Ventiltriebbaugruppe 16 kann Auslass-Ventilbaugruppen 40 aufweisen, die mittels Auslass-Ventilhubmechanismen 42 durch eine Auslass-Nockenwellenbaugruppe 44 betätigt werden.
Die Auslass-Ventilbaugruppen 40 und die Auslass-Ventilhubmechanismen 42 können den Einlass-Ventilbaugruppen 30 bzw. den Einlass-Ventilhubmechanismen 32 im Wesentlichen ähnlich sein. Daher werden der Einfachheit halber die Einlass-Ventilbaugruppen 30 und die Einlass-Ventilhubmechanismen 32 nachstehend mit dem Verständnis im Detail beschrieben, dass die Beschreibung gleichermaßen für die Auslass-Ventilbaugruppen 40 und die Auslass-Ventilhubmechanismen 42 gilt.
Die Auslass-Nockenwellenbaugruppe 44 kann von einem herkömmlichen Typ mit einzelner Nockenwelle sein, wie es gezeigt ist. Dementsprechend wird der Kürze halber die Auslass-Nockenwellenbaugruppe 44 nicht im Detail beschrieben. Alternativ kann die Auslass-Nockenwellenbaugruppe 44 der Einlass-Nockenwellenbaugruppe 34 im Wesentlichen ähnlich sein. Obwohl die Auslass-Nockenwellenbaugruppe 44 nicht im Detail beschrieben wird, versteht es sich, dass die Beschreibung der Einlass-Nockenwellenbaugruppe 34, die nachstehend vorgesehen ist, gleichermaßen für die Auslass-Nockenwellenbaugruppe 44 gilt.
Unter spezieller Bezugnahme auf 2 können die Einlass-Ventilbaugruppen 30 Einlassventile 50, die in den Einlassöffnungen 20 angeordnet sind, und Federelemente 52 aufweisen. Die Einlassventile 50 können durch die Federelemente 52 in einer geschlossenen Position vorgespannt sein.
Die Einlass-Ventilhubmechanismen 32 können Kipphebel 54 und Spielausgleichseinrichtungen 56 aufweisen. Die Kipphebel 54 können an einem Ende mit entsprechenden Einlassventilen 50 und an einem entgegengesetzten Ende mit entsprechenden Spielausgleichseinrichtungen 56 in Eingriff stehen. Die Kipphebel 54 können um entsprechende Spielausgleichseinrichtungen 56 verschwenken, und sie können Rollenelemente 58 aufweisen, die um Wellen 60 verschwenken und die mit entsprechenden Nockenelementen 80, 82, 84, 86, 92, 94, 96, 98 in Eingriff stehen. Die Spielausgleichseinrichtungen 56 können hydraulisch betätigt werden, und sie können für einen hydraulischen Spielausgleich sorgen, der den Eingriff zwischen dem Kipphebel 54, den Nockenelementen 80, 82, 84, 86, 92, 94, 96, 98 und den Einlassventilen 50 aufrechterhält. Unter Druck stehendes Fluid kann mittels der Fluiddurchgänge 24 an die Spielausgleichseinrichtungen 56 geliefert werden.
Obgleich 1–2 darstellen, dass die Einlass-Ventilhubmechanismen 32 vom Kipphebeltyp sind, versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung nicht ausschließlich auf Ausbildungen vom Kipphebeltyp beschränkt ist und gleichermaßen für andere herkömmliche Ventilhubmechanismen gilt. Als ein nicht einschränkendes Beispiel gilt die vorliegende Offenbarung für Ventilhubmechanismen, die Stößel aufweisen, die zwischen den Einlassventilen und der Nockenwelle angeordnet sind und mit diesen direkt in Eingriff stehen.
Die Einlass-Nockenwellenbaugruppe 34 kann oberhalb der Einlassventile 50 und der Kipphebel 54 angeordnet sein, und sie kann zur Drehung um eine Drehachse 62 in der Zylinderkopfstruktur 12 fixiert sein. Die Einlass-Nockenwellenbaugruppe 34 kann durch Lagerdeckel 64 gestützt sein, die entlang der Länge der Einlass-Nockenwellenbaugruppe 34 axial beabstandet sind.
Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 3–5 kann die Einlass-Nockenwellenbaugruppe 34 eine erste Wellenbaugruppe 70 und eine zweite Wellenbaugruppe 72 umfassen. Die erste Wellenbaugruppe 70 kann eine erste Welle und einen ersten Satz Nockenelemente 80, 82, 84, 86, 88 aufweisen. Die zweite Wellenbaugruppe 72 kann eine zweite Welle 90, einen zweiten Satz Nockenelemente 92, 94, 96, 98, Antriebsstifte 100 und ein Impulsgeberrad 102 aufweisen.
Die erste Welle 78 kann zur Drehung mit dem Nockenphasensteller 36 fixiert sein, und sie kann Lagerzapfen 110, eine axiale Bohrung 112 und Umfangsschlitze 114 aufweisen. Die Lagerzapfen 110 können in einer Außenfläche 116 eingearbeitet sein, und sie können mit der Zylinderkopfstruktur 12 in Eingriff stehen, die entsprechende Lagerdeckel 64 aufweist. Die Lagerzapfen 110 können zwischen benachbarten Nockenelementen 80, 82, 84, 86, 92, 94, 96, 98 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Lagerzapfen 110 zwischen benachbarten Paaren von Nockenelementen 80, 82, 84, 86, 92, 94, 96, 98 angeordnet sein. Die axiale Bohrung 112 kann sich durch das Zentrum der ersten Welle 78 erstrecken, und sie kann die zweite Welle 90 aufnehmen. Die Umfangsschlitze 114 können sich kreuzweise über die erste Welle 78 erstrecken, und sie können entsprechende Antriebsstifte 100 aufnehmen. Die Umfangsschlitze 114 können eine Drehbewegung der Antriebsstifte 100 ermöglichen. Die Umfangsschlitze 114 können auch eine axiale Bewegung der Antriebsstifte 100 begrenzen.
Der erste Satz Nockenelemente 80, 82, 84, 86, 88 kann an der ersten Welle 78 aufgenommen sein und zur Drehung mit dieser fixiert sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann der erste Satz Nockenelemente 80, 82, 84, 86, 88 mit der ersten Welle 78 in Reibungseingriff stehen.
Die zweite Welle 90 kann koaxial in der axialen Bohrung 112 angeordnet sein und durch diese radial gelagert sein. Die zweite Welle 90 kann zur Drehung mit dem Nockenphasensteller 36 fixiert sein, und sie kann relativ zu der ersten Welle 78 drehbar sein. Die zweite Welle 90 kann radiale Bohrungen 118 aufweisen, die entsprechende Antriebsstifte 100 aufnehmen und dadurch den zweiten Satz Nockenelemente 92, 94, 96, 98 zur Drehung mit der zweiten Welle 90 koppeln.
Der zweite Satz Nockenelemente 92, 94, 96, 98 kann an der ersten Welle 78 aufgenommen sein und durch diese radial gelagert sein. Der zweite Satz Nockenelemente 92, 94, 96, 98 kann Schulterabschnitte 122 aufweisen, die Queröffnungen 124 benachbart zu den Umfangsschlitzen 114 aufweisen. Die Queröffnungen 124 können entsprechende Antriebsstifte 100 aufnehmen und dadurch den zweiten Satz Nockenelemente 92, 94, 96, 98 zur Drehung mit der zweiten Welle 90 koppeln.
Die Nockenelemente 80, 82, 84, 86 und die Nockenelemente 92, 94, 96, 98 können mit entsprechenden Kipphebeln 54 in Eingriff stehen und dadurch die entsprechenden Einlassventile 50 betätigen. Jedes der Nockenelemente 80, 82, 84, 86 kann benachbart zu einem entsprechenden der Nockenelemente 92, 94, 96, 98 angeordnet sein und dadurch Nockenpaare 126 bilden. Jedes der Nockenpaare 126 kann einem der Zylinder des Motors entsprechen. Das Nockenelement 88 kann mit einer Kraftstoffpumpe (nicht gezeigt) in Eingriff stehen und diese betätigen.
Der Nockenphasensteller 36 kann durch eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) angetrieben werden, und er kann ein erstes Phasenstellerelement 130 und ein zweites Phasenstellerelement 132 umfassen. Das erste Phasenstellerelement 130 kann durch die Kurbelwelle angetrieben werden, und es kann mit der ersten Welle 78 gekoppelt sein. Das zweite Phasenstellerelement 132 kann mit der zweiten Welle 90 gekoppelt sein. Das erste und das zweite Phasenstellerelement 130, 132 können für eine axiale Ausrichtung zwischen der ersten bzw. der zweiten Welle 78, 90 sorgen und dadurch eine axiale Verschiebung zwischen der ersten und der zweiten Welle 78, 90 verhindern. Das erste und das zweite Phasenstellerelement 130, 132 können relativ zueinander drehbar sein. Der Nockenphasensteller 36 kann betätigt werden, um die erste und die zweite Welle 78, 90 relativ zueinander zu drehen und dadurch den Ventilzeitpunkt und die effektive Ventildauer zu variieren.
Das Impulsgeberrad 102 kann zur Drehung mit der zweiten Welle 90 fixiert sein, und es kann an einem Ende der zweiten Welle 90 entgegengesetzt zu dem Phasensteller 36 angeordnet sein. Das Impulsgeberrad 102 kann verwendet werden, um die Drehposition der zweiten Welle 90 zu detektieren. Das Impulsgeberrad 102 kann verwendet werden, um die Drehposition der zweiten Welle 90 relativ zu einer Drehposition einer anderen Komponente des Motors zu detektieren, die als Referenz verwendet wird, wie beispielsweise die Kurbelwelle. Auf die vorstehende Weise kann das Impulsgeberrad 102 auch verwendet werden, um die Drehposition der Nockenelemente 92, 94, 96, 98 relativ zu der Referenzdrehposition zu detektieren. Wie unten diskutiert wird, kann das Impulsgeberrad 102 einen Torsionsdämpfer und spezieller einen abgeglichenen Massendämpfer bilden, der das Torsionsansprechen der zweiten Wellenbaugruppe 72 auf eine Drehmomenteingabe der Einlass-Ventiltriebbaugruppe 14 steuert. Obwohl er gemäß dem vorliegenden nicht einschränkenden Beispiel als Teil des Impulsgeberrads 102 diskutiert wird, versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung gleichermaßen für Anordnungen gilt, bei denen der Rotationsdämpfer ohne irgendeine Funktion zur zeitlichen Steuerung vorgesehen ist.
Das Impulsgeberrad 102 kann das Torsionsansprechen dämpfen, wenn die zweite Wellenbaugruppe 72 eine Eigenfrequenz aufweist, die in einem vorbestimmten Frequenzbereich auftritt, in dem der Energieinhalt der Drehmomenteingabe hoch ist und ansonsten ein resonanzartiges Verhalten zeigen kann. Ungedämpft kann die zweite Wellenbaugruppe 72 ein Torsionsansprechen zeigen, das zu einer Schwankung der Schließgeschwindigkeit, des Ventilzeitpunkts und/oder der Luftverteilung von Zylinder zu Zylinder führt. Das ungedämpfte Ansprechen kann auch eine mechanische Ermüdung verursachen.
Das Impulsgeberrad 102 kann das Torsionsansprechen steuern, indem es als ein abgeglichener Massendämpfer für die zweite Wellenbaugruppe 72 wirkt. Das Impulsgeberrad 102 kann die Eigenfrequenz der zweiten Wellenbaugruppe 72 in bimodale Seitenband-Eigenfrequenzen teilen, so dass geringere Amplituden in dem Torsionsansprechen erreicht werden. Eine der Seitenband-Eigenfrequenzen kann in dem vorbestimmten Frequenzbereich auftreten, während eine andere der Seitenband-Eigenfrequenzen oberhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs auftreten kann.
Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 6 kann das Impulsgeberrad 102 eine Nabe 140 aufweisen, die durch ein elastisches Element 144 mit einem Impulsgeberring 142 gekoppelt ist. Die Nabe 140, der Impulsgeberring 142 und das elastische Element 144 können einstückig als ein monolithisches Element gebildet sein, und sie können aus demselben Basismaterial gebildet sein. Die Nabe 140 kann im Wesentlichen eine röhrenförmige Form aufweisen und an der zweiten Welle 90 fixiert sein.
Der Impulsgeberring 142 kann einen kreisförmigen Ring 146, einen ersten Satz Zähne 148 und einen zweiten Satz Zähne 150 aufweisen. Der kreisförmige Ring 146 kann radial außerhalb der Nabe 140 angeordnet sein. Der kreisförmige Ring 146 kann mit der Nabe 140 konzentrisch sein. Der erste und der zweite Satz Zähne 148, 150 können bei vorbestimmten Drehpositionen um den Umfang des kreisförmigen Rings 146 herum von dem kreisförmigen Ring 146 radial nach außen hervorstehen. Der erste und der zweite Satz Zähne 148, 150 können einstückig mit dem kreisförmigen Ring 146 gebildet sein. Die Umfangsweite des ersten Satzes Zähne 148 kann von der Umfangsweite des zweiten Satzes Zähne 150 verschieden sein, und sie kann kleiner als die Umfangsweite der zweiten Zähne 150 sein. Die Drehposition der zweiten Welle 90 kann durch einen Sensor (nicht gezeigt) detektiert werden, der die Anwesenheit und dadurch die Drehung des ersten und des zweiten Satzes Zähne 148, 150 detektiert.
Das elastische Element 144 kann zwischen der Nabe 140 und dem kreisförmigen Ring 146 angeordnet sein. Das elastische Element 144 kann derart ausgebildet sein, dass eine erste Rotationsmasse des Impulsgeberrings 142 von einer zweiten Rotationsmasse der anderen Komponenten der zweiten Wellenbaugruppe 72, einschließlich der Nabe 140, nachgiebig isoliert ist. Durch das nachgiebige Isolieren der vorstehenden Rotationsmassenstrukturen kann das elastische Element 144 einen zusätzlichen Freiheitsgrad einführen, der dem Impulsgeberrad 102 ermöglicht, als ein abgeglichener Massendämpfer für die zweite Wellenbaugruppe 72 zu wirken. Durch das nachgiebige Isolieren der ersten und der zweiten Rotationsmassenstruktur kann das elastische Element 144 eine relative Drehverschiebung (d. h. eine Bewegung) zwischen dem Impulsgeberring 142 und den anderen Komponenten der zweiten Wellenbaugruppe 72, einschließlich der Nockenelemente 92, 94, 96, 98, hervorrufen. Die relative Drehverschiebung kann bewirken, dass der Impulsgeberring 142 außer Phase mit der zweiten Welle 90 drehend oszilliert.
Das elastische Element 144 kann eine vorbestimmte Steifigkeit oder Federkonstante aufweisen. Zu Zwecken der vorliegenden Offenbarung wird die Federkonstante allgemein verwendet, um sich auf eine mechanische Eigenschaft des elastischen Elements 144 zu beziehen, die das erforderliche Drehmoment ausdrückt, um eine Einheit einer Drehverschiebung (z. B. ein Grad) zwischen der Nabe 140 und dem Impulsgeberring 142 zu erzeugen. Strukturelle, mechanische und dimensionsmäßige Merkmale des elastischen Elements 144 können derart ausgewählt werden, dass das elastische Element 144 die vorbestimmte Federkonstante aufweist.
Die Federkonstante kann derart ausgewählt werden, dass das Impulsgeberrad 102 als ein Schwingungsabsorber (d. h. als abgeglichener Massendämpfer) wirkt und dadurch das Torsionsansprechen der zweiten Wellenbaugruppe 72 in dem vorbestimmten Frequenzbereich verringert. Die Federkonstante kann ferner derart ausgewählt werden, dass die relative Drehverschiebung zwischen dem Impulsgeberring 142 und den Nockenelementen 92, 94, 96, 98 keinen ungeeigneten Betrag eines Fehlers bei der Messung der Drehposition der Nockenelemente 92, 94, 96, 98 einführt.
Insbesondere kann die Federkonstante einen ersten Torsionsmodus (d. h. eine Eigenfrequenz) für das Impulsgeberrad 102 allein schaffen, der einem ersten Torsionsmodus der zweiten Wellenbaugruppe 72 gleich ist oder diesem zumindest ungefähr gleich ist, wenn diese als ein Schwingungssystem mit N Freiheitsgraden (N-DOF-Schwingungssystem) evaluiert wird, bei dem das Impulsgeberrad 102 als eine einzige konzentrierte Masse (d. h. als Masse eines starren Körpers) anstatt als ein N + 1-DOF-Schwingungssystem behandelt wird, bei dem das Impulsgeberrad 102 eine nachgiebig isolierte Masse umfasst. Es versteht sich, dass N eine ganze Zahl größer als oder gleich Eins ist, die der Anzahl der interessierenden DOFs in einem Betriebsdrehzahlbereich der zweiten Wellenbaugruppe 72 und/oder einem Ordnungsinhalt der Nockenelemente (z. B. der Nocken 92, 94, 96, 98), die zur Drehung mit der zweiten Welle gekoppelt sind, entsprechen kann, ohne darauf beschränkt zu sein. Zur Klarheit wird das N-DOF-Schwingungssystem nachstehend als Basis-Wellenbaugruppe bezeichnet. Wenn der erste Torsionsmodus des Impulsgeberrads 102 dem ersten Torsionsmodus der Basis-Wellenbaugruppe ungefähr gleich ist, werden der Impulsgeberring 142 und die zweite Welle 90 ungefähr bei gleichen Frequenzen schwingen und dadurch bewirken, dass das elastische Element 144 die Schwingung der zweiten Welle 90 absorbiert. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann der erste Torsionsmodus des Impulsgeberrads 102 innerhalb von zwanzig Prozent desjenigen der Basis-Wellenbaugruppe liegen.
Wenn es auf die vorstehende Weise konstruiert ist, kann das Impulsgeberrad 102 zwei Seitenband-Eigenfrequenzen für die zweite Wellenbaugruppe 72 schaffen, welche die Amplitude des Torsionsansprechens verringern. Die Federkonstante kann variiert werden, um die Lage der ersten und der zweiten Seitenbandfrequenz einzustellen und dadurch die Amplitude des Torsionsansprechens auf die Drehmomenteingabe einzustellen. Insbesondere kann die Lage der ersten Seitenbandfrequenz innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs und die Lage der zweiten Seitenbandfrequenz oberhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs eingestellt werden. Die Federkonstante kann ferner variieren, um die relative Drehverschiebung zwischen dem Impulsgeberring 142 und den Nockenelementen 92, 94, 96, 98 in Ansprechen auf die Drehmomenteingabe einzustellen. Auf diese Weise kann das Impulsgeberrad 102 das Torsionsansprechen der zweiten Wellenbaugruppe 72 steuern, während kein ungeeigneter Betrag eines Messfehlers eingeführt wird.
Unter spezieller Bezugnahme auf 5–6 kann ein nicht einschränkendes Beispiel des elastischen Elements 144 mehrere Speichen 152 aufweisen, die sich radial zwischen der Nabe 140 und dem Impulsgeberring 142 erstrecken. Die Speichen 152 können im Wesentlichen flache, dünne Strukturen sein. Die Speichen 152 können symmetrisch um die Drehachse 62 angeordnet sein, und sie können zentrale Ebenen aufweisen, die dann, wenn sie projiziert werden, die Drehachse 62 schneiden. Die Speichen 152 können sich im Wesentlichen parallel zu der Drehachse 62 erstrecken. Die Speichen 152 können mit der Nabe 140 und dem Impulsgeberring 142 einstückig als ein einzelnes (monolithisches) Teil gebildet sein, das aus demselben Basismaterial gebildet ist. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können die Speichen 152 in einem einstückigen Teil umfasst sein, das aus Stahl gebildet ist.
Die Strukturmerkmale der Speichen 152 können variieren, und sie können derart ausgewählt werden, dass die Speichen gemeinsam die gewünschte Federkonstante aufweisen. Die Speichen 152 können jeweils eine Dicke 154 in Querrichtung aufweisen, betrachtet in der Richtung der Drehachse 62, die wesentlich kleiner als eine Dicke 156 in Längsrichtung sein kann, betrachtet entlang der Drehachse 62. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel kann die Dicke 154 in Querrichtung um fünfundsiebzig Prozent kleiner sein. Die Speichen 152 können jeweils eine radiale Dicke 158 aufweisen, die wesentlich größer als die Dicke 154 in Querrichtung sein kann. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel kann die radiale Dicke 158 um fünfundsiebzig Prozent größer sein. Die radiale Dicke 158 kann durch den physikalischen Raum 160 zwischen der Nabe 140 und dem Impulsgeberring 142 vorgeschrieben sein. Der physikalische Raum 160 kann die radiale Dicke 158 und auch andere Merkmale der Speichen 152 vorschreiben, wenn es gewünscht ist, dass der erste und der zweite Satz Zähne 148, 150 mit den existierenden Spezifikationen übereinstimmen, um solche Zähne genau und präzise zu detektieren.
Die Dicke 154 in Querrichtung kann unter den Speichen 152 ungefähr gleich sein. Die Dicke 156 in Längsrichtung kann unter den Speichen 152 ungefähr gleich sein, und die radiale Dicke 158 jeder der Speichen 152 kann ebenso ungefähr gleich sein. Die Dicke 156 in Längsrichtung kann kleiner als eine erste Breite 162 der Nabe 140 und eine zweite Breite 164 des kreisförmigen Rings 146 sein.
7 ist eine erste Graphik, die eine beispielhafte Drehmomenteingabe in der Frequenzdomäne für die zweite Wellenbaugruppe 72 darstellt, und sie soll die vorliegende Offenbarung nicht einschränken. Spezieller umfasst die erste Graphik einen Graphen einer schnellen Fouriertransformation (FFT) eines Nockenwellendrehmoments über der Frequenz, der durch eine Analyse erhalten wurde, die charakteristische Lasten darstellt, die durch die Einlass-Ventiltriebbaugruppe 14 auf die zweite Wellenbaugruppe 72 übertragen werden können. Der FFT-Graph stellt eine beispielhafte Drehmomenteingabe für die zweite Welle 90 dar, wenn die zweite Wellenbaugruppe 72 bei einer Drehzahl von 3500 Umdrehungen pro Minute (U/min) betrieben wird. Die Drehzahl von 3500 U/min wurde für die Analyse ausgewählt, um einer maximalen Motorbetriebsdrehzahl von 7000 U/min zu entsprechen. In dem Graph von 7 ist das Nockenwellendrehmoment in N mm entlang der y-Achse (in der Graphik mit ”Y1” bezeichnet) für verschiedene Frequenzen in Hz aufgetragen, die entlang der x-Achse (in der Graphik mit ”X1” bezeichnet) aufgetragen sind.
Der FFT-Graph stellt dar, dass der Energieinhalt der Drehmomenteingabe bei Frequenzen zwischen 400 Hz und 1000 Hz signifikant ist, wenn er mit der Drehmomenteingabe bei Frequenzen unterhalb von 400 Hz und oberhalb von 1200 Hz verglichen wird. Die Signifikanz kann erkannt werden, indem die Größe der Spitze, die einer Grundfrequenz entspricht, die bei ungefähr 230 Hz auftritt, und die Größe der Spitzen verglichen wird, die der zweiten, dritten und vierten Harmonischen entsprechen, die bei Frequenzen auftreten, die ungefähr gleich 460 Hz, 690 Hz bzw. 920 Hz sind. Zu Referenzzwecken ist die Grundfrequenz der Drehmomenteingabe an die zweite Wellenbaugruppe 72 (und die zweite Welle 90), die vier Nockenelemente 92, 94, 96, 98 aufweist, bei 3500 U/min ungefähr gleich 233 Hz.
Im Hinblick auf den signifikanten Energieinhalt bei Frequenzen oberhalb von 1000 Hz kann es gewünscht sein, dass die erste und die zweite Wellenbaugruppe 70, 72 jeweils einen ersten Modus oberhalb von 1000 Hz aufweisen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann es gewünscht sein, dass der erste Modus der ersten und der zweiten Wellenbaugruppe 70, 72 oberhalb einer vorbestimmten Zielfrequenz von ungefähr 1100 Hz liegt. Die Zielfrequenz kann den oben diskutierten vorbestimmten Frequenzbereich herstellen. Dementsprechend umfasst der vorbestimmte Frequenzbereich für das obige Beispiel Frequenzen zwischen 0 Hz und 1100 Hz.
Alternativ oder zusätzlich kann der vorbestimmte Frequenzbereich durch eine vorbestimmte Ordnung der Drehung der zweiten Wellenbaugruppe 72 hergestellt werden. Bei 3500 U/min ist die erste Ordnung der Drehung ungefähr gleich 58,3 Hz. Typische Ventilhubprofile für Nocken von Nockenwellen, wie beispielsweise die Nockenelemente 80, 82, 84, 86, 92, 94, 96, 98, können Komponenten der Drehmomenteingabe mit signifikantem Energieinhalt bis zu Frequenzen erzeugen, die einer 18. bis 20. Ordnung entsprechen. Dementsprechend kann es gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel gewünscht sein, dass der erste Modus der ersten und der zweiten Wellenbaugruppe 70, 72 für einen Vierzylinder-Reihenmotor oberhalb einer vorbestimmten Ordnung der Drehung der zweiten Wellenbaugruppe 72 zwischen der 18. und 20. Ordnung liegt. Zum Vergleich wird angemerkt, dass eine vorbestimmte Zielfrequenz von 1100 Hz, wie sie oben diskutiert wurde, ungefähr der 19. Ordnung der Drehung entspricht.
Gewünschte Profile (z. B. Basiskreisprofile und/oder Hubprofile) der Nockenelemente 80, 82, 84,86, 92, 94, 96, 98 und Bauraumbeschränkungen der Zylinderkopfstruktur 12 können jedoch Durchmesser der zweiten Welle 90 vorschreiben, die dazu führen, dass die zweite Wellenbaugruppe 72 einen ersten Torsionsmodus unterhalb der vorbestimmten Zielfrequenz und/oder Zielordnung der Drehung aufweist, wenn sie aus herkömmlichen Materialien, wie beispielsweise Stahl, gebildet ist. In einem solchen Fall kann die zweite Wellenbaugruppe 72 innerhalb des Betriebsdrehzahlbereichs des Motors ein resonanzartiges Verhalten zeigen. Daher kann die Amplitude des Torsionsansprechens der zweiten Wellenbaugruppe 72 bei Frequenzen in der Nähe des ersten Torsionsmodus nicht akzeptierbar hoch sein, wenn sie nicht geeignet gesteuert wird.
Tabelle 1 von unten fasst die Torsionsmodi eines Basis-Impulsgeberrades, der Basis-Wellenbaugruppe, des Impulsgeberrads 102 und der zweiten Wellenbaugruppe 72 zusammen. Die Torsionsmodi des Basis-Impulsgeberrades und der Basis-Wellenbaugruppe sind in der Reihe ”B” der Tabelle dargestellt. Die Torsionsmodi des Impulsgeberrades 102 und der zweiten Wellenbaugruppe 72 sind in der Reihe ”D1” der Tabelle dargestellt. Tabelle 1

Ausgestaltung Impulsgeberrad Wellenbaugruppe

1. Modus (Hz) 1. Modus (Hz) 2. Modus (Hz)

B 16110 904 2297

D1 932 755 1365
Die Frequenzwerte in der Tabelle wurden durch eine Analyse erhalten. Für die Analyse war die Basis-Wellenbaugruppe einem N-DOF-System äquivalent, während die zweite Wellenbaugruppe 72 einem N + 1-DOF-System äquivalent war. Bei der Analyse ist die Basis-Wellenbaugruppe der zweiten Wellenbaugruppe 72 im Wesentlichen ähnlich, außer dass die Basis-Wellenbaugruppe ein Basis-Impulsgeberrad anstelle des Impulsgeberrades 102 aufweist. Das Basis-Impulsgeberrad war einer einzigen konzentrierten Masse mit einem Trägheitsmoment äquivalent, das dem Trägheitsmoment des Impulsgeberrades 102 im Wesentlichen äquivalent war.
Wie in der Tabelle dargestellt ist, weist das Basis-Impulsgeberrad allein einen ersten Modus auf, der weit oberhalb der Zielfrequenz bei 16110 Hz liegt, während die Basis-Wellenbaugruppe einen ersten Modus, der unterhalb der Zielfrequenz bei 904 Hz liegen kann, und einen zweiten Modus aufweist, der weit oberhalb der Zielfrequenz bei 2297 Hz liegen kann. Wie ebenso in der Graphik dargestellt ist, kann das Impulsgeberrad 102 allein einen ersten Modus bei 932 Hz in der Nähe des ersten Modus der Basis-Wellenbaugruppe bei 904 Hz aufweisen, während die zweite Wellenbaugruppe 72 einen ersten und einen zweiten Modus bei 755 Hz bzw. 1365 Hz aufweisen kann. Während die zweite Wellenbaugruppe 72 einen ersten Modus unterhalb sowohl der Zielfrequenz als auch des ersten Modus der Basis-Wellenbaugruppe zeigen kann, kann die Amplitude des Ansprechens der zweiten Wellenbaugruppe 72 bei Frequenzen in der Nähe des ersten Modus signifikant verringert sein, wie als Nächstes diskutiert wird.
8 ist eine zweite Graphik, die Graphen der stationären Rotationsantworten der Basis-Wellenbaugruppe und der zweiten Wellenbaugruppe 72 in der Frequenzdomäne umfasst, und sie soll die vorliegende Offenbarung nicht einschränken. Die zweite Graphik stellt die Rotationsantworten der Wellenbaugruppen auf eine Anregung durch die Drehmomenteingabe von 7 dar. Die Graphen der Rotationsantwort wurden durch eine Analyse erhalten und stellen die Rotationsantworten der Wellenbaugruppen an dem Ort des Nockenelements dar, das von dem angetriebenen Ende der zweiten Welle 90 am weitesten entfernt ist (d. h. des Nockenelements 98).
Gemäß der Analyse repräsentiert dieser Ort den schlimmsten Fall für die Rotationsantwort (d. h. den schlimmsten Fall für die Amplitude) unter den Nockenelementen 92, 94, 96, 98. Die Analyse wurde mit einem Frequenzdurchlauf von 0 bis 1400 Hz unter Verwendung der Drehmomenteingabe vom 7 als eine treibende Funktion durchgeführt. In der zweiten Graphik stellt die y-Achse (”Y2” in der zweiten Graphik) die Rotationsantwort in Graden der Drehverschiebung dar, während die x-Achse (”X2” in der zweiten Graphik) die Frequenz in Hz darstellt.
Die Rotationsantwort für die Basis-Wellenbaugruppe ist durch das Bezugszeichen 170 bezeichnet, während die Rotationsantwort für die zweite Wellenbaugruppe 72 durch das Bezugszeichen 172 bezeichnet ist. Wie in der zweiten Graphik zu sehen ist, weist die Antwort 170 der Basis-Wellenbaugruppe eine maximale Amplitude bei ungefähr 900 Hz auf. Obwohl dies in der zweiten Graphik nicht gezeigt ist, liegt die maximale Amplitude, wie sie in der Analyse erhalten wurde, bei ungefähr 2,5 Grad. Andererseits weist die zweite Wellenbaugruppe 72 eine maximale Amplitude auf, die bei ungefähr 750 Hz auftritt und signifikant geringer bei ungefähr 0,20 Grad liegt.
Es ist anhand der zweiten Graphik einzusehen, dass das Impulsgeberrad 102 die maximale Amplitude des Ansprechens der zweiten Wellenbaugruppe 72 signifikant verringern kann, wenn sie mit Wellenbaugruppen, wie beispielsweise der Basis-Wellenbaugruppe, verglichen wird, die ein herkömmliches Impulsgeberrad mit einem starren Körper aufweisen. Das Impulsgeberrad 102 kann das Ansprechen einer Wellenbaugruppe verringern, indem die Masse des Impulsgeberrings 142 von der Masse der anderen Komponenten der Wellenbaugruppe nachgiebig isoliert wird.
Die Federkonstante des elastischen Elements 144, das von dem Impulsgeberrad 102 umfasst wird, kann derart ausgewählt werden, dass die Wellenbaugruppe zwei Seitenband-Eigenfrequenzen zeigt, bei denen die Amplitude des Torsionsansprechens geeignet niedrig ist. Insbesondere kann die Federkonstante derart ausgewählt werden, dass eine erste maximale relative Drehverschiebung zwischen den Nockenelementen 92, 94, 96, 98 einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet. Der vorbestimmte Wert kann derart ausgewählt werden, dass eine geeignete Niveauschwankung der Schließgeschwindigkeit, des Ventilzeitpunkts und/oder der Luftverteilung von Zylinder zu Zylinder erreicht wird. Der vorbestimmte Wert kann ferner derart ausgewählt werden, dass das Torsionsansprechen nicht die Fähigkeiten bezüglich der Ermüdung einer beliebigen der Komponenten der zweiten Wellenbaugruppe 72 überschreitet, wie beispielsweise der zweiten Welle 90 und des Impulsgeberrades 102.
Es wurde durch eine Analyse beobachtet, dass dann, wenn die Amplitude des Torsionsansprechens der Nockenelemente 92, 94, 96, 98 geeignet klein ist, die Amplitude der relativen Drehverschiebung zwischen dem Impulsgeberring 142 und einem beliebigen der Nockenelemente 92, 94, 96, 98 ebenso geeignet klein gehalten werden kann. Bei einem Minimum kann die Amplitude der relativen Drehverschiebung gesteuert werden, um das Detektieren von negativen Geschwindigkeiten der zweiten Wellenbaugruppe 72 zu verhindern. Zusätzlich wurde beobachtet, dass die Federkonstante derart ausgewählt werden kann, dass eine zweite maximale relative Drehverschiebung zwischen dem Impulsgeberring 142 und den Nockenelementen 92, 94, 96, 98 einen vorbestimmten Abweichungswert nicht überschreitet.

Claims

Nockenwellenbaugruppe, die umfasst: eine erste Welle, die ausgebildet ist, um drehend angetrieben zu werden; ein erstes Nockenelement, das zur Drehung mit der ersten Welle fixiert ist; und einen an der ersten Welle fixierten Torsionsdämpfer, der eine Massenstruktur und ein elastisches Element aufweist, das zwischen der Massenstruktur und der ersten Welle angeordnet ist und diese koppelt, wobei das elastische Element eine Federkonstante aufweist, die eine erste Seitenband-Eigenfrequenz und eine zweite Seitenband-Eigenfrequenz für die Nockenwellenbaugruppe schafft.
Nockenwellenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei der Torsionsdämpfer einen abgeglichenen Massendämpfer für die Nockenwellenbaugruppe umfasst, der das Resonanzverhalten der ersten Welle innerhalb eines Betriebsdrehzahlbereichs der ersten Welle steuert.
Nockenwellenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die erste Seitenband-Eigenfrequenz kleiner als eine vorbestimmte Frequenz ist, die auf einer Drehmomenteingabe an die erste Welle innerhalb eines Betriebsdrehzahlbereichs der ersten Welle basiert, und wobei die zweite Seitenband-Eigenfrequenz größer als die vorbestimmte Frequenz ist.
Nockenwellenbaugruppe nach Anspruch 3, wobei die erste und die zweite Seitenband-Eigenfrequenz innerhalb des Betriebsdrehzahlbereichs der ersten Welle liegen.
Nockenwellenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Massenstruktur einen Impulsgeberring umfasst, der ausgebildet ist, um sich während einer Drehung der ersten Welle relativ zu der ersten Welle zu drehen.
Nockenwellenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Massenstruktur einen kreisförmigen Ring aufweist, der radial außerhalb der ersten Welle angeordnet ist, und das elastische Element eine Nabe, die an der ersten Welle fixiert ist, sowie Speichen aufweist, die sich radial von der Nabe bis zu dem kreisförmigen Ring erstrecken.
Nockenwellenbaugruppe nach Anspruch 6, wobei jede der Speichen ein ebenes Element aufweist, das sich im Wesentlichen parallel zu einer Drehachse des Torsionsdämpfers erstreckt und eine Dicke in Querrichtung aufweist, die kleiner als eine entsprechende Dicke in Längsrichtung und kleiner als eine entsprechende radiale Dicke des ebenen Elements ist.
Nockenwellenbaugruppe nach Anspruch 7, wobei die Nabe, der kreisförmige Ring und die Speichen einstückig als ein monolithisches Element gebildet sind.
Nockenwellenbaugruppe nach Anspruch 1, die ferner eine zweite Welle, die eine sich axial erstreckende Bohrung definiert, und ein zweites Nockenelement umfasst, das an der zweiten Welle fixiert ist, wobei die erste Welle in der sich axial erstreckenden Bohrung angeordnet ist und relativ zu der zweiten Welle drehbar ist, wobei ein erstes Ende der ersten Welle ausgebildet ist, um drehend angetrieben zu werden, und ein zweites Ende der ersten Welle, das dem ersten Ende entgegengesetzt ist, den Torsionsdämpfer aufweist, der an diesem fixiert ist.