DE102018212824A1

DE102018212824A1 - IMPROVEMENTS RELATED TO CAMS WITH ENGINES

Info

Publication number: DE102018212824A1
Application number: DE102018212824.3A
Authority: DE
Inventors: Ertugrul Komuroglu
Original assignee: Jaguar Land Rover Ltd
Current assignee: Jaguar Land Rover Ltd
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2019-06-19

Abstract

Ferner offenbart wird ein Verfahren zum Herstellen eines Nockenelements für eine Nockenwelle eines Motors, wobei das Nockenelement eine umlaufende Außenoberfläche umfasst, wobei die Oberfläche definiert ist durch ein Breitenprofil mit einer Länge, die sich in einer umlaufenden Richtung erstreckt, und mit einem Öffnungsflankenbereich, einem Schließflankenbereich, einem Tiefpunktbereich und einem Nasenbereich. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer vorhergesagten Lastverteilung an wenigstens einem Abschnitt der Außenoberfläche des Nockenelements; und das Bestimmen eines Breitenprofils für die Außenoberfläche des Nockenelements auf der Grundlage der vorhergesagten Lastverteilung. Vorteilhafterweise stellen die erfindungsgemäßen Ausführungsformen eine Technik zum Gestalten und zum Fertigen von Nockenelementen bereit, sodass ihre Masse verringert werden kann, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Erfindungsgemäße Aspekte beziehen sich auf ein Verfahren zum Gestalten und zum Fertigen eines Nockenelements, auf ein nicht-transientes, computerlesbares Speichermedium, auf dem Anweisungen gespeichert sind, die beim Ausführen durch einen oder mehrere Prozessoren bewirken, dass der eine oder die mehreren Prozessoren ein derartiges Gestaltungsverfahren ausführen, und auf ein Fahrzeug, das ein solches Nockenelement enthält.Further disclosed is a method of manufacturing a cam member for a camshaft of an engine, the cam member comprising a circumferential outer surface, the surface being defined by a width profile having a length extending in a circumferential direction and having an opening flank area, a flank area , a low point area and a nose area. The method includes determining a predicted load distribution on at least a portion of the outer surface of the cam member; and determining a width profile for the outer surface of the cam member based on the predicted load distribution. Advantageously, the embodiments of the invention provide a technique for designing and manufacturing cam elements so that their mass can be reduced without compromising performance. Aspects of the Invention relate to a method of designing and fabricating a cam element on a non-transient computer-readable storage medium having stored thereon instructions that, when executed by one or more processors, cause the one or more processors to perform such a design process perform and on a vehicle that includes such a cam element.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Nocken, wie zum Beispiel eingesetzt als Teil einer Motornockenwelle zum Betätigen von Einlass- und Auslassventilen eines Brennraums. Die Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Optimieren der Gestaltung einer solchen Nocke. Erfindungsgemäße Aspekte beziehen sich auf ein System, auf ein Verfahren und auf ein Fahrzeug.The present disclosure relates to a cam such as used as part of an engine camshaft for actuating intake and exhaust valves of a combustion chamber. The disclosure further relates to a method for optimizing the design of such a cam. Aspects of the invention relate to a system, a method, and a vehicle.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Verbrennungsmotoren verwenden Nocken zum Betätigen der Einlass- und Auslassventile des Brennraums. Die Nockengestaltung ist entscheidend für Verbrennungszeitsteuerung und Gasströmung im Brennraum und es werden große Gestaltungsanstrengungen angestellt, das Nockenhubprofil der Öffnungs- und Schließflanken von Nocken zu optimieren, um die Leistung und die Wirtschaftlichkeit eines Verbrennungsmotors zu optimieren.Internal combustion engines use cams to actuate the intake and exhaust valves of the combustion chamber. Cam design is critical to combustion timing and gas flow in the combustion chamber, and great design efforts are being made to optimize the cam lift profile of the cam opening and closing edges to optimize the performance and economy of an internal combustion engine.

Ferner liegt ein vorherrschendes Gestaltungsziel vor, die Masse der bewegten Teile des Motors zu verringern, da diese marginalen Vorteile zu allgemeinen Verbesserungen der Motoreffizienz beitragen. Allerdings muss das Verringern der Masse von Teilen erzielt werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigten.Further, a predominant design goal is to reduce the mass of moving parts of the engine since these marginal benefits contribute to overall improvements in engine efficiency. However, reducing the mass of parts must be achieved without compromising performance.

Die Erfindung ist auf dieser Grundlage entwickelt worden.The invention has been developed on this basis.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

Erfindungsgemäße Aspekte beziehen sich auf ein Nockenelement für eine Nockenwelle eines Motors, ein Verfahren zum Herstellen eines Nockenelements für eine Nockenwelle eines Motors, eine Nockenwelle und ein Fahrzeug.Aspects of the invention relate to a cam member for a camshaft of an engine, a method of manufacturing a cam member for a camshaft of an engine, a camshaft, and a vehicle.

Nach einem erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Nockenelement für eine Nockenwelle eines Motors bereitgestellt, wobei das Nockenelement eine umlaufende Außenoberfläche umfasst, wobei die Oberfläche definiert ist durch ein Breitenprofil, das sich in der Umfangslänge erstreckt, und einen Öffnungsflankenbereich, einen Schließflankenbereich, einen Tiefpunktbereich und einen Nasenbereich umfasst, wobei das Breitenprofil der umlaufenden Außenoberfläche derart entlang seiner umlaufenden Länge variiert, dass die Breite an einem ausgewählten Punkt entlang des Breitenprofils einem vorhergesagten Nockenlastprofil entspricht. Eine Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Öffnungsflankenbereichs ist zum Nasenbereich hin verjüngt. Alternativ oder zusätzlich dazu ist eine Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Schließflankenbereichs größer ist als eine Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Nasenbereichs.According to an aspect of the present invention, there is provided a cam member for a cam shaft of an engine, the cam member having a circumferential outer surface, the surface being defined by a width profile extending in the circumferential length, and an opening flank area, a closing flank area, a trough area, and a nose area wherein the width profile of the circumferential outer surface varies along its circumferential length such that the width at a selected point along the width profile corresponds to a predicted cam load profile. A width of the circumferential outer surface of the opening flank area is tapered toward the nose area. Alternatively or additionally, a width of the circumferential outer surface of the closing edge region is greater than a width of the circumferential outer surface of the nose region.

Vorteilhafterweise stellt die Erfindung ein Nockenelement mit einer im Vergleich zu Nockenelementen nach dem Stand der Technik verringerten Masse bereit, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Gegenwärtig ist vorgesehen, dass eine Massenverringerung von etwa 60 % erzielt werden kann, wenngleich dies auf einem bestimmten Nockenelement basiert, und somit nur eine Andeutung der Massenverringerung darstellt, die die Erfindung bereitstellt. Die verringerte Masse der Nockenwelle stellt einen Effizienzvorteil für den damit verbundenen Motor dar, da mit dem Antreiben der Nockenwelle und mit dem Betreiben der Stößel verknüpfte parasitäre Verluste verringert werden. Weitere Massenverringerungen können erzielt werden, indem damit verbundene Ventiltriebkomponenten optimiert werden, wie etwa die Stößel, Stößelfedern, Steuerketten usw.Advantageously, the invention provides a cam member having a reduced mass compared to prior art cam members without compromising performance. At present, it is contemplated that a mass reduction of about 60% may be achieved, albeit based on a particular cam element, and thus is merely an indication of the mass reduction provided by the invention. The reduced mass of the camshaft provides an efficiency advantage to the associated engine since parasitic losses associated with driving the camshaft and operating the rams are reduced. Further mass reductions can be achieved by optimizing associated valvetrain components such as the tappets, tappet springs, timing chains, etc.

In manchen Ausführungsformen kann eine Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Öffnungsflankenbereichs größer sein als eine Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Tiefpunktbereichs. Ferner kann sich eine Breite der umlaufenden Außenoberfläche vom Tiefpunktbereich aus durch einen Öffnungsrampenbereich zu dem Öffnungsflankenbereich hin verbreitern. Eine Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Öffnungsflankenbereichs kann sich zum Nasenbereich hin verjüngen.In some embodiments, a width of the circumferential outer surface of the opening flank area may be greater than a width of the circumferential outer surface of the deep spot area. Further, a width of the circumferential outer surface may be widened from the low point area through an opening ramp area toward the opening flank area. A width of the circumferential outer surface of the opening flank area may taper toward the nose area.

In manchen Ausführungsformen kann die Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Schließflankenbereichs größer sein als eine Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Tiefpunktbereichs. Die Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Schließflankenbereichs kann größer sein als eine Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Nasenbereichs. Der Schließrampenbereich kann sich zwischen dem Schließflankenbereich und dem Tiefpunktbereich befinden.In some embodiments, the width of the circumferential outer surface of the closing edge region may be greater than a width of the circumferential outer surface of the low point region. The width of the circumferential outer surface of the closing edge region may be greater than a width of the circumferential outer surface of the nose region. The closing ramp area may be between the closing edge area and the low point area.

In Ausführungsformen kann die Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Nasenbereichs im Wesentlichen konstant sein und die Breite der umlaufenden Außenoberfläche des Tiefpunktbereichs kann im Wesentlichen konstant sein.In embodiments, the width of the circumferential outer surface of the nose region may be substantially constant and the width of the circumferential outer surface of the valley region may be substantially constant.

Die Mindestbreite der umlaufenden Außenoberfläche des Tiefpunktbereichs kann zwischen 0,5 und 2 mm liegen.The minimum width of the circumferential outer surface of the low point range may be between 0.5 and 2 mm.

Materialbezogen kann das Nockenelement in manchen Ausführungsformen aus Lagerstahl gefertigt sein, zum Beispiel 100Cr6-Stahl.Material related, the cam member may be made of bearing steel in some embodiments, for example, 100Cr6 steel.

Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Nockenelements für eine Nockenwelle eines Motors bereitgestellt, wobei das Nockenelement eine umlaufende Außenoberfläche umfasst, wobei die Oberfläche definiert ist durch ein Breitenprofil mit einer Länge, die sich in einer umlaufenden Richtung erstreckt, und mit einem Öffnungsflankenbereich, einem Schließflankenbereich, einem Tiefpunktbereich und einem Nasenbereich. Das Verfahren umfasst das Bestimmen einer vorhergesagten Lastverteilung an wenigstens einem Abschnitt der Außenoberfläche des Nockenelements; und das Bestimmen eines Breitenprofils für die Außenoberfläche des Nockenelements auf der Grundlage der vorhergesagten Lastverteilung.According to a further aspect of the invention, a method for producing a A cam member for a camshaft of a motor provided, wherein the cam member comprises a circumferential outer surface, wherein the surface is defined by a width profile with a length extending in a circumferential direction, and with an opening edge region, a closing edge region, a low point region and a nose region. The method includes determining a predicted load distribution on at least a portion of the outer surface of the cam member; and determining a width profile for the outer surface of the cam member based on the predicted load distribution.

Vorteilhafterweise stellt das Verfahren eine Technik zum Gestalten und zum Fertigen von Nockenelementen bereit, sodass ihre Masse verringert werden kann, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Gegenwärtig ist vorgesehen, dass eine Massenverringerung von etwa 60 % erzielt werden kann, wenngleich dies auf einem bestimmten Nockenelement basiert, und somit nur eine Andeutung der Massenverringerung darstellt, die die Erfindung bereitstellt. Die verringerte Masse der Nockenwelle stellt einen Effizienzvorteil für den damit verbundenen Motor dar, da mit dem Antreiben der Nockenwelle und mit dem Betreiben der Stößel verknüpfte parasitäre Verluste verringert werden. Weitere Massenverringerungen können erzielt werden, indem damit verbundene Ventiltriebkomponenten optimiert werden, wie etwa die Stößel, Stößelfedern, Steuerketten usw.Advantageously, the method provides a technique for designing and manufacturing cam elements so that their mass can be reduced without compromising performance. At present, it is contemplated that a mass reduction of about 60% may be achieved, albeit based on a particular cam element, and thus is merely an indication of the mass reduction provided by the invention. The reduced mass of the camshaft provides an efficiency advantage to the associated engine since parasitic losses associated with driving the camshaft and operating the rams are reduced. Further mass reductions can be achieved by optimizing associated valvetrain components such as the tappets, tappet springs, timing chains, etc.

In Ausführungsformen enthält die vorhergesagte Lastverteilung auf dem Nockenelement das Bestimmen einer Last an der Außenoberfläche an mehreren ausgewählten Stellen entlang wenigstens eines Abschnitts der Länge der Außenoberfläche. Ferner kann der Schritt des Bestimmens des Breitenprofils das Bestimmen einer Breite der Außenoberfläche für jede der ausgewählten Stellen auf der Grundlage der vorhergesagten Lastverteilung enthalten. Die vorhergesagte Lastverteilung kann für einen Abschnitt der Gesamtlänge der Außenoberfläche bestimmt werden.In embodiments, the predicted load distribution on the cam member includes determining a load on the outer surface at a plurality of selected locations along at least a portion of the length of the outer surface. Further, the step of determining the width profile may include determining a width of the outer surface for each of the selected locations based on the predicted load distribution. The predicted load distribution can be determined for a portion of the total length of the outer surface.

In Ausführungsformen kann das Bestimmen der vorhergesagten Lastverteilung ferner das Berechnen der Kontaktdruckverteilung zwischen der Außenfläche des Nockens und eines Nockenstößels umfassen. Der Kontaktdruck kann auf der Theorie der Hertzschen Pressung basieren.In embodiments, determining the predicted load distribution may further include calculating the contact pressure distribution between the outer surface of the cam and a cam follower. The contact pressure can be based on the theory of Hertzian pressure.

Der Schritt des Bestimmens des Breitenprofils kann das Bestimmen eines ersten Breitenprofils enthalten, gefolgt vom Verarbeiten des ersten Breitenprofils, um ein zweites Breitenprofil bereitzustellen, wobei optional das erste Breitenprofil verarbeitet werden kann, um eine Variabilität zwischen benachbarten Punkten entlang des Breitenprofils zu verringern. Ferner kann das Bestimmen des Breitenprofils das Festlegen einer im Wesentlichen konstanten Mindestbreite für wenigstens einen Teil des Tiefpunktbereichs enthalten.The step of determining the width profile may include determining a first width profile, followed by processing the first width profile to provide a second width profile, optionally with the first width profile being processable to reduce variability between adjacent points along the width profile. Further, determining the width profile may include establishing a substantially constant minimum width for at least a portion of the bottom-point range.

Das Nockenelement, wobei der Öffnungsflankenbereich und/oder der Schließflankenbereich verjüngt ist [sie]. In einer Ausführungsform ist das Breitenprofil vom Tiefpunktbereich aus zu dem Öffnungsflankenbereich hin verbreitert. In einer anderen Ausführungsform ist das Breitenprofil vom Öffnungsflankenbereich aus zum Nasenbereich hin verjüngt. In einer anderen Ausführungsform ist das Breitenprofil vom Nasenbereich aus zum Tiefpunktbereich hin verjüngt.The cam element, wherein the opening flank region and / or the closing flank region is tapered. In one embodiment, the width profile is widened from the low point region toward the opening flank region. In another embodiment, the width profile is tapered from the opening flank area towards the nose area. In another embodiment, the width profile is tapered from the nose area to the low point area.

Das Verfahren kann das Erzeugen eines Modells des Nockenelements enthalten, derart, dass es mit geeigneter computergesteuerter Fertigungsausrüstung gefertigt werden kann.The method may include generating a model of the cam member such that it may be fabricated with appropriate computer-controlled manufacturing equipment.

Innerhalb des Umfangs dieser Anmeldung wird ausdrücklich beabsichtigt, dass die verschiedenen Aspekte, Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen, die in den vorhergehenden Absätzen, in den Ansprüchen und/oder in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen dargestellt werden, und insbesondere deren individuellen Merkmale, unabhängig voneinander oder in einer beliebigen Kombination berücksichtigt werden können. Dies bedeutet, dass alle Ausführungsformen und/oder Merkmale einer beliebigen Ausführungsform auf beliebige Weise und/oder Kombination kombiniert werden können, sofern diese Merkmale nicht inkompatibel sind. Der Antragsteller behält sich das Recht vor, jeden beliebigen ursprünglich eingereichten Patentanspruch zu ändern oder jeden neuen Patentanspruch entsprechend einzureichen, einschließlich des Rechts, jeden beliebigen ursprünglich eingereichten Patentanspruch zu verändern, um von einem beliebigen Merkmal eines beliebigen anderen Anspruchs abzuhängen und/oder dieses zu integrieren, obwohl es auf diese Art und Weise zuvor nicht beansprucht wurde.It is expressly intended, within the scope of this application, that the various aspects, embodiments, examples, and alternatives illustrated in the preceding paragraphs, in the claims, and / or in the following description and drawings, and in particular, their individual features, are independently of each other or in any combination. This means that all embodiments and / or features of any embodiment can be combined in any manner and / or combination, as long as these features are not incompatible. The Applicant reserves the right to change any claim originally filed or to file any new claim, including the right to alter any originally filed claim, to depend on and / or integrate any feature of any other claim although it has not been claimed in this way before.

Figurenlistelist of figures

Eine oder mehrere erfindungsgemäße Ausführungsformen werden nun ausschließlich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben; hierbei zeigen:

1 eine Seitenansicht eines Fahrzeugs mit einem Motor, der mit einer Nockenwelle nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgestattet ist, wobei die Nockenwelle im Bildausschnitt vergrößert dargestellt ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Nockenwelle in 1, die zwei Nockenelemente der Nockenwelle in größerem Detailreichtum zeigt;
3 eine Endflächenansicht des Nockenwellenabschnitts in 2, die eindeutig das Nockenhubprofil des Nockenelements zeigt;
4 eine Seitenansicht eines der Nockenelemente in 2, die eindeutig sein Breitenprofil zeigt, während 5 die andere Seite des Nockenelements zeigt;
6 ein Flussdiagramm eines Vorgangs für Gestaltung und Fertigung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenelements;
7 ein Diagramm, das die Kontaktmechanik von zwei Zylindern mit parallelen Achsen zeigt, wobei die Theorie davon den Gestaltungsvorgang für das erfindungsgemäße Nockenelement unterstützt;
8 einen Graph, der ein Beispiel dafür darstellt, wie Druck während der Verwendung auf das Nockenelement aufgebracht wird; und
9 eine „abgewickelte“ umlaufende Nockenoberfläche einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenelements.

One or more embodiments of the invention will now be described by way of example only with reference to the accompanying drawings; show here:

1 a side view of a vehicle with an engine which is equipped with a camshaft according to an embodiment of the invention, wherein the camshaft is shown enlarged in the image section;
2 a perspective view of a portion of the camshaft in 1 showing two cam elements of the camshaft in greater detail;
3 an end face view of the camshaft section in FIG 2 clearly showing the cam lift profile of the cam member;
4 a side view of one of the cam elements in 2 that clearly shows its width profile while 5 the other side of the cam member shows;
6 a flowchart of an operation for designing and manufacturing an embodiment of a cam element according to the invention;
7 a diagram showing the contact mechanics of two cylinders with parallel axes, the theory of which supports the design process for the cam element according to the invention;
8th a graph illustrating an example of how pressure is applied to the cam member during use; and
9 a "developed" circumferential cam surface of an embodiment of a cam element according to the invention.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

In Bezug auf 1 enthält Fahrzeug 2 einen Verbrennungsmotor 4, angeordnet in Richtung eines Frontendes 6 des Fahrzeugs in einem Motorraum 8. Bekanntermaßen umfasst der Motor 4 einen Satz aus Kolben, die sich in entsprechenden Zylindern (nicht dargestellt) hin und her bewegen. Es wird darauf hingewiesen, dass Motoren für Straßenfahrzeuge typischerweise zwischen 4 und 8 Zylinder und Kolben aufweisen, wenngleich in manchen Motorkonfigurationen weniger oder mehr vorliegen können. Gasstrom in und aus den Zylindern wird über Ventile geregelt, deren Bewegung über entsprechende Stößel (nicht dargestellt), wie zum Beispiel flache oder runde Stößel oder Rollenstößel gesteuert wird, die wiederum durch eine Nockenwelle 10 angetrieben werden. Die Nockenwelle 10 ist in 1 im Bildausschnitt vergrößert dargestellt.In relation to 1 contains vehicle 2 an internal combustion engine 4 , arranged in the direction of a front end 6 of the vehicle in an engine compartment 8th , As is known, the engine includes 4 a set of pistons reciprocating in respective cylinders (not shown). It should be noted that engines for road vehicles are typically between 4 and 8th Cylinders and pistons, although less or more may be present in some engine configurations. Gas flow into and out of the cylinders is regulated by valves whose movement is controlled via respective plungers (not shown), such as flat or round tappets or roller tappets, which in turn are controlled by a camshaft 10 are driven. The camshaft 10 is in 1 Enlarged in the image section.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Nockenwelle 10 mehrere Nockenelemente 12 enthält, jeweils eines für jeden der Stößel. Die Nockenelemente 12 können separate Komponenten sein, die an der Nockenwelle 10 in Position befestigt sind, zum Beispiel über einen geeigneten Schweißvorgang, oder sie können während des Gießvorgangs oder des subtraktiven Bearbeitungsvorgangs einstückig mit der Nockenwelle ausgebildet werden. Nockenwellen werden typischerweise aus Gusseisen oder Knüppelstahl hergestellt und, je nach dem Motortyp, in dem die Nockenwelle eingesetzt wird, können sie beispielsweise eine Masse von 2-10 kg aufweisen. Es wird demnach darauf hingewiesen, dass jede Maßnahme zum Verringern der Masse der Nockenwelle und demnach der Masse des gesamten Antriebsstrangs wünschenswert ist.It should be noted that the camshaft 10 several cam elements 12 contains, one for each of the plungers. The cam elements 12 can be separate components attached to the camshaft 10 are secured in position, for example via a suitable welding operation, or they may be integrally formed with the camshaft during the casting process or the subtractive machining operation. Camshafts are typically made of cast iron or billet steel and, depending on the type of engine in which the camshaft is used, may for example have a mass of 2-10 kg. It is therefore noted that any measure to reduce the mass of the camshaft and, therefore, the mass of the entire driveline is desirable.

Wie in der Folge genauer erörtert wird, stellen die erfindungsgemäßen Ausführungsformen eine Technik zum Gestalten und zum Fertigen von Nockenelementen bereit, sodass ihre Masse verringert werden kann, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Gegenwärtig ist vorgesehen, dass eine Massenverringerung von etwa 60 % erzielt werden kann, wenngleich dies auf einem bestimmten Nockenelement basiert, und somit nur eine Andeutung der Massenverringerung darstellt, die die Erfindung bereitstellt. Es ist vorgesehen, dass an der Nockenwelle eines typischen 4-Zylinder-Dieselmotors eine Massenverringerung von über 150 g erzielt werden kann. Die verringerte Masse der Nockenwelle stellt einen Effizienzvorteil für den damit verbundenen Motor dar, da mit dem Antreiben der Nockenwelle und mit dem Betreiben der Stößel verknüpfte parasitäre Verluste verringert werden. Weitere Massenverringerungen können erzielt werden, indem damit verbundene Ventiltriebkomponenten optimiert werden, wie etwa die Stößel, Stößelfedern, Steuerketten usw.As will be discussed in more detail below, the embodiments of the invention provide a technique for designing and manufacturing cam elements so that their mass can be reduced without compromising performance. At present, it is contemplated that a mass reduction of about 60% may be achieved, albeit based on a particular cam element, and thus is merely an indication of the mass reduction provided by the invention. It is envisaged that on the camshaft of a typical 4-cylinder diesel engine a mass reduction of over 150 g can be achieved. The reduced mass of the camshaft provides an efficiency advantage to the associated engine since parasitic losses associated with driving the camshaft and operating the rams are reduced. Further mass reductions can be achieved by optimizing associated valvetrain components such as the tappets, tappet springs, timing chains, etc.

Im weiteren Sinne enthält die Erfindung das Optimieren des Breitenprofils des Nockenelements, sodass die Breite an einer vorgegebenen Stelle entlang der Nockenoberfläche der vorhergesagten Lastverteilung oder dem „Lastprofil“ entspricht, das/die während der Verwendung durch die Stößel auf das Nockenelement aufgebracht wird. Dies bedeutet, die Breite um den Umfang der Nockenoberfläche ist auf der Grundlage der Lasten ausgewählt, denen der Nocken während der Verwendung ausgesetzt wird. Genauer gesagt schwankt die Last, die durch den Stößel während einer Umdrehung auf das Nockenelement aufgebracht wird, stark, abhängig davon, ob der Stößel geschlossen ist, was einer Situation entspricht, in der sich ein Stößel auf dem Grundkreis des Nockenelements bewegt, oder ob der Stößel betätigt wird, was einer Situation entspricht, in der sich ein Stößel über die ansteigende oder absinkende Flanke des Nockens bewegt. Demnach besteht die Gelegenheit, die Breite des Nockenelements über wenigstens den Grundkreis zu verringern, wenn die Lasten vergleichsweise niedrig sind, sodass die verringerte Breite es ermöglicht, eine Komponente mit einer geringeren Masse zu fertigen.In a broader sense, the invention includes optimizing the width profile of the cam member such that the width at a predetermined location along the cam surface corresponds to the predicted load distribution or "load profile" applied to the cam member during use by the plungers. That is, the width around the circumference of the cam surface is selected based on the loads to which the cam is exposed during use. More specifically, the load applied to the cam member by the plunger during one revolution greatly varies depending on whether the plunger is closed, which corresponds to a situation in which a plunger moves on the base circle of the cam member or whether Tappet is actuated, which corresponds to a situation in which a plunger moves over the rising or falling edge of the cam. Accordingly, there is the opportunity to reduce the width of the cam member over at least the base circle when the loads are comparatively low, so that the reduced width makes it possible to manufacture a component with a lower mass.

In Bezug auf die 2 bis 5 wird ein Nockenelement 12 nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit größerem Detailreichtum dargestellt. Das Nockenelement 12 enthält eine sich umlaufend erstreckende Nockenoberfläche 20, die die äußere Peripherie des Nockenelements 12 definiert. Die Nockenoberfläche 20 ist die Oberfläche, auf der sich der Stößel im Einsatz bewegt. Von dem Ende aus entlang seiner Drehachse betrachtet, wie in 3, definiert die Nockenoberfläche 20 ein Nockenhubprofil 22 für das Nockenelement 12. Es wird darauf hingewiesen, dass das Nockenhubprofil für die Zwecke dieser Erörterung als herkömmlich angesehen werden kann.Regarding the 2 to 5 becomes a cam element 12 represented according to an embodiment of the invention with greater detail. The cam element 12 includes a circumferentially extending cam surface 20 covering the outer periphery of the cam element 12 Are defined. The cam surface 20 is the surface on which the plunger moves in use. Viewed from the end along its axis of rotation, as in 3 , defines the cam surface 20 on cam lift 22 for the cam element 12 , It should be understood that the cam lift profile may be considered conventional for purposes of this discussion.

Weiterhin in Bezug auf 3 können das Nockenhubprofil 22 und demnach auch die Nockenoberfläche auf der Grundlage der Drehrichtung „R“ des Nockenelements in Bereiche eingeteilt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass jeder Bereich direkt an den nächsten angrenzt, da die Außenoberfläche glatt und ohne stufenförmige Diskontinuitäten ist. Die Bereiche des Nockenhubprofils 22 sind nachfolgend anhand von in diesem technischen Bereich herkömmlicher Terminologie benannt:

ein Grundkreis oder Absatz „A“ ist der Bereich des Hubprofils, der konzentrisch mit der Nockenwelle ist und keine Hubhöhe aufweist. Ein Stößel, der über diesen Abschnitt des Nockenelements 12 rollt, wird nicht betätigt und bleibt demnach geschlossen;
ein Öffnungsflankenabschnitt „B“ definiert die Hauptöffnungsphase des Nockenelements 12, die eine hohe Beschleunigung eines damit verbundenen Stößels bewirkt. Der Öffnungsflankenbereich B erstreckt sich vom Grundkreis A hin zu einer Nase „C“. Es wird darauf hingewiesen, dass die Nase C um die Mittellinie „L“ herum zentriert ist, den kleinsten Krümmungsradius aufweist und den höchsten Hubpunkt des Nockens definiert;
ein Schließflankenbereich „D“ ist der Abschnitt des Hubprofils, der sich von der Nase C hin zu dem Grundkreis A erstreckt und eine hohe Beschleunigung für den Stößel bereitstellt. Der Öffnungsflankenbereich B und der Schließflankenbereich D können symmetrisch oder asymmetrisch sein, abhängig von den erforderlichen Verbrennungscharakteristika und der Gasströmung;
um den Übergang zwischen dem Grundkreis und den Öffnungs- und Schließflanken zu glätten, kann die Nockenoberfläche 20 auch den Öffnungs- und den Schließrampenbereich „E“, „F“, die gleich an den Grundkreis A angrenzen, definieren. Diese Bereiche mit niedriger Geschwindigkeit glätten den Übergang zwischen dem Grundkreis und den Flanken bei der Öffnungs- und der Schließbewegung, um Flankenspiel zwischen dem Stößel und dem Nocken am Anfang und am Ende eines Hubvorgangs zu verhindern.

Continue in terms of 3 can the cam lift profile 22 and therefore also the cam surface based on the direction of rotation " R "Of the cam element can be divided into areas. It should be noted that each area is directly adjacent to the next, because the outer surface is smooth and without step discontinuities. The areas of the cam lift profile 22 are named below using conventional terminology in this technical field:

a base circle or paragraph " A "Is the area of the lift profile that is concentric with the camshaft and has no lift height. A plunger that goes over this section of the cam element 12 rolls, is not operated and remains closed accordingly;
an opening flank section " B "Defines the main opening phase of the cam element 12 which causes a high acceleration of an associated ram. The opening flank area B extends from the base circle A towards a nose " C ". It is noted that the nose C around the midline " L Centered around, has the smallest radius of curvature and defines the highest stroke point of the cam;
a closing edge area " D "Is the section of the lift profile that extends from the nose C towards the base circle A extends and provides a high acceleration for the plunger. The opening flank area B and the closing flank area D may be symmetric or asymmetric, depending on the required combustion characteristics and gas flow;
To smooth the transition between the base circle and the opening and closing edges, the cam surface can 20 also the opening and closing ramp area " e "," F ", Which immediately adjoin the base circle A define. These low speed areas smooth the transition between the base circle and the flanks during the opening and closing movements to prevent backlash between the plunger and the cam at the beginning and end of a lifting operation.

Wenngleich 3 das Hubprofil zeigt, stellt 2 das Breitenprofil 24 der Nockenoberfläche 20 dar. Auf dieselbe Weise, mit der das Hubprofil definiert, wie die Höhe des Nockenelements entlang der umlaufenden Länge der Nockenoberfläche variiert, kann das Breitenprofil derart angesehen werden, dass es definiert oder abbildet, wie die Breite der äußeren Nockenoberfläche über dessen Länge variiert. Es ist wichtig, zu bemerken, dass die Breite der Nockenoberfläche 20 derart entlang ihrer umlaufenden Länge variiert, dass die Breite an einem beliebigen ausgewählten Punkt entlang der Nockenoberfläche 30 der vorhergesagten Last oder Lastverteilung entspricht, die das Nockenelement 12 im Einsatz erfährt. Anders ausgedrückt ist das Breitenprofil des Nockenelements 12 für die Lastverteilung optimiert, die das Nockenelement im Einsatz erfährt, sodass die Nockenoberfläche 20 in Bereichen dicker/breiter ist, an denen die Lasten auf dem Nocken höher sind, wie etwa in Bereichen, in denen der Nocken wirkt, den Stößel zu beschleunigen oder zu verlangsamen, und in denen das durch den Nocken angetriebene Ventil in einem entsprechenden Zylinder des Motors mit Druck beaufschlagtem Gas ausgesetzt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass das Breitenprofil eine variable Breite aufweist, die sich entlang der umlaufenden Länge des Nockenelements erstreckt und senkrecht zu der Ebene des Nockenelements ausgerichtet ist.Although 3 shows the lift profile, poses 2 the width profile 24 the cam surface 20 In the same way that the lift profile defines how the height of the cam member varies along the circumferential length of the cam surface, the width profile may be considered to define or map how the width of the outer cam surface varies along its length. It is important to note that the width of the cam surface 20 so varies along its circumferential length that the width at any selected point along the cam surface 30 the predicted load or load distribution corresponding to the cam member 12 in use learns. In other words, the width profile of the cam member 12 optimized for the load distribution experienced by the cam element in use, so that the cam surface 20 is thicker / wider in areas where the loads on the cam are higher, such as in areas where the cam acts to accelerate or decelerate the ram, and in which the valve driven by the cam is in a corresponding cylinder of the cam Engine is exposed to pressurized gas. It should be noted that the width profile has a variable width which extends along the circumferential length of the cam member and is oriented perpendicular to the plane of the cam member.

Genauer gesagt und ferner unter Bezugnahme auf die 4 und 5 ist das Breitenprofil der Nockenoberfläche 20 am schmalsten am Grundkreis A des Nockenelements 12. Von da an beginnt die Nockenoberfläche 20, sich zu verbreitern oder auszulaufen, also ihre Breite zu vergrößern, wenn sie die Öffnungsrampe E und die Öffnungsflanke B durchläuft. Dies ist aus zwei grundlegenden Gründen der breiteste Punkt des Nockenbreitenprofils 24: erstens stellt dies den Bereich dar, an dem während des Öffnungshubs die höchste Beschleunigung auf den Stößel übertragen wird und zweitens wirken bei einem Auslassnocken Verbrennungsgase an dieser Stelle stark auf den Stößel, wodurch eine Last auf das Nockenelement entgegen der Stößelöffnungsbewegung aufgebracht wird. Entlang der Nase C und der fallenden Flanke/Rampe D, F des Nockenbreitenprofils 24 verjüngt sich die Breite der Nockenoberfläche 20 allmählich, das heißt, ihre Breite wird verringert, gemeinsam mit dem Hub des Nockenelements 12, und verjüngt sich auch schließlich bis zur Mindestbreite am Grundkreis A. Wie nachfolgend genauer erörtert wird, kann, wenngleich die theoretische Mindestbreite der Nockenoberfläche dünner sein kann als in den Figuren dargestellt, wie zum Beispiel etwa 0,5 mm bis 2 mm, die tatsächliche Mindestbreite auf der Grundlage von Fertigungsmachbarkeit und dem Material, aus dem das Nockenelement 12 gefertigt ist, definiert sein. So kann es zum Beispiel der Fall sein, dass der Materialtyp und die zulässigen Positionstoleranzen zwischen dem Nockenelement und den interagierenden Komponenten, wie etwa den Stößeln, als eine Begrenzung dafür gelten, wie dünn der Tiefpunkt des Nockenelements ausgebildet werden kann.More specifically, and further with reference to FIGS 4 and 5 is the width profile of the cam surface 20 narrowest at the base circle A of the cam element 12 , From then on, the cam surface starts 20 to widen or run out, so to increase their width, if they have the opening ramp E and the opening flank B passes. This is the widest point of the cam profile for two basic reasons 24 Firstly, this represents the area where the highest acceleration is transmitted to the plunger during the opening stroke, and second, with an exhaust cam, combustion gases strongly impact the plunger at that location, thereby applying a load to the cam member against the plunger opening movement. Along the nose C and the falling flank / ramp D . F of the cam profile 24 the width of the cam surface tapers 20 gradually, that is, their width is reduced, along with the stroke of the cam member 12 Finally, as will be discussed in greater detail below, although the theoretical minimum width of the cam surface may be thinner than shown in the figures, such as about 0.5 mm to 2 mm, the actual Minimum width based on manufacturability and the material making up the cam element 12 is made, be defined. For example, it may be the case that the type of material and the allowable positional tolerances between the cam member and the interacting components, such as the plungers, are a limitation on how thin the bottom of the cam member can be formed.

Die obige Erörterung ist konzentriert auf die Form des Nockenelements 12 und insbesondere die Form des Nockenbreitenprofils 24 um den Umfang der Nockenoberfläche 20. Die folgende Erörterung erklärt, wie das Nockenbreitenprofil 24 bestimmt wird. The above discussion is focused on the shape of the cam member 12 and in particular the shape of the cam profile 24 around the circumference of the cam surface 20 , The following discussion explains how the cam profile 24 is determined.

6 zeigt eine Ausführungsform eines Vorgangs 60, durch den das Nockenbreitenprofil 24 des Nockenelements 12 bestimmt werden kann. Dieser Vorgang würde einen Datensatz oder ein Modell erzeugen, der/das das Nockenbreitenprofil 24 spezifizieren würde, und allgemeiner eine dimensionale Spezifikation für das Nockenelement, und aus diesem Modell kann das Nockenelement 12 mit einem geeigneten Fertigungsvorgang gefertigt werden. Es ist vorgesehen, dass die am ehesten geeigneten Fertigungsvorgänge Sintern, Schmieden, Schleifen, Gießen oder Fräsen aus einem Festkörper sind, gefolgt von geeigneten Endbearbeitungsvorgängen, wenngleich andere subtraktive Bearbeitungsvorgänge ebenfalls eingesetzt werden können. Ferner können in manchen Anwendungen, insbesondere wenn das Nockenelement aus Kunststoffen ausgebildet ist, Gießen oder additive Fertigungstechniken geeignete Techniken sein. 6 shows an embodiment of an operation 60 through which the cam profile 24 of the cam element 12 can be determined. This process would create a dataset or model that includes the cam profile 24 and, more generally, a dimensional specification for the cam member, and from this model, the cam member 12 be manufactured with a suitable manufacturing process. It is envisaged that the most suitable manufacturing operations would be sintering, forging, grinding, casting or milling from a solid, followed by suitable finishing operations, although other subtractive machining operations could also be used. Furthermore, in some applications, particularly where the cam member is formed of plastics, casting or additive manufacturing techniques may be suitable techniques.

Zunächst werden in Schritt 62 die maximalen Nockenlasten über den Lastzyklus des Nockenelements identifiziert. Dies kann mit geeigneten Simulationsverfahren erzielt werden, die Durchschnittsfachleuten bekannt sind. So kann die Last am Nockenelement zum Beispiel bei verschiedenen Drehzahlen bis hin zu der maximalen Motordrehzahl bestimmt werden. Aus diesen Daten können die Nockenlasten bei aufeinanderfolgenden Kurbelwinkelwerten (zum Beispiel in Stufen von 1 oder 2 Grad) auf der Grundlage verschiedener Motordrehzahlen und der bekannten Last- und Nockenprofildaten bestimmt werden. Ein Beispiel für eine geeignete Softwareanwendung, die diese Berechnungen ermöglichen würde, ist CAMEO von AVL List GmbH. CAMEO ist als eingetragene Marke ihres Eigentümers anerkannt.First, in step 62 identifies the maximum cam loads over the load cycle of the cam member. This can be accomplished with appropriate simulation techniques known to those of ordinary skill in the art. For example, the load on the cam element can be determined at different speeds up to the maximum engine speed. From this data, the cam loads can be determined at successive crank angle values (for example, in 1 or 2 degree increments) based on various engine speeds and the known load and cam profile data. An example of a suitable software application that would allow these calculations is CAMEO from AVL List GmbH. CAMEO is recognized as a registered trademark of its owner.

Demnach können mehrere Nockenlasten mit Bezug auf mehrere entsprechende Winkelpositionen für das Nockenelement bestimmt werden und dieser Datensatz kann als ein Lastprofil angesehen werden. Ist das Nockenlastprofil einmal bestimmt, werden in Schritt 64 Berechnungen ausgeführt, um die Kontaktdruckverteilung entlang der umlaufenden äußeren Nockenoberfläche 20 zu bestimmen. Es wird davon ausgegangen, dass der Kontaktdruck zwischen dem Nockenelement 12 und dem Stößel eine angemessene Vorgehensweise ist, die während des Betriebs auf den Nocken aufgebrachte Spannung, abgeleitet von der Theorie der Hertzschen Pressung, zu analysieren. 7 zeigt Kontaktmechaniken zwischen zwei Zylindern mit parallelen Drehachsen. Fachleute erkennen, dass Kontaktmechaniken die Interaktion und die Verformung von Festkörpern in Berührung miteinander und unter Last abdecken. Hertzsche Pressung bezieht sich auf lokalisierte Spannungen, die während der Berührung zwischen zwei gekrümmten Oberflächen, in diesem Fall Zylindern, erzeugt werden, während sich diese Oberflächen unter den aufgebrachten Lasten leicht verformen. Das Modell nutzt in diesem Fall Zylinder, da der untere Zylinder das Nockenelement darstellt und der obere Zylinder eine Rolle eines Rollenstößels oder möglicherweise auch das abgerundete Ende eines abgerundeten Stößels darstellt.Thus, a plurality of cam loads may be determined with respect to a plurality of corresponding angular positions for the cam member, and this record may be considered as a load profile. Once the cam load profile has been determined, in step 64 Calculations performed to the contact pressure distribution along the circumferential outer cam surface 20 to determine. It is assumed that the contact pressure between the cam element 12 and the ram is a reasonable course of action to analyze the tension applied to the cam during operation, derived from the theory of Hertzian pressure. 7 shows contact mechanisms between two cylinders with parallel axes of rotation. Those skilled in the art recognize that contact mechanisms cover the interaction and deformation of solids in contact with each other and under load. Hertzian stress refers to localized stresses generated during contact between two curved surfaces, in this case cylinders, while these surfaces deform slightly under the applied loads. The model in this case uses cylinders because the lower cylinder represents the cam member and the upper cylinder represents a roller pusher roller or possibly also the rounded end of a rounded ram.

Der Kontaktdruck wird durch den mit pmax gekennzeichneten elliptischen Bereich dargestellt, der den rechteckigen Kontaktpunkt zwischen den zwei Zylindern umkreist.The contact pressure is represented by the elliptical area labeled pmax, which circles the rectangular contact point between the two cylinders.

Die halbe Breite b der rechteckigen Kontaktfläche der zwei parallelen Zylinder kann folgendermaßen aus der Theorie der Hertzschen Pressung abgeleitet werden: $b = \sqrt{\frac{4 F [\frac{1 - v_{1}^{2}}{E_{1}} + \frac{1 - v_{2}^{2}}{E_{2}}]}{π L (\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}})}}$

The half width b of the rectangular contact surface of the two parallel cylinders can be deduced from the theory of Hertzian pressure as follows:

b = \sqrt{\frac{4 F [\frac{1 - v_{1}^{2}}{e_{1}} + \frac{1 - v_{2}^{2}}{e_{2}}]}{π L (\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}})}}

In der Gleichung (1) und wie dargestellt in der 7 sind E1 und E2 die Elastizitätsmodule der zwei Zylinder und v1 und v2 sind die jeweiligen Poissonzahlen der Zylinder. L ist die Länge der Kontaktfläche, F ist die durch den oberen Zylinder auf den unteren Zylinder aufgebrachte Kraft (N) und R1 beziehungsweise R2 sind die Radien der zwei Zylinder.In the equation (1) and as shown in FIG 7 E1 and E2 are the moduli of elasticity of the two cylinders and v1 and v2 are the respective Poisson numbers of the cylinders. L is the length of the contact surface, F is the force applied to the lower cylinder by the upper cylinder (N), and R1 and R2 are the radii of the two cylinders.

Aus der obigen Gleichung kann eine Bezeichnung des maximalen Kontaktdrucks entlang der Mittellinie der rechteckigen Kontaktfläche abgeleitet werden: $p_{m a x} = \frac{2 F}{π b L}$

From the above equation, a designation of the maximum contact pressure along the center line of the rectangular contact surface can be derived:

p_{m a x} = \frac{2 F}{π b L}

So kann auf der Grundlage der bekannten zwischen den Zylindern bei jeder Winkelposition des Nockenelements 12 aufgebrachten Kraft der maximale Kontaktdruck auf das Nockenelement 12 in zunehmenden Positionen entlang der Nockenoberfläche 20 berechnet werden. Hierbei soll der Begriff „jede Winkelposition“ zum Beispiel dem Druck in 1 °-Schritten der Nockendrehposition entsprechen. Nichtsdestotrotz können höhere und geringere Auflösungen eingesetzt werden.Thus, based on the known between the cylinders at each angular position of the cam member 12 applied force the maximum contact pressure on the cam element 12 in increasing positions along the cam surface 20 be calculated. Here, the term "each angular position" should correspond, for example, the pressure in 1 ° increments of the cam rotation position. Nevertheless, higher and lower resolutions can be used.

8 ist ein Graph, der ein mögliches Ergebnis des Ausführens dieser Berechnungen zeigt. Die mit P gekennzeichnete Kurve stellt den statischen Kontaktdruck dar, während die mit L gekennzeichnete Kurve der Nockenhub des Nockenelements 12 ist. Die Y-Achse der 8 stellt die Kontaktspannung in MPa für die Kurve P und auch den Nockenhub in mm für die Kurve L dar. Die X-Achse steht für die Winkeldrehposition des Nockenelements in Bezug auf den Kurbelwinkel. Es wird darauf hingewiesen, dass der Maßstab der Kurven hier nicht dargestellt ist, da die Kurvenformen nur darstellenden Zweck haben. 8th is a graph showing a possible result of performing these calculations. The curve marked P represents the static contact pressure while the one marked L characterized curve of the cam lift of the cam member 12 is. The Y -Axis of 8th represents the contact voltage in MPa for the curve P and also the cam lift in mm for the curve L dar. The X -Axis represents the angular rotational position of the cam element with respect to the crank angle. It should be noted that the scale of the curves is not shown here, since the waveforms have illustrative purpose only.

Demnach wird darauf hingewiesen, dass die Spannung am Nockenelement 12 zügig an dem Punkt ansteigt, an dem die Nockenhubphase beginnt, d. h. der Öffnungsrampe E und der Öffnungsflanke B, und vergleichsweise hoch verbleibt, bis die Spannung zügig auf Grundwerte abfällt, während das Nockenelement sich zu dem Schließrampenpunkt F weiterdreht.Accordingly, it should be noted that the voltage on the cam element 12 increases rapidly at the point at which the Nockenhubphase begins, ie the opening ramp E and the opening edge B , and remains relatively high until the voltage drops rapidly to baseline while the cam member continues to rotate to the closing ramp point F.

Nach dem Bestimmen des Maximaldrucks im Laufe der Drehung des Nockenelements 12 können diese Daten dann verarbeitet werden, um die optimale Breite der Nockenoberfläche 20 auf der Grundlage der vorhergesagten maximalen dynamischen Spannung oder des Drucks zu berechnen, die/den das Nockenelement 12 im Einsatz erfährt. Die Berechnungen können auf dem berechneten Kontaktdruck und auf der Hertzschen Spannungsgrenze basieren, um die Mindestbreite der Nockenoberfläche für jeden Nockenwinkel zu bestimmen. Dies wird in 10 dargestellt, in der die Linie W das optimale Breitenprofil in mm (Skala an der linken Y-Achse) darstellt, Linie L ist das Hubprofil des Nockenelement (Skala an der rechten Y-Achse) und die Linie T zeigt einen typischen Wert für die Nockenbreite, die in diesem Fall etwa 10 mm beträgt.After determining the maximum pressure during the rotation of the cam member 12 This data can then be processed to the optimum width of the cam surface 20 on the basis of the predicted maximum dynamic stress or pressure to calculate the cam element 12 in use learns. The calculations may be based on the calculated contact pressure and on the Hertzian voltage limit to determine the minimum width of the cam surface for each cam angle. This will be in 10 shown in the line W the optimal width profile in mm (scale on the left Y Axis) represents line L is the lift profile of the cam element (scale on the right Y Axis) and the line T shows a typical value for the cam width, which in this case is about 10 mm.

Weiter erklärt können die folgenden Gleichungen für jeden ausgewählten Drehwinkel des Nockenelements eingesetzt werden:Further explained, the following equations can be used for each selected angle of rotation of the cam element:

Die zuvor erörterten Gleichungen 1) und 2) stellen die Mittel zum Berechnen der statischen Hertzschen Pressung bei jedem Winkel des Nockenelements dar.Equations 1) and 2) discussed above represent the means for calculating the static Hertzian strain at each angle of the cam member.

Da der Kontext vielmehr dynamisch und nicht statisch ist, kann die dynamische Kontaktspannung folgendermaßen berechnet werden: $P_dy = p_max * (\sqrt 1,5)$

Because the context is dynamic rather than static, the dynamic contact voltage can be calculated as follows:

P_dy = p_Max * (\sqrt 1.5)

Somit gilt der berechnete Wert für dynamische Spannung für eine vorgegebene Zylinderlänge, die einer bekannten Zylinderelementbreite (oder einer nach dem Stand der Technik) entspricht, welche zum Beispiel im Bereich von 10 mm liegen kann. Um weiteren Kontext bereitzustellen kann ein praktischer Wert für die dynamische Spannung als 1300 MPa berechnet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die berechnete dynamische Spannung deutlich unter dem Kontaktspannungsgrenzwert für das Material (z. B. 100Cr6) liegen kann, der zum Beispiel P_lim = 1800 MPa betragen kann. Selbst unter Berücksichtigung einer Sicherheitsgrenze bedeutet dies, dass die Breite des Nockenelements von einem typischen Wert verringert werden kann, ohne den Kontaktspannungsgrenzwert zu übersteigen.Thus, the calculated value for dynamic stress is for a given cylinder length corresponding to a known cylinder element width (or prior art), which may be in the range of 10 mm, for example. To provide further context, a practical value for the dynamic stress can be calculated as 1300 MPa. It should be noted that the calculated dynamic stress can be well below the contact stress limit for the material (eg, 100Cr6), which may be, for example, P_lim = 1800 MPa. Even considering a safety margin, this means that the width of the cam element can be reduced from a typical value without exceeding the contact voltage limit.

Somit können unter Berücksichtigung des Kontaktspannungsgrenzwerts die obigen Gleichungen eingesetzt werden, um die Mindestbreite des Nockenelements zu berechnen, also die Kontaktlänge L der Zylinder in dem zuvor erörterten Hertzschen Modell.Thus, taking into account the contact voltage threshold, the above equations may be used to calculate the minimum width of the cam element, that is, the contact length L of the cylinders in the Hertzian model discussed above.

Die maximal zulässige statische Spannung auf der Grundlage des Kontaktspannungsgrenzwerts kann durch Umstellen der Gleichung 3) berechnet werden. $p_max = p_dy/ (\sqrt 1,5)$

The maximum allowable static voltage based on the contact voltage threshold can be calculated by changing equation 3).

p_Max = p_dy / (\sqrt 1.5)

Nach dem Berechnen der Breite b des Kontaktbereichs zwischen den zwei Zylindern wird es möglich, die Länge des Kontaktbereichs zu berechnen, um die maximal zulässige statische Kontaktspannung zu erfüllen.After calculating the width b of the contact area between the two cylinders, it becomes possible to calculate the length of the contact area to satisfy the maximum allowable static contact voltage.

Da der veränderte Wert für p_max aus Gleichung 4) bekannt ist, wird es möglich, Gleichung 2) und Gleichung 1) zu kombinieren, um Folgendes zu ergeben: $p_{max} = \frac{2 F}{\prod L \sqrt{\frac{4 F [\frac{1 - v_{1}^{2}}{E_{1}} + \frac{1 - v_{2}^{2}}{E_{2}}]}{π L (\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}})}}}$

Since the changed value for p_max is known from Equation 4), it becomes possible to combine Equation 2) and Equation 1) to give:

p_{Max} = \frac{2 F}{Π L \sqrt{\frac{4 F [\frac{1 - v_{1}^{2}}{e_{1}} + \frac{1 - v_{2}^{2}}{e_{2}}]}{π L (\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}})}}}

Da die Materialeigenschaften und die Zylinderradiuswerte wie erörtert unverändert bleiben, kann die Gleichung 5) dann umgestellt werden, um ein Mittel zum Berechnen eines Wertes für L zu ergeben, also die Mindestbreite der Außenoberfläche des Nockenelements bei jedem beliebigen Nockenwinkel, bei dem die maximale dynamische Kontaktspannung für diese Komponente nicht überschritten wird.Since the material properties and the cylinder radius values remain unchanged as discussed, equation 5) can then be switched to provide a means for calculating a value for L to give, so the minimum width of the outer surface of the cam member at any cam angle at which the maximum dynamic contact voltage for this component is not exceeded.

Wie aus 10 hervorgeht, ist das nach dem obigen Vorgang berechnete theoretische optimale Breitenprofil unter Fertigungsgesichtspunkten möglicherweise nicht ideal. So kann zum Beispiel das berechnete Breitenprofil W zu wechselhaft sein, als dass man es effizient fertigen könnte, und die berechnete Mindestbreite kann zu gering sein, um in einer praktischen Ausführungsform des Nockenelements 12 reproduziert zu werden. Somit kann das theoretische optimale Breitenprofil auf zweierlei Weisen angepasst werden, wie in den Schritten 66 und 68 dargestellt.How out 10 As can be seen, the theoretical optimum width profile calculated from the above procedure may not be ideal from a manufacturing point of view. For example, the calculated width profile W To be changeable, than that one could manufacture it efficiently, and the computed minimum width can be too small, in one practical embodiment of the cam member 12 to be reproduced. Thus, the theoretical optimal width profile can be adjusted in two ways, as in the steps 66 and 68 shown.

Zunächst kann in Schritt 66 ein Wert für die Mindestbreite der Nockenoberfläche 20 bestimmt werden. Wie zuvor erwähnt, kann dies auf dem Material basieren, aus dem das Nockenelement 12 zu fertigen ist, und darauf, was unter einem Fertigungsgesichtspunkt praktisch ist, aber auch auf Informationen dazu, wie Interaktion mit anderen Komponenten, wie etwa einem damit verbundenen Stößel, wie zum Beispiel die laterale Positionstoleranz dieser Stößel, die zulässige Mindestbreite des Tiefpunktbereichs des Nockenelements beeinflusst.First, in step 66 a value for the minimum width of the cam surface 20 be determined. As previously mentioned, this may be based on the material from which the cam member 12 and what is practical from a manufacturing point of view, but also information on how interaction with other components, such as an associated tappet, such as the lateral position tolerance of these tappets, affects the minimum allowable width of the lobe area of the cam member ,

Nach der Berechnung der Mindestbreite kann das optimierte Breitenprofil weiter verarbeitet werden, wie zum Beispiel mit einem Glättungsvorgang in Schritt 68. Dies kann auf verschiedene Weisen erzielt werden. Ein Beispiel ist in 10 mit der mit „S“ gekennzeichneten Linie dargestellt. Hier wird die Linie S erzeugt, die das optimierte Breitenprofil abdeckt. Das Erzeugen der Linie S kann ein manueller Vorgang sein, wie zum Beispiel durch einen ausgebildeten Bediener durchgeführt, oder es kann durch einen angemessenen Softwarealgorithmus umgesetzt sein. In 10 werden die Spitzennockenbreitenpunkte angegeben und eine Linie wird erzeugt, um die Spitzenbreitenpunkte zu erzeugen, wobei die sich ergebende Linie die gesamte Kontaktspannungskurve abdeckt.After calculating the minimum width, the optimized width profile can be further processed, such as with a smoothing operation in step 68 , This can be achieved in several ways. An example is in 10 with the line marked "S". Here, the line S is generated, which covers the optimized width profile. The generation of the line S may be a manual operation, such as performed by a trained operator, or it may be implemented by an appropriate software algorithm. In 10 For example, the peak cam width points are specified and a line is generated to generate the peak width points, with the resulting line covering the entire contact stress curve.

Ein weiteres Beispiel eines optimierten und geglätteten Nockenbreitenprofils 24 ist in 9 zu sehen. Es wird darauf hingewiesen, dass in dieser Figur das Breitenprofil des Nockenelements vom Umfang des Nockenelements „abgewickelt“ oder „aufgefaltet“ worden ist, um sich in einer geraden Linie zu erstrecken. Wie zu sehen ist, weist der Grundkreis A eine Mindestbreite von 1 mm auf und die Breite steigt an oder verbreitert sich bis zu einem Maximum von 8 mm an einer Nockenhubhöhe von 1,332 mm. Hiernach verschmälert sich das Breitenprofil allmählich wieder bis zu der Mindestbreite am Grundkreis. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Praxis die Übergänge zwischen den verschiedenen Segmenten des in 9 dargestellten Profils geglättet sein können, damit ein Stößel ohne den Kontakt zu verlieren über die Nockenoberfläche gleiten kann.Another example of an optimized and smoothed cam profile 24 is in 9 to see. It should be noted that in this figure, the width profile of the cam member has been "unwound" or "unfolded" from the circumference of the cam member to extend in a straight line. As can be seen, the base circle A has a minimum width of 1 mm and the width increases or widens up to a maximum of 8 mm at a cam lift height of 1.332 mm. After that, the width profile gradually narrows again to the minimum width at the base circle. It should be noted that in practice the transitions between the different segments of the in 9 can be smoothed profile so that a plunger without the loss of contact can slide over the cam surface.

Ist das Nockenbreitenprofil 24 einmal optimiert und für die Fertigung geglättet, kann in Schritt 70 eine Datendatei erzeugt werden, die ein geeignetes Modell enthält, aus dem das Nockenelement 12 gefertigt werden kann. Die Datendatei kann zum Beispiel geeignet sein, in eine computergesteuerte (CNC) Fräsmaschine geladen zu werden. Eine solche Vorrichtung wäre geeignet, in Schritt 72 ein Nockenelement aus einem bereitgestellten Stahlblock zu fräsen. Eine weitere mögliche Option wäre es, das Nockenelement 12 mithilfe eines additiven Fertigungsvorgangs zu fertigen, allerdings wäre dies möglicherweise eher geeignet für Anwendungen mit leichter Last.Is the cam profile 24 Once optimized and smoothed for manufacturing, Step in 70 a data file containing a suitable model from which the cam element is generated 12 can be made. For example, the data file may be capable of being loaded into a computer controlled (CNC) milling machine. Such a device would be suitable in step 72 to mill a cam element from a provided steel block. Another possible option would be the cam element 12 using an additive manufacturing process, however, this might be more suitable for light load applications.

Der Vollständigkeit halber zeigt 11 ein Beispiel eines Systems 100, in dem erfindungsgemäße Ausführungsformen umgesetzt werden können. Das System 100 enthält eine Verarbeitungsplattform 102, auf der das zuvor beschriebene Optimierungsverfahren 60 ausgeführt werden kann. Die Verarbeitungsplattform 102 umfasst einen Prozessor 104, der in Kommunikation mit einem geeigneten RAM/ROM-Speichermodul 106 steht. Der Prozessor 104 steht ferner in Kommunikation mit einem Eingangs-/Ausgangsmodul 108, das auch geeignete Kommunikationsfunktionalität enthalten kann. Es wird darauf hingewiesen, dass der Prozessor 104 demnach betreibbar ist, das Optimierungsverfahren wie zuvor beschrieben auszuführen, und dass er das Speichermodul 106 für diesen Zweck nutzt. Simulationsdaten 107, wie zuvor beschrieben, können von einer externen Quelle in die Verarbeitungsplattform 102 importiert werden oder sie können mit einer geeigneten Softwareanwendung erzeugt werden, die auf dem Prozessor 104 ausgeführt wird.For the sake of completeness shows 11 an example of a system 100 in which embodiments according to the invention can be implemented. The system 100 contains a processing platform 102 on which the optimization method described above 60 can be executed. The processing platform 102 includes a processor 104 which is in communication with a suitable RAM / ROM memory module 106 stands. The processor 104 is also in communication with an input / output module 108 which may also include appropriate communication functionality. It should be noted that the processor 104 Accordingly, it is operable to carry out the optimization method as described above, and that it is the memory module 106 uses for this purpose. simulation data 107 as described above, can be transferred from an external source to the processing platform 102 can be imported or they can be generated with a suitable software application running on the processor 104 is performed.

Eine geeignete Rechnerplattform kann eingesetzt werden, um das Verfahren umzusetzen, wie etwa eine Laptop- oder eine Desktop-Konfiguration. Die Verarbeitungsplattform 102 kommuniziert mit einer Fertigungsplattform 108, wie etwa mit einem CNC-Fertigungssystem, es wird aber darauf hingewiesen, dass dies auch ein additives Fertigungssystem sein kann. Wenngleich in manchen Ausführungsformen die Verarbeitungsplattform 102 in direkter Kommunikation mit der Fertigungsplattform 108 stehen kann, wird darauf hingewiesen, dass dies möglicherweise nicht der Fall ist und dass stattdessen die Verarbeitungsplattform 102 konfiguriert sein kann, eine optimierte Nockenelementdatendatei entweder direkt oder drahtlos an eine externe tragbare Speichervorrichtung oder an eine andere Computervorrichtung auszugeben, die später an die Fertigungsplattform 108 ausgegeben werden kann.A suitable computing platform may be used to implement the method, such as a laptop or desktop configuration. The processing platform 102 communicates with a manufacturing platform 108 such as with a CNC manufacturing system, but it should be understood that this may also be an additive manufacturing system. Although in some embodiments the processing platform 102 in direct communication with the production platform 108 It should be noted that this may not be the case and that instead the processing platform 102 may be configured to output an optimized cam element data file, either directly or wirelessly, to an external portable storage device or to another computing device later to the manufacturing platform 108 can be issued.

Zahlreiche Modifizierungen können an den obigen Beispielen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung nach der Definition in den beigefügten Patentansprüchen abzuweichen.Numerous modifications may be made to the above examples without departing from the scope of the present invention as defined by the appended claims.

So wird zum Beispiel in der obigen Diskussion darauf hingewiesen, dass das Breitenprofil dem gesamten Umfang der Außenoberfläche des Nockenelements entspricht. Allerdings ist vorgesehen, dass der zuvor beschriebene Vorgang auch mit Bezug auf nur einen Anteil der Außenoberfläche durchgeführt werden kann. So könnte zum Beispiel angedacht werden, dass der Öffnungsflankenbereich der Außenoberfläche des Nockenelements optimiert werden kann, dass es aber weniger wichtig ist, den Schließflankenbereich zu optimieren. Das „Breitenprofil“ des Nockenelements sollte demnach unter Berücksichtigung dessen ausgelegt werden.For example, in the above discussion, it should be noted that the width profile corresponds to the entire circumference of the outer surface of the cam member. However, it is provided that the above-described process can also be carried out with respect to only a portion of the outer surface. For example, it could be considered that the opening flank area of the outer surface of the cam member can be optimized, but it is less important to optimize the closing flank area. Accordingly, the "width profile" of the cam member should be construed in consideration thereof.

Claims

A cam member for a camshaft of an engine, the cam member comprising a circumferential outer surface, the surface being defined by a width profile extending in the length of a circumferential direction, and having an opening flank area, a closing flank area, a trough area, and a nose area Width profile of the circumferential outer surface such along its circumferential length varies such that the width at a selected point along the width profile corresponds to a predicted cam load profile and wherein a width of the circumferential outer surface of the Öffnungsflankenbereichs tapers towards the nose region and / or wherein a width of the circumferential outer surface of the closing edge region is greater than a width of the circumferential outer surface of the nose area.

Cam element after Claim 1 wherein a width of the circumferential outer surface of the opening flank area is larger than a width of the circumferential outer surface of the deep spot area, and optionally a width of the circumferential outer surface is broadened from the low point area through an opening ramp area toward the opening flank area.

Cam element after Claim 1 or 2 wherein a width of the circumferential outer surface of the closing edge region is greater than a width of the circumferential outer surface of the low point region.

Cam element after Claim 1 to 3 wherein a closing ramp region is arranged between the closing flank region and the low-point region, and optionally a width of the circumferential outer surface of the closing flank region is tapered towards the low-point region.

Camshaft, one or more cam elements according to one of Claims 1 to 4 full.

A method of manufacturing a cam member for a camshaft of an engine, the cam member comprising a circumferential outer surface, the surface being defined by a width profile having a length extending in a circumferential direction and having an opening flank area, a closing flank area, a low point area and a nose region, the process comprising: Determining a predicted load distribution on at least a portion of the outer surface of the cam member; and Determining a width profile for the at least a portion of the outer surface of the cam member based on the predicted load distribution.

Method according to Claim 6 wherein determining the predicted load distribution on the at least a portion of the outer surface of the cam member includes determining a load on the outer surface at a plurality of selected locations along at least a portion of the length of the outer surface.

Method according to Claim 6 or 7 wherein determining the width profile includes determining a first width profile, followed by processing the first width profile to provide a second width profile, optionally processing the first width profile to reduce variability between adjacent points along the width profile.

Method according to one of Claims 6 to 8th further comprising manufacturing the cam member.

A non-transient computer-readable storage medium having stored thereon instructions that, when executed by one or more processors, cause the one or more processors to perform the method of one of Claims 6 to 8th carry out.

Cam element manufactured according to one of the Claims 6 to 8th ,

Vehicle, a camshaft after one of Claims 1 to 5 or a camshaft with one or more cam elements Claim 11 containing.