DE2429708C3

DE2429708C3 - Nocken zur Steuerung der Ventile einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2429708C3
Application number: DE2429708A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Deschler; Reinhold Dipl.- Phys. Trier; Dieter Wittmann
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1974-06-20
Filing date: 1974-06-20
Publication date: 1978-05-18
Also published as: DE2429708A1; DD119067A1; DE2429708B2; FR2275644A1; RO71483A; JPS5115714A; GB1473958A; SE417230B; US3981281A; JPS5526284B2; FR2275644B1

Description

z_jf, = a_a · sin \ + a_i2 · sin 2 \ + u_j3 · sin 3 \

festgelegt werden, wobei mit ; der jeweilige Abschnitt I oder V gemeint ist, die Werte a,\ bis a,j je nach den geforderten Bedingungen wählbar sind und χ eine Funktion des Nocken winkeis χ darstellt,

b) der sich an die Öffnungsflanke anschließende Abschnitt II bzw. der vor der Schließflanke liegende Abschnitt IV des Verzögerungsbereiches genau konstante Steigung der Schmierzahlkurve (F i g. 2) ergibt, wobei für den Nockenhub ζ folgende Beziehungen gelten:

;„ = u₄ · sin [ \ 0,5 (x - WPO)] - SK (x - WPÖ) + z_A

Abschnitt IV

z,v = Ci₁ ■ sin [ K),5(x - SKS)] + </₈ ■ cos[I 0,5(.v - SKS)] + SK (x - SKS) + :_AIV ,

wobei sich die Werte α und z_A aus der Stetigkeil der Hubkurve (z) und ihrer ersten und zweiten Ableitung (z\ z") nach dem Nockenwinkel * ergeben, WPÖ der Wendepunkt bei der Nockenerhebung auf der Öffnungsseite, SK der Steigungswert und SKS der Beginn des

-,„ = a_s ■ sin [ 10,5(ν -

konstanten Abfalles der Schmierzahl auf der Schließseite ist,

c) im Abschnitt IH im Bereich dtr höchsten Verzögerung eine konstante Schmierzahl (s) erreicht wird, die durch die Beziehung zu dem Nockenhub ζ

+ </„ · cos [ | 0,5 (.v - SKO)] + S_ra

festgelegt ist, wobei SKÖ das Ende der konstanten Nockensteigung, S,„.„ den max. Schmierzahlwert und RC den Nockengrundradius darstellt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nocken zur Steuerung der Ventile einer Brennkraftmaschine, durch den das Ventil über einen Gleitstößel mit ebenem Boden gegen die Kraft einer Schließfeder geöffnet wird, wobei der Beschleunigungs- sowie der Verzögerungsbereich ohne Voraussetzung einer Symmetrie in mehrere Abschnitte unterteilt ist.

Brennkraftmaschinen mit zyklischer Arbeitsweise brauchen zur Steuerung der Verbrennung Ventile, die über sich drehende, auf einer Welle angeordnete v> Nocken zu bestimmten Zeiten, den sogenannten .Steuerzeiten, geöffnet werden. Die durch die Umsetzung der drehenden Bewegung des Nockens in eine hin- und hergehende am Ventil hervorgerufenen hohen Beschleunigungen verursachen in den Steuerungsteilen ^ große Belastungen, die besonders in den Reibparinern Nocken und Stößel zu starkem Verschleiß führen können. Daneben treten unter Umständen auch Brüche an den Ventilen uuf, Schäden, die zu einem Totalausfall des Motors führen. Die dafür verantwortlichen ' Jrsa- '«> chen sind zum einen in der mangelnden Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms zwischen Nokken und Stößel, zum anderen in zu großen Schwingungsamplituden der bewegten Ventilmassen bzw. in der Kraftschlußuntcrbrechung zwischen Nocken und i>s Stößel zu suchen.

Man ist heute /u der I-Irkenntnis gekommen, daß der nickfreie Beschleunigungs- und Verzögerungsverlauf des Nockens so festgelegt werden muß, daß sowohl die dynamischen als auch die hydrodynamischen Einflüsse bei der Auslegung eines Nockenprofils zu beiücksichtigen sind, ohne daß die Symmetrie des Nockens, d. h. spiegelbildlicher Beschleunigungsverlauf in der Nockenöffnungs- und Schließflanke sowie Nockenspitze vorausgesetzt wird.

Bezüglich Beeinflussung '~s dynamischen Verhaltens sind bereits mehrere ruckfreie Nocken bekanntgeworden, deren Berechniingsverfahren jedoch symmetrisches Nockenprofil, d. h. Symmetrie in der llubkurve (z in Fig. I) und in ihren Ableitungen nach dem Nockenwinkel [x in Fig. I) zugrunde legen, wobei verschiedene Ziele erreicht werden sollen.

Der von Dudley, Thören, Engemann und S'oddart entwickelte I'olydyne-Nocken legt mit einem durchgehenden Polynomansatz unter Berücksichtigung der Ventilsieuerungselasti/itat einen symmetrischen Hubkurvenverlauf mit dem Ziel fest, für eine bestimmte Drehzahl schwingungsfreien Ventiltrieb zu erreichen. Zweckmaßigerweise wird das Profil für die Maximaldrehzahl schwingungsfrei ausgelegt, wobei in den darunterliegenden Drehzahlen, physikalisch bedingt, größere Schwingiingsamplituden auftreten könneu. In der Dissertation von I'. Schrick »l'lber das dynamische Verhalten von Ventilsteuerungen an Verbrennungsmotoren«, TU Braunschweig l^l)b'), wird an Hand einer Unterbrechung von Polydyiie-Noeken

nachgewiesen, daß zwar für die Auslegedrehzahl schwingungsfreier Betrieb gewährleistet ist, in den übrigen Drehzahlen hingegen der Polydyne-Nocken unter Umständen anderen Beschleunigungsverläufen bezüglich dynamischen Verhaltens untei legen sein kann. Es soll hiermit die Problematik der Auslegung schwingungsfreier Nockenprofile angeschnitten werden, über einen ganzen Drehzahlbceich eine optimale Lösung des dynamischen Verhaltens zu erreichen, ein Problem, das mit einer mathematischen Funktion allein ohne digitak oder analoge Simulation des Ventiltriebs nur unvollkommen gelöst werden kann.

Bensinger und Kurz (W. D. Bensinger, Die Steuerung des Gaswechsels in schnellaufenden Verbrennungsmotoren, Berlin 1968, S. 39 bis 46) geben ein >5 Berechungsverfahren für einen ruckfreien symmetrischen Nocken an, dessen Verzögerungsabschnitt vom Wendepunkt WPÖ (Fig. 1) bis zur maximalen Nokkenerhebung Z_mäx (Fig. 1) dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen Federkraft und Massenkraftkurve ohne Berücksichtigung der Schwingungseinflüsse nahezu Parallelität besteht, wodurch eine Anhebung der Grenzdrehzahl gegenüber dem Rucknocken möglich ist. Bei diesem vorgeschlagenen Nocken kann nur von angenäherter Parallelität gesprochen werden, da die Federkraftkennlinie nicht mit in die Berechnung einbezogen wird.

Erst durch die Veröffentlichung von W. G u i\ d e r mann »Berechnung eines Ventil-Steuernockens für einen Verbrennungsmotor« in der Zeitschrift »Konstruktion«, 1969, S. 41 bis 51 und DE-PS 15 26 483, wurde ein Nockenprofil bekannt, bei dem im kritischen Verzögerungsbereich, statisch betrachtet, die Massenkraftkurve genau parallel zur Federkraftkurve verläuft, wobei der daran anschließende Verzögerungsbereich in Nähe des maximalen Nlockenhubes, in dem bekanntlich bei kleiner Motordrehzahl bzw. Motorleerlauf infolge fehlender Massenträgheitskräfte die höchsten Berührungspressungen zwischen Nocken und Stößel auftreten, durch konstante Berührungspressung gekennzeichnet ist.

Zu den von Bensinger - Kurz und Gundermann angegebenen Nockenprofilen muß aber angeführt werden, daß weitgehende Parallelität bzw. echie Parallelität zwischen Feder- und Massenkraft und konstante Berührungspressung an Nockenspilze bei einem mit Masse und Elastizität behafteten System, wie es die Ventilsteuerung nun einmal ist, gar nicht,auftreten können. Messungen am Prüfstand haben gezeigt, daß sich dem Federkraftüberschuß (Differenz zwischen Massenkraft und Federkraft), der zur Aufrechterhallung des Kraftschlusses zwischen Nocken und Stößel notwendig ist, Schwingungsamplituden überlagern und im ungünstigsten Falle sogar den Kraftschluß aufheben können. Ebenso besitzt die Festlegung einer konstanten maximalen Berührungspressung wegen der Schwingungseinflüsse nur theoretischen Wert.

In all den beschriebenen Ik-rechnungsverfahren wird mit unterschiedlichen Mitteln immer nur das dynamische Verhallen beeinflußt. Da es sich beim Bcwcgungs- ^ho ablauf von Nocken und Stößel um ein Reibgetriebe handelt, wo Relativbewegungen stattfinden, muß jedoch auch das hydrodynamische Verhalten beachtet werden. In den bisher bekanntgewordenen Nocken ist dieser Umstand nicht angeführt worden.

Inder Veröffentlichung R. M ü!ler,»Der Einfluß der Schmierverhältnisse am Nockenirieb«, »MTZ«, 1966. S. 58 bis 61, wird die Schmierzahl s als Kennzahl für die Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms zwischen Nocken und Ventilstößel definiert. Sie ist allein von der Nockengeometrie abhängig, ändert sich also nicht unter dem Einfluß der Dynamik. Die Schmierzahl

S= -(Z" + RN)

bildet sich aus dem jeweiligen Nockenradius ΛΛ/und der Nockenbeschleunigung z", also der dazugehörigen zweiten Ableitung z" = J² zldx¹ des Weges ζ nach dem Nockenwinke! x. Je größer der Absolutwert der Schmierzahl 5 ist, um so höher ist die Wahrscheinlichkeit einer guten Schmierfilmbildung. Aus diesem Grund ist die kritische Phase hinsichtlich der Schmierung der Verzögerungsbereich, wenn die Nockenbeschleunigung z" und der Nockenradius RN verschiedene Vorzeichen besitzen und sich deshalb kleine positive Werte für s an der Nockenspitze ergeben und die Schmierzahlfunktion in den Übergangsbereichen zwischen Spitze und Flanken das Vorzeichen wechselt (s. F i g. 2).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Nocken der eingangs beschriebenen Art bestmöglichst verschleißarm zu gestalten, indem bei Auslegung der Nockenkontur neben guter dynamischer Verhältnisse auch das Schmierverhalten, insbesondere im Verzögerungsbereich, berücksichtigt wird. Voraussetzungen hierfür sind

1. hohe Werte für die Schmierzahl an der Nockenspitze und

2. ein rasches Durchlaufen des Nulldurchganges, also eine möglichst hohe Steigung der Schmierzahlfunktion in den Übergangsbereichen zwischen der Nockenspitze und den Flanken.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Beschleunigungs- und Verzögerungsbereich insgesamt in fünf Abschnitte I bis V unterteilt ist und daß

a) die Beschleunigungsabschnitte 1 und V der öffnungs- und Schließflanke durch eine Fourier-Reihe dritter Ordnung durch folgenden Ansät/.

■ sin 2 \

- sin Λ

festgelegt werden, wobei mit ; der jeweilige Abschnitt I oder V gemeint ist, die Werte .,',1 bis .1,1 je nach den geforderten Bedingungen wählbar sind und λ eine Funktion des Nockenwinkels ν darstellt, b) der sich an die Öffnungsflanke anschließende Abschnitt Il bzw. der vor der Schließllanke liegende Abschnitt IV des Verzögerungsbereiches genau konstante Steigung der Sehniier/ahlkurve (Fig. 2) ergibt, wobei für den Nockenhiih / folgende Beziehungen gelten:

Abschnitt Il

■ sin

[ 1 (1.5 (v Il /'O)] - S.¹: [χ Π /

Abschnil! IV

■ sin I I (),.-S(v SKS)\

cos I i 0.5 (v SKS)\ ' NMv SKS) 1 _-,

wobei sich die Werte .·) und z<\ aus der Stetigkeit der Hubkurve (z) und deren ersten und zweiten Ableitung (zf, z") nach dem Nockenwinkel χ ergeben, WPÖ der Wendepunkt bei der Nockenerhebung auf der öffnungsscitc, SK der Steigungswerl und SKS der Beginn des konstanten Abfalles der Schmierzalil auf der Schlicßscile ist,
im Abschnitt III im Bereich der höchsten Verzögerung eine konstante Schmierzalil (5) erreicht wird, die durch die Beziehung zu dem Nockenhub ζ

= ο, · sin [ I 0.5(.ν - SAJO)] -t- <i„ ■ cos[ | 0.5(v - SKO)] -i S_11111x + RG

festgelegt ist, wobei SKÖ dan Ende der konstanten Schmierzahl, S,„,_M den max. Schmierzahlwcrl und RGden Nockengrundkreisradius darstellt.

Es wird also eine Nockenform vorgeschlagen, die die in der Aufgabe angeführten Punkte voü berücksichtigt, deren HubWurve jedoch nicht unbedingt symmetrisch sein muß, zumal sich gezeigt hat, daß es hinsichtlich der Dynamik oft wünschenswert wäre, Öffnungs- und Schließseite verschieden zu gestalten.

Weitere die Erfindung erläuternde Einzelheiten können aus den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden.

In Fig. 1 zeigen die Kurve 1 den Nocken- bzw. Stößelhub z, die Kurve 2 die Nockengeschwindigkeit z¹ und die Kurve 3 die Nockenbeschleunigung z" jeweils abhängig vom Nockenwinkel χ auf, während in Fig. 2 der Verlauf der Schmierzahl s aufgezeigt ist. Vom Ventilöffnungspunkt Vobis zum Ventilschließpunkt VS unterteilt sich die erfindungsgemäße Nockenkontur in fünf Abschnitte I bis V.

Abschnitt I, der Bereich der Öffnungsflanke, erstreckt sich vom Ventilöffnungspunkt VÖbis zum Wendepunkt WPÖ der Öffnungsseite, Abschnitt V, der Bereich der Schließflanke, beginnt beim Wendepunkt WPS der Schließseite und endet im Ventilschließpunkt VS. Beide Abschnitte werden durch die Beschleunigung z" (Kurve 3 in Fig. 1), also durch die zweite Ableitung des Nockenhubes ζ (Kurve 1 in Fig. 1) nach dem Nockenwinkel χ gekennzeichnet. Die Nockenbeschleunigung z" wird, wie bereits erwähnt, durch eine Fourier-Reihe dritter Ordnung in Sinusdarstellung beschrieben:

Zj₁, = «,, · sin λ + α_j2 · sin 2 \ + a_j3 · sin 3 \ .

Anstelle von ; ist der jeweilige Abschnitt 1 oder V einzusetzen. Da der öffnungs- und Schließstoß das dynamische Verhalten wesentlich beeinflussen, kann durch entsprechende Wahl der Werte a,i, an und an ein der Elastizität des Ventiltriebes entsprechender Beschleunigungsveriauf festgelegt werden. Der Winke! χ stellt eine Funktion des Nockenwinkels χ dar und läßt sich unter Zuhilfenahme der Zeichnung für die Abschnitte 1 und V wie folgt errechnen:

2s κ = größer, gleich O und kleiner, gleich 180°, d. h. λ liegt zwischen 0 und 180°.

Die Abschnitte II, III und IV stellen den Verzögerungsbereich der Nockenkontur dar und sind, wie bereits erwähnt, entscheidend für die Bildung eines 'hydrodynamischen Schmierfilms zwischen Nocken und Stößel. Es sollen hier im Verzögerungsbereich folgende Schmierzahlfunktionen erreicht werden:

In den Abschnitten II und IV erfolgt jeweils der Nulldurchgang der Schmierzahl s (Punkte 4 und 5 in Fig. 2); deshalb wird vorgeschlagen, in diesen Bereichen die Steigung der Schmierzahlfunktion sf = ds/dx, also deren erste Ableitung nach dem Nockenwinkel χ genau konstant zu halten, wobei der Steigungswert SAi vorgegeben werden kann. Gekennzeichnet werden beide Abschnitte durch den Nockenhub z. Abschnitt II erstreckt sich vom Wendepunkt WPÖ der Öffnungsseite bis zum Punkt SKÖ und Abschnitt IV beginnt im Punkt SKS und endet im Wendepunkt WPS an der Schließseite. Es gelten folgende Beziehungen für den Nockenhub z:

Abschnitt Il

Abschnitt IV

sin [ 10,5 (χ - WPO)I₁ - SK ■ (χ - WPÖ) + z_A

r_lv = α_Ί sin [10,5 (x -SKS)] + a_B ■ cos [ ['0,5 (x - SKS)] + SK{x-SKS) + z_Alv

Die Parameter a*, ai, a», zaii und zaiv sowie der Tusätzliche Cosinus in Abschnitt IV ergeben sich aus den Bedingungen der Stetigkeit der Kurve 1 des Hubes ζ und der ersten und zweiten Ableitung z" (Kurve 2) und 2" (Kurve 3) nach dem Nockenwinkel x.

In Abschnitt III, dem Bereich der Nockenspitze, soll die Schmierzahlfunktion genau konstant bleiben, wobei der maximale Schmierzahlwert S_max ebenfalls vorgegeben werden kann. Dieser Abschnitt beginnt in Punkt SKÖ, der dann erreicht ist, wenn die Schmierzahlfunktion am Ende des Abschnittes II den Wert S_n^_x annimmt und endet im Punkt SKS, der sich aus den Grenzbedingungen des Nockenhubes berechnet. Der Abschnitt IH wird ebenso wie die Abschnitte II und IV durch den Nockenhub zmit folgender Beziehung gekennzeichnet:

z,„ = fl₅ sin [ /05 · (x - SKO)] + O₆-COS [1 0,5 (x - SKO)] + S_n^_x + JiG .

Mit χ für laufende Nockenwinkel und RG für Nockengrundkreisradius. a_s und a₆ errechnen sich wiederum aus der Bedingung der Stetigkeit von z, z' und z".

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Nocken zur Steuerung der Ventile einer Brennkraftmaschine, durch den das Ventil über einen > Gleitstößel mit ebenem Boden gegen die Kraft einer Schließfeder geöffnet wird, wobei der Beschleunigungs- sowie der Verzögerungsbereich ohne Voraussetzung einer Symmetrie in mehrere Abschnitte unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungs- und Verzögerungsbereich insgesamt in fünf Abschnitte 1 bis V unterteilt ist und daß

a) die Beschleunigungsabschnitte I und V der öffnungs- und Schließflanke durch eine Fou-

Abschnitt Π

rier-Reihe dritter Ordnung durch folgenden Ansatz