DE2726073C2 - Nocken zur Gaswechselventilsteuerung von Hubkolbenmaschinen - Google Patents

Description

gleich oder größer als 0.15 und gleich oder kleiner als 0,25 oder, wenn es die Nockenform zuläßt, gleich oder größer als 0,6 ist

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Nocken zur Gaswechselven'.ilsteuerung von Hubkolbenmaschinen, durch den das Ventil über einen mit ebenem Boden unter möglichster Ausbildung eines Schmierfilms gleitend mit der NoekenWäche zusammenwirkenden Stößel gegen Schließfederkraft entsprechend dem jeweils erreichten Nockenhub ζ geöffnet wird, wobei die Nockcnfläche durch einen dem jeweiligen Nockenhub zugeordneten Nockenkrümmungsradius γν und einen Nockengrundkreisradius r_G definiert ist und die Nokkenkrümmungsradien u.a. nach Gesichtspunkten der elasto-hydrodynamischsn Schmiertheorie im Sinne der Optimierung einer Beurteilungskennzahl ausgelegt sind, die von r/v, rc und ζ abhängig ist.

Kraft- oder Arbeitsmaschinen mit zyklischer Arbeitsweise brauchen zur Durchführung des Kreisprozesses Ventile, die üblicherweise über drehende, auf einer Welle angeordnete Nocken gesteuert werden. Bei der Umsetzung der drehenden Bewegung des Nockens in eine hin- und hergehende am Ventil treten hohe Beschleunigungen auf, die in den Steuerungsteilen große Belastungen hervorrufen und besonders in den Teilen mit groben Relativbewegungen, wie beispielsweise an Nocken und Stößel, zu starkem Verschleiß führen. Diese rrscheinung der auf die Laufzeit der Maschine bezog-jn rascheren Abnützung der aufeinander gleitenden Flächen von Nocken und Stößel wird durch den heute üblichen Bau leistungsstarker und damit zum Teil auch höher drehender Motoren verstärkt. Die Ursachen sind vorwiegend in der nicht optimalen Ausbildung eines tragfähigen hydrodynamischen Schmierfilms im für die Schmierung kritischen Bereich der Nockenspitze zu suchen, da. wie die Praxis zeigte, auch dynamisch gut ausgelegte Nockenprofile keine Garantie für einen verschleißarmen Betrieb geben, wenn nicht die hydrodynamischen Voraussetzungen hierfür geschaffen werden.

Seit der Veröffentlichung von Müller »Der Einfluß

wo 5NuIl ist. vorliegen.

Zur Beantwortung der Frage nach dem optimalen Schmierfilmaufbau im gefährdeten Bereich der Nockenspitze ist es notwendig, den jeweils vorliegenden minimalen Schmierfilm zu berechnen. Dies ist nach der Formel von Dowson und Higginson (vergleiche Aufsatz von T. I. Fowle »Die Elastohydrodynamische Schmierungstheorie, veröffentlicht von Shell International Petroleum Co.-Ltd, 1962) möglich. Die Formel für die Berechnung des minimalen Schmierfilms ist das Ergebnis einer mathematischen Analyse der elastohydrodynamischen Schmierungstheorie (letztere berücksichtigt den Viskositätsanstieg des Schmiermittels unter Druckbeanspruchung sowie eine örtlich begrenzte elastische Verformung der belasteten Kontaktflächen) und lautet:

H= 1,6 · G⁰" ■ U⁰-¹ ■ W

0.13

H, G, U und W bedeuten dabei dimensionslose Faktorengruppen, die stellvertretend für

eingesetzt werden. Hierin bedeuten:

hmin — die Mindeststärke des Schmierfilms, Q — den theoretischen Krümmungsradius, er wird gebildet aus V₅= U₁, + '/„2, wobei ρι und Q₂ die Krümmungsradien der beiden in Kontakt stehenden Oberflächen sind,

— den Druckkoeffizient der Schmierstoffviskosität nach der Beziehung η_Ρ=η ■ e*i>, mit 77,, der Viskosität beim Druck p, E' — den reduzierten Elastizitätsmodul für die Werkstoffe der aneinandergleitenden Oberflächen,

Vl-V? )-vA

ME' - 1/2

wobei £", und £2 den Elastizitätsmodul und v\ und Vj die Poisson'sche Zahlen der beiden Oberflächen darstellen,

die Schmierstoffviskosität bei Atmosphärendruck und Umgebungstemperatur, die Belastung auf die Breiteneinheit der Kontaktstelle,

die Gleitgeschwindigkeit der Kontaktfläche 1 und 2 nach der Beziehung w= 1/2 · (u_x + U₃).

In der genannten Gleichung ist der reduzierte Elastizitätsmodul E' nur mit einem sehr kleinen Exponenten (E^") versehen, außerdem unterscheiden sich die im Maschinenbau verwendeten Werkstoffe im Elastizitätsmodul voneinander nur wenig (E=80 000 bis 210 000 N/mm²). Auch bewegt sich der Druckkoeffizient bei den zur Anwendung kommenden Schmiermitteln nur in engen Grenzen, und der Einfluß der Laständerung auf die Schmierfilmstärke (siehe Fa!;torengruppe W) kann wegen des kleinen Exponenten unberücksichtigt bleiben. Dowson und Higginson geben daher für die Berechnung der Mindeststärke h_mm des Schmierfilms folgende vereinfachte Formel an, in der die Ausdrücke G⁰* und VV-⁰-¹³ obiger Formel durch Konstante ersetzt werden. Sie lautet:

5 ■ 10-'

(II)

wobei der Abstand a durchaus nicht die weiteste Entfernung der beiden Mittelpunkte 4, 5 vonetnancter darstellt, sondern immer den in Bewegungsrichtung des Gtehstößels 2 gemessenen Abstand, je nach Stellung des Nockens 1. Das gleiche gilt für den Nockenhub z, der an der jeweils zu betrachtenden Stelle gemessen wird und die Entfernung vom Grundkreisradius rc zum Boden 3 des Gleitstößels 2 angibt Der Nocken 1 dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω in Richtung des Pfeiles 6.

Es wird nun zunächst die Gleitgeschwindigkeit u\ am Nocken 1 errechnet, die sich aus «1 = r/v · ω ergibt. Die Gleitgeschwindigkeit, U₂ am Stößei 2 errechnet sich aus U₂=* — a · ω, allerdings genaugenommen in Stößelmitte.

Die Gleitgeschwindigkeit u zwischen Nocken I und Stößel 2 bestimmt sich daraus mit

gleich oder größer als 0,15 und gleich oder kleiner als 025 oder, wenn es die Nockenform zuläßt, gleich oder größer als 0,6 ist.

Als Kriterium für diese Erkenntnis dient die Berechnung des minimalen Schmierfilms A_1711n nach der Beziehung von Dowson und Higginson. Der übersichtlichen Herleitung wegen wird die vereinfachte Formel (II) betrachtet und die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. I den Aufbau einer Nockensteuerung rein schematisch,

Fig.2 die Abhängigkeit der hydrodynamischen BeurteiJungskennzahl von der relativen Schmierfilmstärke in Form einer graphischen Darstellung.

In F i g. I ist ein Nocken 1 angedeutet, der soeben auf einen Gleitstößel 2 mit ebenem Boden 3 aufläuft. Mit rc ist der Grundkreisradius und mit Γν der Krümmungsradius des Nockcfis 1 bezeichnet. Der Abstand des Mittelpunktes 4 des Krümmungsradius r_N vom Mittel-Dunkt 5 des Grundkreiucadius rc ist mit a angegeben,

[2r_s—(r_c+Z)

(IV)

worin allerdings der Abstand -a durch die für Fiachstößel gültige Gleichung -a = r_s ~ -v^c + r) ersetzt und

in die Gleichung II eingeführt wurde.

Wird auch noch der theoretische Krümmungsradius /p- ' >. ff durch den Nockenkrümmungsradius r_s ersetzt, so/i*;'".c^

ergibt sich nach entsprechender Erweiterung bzw. "" ' "' Umformung für die Mindestslärke des Schmierfilms

Wie aus den beiden Formeln zu entnehmen ist, wird die Schmierfilmstärke neben der Viskosität η von der Gleitgeschwindigkeit usowie dem theoretischen Krümmungsradius ρ der Kontaktfläche bestimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Nocken der eingangs beschriebenen Art die Nockengeometrie im Bereich der Nockenspitze, dem Bereich kritischer Schmierfilmbildung, so festzulegen, daß optimale Schmierverhältnisse mit dem Ziel der Verschleißminimierung über einen möglichst langen Zeitraum erreicht werden.

Nach der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Beurteilungskennzahl

45 (III)

Diese Beziehung hat zwei Nullstellen bei

= 0 und

rs

r_c+z

■04,

zwischen denen der maximale Funktionswert für h_mi„ liegt. Wird die dimensionale, geometrische Größe

mit der das Profil über Grad Nockenwinkel festgelegt ist, als hydrodynamische Beurteilungszahl y bezeichnet, und bezieht man die Mindeststärke des Schmierfilms h„,„ auf den optimalen Wert h„_p„ der im kritischen Bereich 0 <y< 0,5 überhaupt möglich ist, eo ergibt sich die relative Schmierfilmdicke I.

Λ_ο,, (0<y<0,5)

0.5) I

0,125

Der Vollständigkeit wegen wird auch die Funktion der relativen Sch.nierfilmdicke I angegeben, die sich bei Berücksichtigung der vollständigen Formel zur Berechnung des Ä„,„-Wertes ergibt.

- I)I

⁰-⁷

„0.4.1

h„-, i0<y<0,5)

0,35038

Fig. 2 zeigt die relative Schmierfilmdicke als Funktion der hydrodynamischen Beurteilungskennzahl

γ. Aus der Tatsache heraus, daß sich die hydrodynamische Beurteilungskcnnzahl γ aus den geometrischen Größen des Nockens 1, wie Krümmungsradius r*. Grundkreisradius r₍, und Nockenhub ζ zusammensetzt, von denen Nockenhub / wie Kriimmungsradis r_N durch Verschleiß verändert werden und damit die Kennzahl γ beeinflussen, ist optimale Auslegung eines Nockenprofiles im gefährdeten Bereich 0<y< 0.5 nur dann erreicht, wenn in der Nockenspitze die Kennzahl γ links des Kurvenmaximums zu liegen kommt (Bereich I), da dann to auftretender Verschleiß mit der Folge einer γ-Verschiebung der hydrodynamischen Beurteilungskennzahl γ in Richtung 0,5 zuerst eine Verbesserung und nach Überschreiten des Maximums eine Verschlechterung in der Bildung eines tragfähigen Schmierfilms bewirkt. Im Bereich y>0,5 (Bereich II) hingegen bringt der Verschleiß in der Schmierfilmbildung nur Vorteile. Dieser Bereich wird übrigens nur selten erreicht, wie

z. B. bei Rundnocken. Zu erwähnen wäre lediglich noch, daß die stark ausgezogene Kurve 7 nach der vereinfachten Formel von Dowson und Higginson und die strichiierte Kurve 8 nach der vollständigen Formel ermittelt wurde.

Zusammenfassend ist zu erwähnen, daß gemäß der Erfindung bei einem neu ausgelegten Nocken eine Verschleißminimierung (Optimum im Verschleißverhalten) dadurch erreicht wird, indem man nicht nach dem maximalen Schmierfilm gemäß den bekannten Gleichungen auslegt, sondern den Einlaufverschleiß durch Vorhalten, d. h. Auslegen links des (Kurven-)Maximums mit einbezieht. D.'lurch bewirkt auftretender Verschleiß über einen größeren Bereich (Zeitraum) nahezu keine Veränderung in der Schmierfilmstärke. Somit werden auch optimale Schmierungsverhältnisse erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch;

   Nocken zur Gaswechselventilsteuerung von Hubkolbenmaschinen, durch den das Ventil ober einen mit ebenem Boden unter möglichster Ausbildung eines Schmierfilms gleitend mit der Nockenfläche zusammenwirkenden Stößel gegen Schließfederkraft entsprechend dem jeweils erreichten Nockenhub ζ geöffnet wird, wobei die Nockenfläche durch to einen dem jeweiligen Nockenhub zugeordneten Nockenkrümmungsradius Tn und einen Nockengrundkreisradius ro definiert ist und die Nockenkrummungsradien u.a. nach Gesichtspunkten der elasto-hydrodynamischen Schmiertheorie im Sinne der Optimierung einer Beurteilungskennzahl ausgelegt sind, die von Γν. rc und ζ abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilungskennzahl

   20 der Schmierverhältnisse am Nockentrieb« (MTZ 27/2, 1966, Seiten 58 bis 61) weiß man von der Bedeutung der hydrodynamischen Schmierfilmbildung auch bei Nokkenantrieben und deren Beeinflussung durch die Nockengeometrie. Als Kenngröße für die Bildung eines tragfähigen Schmierfilms wurde die Schmierzahl S eingeführt, die sich aus den geometrischen Daten γν, rc und ζ des Nockens zusammensetzt. Die Forderung war, die Schmierzahl S=rc+z~2r_N (siehe Gleichung 6 der Müller-Veröffentlichung) im Bereich der Nock^nspitze möglichst hoch zu halten. Je kleiner der Spitzenradius ov bei unveränderten Werten für Hub ζ und Nockengrundkreisradius rc um so höher die Schmierzahl. Dies führt aber zu dem widersinnigen Ergebnis, daß bei einem Krümmungsradius r_N=0 die besten Schmierverhältnis- ^s vorliegen müßten, denn die Schmierzahl 5 erreicht dann den größtmöglichen Wert, nämlich die Summe (rc+z). Ganz zu schweigen von den dabei auftretenden unzulässig hohen Hertzpressungen an der Nockenspitze, kann dies nicht der Wirklichkeit entsprechen. Es muß also ein Optimum zwischen_den Werten /vv—O und