DE3804575A1 - Nebenantrieb einer brennkraftmaschine fuer einen luftpresser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nebenantrieb für einen Luftpresser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Der Zahnradantrieb von Kolbenverdichtern, die unter anderem zur Druckluftbeschaffung für Nutzfahrzeuge mit Durckluftbremsen verwendet werden, hat eine Reihe von Vorteilen, deren wichtigster gegenüber früher häufig verwendeten Keilriemen­ antrieben die völlige Wartungsfreiheit ist. Dieser Vorteil erhält dadurch zusätzliches Gewicht, daß häufig von der Luftpresserkurbelwelle aus eine Lenkhydraulikpumpe angetrieben wird, wodurch sich die Forderung nach größtmöglicher Betriebssicherheit des Luftpresserantriebes, wie diese optimal nur mit Zahnrädern möglich ist, weiter erhöht.

Bei den Bremsluftverdichtern hat sich die Kolbenverdichter­ bauart sehr gut bewährt. Beim Zahnradantrieb erweist es sich jedoch als nachteilig, daß die im Schadraum des Luftpressers nach Erreichen des oberen Totpunktes verbleibende, verdichtete Luft expandiert, wodurch die den Luftpresser antreibende Tangentialkraft plötzlich negativ wird und der Luftpresser Drehmoment abgibt. Dies führt zu schlagartigem Flankenwechsel im Zahneingriff verbunden mit einem unangenehmen Schlaggeräusch.

Dieses Geräusch läßt sich besonders bei Leichtbauantrieben, wie diese in modernen Hochleistungsmotoren vorliegen, nicht immer auf akzeptable Werte senken, selbst wenn das Verdrehflankenspiel zwischen dem Luftpresser- und dem antreibenden Nockenwellenrad auf kleine Werte gefertigt oder eingestellt ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß auch das Antriebsdrehmoment der Nockenwelle besonders bei Motoren mit geringer Zylinderzahl stark schwankt und sogar negative Anteile haben kann. Kommt es zu einer Überlagerung des negativen Drehmomentes vom Luftpresser in der Phase der Rückexpansion mit kleinen oder gar negativen Drehmomenten der Nockenwelle so entsteht zusätzlich zum Luftpresserrad auch eine Rückwärtsbeschleunigung des Nockenwellenrades, die sich als Stoß in den übrigen Rädertrieb fortpflanzt.

Zur Behebung dieser Nachteile kommt aus Gründen niedriger Kosten, beschränkten Bauraumes und geringen Gewichtes eine Lösung durch deutliche Erhöhung der Drehmassen des Luftpressers und des Nockenwellenrades nicht in Betracht. Die Erhöhung des Trägheitsmomentes müßte nämlich erheblich und daher teuer, schwer und raumgreifend sein, da die störenden Geräusche besonders im Leerlauf auftreten. Aufgrund der niedrigen Leerlaufdrehzahl ist in diesem Betriebszustand jedoch die kinetische Energie der rotierenden Massen gering.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Antrieb so auszugestalten, daß bei geringem Trägheitsmoment, kleinen Abmessungen und leichter Bauweise der rotierenden Massen des Luftpressers und des antreibenden Nockenwellenrades die Rückwärtsbeschleunigung des Nockenwellenrades unterbunden wird und Schlagimpuls und Geräusch im Eingriff des Nockenwellenrades minimiert werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Luftpresser-Antrieb der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird eine Addition der negativen Dreh­ momentanteile von Luftpresser und Nockenwelle vermieden. Die störenden negativen Drehmomentanteile des Luftpressers werden durch die dominierenden positiven Antriebs-Drehmomente der Nockenwelle aufgehoben. Hierdurch werden unerwünschte Rückwärtsbeschleunigung des Nockenwellen-Rades und dadurch entstehende Impulse auf den übrigen Rädertrieb unterbunden. Allerdings verbleibt in voller Höhe die Rückwärtsbeschleunigung des Luftpresser-Rades selbst infolge der Rückexpansion des Luftpressers erhalten. Deren Impuls muß zwar vom Nockenwellen- Rad aufgenommen werden, bewirkt jedoch infolge vorbeschriebener Zuordnung der Drehmomentverläufe keine negative Beschleunigung des Nockenwellenrades. Gemäß Weiterbildung der Erfindung läßt sich jedoch dieser unvermeidliche Schlagimpuls des Luftpresserrades gegenüber dem Nockenwellenrad entgegen Drehrichtung durch das enge Zahnspiel im Eingriff zwischen beiden Rädern so klein halten, daß störende Geräusche vermieden werden.

Weitere Merkmale des Nebenantriebs nach der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schnittansicht des Nebenantriebs für einen Luftpresser, dessen Antriebszahnrad mit einem Zahnrad auf der Nockenwelle im Eingriff steht,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in der Fig. 1 Fig. 3 eine graphische Darstellung des Drehmomentverlaufs von Nockenwelle und Luftpresser aufgetragen über eine Arbeitsperiode von 720° Kurbelwinkel, wobei in bekannter Weise die Übersetzung des Luftpressers kein ganzzahliges Vielfaches eines Nockenwellen- Lastspieles darstellt,

Fig. 4 eine graphische Darstellung derselben Art wie in der Fig. 3, wobei aber die Übersetzung des Luftpressers gemäß der Erfindung ein ganzzahliges Vielfaches eines Nockenwellen-Lastspieles darstellt und die Winkelstellung der Luftpresser-Kurbelwelle gegenüber der Nockenwelle orientiert ist.

Fig. 5 eine graphische Darstellung derselben Art wie in der Fig. 3, wobei zwar die Übersetzung des Luftpressers ein ganzzahliges Vielfaches eines Nockenwellen- Lastspieles darstellt, aber kein orientierter Einbau der Luftpresser-Kurbelwelle zur Nockenwelle erfolgt.

Gemäß Fig. 1 und 2 treibt ein Brennkraftmaschinen-Kurbel­ wellen-Rad 1 über ein Zwischenrad 2 ein Nockenwellen-Rad 3 und ein Einspritzpumpenrad 4 an. Mit 5 ist die Nockenwelle bezeichnet. Diese treibt jeweils über Stößel 6, Stößelstange 7 und Kipphebel 8 Ventile 9 im Zylinderkopf des Motors an.

Mit dem Nockenwellen-Rad 3 kämmt ein Antriebsrad 10 zum Antrieb einer Kurbelwelle 17, die zu einem Luftpresser 11 gehört. Im gezeigten Aus­ führungsbeispiel erfolgt eine Feineinstellung des Verdrehflankenspieles zwischen Luftpresser-Rad 10 und Nockenwellen-Rad 3 durch einen von außen zugängigen Exzenter 12, der zwischen Motorgehäuse 14 und Luftpresser 11 angeordnet ist. Durch Drehen des Exzenters 12 läßt sich das Zahnspiel genau dosiert einstellen. Die Zahnspieleinstellung kann aber auch durch einfaches Verschieben des Luftpressers 11 und Kontrolle des Abstandes der Zahnflanken im Eingriff der Räder 3 und 10 durch ein Spionblech nach Ausbau einer Verschlußschraube 15 erfolgen. Selbstverständ­ lich kann auf eine Einstellung des Zahnspieles auch ganz verzichtet werden, wenn die Zahnräder 3 und 10 besonders hinsichtlich ihrer Meßweite sowie der dazugehörige Achsabstand mit den erforderlichen engen Toleranzen gefertigt werden können. Wie aus der Fig. 2 noch ersichtlich, kann an den Luftpresser 11 noch eine Lenk- oder Arbeitshydraulikpumpe 16 angeflanscht werden.

Die insbesonders in der Fig. 1 gezeigte Anordnung der Steuerräder hat den Vorteil, daß hiermit der Antrieb der vorteilhaft auf rechter und linker Motorseite angeordneten Einspritzpumpe bzw. Nockenwelle mittels kostengünstiger Zahnräder kleiner Abmessungen möglich ist. Ferner kann durch ein Primzahlverhältnis der Zähnezahlen der Räder 1, 3 und 4 gegenüber dem Zwischenrad 2 sichergestellt werden, daß im Augenblick der jeweiligen Belastungsspitzen in den hoch beanspruchten Zahneingriffen A, B und C jeweils die Flanken unterschiedlicher Zähne zum Eingriff kommen und die Möglichkeit erhöhten Verschleißes für den Fall daß immer die gleichen Flanken die Lastspitzen übertragen müssen verringert wird, so daß die Verzahnung leichter und kostengünstiger ausge­ führt werden kann.

In der Fig. 3 ist das Antriebsmoment der Nockenwelle 5 (strichliert gezeichnet) eines 4-Zylindermotors über eine Arbeitsperiode von 720° Kurbelwinkel dargestellt. Es weist vier Lastspiele mit je 180° Kurbelwinkel und je einem kleinen negativen Drehmomentanteil 13 auf. Dem Nocken­ wellenantriebsmoment überlagert ist das Antriebsmoment für den Luftpresser 11 (voll ausgezeichnet) mit dem negativen Anteil 18 als Folge der Rückexpansion dargestellt. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Nockenwellen-Rad 3 und Luftpresser-Rad 10 sei gemäß der gewünschten Luft-Fördermenge beispielhaft so gewählt, daß während einer Luftpresser- Umdrehung von 360° eine Phasenverschiebung von 30° Kurbelwinkel eintritt (d. h. eine Luftpresser-Umdrehung von 360° entspricht 390° Kurbelwinkel). Mit der Nockenwellen-Lastspiellänge 180° wiederholt sich alle 180° : 30° = sechs Luftpresser- Umdrehungen die Ausgangsstellung (Ausgangsphasenlage) zwischen Luftpresser und Nockenwelle. Während dieser sechs Umdrehungen addieren sich einmal auch die negativen Drehmomentmaxima von Luftpresser- und Nockenwellen-Antriebsdrehmoment. Dies führt besonders im Motorleerlauf mit geringer kinetischer Energie der Drehmassen zu einer Rückwärtsbeschleunigung des Nocken­ wellen-Rades 3, die sich als deutlich hörbarer Schlagimpuls in den übrigen Rädertrieb fortpflanzt und zu einer lästigen, periodischen Geräuschentwicklung führt.

Bei der Fig. 4 wird nun die Rückwärtsbeschleunigung des Nockenwellen-Rades 3 dadurch unterbunden, daß die Übersetzung zwischen Luftpresser-Antriebszahnrad 10 und Nockenwellen- Zahnrad 3 als ganzzahliges Vielfaches eines Nockenwellen­ lastspieles ausgeführt ist. Im Beispiel entspricht eine Luftpresser-Umdrehung (360°) genau zwei Nockenwellen- Lastspielen von je 180°, was insbesondere bei 4-Zylinder­ motoren vorteilhaft ist. Das gleiche Drehzahlverhältnis zwischen Motor und Luftpresser ergäbe sich bei einem ver­ gleichbaren 6-Zylindermotor bei drei Nockenwellenlastspielen pro Luftpresserumdrehung entsprechend dem ganzzahligen Vielfachen Drei.

Es wird ferner das Luftpresser-Antriebszahnrad 10 zur Luft­ presser-Kurbelwelle 17 orientiert angebaut (zwecks richtiger und exakter Zahnstellung bzw. Zahnzuordnung). Gleichzeitig wird die Winkelstellung der Luftpresser-Kurbelwelle 17 gegenüber der Nockenwelle 5 fixiert (geschieht letztendlich über die richtige Winkelstellung der Zahnräder 10 und 3). Die beschriebene Zuordnung bewirkt, daß die negativen Momente 18 des Luftpressers 11 durch die positiven Drehmomentanteile 20 der Nockenwelle 5 optimal aufgehoben werden.

Eine im allgemeinen nicht vollkommene, aber meist ausreichende Reduzierung der erwähnten negativen Momente 18 durch die positiven Drehmomentanteile 20 kann sich auch ergeben, wenn auf eine genaue Orientierung des Luftpresser-Antriebszahn­ rades 10 verzichtet wird. Dies ist aber nur dann möglich, wenn die Zahnteilung klein ist und der maximale Fehler ohne Orientierung von je einer halben Zahnteilung in und entgegen Drehrichtung die erfindungsgemäße Wirkung des fixierten Einbaues von Luftpresser-Kurbelwelle 17 gegenüber Nockenwelle 5 nicht nachteilig beeinflußt.

Die Fig. 5 zeigt zum weiteren Verständnis, daß sich bei nichtorientiertem Einbau (der Luftpresser-Kurbelwelle gegenüber der Nockenwelle) trotz eines Übersetzungsver­ hältnisses der Räder 3 und 10 als ganzzahliges Vielfaches eines Nockenwellenlastspieles die negativen Drehmomente (18, 13) von Luftpresser und Nockenwelle sich in unerwünschter Weise zu einem negativen Drehmomentmaximum 21 addieren können.

Bei Motoren mit größerer Zylinderzahl weist das Nockenwellen­ antriebsdrehmoment häufig keine negativen Anteile mehr auf. Zwischen den einzelnen Lastspielen der Nockenwelle fällt jedoch dessen Antriebsmoment auf geringe Werte nur wenig über Null ab, so daß das negative Drehmoment des Luftpressers an diesen Stellen nahezu voll wirksam werden kann. Zur sicheren Vermeidung von Geräuschimpulsen wird daher auch in diesem Falle orientierter Einbau des Luftpressers sowie Übersetzung des Luftpressers als ganzzahliges Vielfaches eines Nockenwellen-Lastspieles vorgeschlagen, so daß die negativen Anteile des Luftpresserantriebsdrehmomentes durch die positiven Nockenwellenantriebsmomente aufgehoben werden.

Claims (2)

1. Nebenantrieb einer Brennkraftmaschine für einen Luftpresser, welcher als Kolbenverdichter mit einem in einem Zylinder geführten Kolben ausgebildet ist und letzterer über eine Pleuelstange von einer Kurbelwelle angetrieben wird, die mit einem Antriebszahnrad in Verbindung steht, welches von der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine über Zahnräder angetrieben wird, wobei das Luftpresser-Antriebszahnrad in ein Zahnrad auf der Nockenwelle eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß das Luftpresser-Antriebszahnrad (10) zur Luftpresser- Kurbelwelle (17) orientiert angebaut ist, daß die Übersetzung zwischen Luftpresser-Antriebszahnrad (10) und Nockenwellen- Zahnrad (3) als ganzzahliges Vielfaches eines Lastspieles des Nockenwellenantriebsdrehmomentes ausgeführt und gleichzeitig die Winkelstellung der Luftpresser- Kurbelwelle (17) gegenüber der Nockenwelle (5) so fixiert ist, daß negative Drehmomentanteile (18) der Luftpresser- Kurbelwelle (17) durch Überlagerung mit positiven Drehmomentanteilen (20) der Nockenwelle (5) eliminiert werden.

2. Nebenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß - wie an sich bekannt - im Eingriff des Luftpresser- Antriebszahnrades (10) mit dem Zahnrad (3) der Nockenwelle (5) ein eng toleriert gefertigtes oder durch eine Einstellvorrichtung (beispielsweise Exzenter 12) klein eingestelltes Verdrehflankenspiel vorliegt.