DE3915901C2 - Drehzahlregeleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehzahlregeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die DE 36 36 933 A1 stellt einen mechanischen Drehzahlregler für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vor. Dieser Drehzahlregler umfaßt eine Welle, eine auf der Welle koaxial verschiebbar angeordnete Rolle sowie Fliehgewichte, die mit der Welle verbunden sind. Dabei sind die Fliehgewichte derart angeordnet, daß sie durch die Fliehkraft zwischen einer ersten, inneren Stellung und einer zweiten, äußeren Stellung bewegbar sind. Die Fliehgewichte weisen einen Abschnitt auf, der eine erste Fläche der Rolle kontaktiert und so ausgebildet und angeordnet ist, daß die Rolle axial in eine erste Richtung verschiebbar ist, wenn die Fliehgewichte sich aus der ersten in die zweite Lage bewegen. Des weiteren ist ein nicht mit der Welle umlaufendes Organ vorgesehen, das eine zweite Fläche der Rolle kontaktiert und funktionsmäßig mit einer Drehzahlstellvorrichtung für die Maschine verbunden ist. Das nicht umlaufende Organ ist dabei so ausgelegt und angeordnet, daß eine Axialverschiebung der Rolle durch die Fliehgewichte das nicht umlaufende Organ bewegt unter Verstellung der Maschinendrehzahl. Schließlich weist dieser Drehzahlregler ein Vorspannelement auf, das das nicht umlaufende Organ in Kontakt mit der zweiten Fläche der Rolle vorspannt, wobei das Vorspannelement die Rolle in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung drückt. Aus der DE 36 36 933 A1 ist darüber hinaus der Nachteil eines instabilen Regelverhaltens infolge von durch die Meßwerkteile im Drehzahlregler hervorgerufener Reibung bekannt, die nicht selten zu Drehzahlschwankungen des Motors führen kann. Derartige Nachteile werden bei dem bekannten Drehzahlregler dadurch vermieden, daß sich zwischen der Antriebswelle des Regler­ meßwerks und der auf der Antriebswelle verschieblich ange­ ordneten, für die Betätigung des Reglerhebels vorgesehenen Reglermuffe, die im übrigen drehbar auf der Welle angeordnet ist, mindestens ein fliehkraftbetätigter Reibungskörper befindet. Hierdurch soll ausschließlich die Reibungskraft zwischen den Reibungskörpern und der Gleitfläche der Reglermuffe in Abhängigkeit der Drehzahl erhöht werden. Dementsprechend wird ein solcher Drehzahlregler bei zu wenig Reibung störanfällig, insbesondere gegenüber drehzahlbedingten Schwingungen, Resonanzfrequenzen und Erschütterungen, wobei im Bereich niedriger Drehzahlen diese Störanfälligkeit aus­ gesprochen groß ist.

Die DE 22 24 758 B2 zeigt ebenfalls einen Fliehkraftdrehzahl­ regler für eine Einspritzbrennkraftmaschine mit einer Welle und einer relativ zur Welle axial verschiebbar angeordneten Reglermuffe, die über eine erste Fläche mit Fliehgewichten beaufschlagbar und über eine zweite Fläche mit einem nicht umlaufenden und mit einer Drehzahlstellvorrichtung für die Maschine verbundenen Organ in Kontakt bringbar ist. Die Regler­ muffe ist dabei mit Führungszapfen versehen, die in Führungs­ bahnen des nicht umlaufenden Organs eingreifen. Diese Führungsbahnen sind zur Achsmitte der Welle bzw. Reglermuffe versetzt angeordnet, so daß die Reglermuffe in eine Schräglage gebracht ist, wodurch ein leichtes "Zittern" der Reglermuffe im Betrieb erzeugt werden soll, was zur Verminderung der Reibung in diesem bekannten Fliehkraftdrehzahlregler führen soll. Die Reglermuffe ist jedoch nicht mit der Welle drehfest verbunden, sondern liegt vielmehr mit einer schmalen Berührungszone auf einem als zylindrischer Zapfen ausgebildeten Führungsteil der Antriebswelle auf. Darüber hinaus steht die Reglermuffe dieses bekannten Fliehkraftdrehzahlreglers über ihre zweite Fläche nicht in ständigem Kontakt mit dem nicht umlaufenden Organ. Vielmehr muß die Reglermuffe zunächst einen ersten Teilweg zurücklegen, um mit dem nicht umlaufenden Organ in Berührung zu kommen und dieses hierdurch zu betätigen.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, eine Drehzahlregeleinrichtung der vorgenannten Art bereitzustellen, die die Auswirkungen von Reibung im System in sämtlichen Drehzahlbereichen erheblich vermindert, so daß eine präzisere Drehzahlregelung und eine Minimierung von Pendelerscheinungen möglich sind, und die in ihrer Bauweise ausgesprochen einfach ausgestaltet ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen bewirken ein ständiges Schwingen der Rolle in Axialrichtung sowie ein entsprechendes ständiges Schwingen der Fliehgewichte in Radialrichtung relativ zu der Rolle. Wenn nämlich die Maschinendrehzahl infolge einer Lastverminderung ansteigt, werden die Fliehgewichte durch Fliehkrafteinwirkung unter Überwindung der Vorspannkraft des Vorspannelements, z. B. einer Feder, nach außen geschwenkt und verschieben die Rolle in Axialrichtung, so daß das nicht umlaufende Organ um die Achse geschwenkt und die Maschinendrehzahl vermindert wird. Bei abnehmender Maschinendrehzahl hingegen werden die Fliehgewichte nach innen geschwenkt, wobei die Federkraft das nicht umlaufende Organ beaufschlagt und die Rolle in Kontakt mit den Fingern der Fliehgewichte drückt, so daß die Drosselklappe geöffnet und die Maschinendrehzahl entsprechend erhöht wird. Auftretende Reibungskräfte werden bei der Drehzahlregel­ einrichtung nach der Erfindung dadurch vermindert, daß das entgegengesetzte Ende der Rolle, an dem das nicht mit der Welle umlaufende Organ anliegt, eine unregelmäßige oder wellige Oberfläche erhält, die zu einem kontinuierlichen Schwingen bzw. "Tanzen" der Rolle und der Fliehgewichte während des Betriebs der Maschine führt, und zwar in sämtlichen Drehzahl­ bereichen. Dieses kontinuierliche Pendeln oder "Tanzen" hat die Auswirkung, daß die Kräfte ausgemittelt werden, während Reibung abwechselnd zu der Fliehkraft hinzuaddiert bzw. davon subtrahiert wird. Unter sich ändernden Drehzahlverhältnissen bewegen sich die Fliehgewichte in Radialrichtung relativ zu der Rolle mit einer wesentlich geringeren Drehzahländerung, so daß eine präzisere Drehzahlregelung möglich ist und Pendeln eliminiert wird.

Darüber hinaus läßt sich mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen eine Drehzahlregeleinrichtung erhalten, die in ihrer Bauweise ausgesprochen einfach und kompakt ist sowie zudem eine hohe Funktionsgenauigkeit als auch eine geringe Störanfälligkeit aufweist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehzahlregeleinrichtung, die der Nockenwelle einer Maschine zugeordnet ist, wobei die Fliehgewichte in der Ruhestellung gezeigt sind;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, wobei die Fliehgewichte und die Rolle in einer Arbeitsstellung gezeigt sind;

Fig. 3 einen Schnitt 3-3 nach Fig. 1;

Fig. 4 einen vergrößerten Teilschnitt, der die Ver­ bindung zwischen dem Nockenzahnrad und der Rolle zeigt; und

Fig. 5 einen Schnitt 5-5 nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer kleinen industriellen Brenn­ kraftmaschine, die zum Treiben eines Generators, einer Pumpe od. dgl. einsetzbar ist.

Die Maschine hat eine Nockenwelle 1, die mehrere Nocken 2 trägt, von denen nur einer gezeigt ist. Das Ende 3 der Nockenwelle 1 ist in einer Buchse 4 im Ende des Kurbelge­ häuses 5 der Maschine drehbar gelagert.

Ein Zahnrad 6 ist auf der Nockenwelle 1 befestigt und wird von einem auf der Kurbelwelle befestigten Antriebsrad (nicht gezeigt) angetrieben. Mehrere Fliehgewichte 7 sind mit einer Oberfläche des Zahnrads 6 über Haltearme 8 schwenkbar verbunden.

Nach Fig. 5 sind vier Fliehgewichte 7 vorgesehen, die in Abständen um die Welle angeordnet sind, und jedes Flieh­ gewicht ist über einen Bolzen 9 mit den parallelen Laschen oder Flanschen 10 der jeweiligen Haltearme 8 verbunden.

Jedes Fliehgewicht hat ein schweres Ende 11 sowie einen Finger bzw. ein Widerlager 12, das relativ zum Ende 11 auf der entgegengesetzten Seite der Drehachse liegt und an einer geflanschten Oberfläche 13 einer Rolle 14 anliegt.

Die Rolle 14 ist koaxial mit der Nockenwelle 1 so befe­ stigt, daß sie mit der Nockenwelle umläuft, aber ungehin­ dert in Axialrichtung relativ zur Nockenwelle verschiebbar ist. Dazu ist ein Stift 15 an dem Zahnrad 6 befestigt und erstreckt sich in eine Kerbe 16, die durch zwei Flansche 17 im Rand der Rolle definiert ist. Diese Stift/Kerben-Anord­ nung erlaubt es der Rolle, mit der Nockenwelle umzulaufen und eine Axialbewegung relativ zur Welle auszuführen.

Am entgegengesetzten Ende 18 der Rolle 14 liegt eine Gabel 19 an. Wie am besten aus Fig. 5 hervorgeht, überspannt die Gabel 19 die Nockenwelle 1 und läuft nicht mit dieser um.

Das entgegengesetzte bzw. äußere Ende der Gabel 19 ist an einer Stange 20 befestigt, die in der Wand des Kurbelge­ häuses 5 drehbar gelagert ist. Ein Vorspannmechanismus dient dazu, die Gabel 19 in Kontakt mit dem Ende 18 der Rolle 14 zu beaufschlagen. Wie gezeigt, kann der Vorspann­ mechanismus eine die Stange 20 umgebende Torsionsfeder 21 sein. Ein Ende der Torsionsfeder ist in einem Loch in der Stange angeordnet, und das andere Ende der Torsionsfeder liegt an einem Widerlager (nicht gezeigt) im Kurbelgehäuse 5 an. Bei dieser Konstruktion drückt die Kraft der Tor­ sionsfeder die Gabel 19 in Kontakt mit dem Ende 18.

Bei der beschriebenen Einrichtung laufen sowohl die Flieh­ gewichte 7 als auch die Rolle 14 mit der Nockenwelle 1 um, so daß zwischen diesen Elementen keine relative Rotation stattfindet. Unter sich ändernden Drehzahlverhältnissen werden aber die Fliehgewichte in Radialrichtung einwärts oder auswärts geschwenkt, so daß sich die Finger 12 der Fliehgewichte relativ zum Rollenende 13 bewegen und eine Relativbewegung zwischen den Fliehgewichten, ihren Dreh­ punkten und den Laschen 10 auftritt.

Um die während dieser relativen Radialbewegung auftretenden Reibungskräfte zu minimieren, wird ein Mechanismus verwen­ det, durch den die Rolle 14 und die Fliehgewichte 7 während der Rotation der Nockenwelle ständig "tanzen" bzw. schwin­ gen. Dazu ist das Ende 18 der Rolle 14 mit einer ringför­ migen Steuerfläche 22 versehen, die die Welle 1 umgibt. Zum Ausgleich der auf die beiden Schenkel der Gabel 19 wirken­ den Kraft ist es bevorzugt, daß die Steuerfläche zwei Zyklen aufweist, d. h. zwei Rippen bzw. Erhebungen 23 und zwei Vertiefungen 24. Die axiale Tiefe bzw. Höhe der Steuerfläche vom Oberende der Erhebungen 23 zum Grund der Vertiefungen 24 ist eine Doppelzyklus-Kosinusfunktion. In der Praxis wurde gefunden, daß die axiale Tiefe der Steuer­ fläche im Bereich von ca. 0,05-0,18 mm, bevorzugt ca. 0,1 mm, liegt.

Beim Betrieb der Maschine und rotierender Nockenwelle 1 läuft die Gabel 19 auf der Nockenfläche 22 ab, so daß die Rolle 14 ständig in Axialrichtung schwingt, und die mit dem Rollenende 13 in Kontakt befindlichen Fliehgewichte 7 schwingen ständig in Radialrichtung relativ zu der Rolle, so daß die Reibungskräfte zwar immer noch vorhanden sind, aber über einen Kurzzeitzyklus vergleichmäßigt werden. Die Größe der radialen Schwingung wird so unterhalten, daß sie gerade ausreicht, um die Reibung umzukehren, aber nicht größer ist. In der Praxis bewegt sich die Basis der Rolle um insgesamt ca. 0,1 mm während des Schwingens. Da Reibung im wesentlichen vergleichmäßigt bzw. ausgemittelt wird, wird eine präzisere Drehzahlregelung erhalten, und "Pen­ deln" wird praktisch beseitigt.

Claims (7)

1. Drehzahlregeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer Welle (1), einer auf der Welle (1) koaxial ver­ schiebbar angeordneten Rolle (14), Fliehgewichten (7), die mit der Welle (1) verbunden und so angeordnet sind, daß sie durch die Fliehkraft zwischen einer ersten, inneren Stellung und einer zweiten, äußeren Stellung bewegbar sind, wobei die Fliehgewichte (7) einen Abschnitt (12) aufweisen, der eine erste Fläche (13) der Rolle (14) kontaktiert und so aus­ gebildet und angeordnet ist, daß die Rolle (14) axial in eine erste Richtung verschiebbar ist, wenn die Fliehgewichte (7) sich aus der ersten in die zweite Lage bewegen, einem nicht mit der Welle (1) umlaufenden Organ (19), das eine zweite Fläche (22) der Rolle (14) kontaktiert und funktionsmäßig mit einer Drehzahlstellvorrichtung für die Maschine verbunden ist, wobei das umlaufende Organ (19) so ausgelegt und angeordnet ist, daß eine Axialverschiebung der Rolle (14) durch die Fliehgewichte (7) das nicht umlaufende Organ (19) bewegt unter Verstellung der Maschinendrehzahl, und einem Vorspannelement (21), das das nicht umlaufende Organ (19) in Kontakt mit der zweiten Fläche (22) der Rolle (14) vorspannt, wobei das Vorspannelement (21) die Rolle (14) in eine zur ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung drückt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rolle (14) auf der Welle (1) drehfest angeordnet ist und daß auf der zweiten Fläche (22) der Rolle (14) Unebenheiten (23, 24) in Axialrichtung vorgesehen sind, die durch ständigen Kontakt mit dem nicht umlaufenden Organ (19) bei Drehung der Welle (1) für ein ständiges Schwingen der Rolle (14) in Axialrichtung und ein entsprechendes ständiges Schwingen der Fliehgewichte (7) in Radialrichtung relativ zu der Rolle (14) sorgen, um dadurch den Hysterese-Effekt der auftretenden Reibung zu mindern.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unebenheiten wenigstens jeweils eine radial verlaufende Erhebung (23) und Vertiefung (24) umfassen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche (22) quer zur Achse der Rolle (14) verläuft.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht umlaufende Organ eine Gabel (19) ist, die im Reitsitz auf der Welle (1) sitzt und die zweite Fläche (22) kontaktiert.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche (22) konzentrisch zur Achse der Rolle (14) angeordnet ist und daß die Unebenheiten jeweils zwei Erhebungen (23) und zwei Vertiefungen (24) umfassen.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unebenheiten abwechselnd aufeinanderfolgende Erhebungen (23) und Vertiefungen (24) mit einer axialen Tiefe von 0,05-0,18 mm umfassen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (23) diametral entgegengesetzt zueinander und die Vertiefungen (24) diametral entgegengesetzt zueinander angeordnet sind.