DE3933021C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Nockenwellen für den Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen der im Oberbegriff der Patentansprüche erläuterten Art.

Aus der EP 03 19 956 A1 ist eine Nockenwelle der im Oberbe­ griff der Patentansprüche erläuterten Art bekannt.

Bei dieser bekannten Nockenwelle für eine Vielventil-Brenn­ kraftmaschine, mit zumindest zwei benachbarten Einlaß- und/ oder Auslaßventilen pro Zylinder, sind diese jeweils über zwei benachbarte Einlaßnocken bzw. zwei benachbarte Auslaß­ nocken betätigbar, wobei die Nockenformen zweier benachbar­ ter Einlaßnocken erheblich voneinander abweichen und/oder zueinander phasenverschoben sind.

Diese Phasenverschiebung zweier benachbarter Einlaßnocken wird zur Verbesserung des Füllungsgrades einer Vielventil- Brennkraftmaschine in Verbindung mit entsprechenden Steuer­ einrichtungen in den beiden Einlaßkanälen herangezogen, um bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Brennkraftma­ schine optimale Verhältnisse zu erzielen.

Die hierfür erforderliche Steuerung zumindest einer der beiden Einlaßkanäle bedingt einen erhöhten Fertigungs-Mon­ tage- und Steuerungsaufwand.

Die Auslegung einer Brennkraftmaschine als Vielventil- Brennkraftmaschine kann jedoch auch zu dem Zweck erfolgen, im Verbrennungsraum größere Einlaß- und Auslaßquerschnitte bereitzustellen ohne daß eine zusätzliche aufwendige Steue­ rung der beiden Einlaßkanäle erfolgen muß.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, Nockenwellen für den Ventiltrieb von Brennkraftmaschinen der im Oberbegriff der Pa­ tentansprüche erläuterten Art vorzuschlagen, durch die die vom Ventiltrieb bewirkte Geräusch­ entwicklung und die auf die Nockenwellen und deren Antriebsglieder einwirkenden Kräfte reduziert werden sollen.

Hierzu muß kurz darauf hingewiesen werden, daß die vom Ven­ tiltrieb bewirkte Geräuschentwicklung durch verschiedene Mechanismen angeregt wird, und zwar im wesentlichen durch Stoßanregungen und Kraftanregungen, die auf den Zylinderkopf bzw. die Nockenwellen und deren Lagerungen einwirken. Bei der Stoßanregung unterscheidet man zwischen dem Stoß beim Öffnen des Ventils, dem Stoß beim Schließen des Ventils und dem Stoß beim Wiederaufsetzen nach einem Kraftschlußverlust.

Eine Kraftanregung wird verursacht durch die zeitlich ver­ änderlichen Massenkräfte, Eigenschwingungen des Ventil­ triebs und den Ruck beim Wiederaufbau des Ölfilms im Schmierspalt nach einer Phase von Mischreibung.

Im wesentlichen überwiegen bei niedrigen und mittleren Drehzahlen die Stoßanregungen und bei hohen Drehzahlen die Kraftanregungen. Lediglich bei sehr hohen Drehzahlen treten durch Kraftschlußverlust wieder Stoßanregungen auf.

Bei der Auslegung von Brennkraftmaschinen mit vier Venti­ len pro Zylinder, wobei je zwei benachbarte Einlaßventile von einer Nockenwelle und zwei benachbarte Auslaßventile von einer zweiten Nockenwelle angetrieben werden, wurden bisher die Nockenwellen und deren Nockenformen für die benachbarten Ventile nach den geltenden Berechnungsgrund­ regeln identisch ausgelegt.

Untersuchungen der herkömmlichen Auslegung solcher Nocken­ wellenanordnungen haben eine erhebliche Geräuschabstrah­ lung durch den Ventiltrieb erkennen lassen und die vorlie­ gende Erfindung ist bestrebt, Wege zur Verringerung dieser Geräuschabstrahlung unmittelbar an den diese Geräuschabstrahlung verursachenden Bauteilen aufzu­ zeigen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, indem sowohl zwei oder mehr benachbarte Einlaßnocken als auch zwei benachbarte Auslaßnocken zueinander um einen Betrag von 1 bis 3 Grad Nockenwellen­ winkel phasenverschoben sind.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in gleicher Weise gelöst, wenn sowohl zwei oder mehr benachbarte Auslaßnocken eine derartige Form aufweisen, daß in ihrem Schließbereich eine Phasenverschiebung von etwa 1 bis 3 Grad Nockenwellenwinkel vorhanden ist.

Dadurch ergibt sich eine zeitliche Aufeinanderfolge der an­ sonsten gleichzeitig stattfindenden Stoßanregungen beim Öffnen und Schließen bzw. beim Schließen der Ventile, was sich über den gesam­ ten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine in einer Ge­ räuschverringerung von 2 bis 2,5 dB(A) bemerkbar macht, die lediglich bei voller Belastung auf eine Geräuschverminde­ rung von nur 1 dB(A) abfällt. Wesentlich ist hierbei noch, daß sich die Geräuschverringerung in einem Bereich zwischen 600 und 6000 Hertz bemerkbar macht, ein Bereich der für das menschliche Gehör besonders wahrnehmbar ist.

Obwohl mit dieser Maßnahme bereits eine wesentliche Verrin­ gerung der Stoßanregungen und damit der Geräuschentwicklung erzielt werden kann, ist es erwünscht, auch die aus der Kraftanregung bewirkte Geräuschab­ strahlung zu verringern.

Dazu mußten die einzelnen Komponenten des Ventiltriebs noch eingehender untersucht werden und hierbei insbesondere das Verhalten des normalerweise zwischen der Nockenwelle und dem Ventil eingeschalteten Tassenstößel eventuell mit hy­ draulischem Spielausgleich berücksichtigt werden.

Bei diesen genaueren Untersuchungen wurde festgehalten, daß, legt man die Nockenform entsprechend den bekannten Be­ rechnungsarten nur nach der angepeilten Zielvorstellung be­ züglich Öffnungsgeschwindigkeit, Öffnungsdauer und der­ gleichen aus, der zur Erzielung der Öffnungsgeschwindigkeit erforderlichen Beschleunigung durch das Verhalten des Tassenstößels Grenzen gesetzt werden. Durch die Auswan­ derung des Berührungspunktes zwischen dem Nocken und der Stößeloberfläche, die proportional der Hubgeschwindigkeit ist, ergibt sich eine erhebliche Änderung der axialen Steifigkeit des Tassenstößelsystems und diese hat wieder zur Folge, daß die mögliche Steigung des Beschleunigungs­ verlaufes hiervon beeinträchtigt wird. Wird die Steigung der Beschleunigung nicht unter Berücksichtigung der axialen Steifigkeit des Tassenstößelsystems ausgelegt, kommt es zu dynamischen Kraftüberhöhungen während der Beschleunigungs­ phase und in der Folge zu Kraftschlußverlusten während der Verzögerungsphase des Profils, die wieder zu unerwünschten Stoßanregungen beim Wiederaufsetzen führen.

Gemäß der Erfindung wird daher bei einer Nockenwelle für Brennkraftmaschinen mit zumindest je einem Einlaß- und Auslaßventil pro Zylinder, wobei die Einlaß- und Auslaßnocken über Tassenstößel auf ihre entsprechenden Ventile einwirken, die Nockenform in Abhängigkeit von der axi­ alen Steifigkeit des Tassenstößelsystems, die durch die Auswanderung des Berührungspunktes zwischen der Nockenform und dem Tassenstößel verringert wird, derart ausgelegt, daß ihre Beschleunigungskurve im Bereich hoher Steifigkeit des Tassenstößelsystems einen steilen Anstieg und im Bereich niedriger Steifigkeit des Tassenstößelsystems einen niedrigen Anstieg aufweist.

Durch diese Auslegung der Nockenform werden Kraftschlußver­ luste im Verzögerungsbereich vermieden und damit Stoßanre­ gungen bei höheren Drehzahlen weitgehend ausgeschlossen.

Die Erfindung wird anhand dem Fachmann geläufiger Diagramme über die Auslegung von Nockenwellen und Nockenformen in den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Nocken-Hubkurve gemäß der Erfindung mit einem vergrößert dargestellten Schließbereich der Ventile und der den Körperschall erzeugenden Stoßanregungen;

Fig. 2 ein Diagramm einer normalen Nockenform, in dem über den Nockenwinkel die Nocken-Hubkurve, die Nocken-Geschwindigkeit und die Nocken-Beschleunigung aufgetragen sind, die für die Beurteilung eines Nockens betrachtet werden;

Fig. 3 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 1 jedoch für eine andere Auslegung der Erfindung;

Fig. 4 ein Diagramm über das Moment an der Nockenwelle über dem Nockenwellenwinkel einmal bei einer Nockenwelle gemäß dem Stand der Technik und einmal gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ein Diagramm der Momentamplituden über den Noc­ kenwellenharmonischen nach dem Stand der Tech­ nik und nach der Erfindung;

Fig. 6 eine halbe Hubkurve einer herkömmlichen Nocken­ form über dem Nockenwinkel;

Fig. 7 ein Diagramm der Kraftanregung über den Nocken­ winkel einmal in dynamischer und einmal in kinematischer Betrachtung;

Fig. 8 ein Diagramm des Hubes und der Geschwindigkeit im Schließbereich des Ventils über dem Nocken­ winkel einmal in dynamischer und einmal in kinematischer Betrachtung;

Fig. 9 ein Diagramm der Gesamtsteifigkeit des Ventil­ triebes über der Berührungspunkt-Auswanderung an einem Tassenstößel;

Fig. 10 ein Diagramm mit den üblichen Kurven einer Nockenform, der Hub-, Geschwindigkeit- und Be­ schleunigungskurve über dem Nockenwinkel bei einer Nockenform gemäß der Erfindung;

Fig. 11 ein Diagramm des Momentenverlaufs an der Nockenwelle über dem Nockenwinkel bei einer Standard-Nockenform und einer erfindungsge­ mäßen Nockenform;

Fig. 12 ein Diagramm der Momentamplitude an der Nocken­ welle über den Nockenwellenharmonischen bei einer Standard-Nockenform und einer erfindungs­ gemäßen Nockenform;

Fig. 13 ein Diagramm der Kraftanregung über den Nockenwinkel bei einer erfindungsgemäßen Nockenform einmal in dynamischer und einmal in kinematischer Betrachtung und

Fig. 14 ein Diagramm des Hubes und der Geschwindigkeit im Ventilaufsetzbereich über dem Nockenwinkel bei einer erfindungsgemäßen Nockenform einmal in dynamischer und einmal in kinematischer Betrachtung.

In Fig. 2 sind die Kurven einer normalen Nockenform über dem Nockenwinkel aufgetragen, und zwar die Kurve für den Hub, die Ge­ schwindigkeit und die Beschleunigung, die für die Beurteilung eines Nockens betrachtet werden.

Normalerweise wurde bei einer Vielventil-Brennkraftmaschine, bei der bei einer Vielventil-Anordnung pro Zylinder auf eine besondere Steuerung der beiden Einlaßkanäle verzichtet wird, die Anordnung und Ausbildung der Nockenformen an der Nockenwelle identisch vorgenommen.

Aus Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Phasenverschiebung zweier benachbarter Einlaßnocken oder zweier benachbarter Auslaßnocken ersichtlich, die vorzugsweise im Bereich zwischen 1 bis 3 Grad Nockenwellenwinkel liegen, da da­ mit eine entsprechende Geräuschreduzierung erzielt werden kann, ohne daß sich hierdurch bereits Veränderungen im Füllungsverhalten ergeben.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann bei unveränderter Nockenform der beiden benachbarten Einlaß- und Auslaßnocken lediglich eine Phasenverschiebung von 1 bis 3 Grad Nocken­ wellenwinkel vorgesehen werden, um die beim Öffnen und Schließen der Ventile auftretende Stoßanregung auf zwei hintereinander folgende Zeitabschnitte zu verschieben, wo­ durch die entsprechende Anregungsamplitude entsprechend verringert wird.

Aus Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, bei der die Nockenform nicht unverändert bei­ behalten wird, sondern dahingehend modifiziert wird, daß beim Öffnen der Ventile kein Zeitversatz auftritt, jedoch beim Schließen der Ventile wieder ein ausreichender Ver­ satz erzielt wird, der einer Phasenverschiebung von 1 bis 3 Grad Nockenwellenwinkel entspricht.

Diese Form kann gewählt werden, da erfahrungsgemäß die Stoßanregungen beim Öffnen der Ventile wesentlich geringer ist als die Stoßanregung die beim Schließen der Ventile auftritt.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß durch die Verringerung der Stoßanregung nicht nur eine Geräuschverringerung sondern damit auch eine Verringerung des an der Nockenwelle auf­ tretenden Momentes erzielt wird, wodurch die Beanspru­ chung der Nockenwelle und deren Antriebsglieder verringert wird.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, wodurch eine zusätzliche Ge­ räuschminderung bewirkt wird.

Fig. 6 zeigt den halben Bereich der üblichen Kurven für eine Nockenform an einer Nockenwelle, bei deren Be­ trachtung im wesentlichen drei Abschnitte von besonderer Bedeutung sind.

Der Abschnitt 1 ist gekennzeichnet durch einen Bereich konstanter Geschwindigkeit. Dieser sogenannte Vornocken hatte traditionell die Aufgabe, das Ventilspiel zu über­ brücken und dabei durch die konstante Geschwindigkeit einen definierten Stoß auf den Stößel zu gewährleisten. Anfangs meinte man, beim Einsatz von hydraulischen Tassenstößeln auf diesen Vornocken ganz verzichten zu können; dies zeigte sich in der Praxis jedoch nicht als durchführbar, so daß auch beim hydraulischen Tassenstößel aufgrund von unver­ meidlichen Lufteinschlüssen im Motoröl sowie aufgrund der Ventiltriebselastizität sowohl auf der Öffnungs- als auch auf der Schließseite ein entsprechender Vornocken zweck­ mäßig vorgesehen wird.

Der Abschnitt 2 stellt die Hauptbeschleunigung dar, wobei bisher bei der Auslegung dieses Bereiches der Wunsch vor­ lag, diese Phase so kurz wie möglich zu gestalten, um die maximale Öffnungsgeschwindigkeit früh zu erreichen. Dies führte zu einem sogenannten "fülligen" Nocken, d. h. einem Hub mit großer Öffnungsfläche. Im Falle der Anwendung von Tassenstößeln stellen hierbei die Ventiltriebssteifigkeit und die Oberflächenfestigkeit die begrenzenden Faktoren bei der Auslegung dieses Abschnittes dar. Beim Tassenstößel er­ gibt sich hierbei der Sachverhalt, daß die maximal erreich­ bare Öffnungsgeschwindigkeit aufgrund der Proportionalität zwischen der auf dem Drehwinkel bezogenen Geschwindigkeit und dem Auswandern des Kontaktpunktes zwischen dem Nocken und dem Stößel begrenzt wird.

Der Abschnitt 3 stellt die Verzögerungsphase dar. Die Ein­ haltung der vom Nocken vorgegebenen Bewegung muß in diesem Bereich von der Ventilfeder gewährleistet werden, welche die erforderlichen Verzögerungskräfte aufzubringen hat. Die Federrate, die Federvorspannung sowie die bewegten Massen setzen hier die begrenzenden Randbedingungen.

Bei der bisherigen Auslegung von Nockenformen wurde dem Er­ reichen eines möglichst großen Öffnungsquerschnittes bisher die meiste Aufmerksamkeit zugewandt.

Erst in letzter Zeit wurde dem Fachmann der Zusammenhang zwischen der Auslegung der Nockenform und der Geräuschent­ wicklung des Ventiltriebes immer deutlicher. Als Werkzeug zur Aufdeckung solcher Zusammenhänge dienten dem Fachmann Mehr-Massen-Schwingungssimulationsmodelle des Ventiltrie­ bes, die ursprünglich zur Bewältigung von Dauerhaltbar­ keitsproblemen entwickelt worden waren.

Aus Fig. 7 ist ein Diagramm der Kraftanregung über den Nockenwellenwinkel für eine Standard-Nockenform aufgezeigt. Aus der kinematischen Betrachtung ist ersichtlich, daß noch ausreichender Kraftschluß zwischen beiden Kontaktpartnern vorliegt, die dynamische Betrachtung läßt jedoch erkennen, daß bereits an mehreren Stellen Kraftschlußverlust auf­ tritt, als dessen Folge wieder entsprechende Stoßanregungen auftreten.

Aus Fig. 8 ist ein anderer Entstehungsort für Ventiltrieb­ geräusche, nämlich der Bereich des Ventilschließens er­ sichtlich. Der Vergleich zwischen der kinematischen und der dynamischen Betrachtung der Aufsetzgeschwindigkeit zeigt auch hier die Quelle einer verstärkten Geräuschbildung auf.

Mit den bekannten Berechnungsprogrammen war somit eine solche Analyse der verschiedenen Abschnitte einer Nocken­ form an einer Nockenwelle möglich, bisher sind jedoch keine Vorschläge zur Umsetzung der daraus zu gewinnenden Erkennt­ nisse in Richtung auf eine Geräuschverminderung im Ventil­ trieb bekanntgeworden.

Nockenwellen für Vielventil-Brennkraftmaschinen sind bei heutiger Auslegung stets als obenliegende Nockenwellen an­ geordnet und wirken üblicherweise auf die ihnen zugeordne­ ten Ventile über Tassenstößel ein.

Bei dem Bestreben, Erkenntnisse aus dem Vergleich des kine­ tischen und dynamischen Verhaltens von Ventiltrieben im Hinblick auf eine Geräuschverringerung zu ziehen, wurde dem Einfluß des Tassenstößelsystems besondere Bedeutung ge­ widmet.

Hierbei wurde berücksichtigt, daß die proportional zur Hub­ geschwindigkeit erfolgende Auswanderung des Berührungspunk­ tes zwischen den Nocken und der Stößeloberfläche eine be­ sondere Bedeutung im Hinblick auf die axiale Steifigkeit des Tassenstößelsystems zukommt.

Die Berechnung der Stößelstruktur zeigte eine erhebliche Änderung der axialen Steifigkeit in Abhängigkeit von der Lage des Berührungspunktes, wie dies bereits in bekanntge­ wordenen Veröffentlichungen festgehalten ist.

Daraus folgt, daß sich die Gesamtsteifigkeit und damit die Eigenfrequenz des Ventiltriebs ebenfalls im Verlauf des Nockenhubs ändert. Da die Steifigkeit des Ventiltriebs im Zusammenhang mit dem möglichen Anstieg des Beschleuni­ gungsverlaufes steht, folgt, daß im Bereich hoher Steifig­ keit ein steiler Anstieg der Beschleunigung möglich ist, dafür im Bereich niedriger Steifigkeit ein entsprechend niedrigerer Anstieg gewählt werden sollte.

Aus Fig. 9 ist der Verlauf der Gesamtsteifigkeit in Abhän­ gigkeit von der Lage des Berührungspunktes zwischen den Nocken und der Stößeloberfläche ersichtlich. Trägt man diese Veränderung der Gesamtsteifigkeit über den Nocken­ winkel auf, so führen die vorhergegangenen Überlegungen zu einem Verlauf der Nockenbeschleunigung wie er aus Fig. 10, die eine Auslegung der Nockenform gemäß der Erfindung zeigt, ersichtlich ist.

Aus Fig. 11 ist ersichtlich, daß eine Auslegung mit einem Beschleunigungsverlauf nach Fig. 10 auch eine vorteilhafte Auswirkung auf das Moment an der Nockenwelle über dem Nockenwinkel mit sich bringt.

Aus Fig. 12 ergibt sich, daß durch die Verringerung des Mo­ mentes an der Nockenwelle vor allem die, die Torsions­ schwingungen der Nockenwelle anregenden höheren Ordnungen des Momentes reduziert werden.

Ein Vergleich der gerechneten Stößelkraftverläufe bestätigt den Erfolg der vorstehenden Grundüberlegungen, wie sich aus einem Vergleich der Fig. 7 mit der Fig. 13 ergibt. Zeigt der Verlauf für das Ausgangsprofil starke dynamische Kraft­ überhöhungen während der Beschleunigungsphase mit der Folge anschließenden Kraftschlußverlustes während der Verzöge­ rungsphase, so sind bei dem neuen Profil nicht nur die quasi-statischen Sollkurven niedriger, sondern vor allem die dynamische Überhöhung ist auf ein Minimum reduziert. Als Folge davon findet ein Kraftschlußverlust nicht statt und das Aufsetzverhalten des Ventils liegt dicht an der kinematischen Sollkurve (siehe Fig. 14).

Ist im Ausgangszustand von einer Standard-Nockenform ein starkes Schwingen mit hoher Aufsetzgeschwindigkeit sowohl für das Einlaß- als auch für das Auslaßventil zu beobach­ ten, so zeigt die neue Nockenform, die aus der Berechnung zu erwartenden Verbesserungen. Ein Vergleich der Torsions­ schwingungsamplituden beider Profile zeigt auch hier eine Verbesserung um ca. 50% gegenüber dem Ausgangszustand. Die nach den Berechnungen zu erwartenden Verbesserungen der Geräuschabstrahlung des Ventiltriebes wurden durch ent­ sprechende Messungen an Prototypenmotoren bestätigt gefun­ den.

Claims (3)

1. Nockenwellen für Vielventil-Brennkraftmaschinen mit zumindest zwei benachbarten Einlaß- und/oder Auslaßventilen pro Zylinder, wobei diese über zwei oder mehr benachbarte Einlaßnocken bzw. zwei oder mehr benachbarte Auslaßnocken betätigbar sind und wobei die Nockenformen zweier benachbarter Einlaß- und/oder Auslaßnocken gleich sind, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl zwei oder mehr benachbarte Einlaßnocken als auch zwei oder mehr benachbarte Auslaßnocken zueinander um einen Betrag von etwa 1 bis 3 Grad Nockenwellenwinkel phasenverschoben sind.

2. Nockenwellen für Vielventil-Brennkraftmaschinen mit zumindest zwei benachbarten Einlaß- und/oder Auslaßventilen pro Zylinder, wobei diese über zwei oder mehr benachbarte Einlaßnocken bzw. zwei oder mehr benachbarte Auslaßnocken betätigbar sind und wobei die Nockenformen zweier benachbarter Einlaß- und/oder Auslaßnocken voneinander abweichen, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl zwei oder mehr benachbarte Einlaßnocken als auch zwei oder mehr benachbarte Auslaßnocken eine derartige Form aufweisen, daß in ihrem Schließbereich eine Phasenverschiebung von etwa 1 bis 3 Grad Nockenwellenwinkel vorhanden ist.

3. Nockenwellen für Brennkraftmaschinen mit zumindest einem Einlaß- und Auslaßventil pro Zylinder, wobei die Einlaß- und Auslaßnocken über Tassenstößel auf ihre entsprechenden Ventile einwirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenform in Abhängigkeit von der axialen Steifigkeit des Tassenstößelsystems, die durch die Auswanderung des Berührungspunktes zwischen dem Nocken und dem Tassenstößel verringert wird, in ihrer Beschleunigungskurve im Bereich hoher Steifigkeit des Tassenstößelsystems einen steilen Anstieg und im Bereich niedriger Steifigkeit des Tassenstößelsystems einen niedrigeren Anstieg aufweist.