DE4041575A1 - Nockenform eines mit spiel ausgefuehrten ventiltriebs zur steuerung einer kraft- oder einer arbeitsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenform nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine Anwendung ist vor allem für Auslaßventile steuernde Nok­ ken höher aufgeladener Verbrennungskraftmaschinen, insbeson­ dere wenn es sich um schnellaufende Verbrennungskraftmaschi­ nen handelt, bei denen trotz hoher Belastungen noch gegenüber Rollenstößeln kostengünstigere, aber verschleißgefährdetere Flachstößel zum Einsatz kommen sollen, zweckmäßig und dann be­ sonders vorteilhaft, wenn diese Maschine mit konstanter Dreh­ zahl, beispielsweise zum Antrieb von Generatoren, betrieben werden.

Ventile, insbesondere Ventile von Verbrennungskraftmaschinen, werden im allgemeinen durch Nocken, damit gepaarte Gegenläu­ fer, wie Flach- oder Rollenstößel, und, vor allem bei unten­ liegender Nockenwelle, weitere Kräfte übertragende Steuerungs­ teile, wie z. B. Stößelstange und Kipphebel, betätigt. Die Nockenform setzt sich in der Regel aus dem Grundkreis und ei­ nem die Nockenerhebung bildenden Hauptnockenbereich (im fol­ genden als Hauptnocken bezeichnet) und einem sowohl auflauf­ als auch ablaufseitig unmittelbar daran anschließenden Vornoc­ kenbereich (im folgenden als Vornocken bezeichnet) zusammen. Beim Hauptnocken können Auflauf- und Ablaufflanke unmittel­ bar ineinander übergehen, oder es kann zwischen Auflauf- und Ab­ laufflanke ein Abschnitt konstanter Nockenerhebung, eine sogenann­ te Rast, eingefügt sein. Bei geschlossenen Ventilen liegt im allgemeinen ein Spiel im Ventiltrieb vor. Der Vornocken, mit in Richtung Hauptnocken von Null auf ein etwas größeres als dem Spiel zwischen den Steuerungsteilen entsprechendes Maß an­ steigendem Hub, ist so ausgelegt, daß die Öffnungs- bzw. Schließgeschwindigkeit des Ventils in gewissen Grenzen bleibt, um übermäßigen Geräuschen und größerem Verschleiß der Steue­ rungsteile bzw. des Ventilsitzes vorzubeugen.

Auf Grund der Elastizität der Steuerungsteile und ihrer Masse leitet der Stoß beim Öffnen des Ventils einen Schwingungsvor­ gang im Ventiltrieb ein, der für die Belastung der Steuerungs­ teile, insbesondere der Kontaktstelle Nocken/Gegenläufer, von großer Bedeutung ist. Besonders zu beachten ist das bei Aus­ laßventilen höher aufgeladener Verbrennungskraftmaschinen, da diese gegen einen relativ hohen Gasdruck im Zylinder geöffnet werden und die dabei auftretende hohe Stoßkraft sich infolge der genannten Schwingungen auch noch negativ im Übergang zur Kuppe des Nockens auswirken kann, da hier infolge des kleine­ ren Krümmungsradius auch schon bei mäßigen Kräften hohe Werte der Hertzschen Pressung auftreten und - bei einer Paarung mit Flachstößel - mit den hier vorliegenden ungünstigen Bedingun­ gen für die Erhaltung eines tragfähigen Schmierfilms zusammen­ treffen können. Außerdem kann durch den Schwingungsvorgang der Kraftschluß der Steuerungsteile gefährdet bzw. die zulässige Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine herabgesetzt werden.

Es wurde schon vorgeschlagen (DE-AS 20 13 611), zur Erzielung eines ruckfreien Nockens mit engem Beschleunigungsbereich und hoher Drehzahlfestigkeit die Nockenform 50 auszubilden, daß die zweite Ableitung der Hubkurve wenigstens eines Nockenab­ schnittes eine oder mehrere S-förmige oder im wesentlichen ab­ gerundete, im Kurvenzug liegende Störstufen aufweist, die von dem charakteristischen Gesetz ihres Nockenabschnittes abwei­ chen mit dem Ziel, daß durch diese Störstufen der durch den Hocken an sich erzeugten Grundschwingung des Stößels eine Stör­ schwingung überlagert wird, die das Schwingungsverhalten des Stößels so beeinflußt, daß die Stößelkräfte erst bei einer hö­ heren Grenzdrehzahl gegen Null gehen als bei einer Nockenform ohne Störstufen. Die Störstufen entsprechend diesem Vorschlag sind in den Hauptnocken (Beschleunigungsabschnitt) eingeglie­ dert. Der Stoß beim Öffnen des Ventils, der den Schwingungs­ vorgang der Ventilsteuerung einleitet, entspricht deshalb dem bei konventionellen Ventilsteuerungen. Insbesondere bei Aus­ laßventilen höher aufgeladener Motoren, die gegen einen rela­ tiv hohen Gasdruck im Zylinder geöffnet werden, ist dieser Stoß von einer solchen, mit größeren elastischen Verformungen der Steuerungsteile verbundenen Intensität, daß die vorge­ schlagenen Störstufen keine wesentliche Absenkung der Bean­ spruchung der Auflaufflanke des Hauptnockens im kritischen Übergangsbereich zur Kuppe und keine entscheidende Erhöhung der Grenzdrehzahl der Ventilsteuerung bewirken können. Dieser Einwand trifft auch auf einen ähnlichen Vorschlag (DE-AS 20 35 462) zu, der vorsieht, daß die Nockenform so ausgeführt wird, daß eine periodische, zu unerwünschten Schwingungen des Ventiltriebs gegenphasige Schwingung in Abhängigkeit vom Kur­ belwinkel mit unterschiedlichen Frequenzen erzeugt wird und die Frequenzen derart gewählt sind, daß zumindest eine dieser Frequenzen in einem interessierenden Bereich der Nockendreh­ zahl gleich einer auftretenden unerwünschten Schwingungsfre­ quenz oder einem ganzzahligen Vielfachen davon ist, wobei der Beginn der überlagerten periodischen Nockenform bereits am Be­ ginn der Auflaufflanke des Nockens liegen kann.

Ein anderer Vorschlag für eine Nockenform (DD-PS 1 06 073) sieht vor, daß der Vornocken der Auflaufflanke entsprechend einem besonderen Gesetzmäßigkeiten folgenden Beschleunigungsverlauf gestaltet ist, der zunächst von Null bis zu einem Punkt auf positive Werte ansteigt, dann bis zu einem weiter in Richtung Hauptnocken liegenden Punkt bis auf negative Werte abfällt, dann wieder auf positive Werte ansteigt und knickfrei in den Beschleunigungsverlauf des Hauptnockens übergeht, um so beim Ventiltrieb niedrige Stößelgeschwindigkeiten beim Einsetzen des Kraftschlusses (Auflaufflanke) und beim Aufsetzen des Ven­ tils auf seinem Sitz (Ablaufflanke), somit eine Milderung von Stößen und damit eine längere Lebensdauer zu erreichen. Zwar lassen sich auf diese Weise die Massenkräfte des Ventiltriebs beeinflussen, aber insbesondere bei Auslaßventilen höher auf­ geladener Motoren überwiegt der Einfluß des Gasdrucks im Zy­ linder auf den beim Öffnen des Ventils auftretenden Stoß in der Ventilsteuerung den der Massenkräfte, so daß sich der aus diesen Komponenten resultierende Stoß und der dadurch einge­ leitete Schwingungsvorgang des Ventiltriebs nicht im gewünsch­ ten Maß mildern läßt.

Ein weiterer Vorschlag für eine Nockenform (DE-OS 34 03 242) be­ zieht sich speziell auf einen Ventiltrieb mit Rollenstößel und stellt sich zum Ziel, den Drehzahlverlust der Stößelrolle, den sie nach dem Verlassen des Hauptnockens auf dem Grundkreis des Nockens durch Reibungsverluste erleidet, zu kompensieren, d. h. die Drehzahl der Stößelrolle wieder der bei Kontakt mit der Auflaufflanke des Nockens entsprechenden Drehzahl anzu­ passen, noch ehe die Kontaktstelle Nocken/Stößelrolle sehr hoch belastet bzw. ehe das Ventil geöffnet wird, da der vom Schlupf bei der Drehzahlanpassung verursachte Verschleiß mit zunehmender Belastung steigt. Dieses Ziel soll dadurch er­ reicht werden, daß ein Vornocken als Beschleunigungsrampe für die Stößelrolle vorgesehen ist, dessen Hub größer als das dem Ventilspiel entsprechende Maß, jedoch kleiner als das für das Öffnen des Ventils erforderliche Maß ist, und der so lang ist, daß spätestens am Übergang vom Vornocken in den unmittelbar anschließenden Hauptnocken schlupffreies Abrollen der Stößel­ rolle auf dem Hocken erreicht ist. Eine Beeinflussung der Stoßkraft des Ventiltriebs beim Öffnen des Ventils und des da­ durch eingeleiteten Schwingungsvorganges ist nicht beabsich­ tigt und auch nicht zu erwarten.

Es wurde auch schon eine Nockenform vorgeschlagen (EP-PS 00 28 859), bei der mit der Anordnung eines Nachnockens in der Ablaufflanke des Nockens, der das Ventilspiel bis zum Moment des Schließens des Ventils oder noch darüber hinaus kompen­ siert, ein sanftes Aufsetzen des Ventils auf seinem Sitz, am besten mit der Beschleunigung Null, und damit die Vermeidung erhöhten Ventilsitzverschleißes und von Dauerbrüchen des Ven­ tils erreicht werden soll. Der Nachnocken soll außerdem dafür sorgen, daß der gesamte Ventilsteuerungsablauf geglättet wird, daß Schwingungen der Ventilsteuerung vermieden werden und daß eine exaktere Einhaltung der angestrebten Ventilsteuerzeiten erreicht wird. Nach diesem Vorschlag soll auf ähnliche Weise mit der Anordnung eines Vornockens in der Auflaufflanke des Nockens das Ventilspiel kompensiert werden, während das Ven­ til noch auf seinem Sitz ruht, also bevor das Ventil öffnet. Dadurch soll das Ventil sanft öffnen und der Zeitpunkt des Öffnens exakter eingehalten werden. Von einem Nachnocken der beschriebenen Art ist eine Glättung des gesamten Ventilsteue­ rungsablaufes nicht zu erwarten, sondern lediglich eine Ein­ flußnahme auf das Aufsetzen des Ventils auf seinen Sitz, da ja der von der Auflaufflanke eingeleitete Stoß beim Öffnen des Ventils völlig unabhängig vom Nachnocken erfolgt. Mit einem Vornocken der beschriebenen Ausführung läßt sich zwar der An­ teil der Stoßkräfte beim Öffnen des Ventils, der von den Mas­ senkräften des Ventiltriebs herrührt, beeinflussen, aber nicht der - insbesondere bei Auslaßventilen höher aufgeladener Moto­ ren überwiegende - Anteil, der vom Gasdruck im Zylinder verur­ sacht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Nockenform zu ent­ wickeln, die durch Abbau der vom Stoß beim Eingriff des Gegen­ läufers in die Auflaufflanke und dem dadurch eingeleiteten Schwingungsvorgang des Ventiltriebs verursachten überhöhten Beanspruchungen der Kontaktstelle Nocken/Gegenläufer an der Auflaufflanke des Nockens, insbesondere im Übergangsbereich zur Kuppe, eine Erhöhung der Lebensdauer dieser Steuerungstei­ le gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Nocken durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

In einer Ausgestaltung der Erfindung für Einsatzfälle mit konstanter Drehfrequenz des Nockens ist der Winkelabstand zwischen dem Vornocken und dem Hauptnocken so gewählt, daß der vom Vornocken verursachte Schwingungsvorgang des Ventil­ triebs gegenphasig zum nachfolgenden, mit dem Öffnen des Ven­ tils verbundenen, von der Auflaufflanke des Hauptnockens ver­ ursachten Schwingungsvorgang liegt.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung für Einsatzfälle mit innerhalb eines Bereiches veränderlicher Drehfrequenz des Nockens ist der Winkelabstand zwischen dem Vornocken und dem Hauptnocken so gewählt, daß wenigstens bei den für die Bean­ spruchung der Kontaktstelle Nocken/Gegenläufer kritischsten Drehfrequenzen des Nockens der vom Vornocken verursachte Schwingungsvorgang des Ventiltriebs annähernd gegenphasig zum nachfolgenden, mit dem Öffnen des Ventils verbundenen, von der Auflaufflanke des Hauptnockens verursachten Schwingungsvorgang liegt.

Vorteile bringt die erfindungsgemäße Lösung vor allem für Aus­ laßventile steuernde Nocken höher aufgeladener Verbrennungs­ kraftmaschinen, insbesondere wenn trotz hoher Belastungen an der Kontaktstelle Nocken/Gegenläufer statt Rollenstößel die kostengünstigeren, aber bisher verschleißgefährdeteren Flach­ stößel zum Einsatz gelangen sollen, was besonders bei schnell­ laufenden Verbrennungskraftmaschinen angestrebt wird.

Die besten Ergebnisse sind bei Einsatzfällen mit konstanter Drehfrequenz der Nocken, z. B. Verbrennungskraftmaschinen zum Antrieb von Generatoren, zu erzielen.

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand von zwei Ausführungs­ beispielen näher erläutert werden.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen mit einem Flachstößel gepaarten Nocken für die Steuerung eines Auslaßventils einer aufgeladenen Ver­ brennungskraftmaschine,

Fig. 2 einen mit einer Stößelrolle gepaarten Nocken für die Steuerung eines Auslaßventils einer aufgeladenen Ver­ brennungskraftmaschine,

Fig. 3 das Weg-Zeit-Diagramm (schematisch) der Bewegung des Flachstößels nach Fig. 1 bzw. der Stößelrolle nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein mit einem Flachstößel 8, in Fig. 2 ein mit einer Stößelrolle 9 eines Rollenstößels gepaarter Nocken 1 dargestellt. In beiden Fällen besteht die Nockenform, wie bei vorbekannten Nocken auch, im wesentlichen aus dem Grundkreis 2 und dem Hauptnocken 3. Der Auflaufflanke 4 des Hauptnockens 3 ist jedoch ein gesonderter, auf dem Grundkreis 2 des Nockens 1 beginnender und auf diesem Grundkreis 2 wieder auslaufender, in seinem Auslauf also wieder ein Spiel in der Ventilsteuerung herstellender Vornocken 7 vorgesetzt. Fig. 3 zeigt das Weg­ Zeit-Diagramm (schematisch) der Bewegung des Flachstößels 8 nach Fig. 1 bzw. der Stößelrolle 9 nach Fig. 2. Daraus ist er­ sichtlich, daß der Vornocken 7 die Steuerungsteile vom Nocken 1 bis zum Ventil in der Phase vor dem Eingreifen des jeweiligen Gegenläufers, also des Flachstößels 8 oder der Stößelrolle 9, in die Auflaufflanke 4 des Hauptnockens 3 über einen gewissen Nockenwinkelbereich vorspannt (bei elastischer Verformung der Steuerungsteile), weil einerseits der maximale Vornockenhub 11 größer als der zur Kompensation des Spiels 10 der Ventilsteue­ rung erforderliche Hub ist, andererseits aber der Gasdruck im Zylinder sowie die Feder- und Massenkräfte des Ventiltriebs das Ventil noch geschlossen halten, da der maximale Vornocken­ hub 11 etwas kleiner als der Hub 12 gewählt ist, bei dem das Ventil öffnen würde. Der Vornockenhub 11 fällt in Richtung Auflaufflanke 4 des Hauptnockens 3 wieder auf Null ab, damit sich die Steuerungsteile wieder entspannen können. Dies si­ chert auch, daß das Ventil trotz des sinkenden Gasdruckes im Zylinder weiter geschlossen bleibt.

Der Winkelabstand 13 zwischen dem Vornocken 7 und dem Haupt­ nocken 3 ist für den hier vorliegenden Einsatzfall mit kon­ stanter Drehfrequenz des Nockens 1 so gewählt, daß der vom Vornocken 7 verursachte Schwingungsvorgang des Ventiltriebs gegenphasig zum nachfolgenden, mit dem Öffnen des Ventils ver­ bundenen, von der Auflaufflanke 4 des Hauptnockens 3 verur­ sachten Schwingungsvorgang liegt. Dies hat zur Folge, daß je­ ne überhöhten örtlichen Beanspruchungsspitzen der Kontaktstel­ le Nocken 1/Gegenläufer stark abgebaut werden, die vom Stoß beim Eingriff des Gegenläufers in die Auflaufflanke 4 des Noc­ kens 1 und dem dadurch eingeleiteten Schwingungsvorgang des Ventiltriebs verursacht werden und insbesondere im Übergangs­ bereich von der Auflaufflanke 4 zur Kuppe 5 des Nockens 1 zu Schädigungen am Hocken führen können.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Nocken
 2 Grundkreis
 3 Hauptnocken
 4 Auflaufflanke
 5 Kuppe
 6 Rast
 7 Vornocken
 8 Flachstößel
 9 Stößelrolle
10 Spiel
11 Vornockenhub
12 Hub
13 Winkelabstand

Claims (3)

1. Nockenform eines mit Spiel ausgeführten Ventiltriebs zur Steuerung einer Kraft- oder einer Arbeitsmaschine mittels Nocken und Gegenläufer, vorzugsweise eines Ventiltriebs zur Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine, die sich aus einem Grundkreis und einem die Nockenerhebung bildenden Hauptnocken zusammensetzt und zumindest auflaufseitig einen Vornocken auf­ weist, gekennzeichnet dadurch, daß der Auflaufflanke (4) des Hauptnockens (3) der Vornocken (7) als auf dem Grundkreis (2) des Nockens (1) beginnender und auf diesem Grundkreis (2) oder nahezu auf dem Grundkreis (2) auslaufender, auf jeden Fall aber in seinem Auslauf wieder ein Spiel in der Ventilsteuerung herstellender gesonderter Nocken vorgesetzt ist, der die Steuerungsteile vom Nocken (1) bis zum Ventil in der Phase vor dem Eingreifen des Gegenläufers in die Auflaufflanke (4) des Hauptnockens (3) über einen gewissen Nockenwinkelbereich vor­ spannt, wobei ein auf die Eigenfrequenz des Ventiltriebs und die Drehfrequenz des Nockens (1) abgestimmter Winkelabstand (13) zwischen dem Vornocken (7) und dem Hauptnocken (3) vor­ gesehen und der maximale Vornockenhub (11) in an sich bekann­ ter Weise größer als der zur Kompensation des in der Ventil­ steuerung vorhandenen Spiels (10) erforderliche Hub, jedoch nicht größer als der Hub (12), bei dem das Ventil öffnen wür­ de, ist.

2. Nockenform nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Winkelabstand (13) zwischen dem Vornocken (7) und dem Haupt­ nocken (3) auf eine konstante Drehfrequenz des Nockens (1) ab­ gestimmt und dabei so gewählt ist, daß der vom Vornocken (7) verursachte Schwingungsvorgang des Ventiltriebs gegenphasig zum nachfolgenden, mit dem Öffnen des Ventils verbundenen, von der Auflaufflanke (4) des Hauptnockens (3) verursachten Schwingungsvorgang liegt.

3. Nockenform nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Winkelabstand (13) zwischen dem Vornocken (7) und dem Haupt­ nocken (3) auf eine innerhalb eines Bereiches veränderliche Drehfrequenz des Nockens (1) abgestimmt und dabei so gewählt ist, daß wenigstens bei den für die Beanspruchung der Kontakt­ stelle Nocken/Gegenläufer kritischsten Drehfrequenzen des Nockens (1) der vom Vornocken (7) verursachte Schwingungsvor­ gang des Ventiltriebs annähernd gegenphasig zum nachfolgen­ den, mit dem Öffnen des Ventils verbundenen, von der Auflauf­ flanke (4) des Hauptnockens (3) verursachten Schwingungsvor­ gang liegt.