DE4201251A1

DE4201251A1 - Zahnradgetriebene nockenwelle

Info

Publication number: DE4201251A1
Application number: DE19924201251
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Gebardt; Heribert Dipl Ing Moeller
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1992-01-18
Filing date: 1992-01-18
Publication date: 1993-07-22

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine zahnradgetriebene Nocken welle, bestehend aus einem Nockenwellen-Stamm mit darauf be findlichen Nocken und zwei Endlagern und mindestens einem Zwischenlager, wobei der Antrieb der Nockenwelle über ein frei fliegend angeordnetes Nockenwellen-Zahnrad erfolgt, welches am freien Nockenwellenende einem Endlager unmittelbar benachbart angeordnet ist.

Nockenwellen mehrzylindriger Brennkraftmaschinen bestehen aus einem Nockenwellen-Stamm mit darauf befindlichen Nocken. Die Nockenwelle wird in der Regel durch zwei Endlager und minde stens einem Zwischenlager radial geführt. Um ein hohes Maß an Wartungsfreiheit zu gewährleisten wird ein Antrieb über Zahn räder angestrebt. Diese Zahnräder werden auch zum Antrieb von Nebenaggregaten herangezogen, so daß das als Zwischenrad fun gierende Nockenwellen-Zahnrad durch hohe und in der gleichen Richtung wirkende Umfangskräfte belastet wird, welche den all gemein bekannten Gesetzmäßigkeiten der Biegelinie folgend zu einer Schrägstellung des Nockenwellen-Zahnrades führen. Daraus resultierend tragen die Zahnflanken nur einseitig, woraus sich erhöhter Verschleiß des Nockenwellen-Zahnrades ergibt. Dem überlagert sich noch eine Mehrbelastung des Nockenwellen- Zahnrades durch das Bestreben die Leistung der Nebenantriebe, d. h. das zu übertragende Drehmoment zu erhöhen.

Nach einem bekannten Gesetz der Festigkeitslehre folgt die Biege linie der Beziehung M = EIy′′, worin M das Biegemoment, E den E- Modul, I das äquatoriale Flächenträgheitsmoment und y′′ die zweite Ableitung der Biegelinie bedeutet.

Da sich ferner für den Kreisquerschnitt

ergibt, so er kennt man, daß der Durchmesser für die Verformung mit der vierten Potenz eingeht.

Die Spannung, hervorgerufen durch ein Biegemoment, folgt zu

Daraus erkennt der Durchschnittsfachmann, daß die Spannung immer hin noch mit der dritten Potenz des Durchmessers abnimmt.

Von diesen Erkenntnissen ausgehend liegt der Erfindung die Auf gabe zugrunde, insbesonders die Verformung der Nockenwelle an ihrem freien Ende, an dem das Nockenwellen-Zahnrad angeflanscht ist, zu verringern, ohne daß bei einer vorhandenen Brennkraft maschine eine Veränderung an einem Kurbelgehäuse, dem Nocken wellen-Zahnrad, den Nockenwellen- Lagern, sowie den Nockener hebungen vorzunehmen wäre, wobei zusätzlich eine Steigerung des Drehmoments am Nockenwellen-Zahnrad ermöglicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe entsprechend den kennzeichnenden Merk malen des Patentanspruches 1.

Durch die Vergrößerung des Durchmessers des Nockenwellen-Stammes wird deren Durchbiegung im Bereich des Nockenwellen-Zahnrades wesentlich verbessert und das Tragverhalten der Zahnflanken nach haltig gebessert. Diese Durchmesser-Vergrößerung des Nockenwel len-Stammes ist nur in dem vom Biegemoment beeinflußten Bereich der am Nockenwellen-Zahnrad angreifenden resultierenden Umfangs kräften und den Kräften aus den Ventilstößeln erforderlich.

Eine maximale Dimensionierung des Durchmessers des Nockenwellen- Stammes bei unverändertem Durchmesser einer Lagergrundbohrung des Endlagers beinhaltet Anspruch 2.

Ein Vorteil dieser Dimensionierung besteht darin, daß die Durch biegung am freien Ende der Nockenwelle stark vermindert wird, ohne daß der Durchmesser einer Lagergrundbohrung des Endlagers verändert wird.

Ein Ausführungsbeispiel einer zahnradgetriebenen Nockenwelle ist an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Kräfteplan der an einem Nockenwellen-Zahn rad angreifenden Kräfte,

Fig. 2 eine konventionelle Nockenwelle eines mehrzylind rigen Reihenmotors,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Nockenwelle mit verstärktem Nockenwellen- Stamm.

Fig. 1 dient der Erläuterung der an einem Nockenwellen-Zahnrad 1 angreifenden Umfangskräfte F1 und F2, die als resultierende Kraft F3 an einer Nockenwelle 2 angreifen und in dieser zusammen mit den Auflagerkräften und den Kräften aus Ventilstößel 3 in der Nockenwelle 2 Biegemomente hervorrufen. Radialkräfte aus den Zahnflanken wurden vernachlässigt.

Das Nockenwellen-Zahnrad 1 wird unter Zwischenschaltung eines Zahnrades 4 von einer Kurbel 5 angetrieben. Das Nockenwellen- Zahnrad 1 dient ferner dem Antrieb eines Nebenantriebsrades 6.

Aus dem Zusammenspiel des Zahnrades 4 und des Nebenantriebsra des 6 ergeben sich die vorgenannten Umfangskräfte F1 und F2, die als resultierende Kraft F3 die Nockenwelle 2 durch Biegemoment belasten.

Eine konventionelle Nockenwelle 2 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Nockenwelle 2 einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine wird durch zwei Endlager 7 und z. B. einem Zwischenlager 8 geführt, wobei nur ein Endlager 7 in Fig. 2 dargestellt ist. Die Nockenwelle 2 gliedert sich in einen Nockenwellen-Stamm 9 und darauf befind lichen Nocken 10, die wiederum aus einem Grundkreis 11 und einer Nockenerhebung 12 gebildet werden. Die Nockenerhebung 12 betätigt den Ventilstößel 3. Die aus Fig. 1 bekannte Kraft F3, welche am Nockenwellen-Zahnrad 1 angreift ruft im durchlaufenden Nocken wellen-Stamm 9 Biegemomente hervor, woraus die bekannte Biege linie resultiert, die dazu führt, daß sich das freifliegend angeordnete Nockenwellen-Zahnrad 1 schrägstellt.

Erfindungsgemäß wird dieser Schrägstellung des Nockenwellen- Zahnrades 1 nach Fig. 3 dadurch begegnet, daß der Durchmesser D1 des konventionellen Nockenwellen-Stammes 9 nach Fig. 2 auf den Wert D2 des Nockenwellenwellen-Stammes 9 vergrößert wird und zwar nur in einem Nockenwellenabschnitt zwischen Endlager 7 und Zwischenlager 8, da sich die Kraft F3 nur in diesem Bereich nennenswert auf den Biegemomentenverlauf auswirkt. Der größt mögliche Durchmesser des Nockenwellen-Stammes 9 ergibt sich aus folgender Bezeichnung:

D₂ < d_G - 2Z

Es bedeutet:
d_G Durchmesser einer Lagergrundbohrung 13 des Endlagers 7
Z Erhebung des Nockens 10

Erfindungsgemäß wird ein Durchmesser d_G einer Lagergrundbohrung 13 in einem Kurbelgehäuse 14 unverändert beibehalten. Durch die Beibehaltung der Lagergrundbohrung 13 brauchen die Produktions anlagen einer schon in Serie befindlichen Brennkraftmaschine nicht geändert zu werden, um nachträglich die ungünstige Aus wirkung einer Durchbiegung am freien Ende der Nockenwelle 2 auf das Tragbild des Zahnrades 4 zu mindern.

Ein Berechnungsbeispiel soll diese Auswirkung der Durchmesser- Vergrößerung verdeutlichen.
Der Durchmesser D₁ (Fig. 2) sei 32 mm
Der Durchmesser D₂ (Fig. 3) sei 38 mm

Nach den zum Stand der Technik genannten Gesetzmäßigkeiten ver bessert sich die Durchbiegung Δf zu:

Die Abnahme der Zugspannung aus dem Biegemoment beläuft sich zu:

Zur Erreichung vorgenannter Verbesserungen ist lediglich eine geringfügige Änderung des Durchmessers des Grundkreises 11 eines Nockens 10 erforderlich und eine Änderung in der Montage folge des dargestellten Endlagers 7.

Zunächst werden alle Zwischenlager 8 und das nicht dargestellte Endlager 7 eingebaut.

Anschließend wird die Nockenwelle 2 eingeschoben.

Dann wird das dargestellte Endlager 7 eingepreßt, derart, daß die Ölbohrung von Kurbelgehäuse 14 und Endlagerschale übereinstimmen.

Danach wird eine Nockenwellen-Axialfixierung 12 angebracht.

Abschließend wird das Nockenwellen-Zahnrad 1 angebaut.

Claims

1. Zahnradgetriebene Nockenwelle, bestehend aus einem Nocken wellen-Stamm mit darauf befindlichen Nocken und zwei End lagern und mindestens einem Zwischenlager, wobei der An trieb der Nockenwelle übel ein freifliegend angeordnetes Nockenwellen-Zahnrad erfolgt, welches am freien Nocken wellenende, einem Endlager unmittelbar benachbart angeord net ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchmesser D₁ des Nockenwellen-Stammes (9) in einem ersten Nockenwellen abschnitt zwischen Endlager (7) und Zwischenlager (8) auf einen Durchmesser D₂ vergrößert wird, ohne daß ein Durch messer d_G einer Lagergrundbohrung (13) in einem Kurbel gehäuse (14) verändert wird und daß die Grundkreise (11) der in diesem Abschnitt befindlichen Nocken (10) diesem Durchmesser D₂ angepaßt werden.

2. Zahnradgetriebene Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der maximale Durchmesser D₂ bei unver ändertem Durchmesser d_G des Endlagers (7) folgender Be ziehung genügt: D₂ < d_G - 2ZEs bedeutet:
d_G Durchmesser einer Lagergrundbohrung 13 des Endlagers 7
Z Erhebung des Nockens 10.