DE4207741A1 - Verfahren zur berechnung von nocken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung der Kontur von Nocken, die insbesondere der Betätigung von Gaswechselventilen und/oder Einspritzpumpenplungern von Brennkraftmaschinen dienen, wobei gewünschte Werte oder Eigenschaften von Größen wie Erhe­ bungskurve, Ruckfreiheit, maximale Verzögerung, Reibzahl und Schmierzahl der Nocken in einer für den jeweiligen Anwendungsfall op­ timierten Form zu berücksichtigen sind.

Bei der klassischen Auslegung von Nocken, wie sie in W. D. Bensinger: "Die Steuerung des Gaswechsels in schnellaufenden Verbrennungsmoto­ ren," Springerverlag, 1968 beschrieben wird, ist als Vorgabe eine Erhe­ bungskurve gegeben, die durch einen dem Nockenverlauf folgenden Stößel erzeugt werden soll. Die Erhebungskurve wird in Abschnitte geteilt, die durch trigonometrische Funktionen oder durch Polynome höherer Ordnung angenähert werden. Trotz der Vielfalt der Variationsmöglichkeiten dieser Funktionen sind die Formgebungsmöglichkeiten für die Erhebungskurve zumindest praktisch begrenzt.

Die klassische Auslegung des Nockens beruht auf dem Prinzip, von ei­ nem bestimmten Startpunkt ausgehend, in einer bestimmten Zeit, einem durch mathematischen Formalismus eingefaßten Weg folgend, ein be­ stimmtes Ziel - den maximalen Hub - zu erreichen. Die Nockenform ist ein auf diesem Weg basierendes Rechenergebnis, dessen Optimierung unter Haltbarkeits- oder Reibleistungsaspekten nur im Rahmen des o. g. Formalismus möglich ist und dennoch einfach in der Anwendung sein sollte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Berechnungsverfahren für Nocken anzugeben, das größere Freiheit für die Gestaltung desselben bietet und dessen Endergebnis ein Kompromiß zwischen den unter­ schiedlichsten technischen Anforderungen darstellt und das möglichst frei von formalen Restriktionen ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1. Dadurch, daß eine beliebige Nockenkontur durch Annahme bestimmter, variierbarer Eingangsparameter festgelegt wird, die sich daraus ergebenden Werte bezüglich der gewünschten Werte oder Eigen­ schaften rechnerisch ermittelt und die Eingangsparameter solange vari­ iert werden bis die rechnerisch ermittelten Werte mit den gewünschten Werten oder Eigenschaften übereinstimmen, ist ein flexibles Rechenver­ fahren angegeben, das im Dialog mit einem Rechner sehr schnell von einer unsinnigen zu einer optimalen Nockenform geführt werden kann, deren Auswirkung auf die Kinematik und Tribologie des Nocken-Stößel- Systems sofort betrachtet werden kann.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei der die Nocken­ kontur durch einzelne Rechenschritte aus einer Abfolge von Kreisbogen­ stücken kleinster, variierbare Erstreckung und vorgegebenen Krüm­ mungsradien zusammengesetzt wird, kann die Nockenkontur berechnet und der gewünschten mit beliebiger Genauigkeit angepaßt werden.

Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, bei der die Nocken­ kontur Abschnitte von variierbarer Anzahl und Erstreckung aufweist, wobei Abschnitte mit jeweils konstanter Krümmungsradien und Ab­ schnitte mit nicht konstanten Krümmungsradien vorgesehen sind, ist eine große Variationsmöglichkeit bei der Gestaltung der Nockenkontur gegeben.

Dabei wird durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der die Abschnitte mit nicht konstanten Krümmungsradien zwischen denen mit konstanten Krummungsradien angeordnet sind, eine Auslegung der Nockenkontur mit ruckfreiem Verlauf sichergestellt.

Gleiches gilt für eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung, bei der die Änderung der Krümmungsradien von Rechenschritt zu Rechenschritt durch Übergangsfunktionen festgelegt wird, insbesondere wenn die Übergangsfunktionen erfindungsgemäß als halbe Sinusfunktionen aus­ gebildet sind. Diese können nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durch Variation ihrer Hochzahlen jede gewünschte Form an­ nehmen. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die Hochzahlen innerhalb des Erstreckungsbereichs der Übergangsfunktion kontinuierlich zu ändern. Es kann aber auch von Vorteil sein die Hoch­ zahlen der Übergangsfunktion innerhalb eines Nockenabschnittes kon­ stant zu halten.

Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung, bei der sich Noc­ kenhub und Kuppenradius als Rechenergebnisse darstellen, die sich aus den Eingangsparametern ergeben, sind mehrere Iterationsschritte erfor­ derlich, die die erfindungsgemäße Anpassung der Rechenergebnisse an die gewünschte Ventilerhebung ermöglichen.

Aufgrund einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung durch die die Kinematik, Dynamik und Tribologie des Gesamtsystems aus der Geome­ trie der Nockenkontur abgeleitet wird, kann die Erhebungskurve z. B. ei­ nes Flachstößels berechnet werden und darauf basierend alle übrigen ge­ wünschten Werte und Eigenschaften der Nockenkontur rechnerisch ab­ geleitet werden.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ermöglicht, bei unsymmetri­ schen Nocken jede Nockenseite getrennt zu rechnen und anschließend diese Seiten richtig zusammenzufügen. Damit eignet sich das erfin­ dungsgemäße Berechnungsverfahren auch zur Auslegung unsymmetri­ scher Nocken.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Die erfindungsgemäße Lösung geht von der Gestaltung der Nockenform aus, während die klassische Auslegung die Erhebungs­ kurve des Nockens vorgibt. Als Startpunkt dient nicht ein fester Punkt der Erhebungskurve, sondern ein beliebiger auf dem Grundkreis des Nockens. Von diesem aus entwickelt sich die Nockenform aus einer Ab­ folge von kleinsten Bogenstückchen (z. B. 4 Bogenstückchen pro Grad Nockenwinkel) bis zum Erreichen des Scheitelpunktes des Nockens. Die unbegrenzte Zahl der Möglichkeiten von einem Startpunkt aus einen nicht gerade verlaufenden Weg zu verfolgen, wird durch die Vorgabe des Grundkreises, einer Nockenrampenlänge, eines maximalen Krümmungs­ radius, eines Zwischenradius, mehrere Übergangsfunktionen und die je­ weils zugehörigen Nockenwinkeln vorgegeben, so daß eine ruckfreie Ki­ nematik sichergestellt werden kann.

Die Übergangsfunktionen und deren zugehörige Nockenwinkelerstrec­ kung sind weitgehend variierbar, wobei natürlich abrupte Übergänge vermieden werden können. Ein möglicher Grenzfall der Nockenkontur ist der aus fünf Kreisbögen zusammengesetzte, ruckbehaftete Kreisbo­ gennocken einerseits und eine beliebige, harmonische Nockenform ohne jedes Verharren auf einem bestimmten Krümmungsradius andererseits.

Die einzige zwingende Bedingung auf dem Weg zum Nockenscheitel ist, zum freiwählbaren Nockenwinkel (z. B. 2 Grad vor dem Scheitelpunkt) mit dem Mittelpunkt des letzten Krümmungstückchen auf der Verbin­ dungslinie Nockenkuppe-Nockenwellendrehpunkt anzukommen.

Die so gestaltete Nockenkontur weist als Ergebnis das kinematische und tribologische Systemverhalten aus, das dann wiederum hinsichtlich sei­ ner Dynamik untersucht werden kann.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Berechnungsverfahrens liegt in der großen Gestaltungsfreiheit der Nockenkontur, die ohne Rücksicht auf formale Restriktionen einen Kompromiß zwischen den unterschiedlichen technischen Anforderungen ermöglicht.

Claims (11)

1. Verfahren zur Berechnung der Kontur von Nocken, die insbeson­ dere der Betätigung von Gaswechselventilen und/oder Einspritzpumpen­ plungern von Brennkraftmaschinen dienen, wobei gewünschte Werte oder Eigenschaften von Größen wie Erhebungskurve, Ruckfreiheit, ma­ ximale Verzögerung, Reibzahl und Schmierzahl der Nocken in einer für den jeweiligen Anwendungsfall optimierten Form zu berücksichtigen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine beliebige Nockenkontur durch die Annahme bestimmter, variierbarer Eingangsparameter festgelegt wird, die sich daraus ergebenden Werte bezüglich der gewünschten Werte oder Eigenschaften rechnerisch ermittelt und die Eingangsparameter solange variiert werden, bis die rechnerisch ermittelten Werte mit den gewünsch­ ten Werten oder Eigenschaften übereinstimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenkontur durch einzelne Rechenschritte aus einer Abfolge von Kreisbogenstücken kleinster, variierbarer Erstreckung und vorgegebenen Krümmungsradien zusammengesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockenkontur Abschnitte von variier­ barer Anzahl und Erstreckung aufweist, wobei Abschnitte mit jeweils konstanten Krümmungsradien und Abschnitte mit jeweils nicht konstan­ ten Krümmungsradien vorgesehen sind.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte mit nicht konstanten Krümmungsradien zwischen denen mit konstanten Krümmungsradien angeordnet sind.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Krümmungsradien von Rechenschritt zu Rechenschritt durch Übergangsfunktionen festgelegt ist.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsfunktionen vorzugsweise aus modizierbaren halben Sinusfunktionen bestehen.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinusfunktion eines Abschnitts der Nockenkontur für sämtliche Rechenschritte dieses Abschnittes eine glei­ che Hochzahl aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinusfunktion eines Abschnittes der Nockenkontur für sämtliche Rechenschritte dieses Abschnittes unter­ schiedliche Hochzahlen aufweist, wobei die Hochzahlen über dem jewei­ ligen Erstreckungsbereich der Sinusfunktion sich von vorgegebenen An­ fangs- zu vorgegebenen Endwerten vorzugsweise kontinuierlich ändern.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Nocken einen Nockenhub und einen Kuppenradius aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Nockenhub und Kuppenradius Rechenergebnisse darstellen, die sich aus den Eingangsparameter erge­ ben.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kinematik, Dynamik und Tribologie des Gesamtsystems aus der Geometrie der Nockenkontur und der des Folgesystems wie Flach- oder Rollenstößel abgeleitet werden.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei unsymmetrischen Nocken jede Noc­ kenseite getrennt gerechnet und anschließend seitenrichtig zusammen­ gefügt wird.