DE4221418A1 - Cam profile for IC engine valve operation - has re-defined profile calculation for area from cam peak to flank. - Google Patents

Cam profile for IC engine valve operation - has re-defined profile calculation for area from cam peak to flank.

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DE4221418A1
DE4221418A1 DE19924221418 DE4221418A DE4221418A1 DE 4221418 A1 DE4221418 A1 DE 4221418A1 DE 19924221418 DE19924221418 DE 19924221418 DE 4221418 A DE4221418 A DE 4221418A DE 4221418 A1 DE4221418 A1 DE 4221418A1
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Gerhard Dipl Ing Deschler
Dieter Wittmann
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MAN Nutzfahrzeuge AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02Valve drive
    • F01L1/04Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/08Shape of cams

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gears, Cams (AREA)

Abstract

A cam for valve control in a rotating piston engine operates the valve via a flat tappet against the force of a closing spring. The cam profile is determined as: psi =rN/(rG+z(0)) where psi (x) = hydrodynamic reference; rN = cam radius of curvature; rG = pitch circle radius; z = cam lift. In order to determine the characteristic over the critical region 0<=x<=xE, where xE is the cam angle at the end of the cam peak, the following is used: (x) = r(x)/rG + z(x); x = cam angle. The function has the value at x=0 and a maximum at x=xE of = (1+b), where 0.1<=b<=0.3 and is chosen between 0.15<=0.25. The cam profile from the peak is determined by: z(x)=(z(o)+rG).cos square root(1- psi o(1+Kx)x) - rG USE/ADVANTAGE - Cam profile for IC engine valve gear in which pressure from cam point to flank is reduced, without affecting lubrication.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nocken gemäß dem Gattungs­ begriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a cam according to the genus Concept of claim 1.

Aus DE-PS 28 09 915 ist eine Nockenkontur bekannt, deren Nocken­ verlauf durch die FormelFrom DE-PS 28 09 915 a cam contour is known, the cams run through the formula

beschrieben ist.is described.

Für den Fall, daß man der Nockenspitze den Wert x0 = 0 zuordnet und wenn aus geometrischen Erwägungen und Stetigkeitsbedingungen folgt, daß a1 = rG + z(0) und a2 = 0 ist, so folgt die bekannte Nockenform der GleichungIn the event that the cam tip is assigned the value x 0 = 0 and if it follows from geometric considerations and continuity conditions that a 1 = r G + z (0) and a 2 = 0, the known cam shape follows the equation

Es bedeuten:
x0 Nockenwinkel zu Beginn des Bereiches γ0,
x Nockenwinkel beginnend bei x0 = 0,
z Nockenerhebung als Funktion von x,
z(0) Nockenerhebung an der Stelle x = 0,
γ0 ein wählbarer Wert zwischen 0,15 und 0,25,
rG Radius des Nockengrundkreises.
It means:
x 0 cam angle at the beginning of the range γ 0 ,
x cam angle starting at x 0 = 0,
z cam elevation as a function of x,
z (0) cam elevation at the point x = 0,
γ 0 a selectable value between 0.15 and 0.25,
r G Radius of the cam base circle.

Ein derartig geformter Nocken gewährleistet optimale Schmierver­ hältnisse, führt jedoch von der Nockenspitze ausgehend zu abneh­ menden örtlichen Krümmungsradien. Durch Schwingungsüberhöhungen der Kräfte am Ventiltrieb können diese kleinen Krümmungsradien zu unzulässig hohen Hertzpressungen führen.Such a shaped cam ensures optimal lubrication ratios, but leads to decreasing starting from the cam tip local radii of curvature. Through excessive vibrations The forces on the valve train can cause these small radii of curvature lead to impermissibly high Hertz pressures.

Ausgehend von einer Nockenform entsprechend dem Gattungsbegriff liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Hertzpressung von der Nockenspitze ausgehend zur Nockenflanke hin zu verkleinern, ohne die Schmierverhältnisse zu beeinträchtigen.Starting from a cam shape according to the generic term the invention is based, the Hertzpressung the task the cam tip to decrease towards the cam flank, without affecting the lubrication conditions.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches.This task is solved according to the characteristic features of the claim.

Durch die von der Nockenspitze in Richtung Nockenflanke stetig ansteigende Beurteilungskennzahl γ(x) wird der Krümmungsradius der Nockenform von der Nockenspitze ausgehend ebenfalls größer, wodurch eine unerwünschte Überhöhung der Hertzpressung vermieden wird. Dadurch, daß sich die Beurteilungskennzahl γ(x) stets in einem Bereich kleiner als γ0 = 0,25 bewegt, werden die Schmier­ verhältnisse nicht nachteilig beeinflußt. Dies wirkt sich beson­ ders vorteilhaft bei hochaufgeladenen Brennkraftmaschinen aus, wo die Gaswechselventile gegen hohe Drücke geöffnet werden müssen, so daß es schnell zu einer nicht mehr vertretbaren Hertzpressung kommt, welche durch Pittings sogar zum Ausfall der Nockenwelle führen kann.Due to the steadily increasing assessment index γ (x) from the cam tip in the direction of the cam flank, the radius of curvature of the cam shape from the cam tip also increases, thereby avoiding an undesirable increase in the Hertz pressure. The fact that the rating γ (x) is always in a range smaller than γ 0 = 0.25 means that the lubrication conditions are not adversely affected. This is particularly advantageous in the case of supercharged internal combustion engines, where the gas exchange valves have to be opened against high pressures, so that there is quickly an unacceptable Hertzpressung, which can even lead to failure of the camshaft due to fittings.

Einzelheiten zur Auslegung eines erfindungsgemäßen Nockens sind in Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:Details of the design of a cam according to the invention are shown in drawings. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Nockens im Zusammenwirken mit einem Flachstößel, Fig. 1 is a schematic representation of a cam in combination with a flat ram,

Fig. 2 einen qualitativen Beschleunigungsverlauf eines Nockens mit Angabe des Wertes xE, Fig. 2 is a qualitative acceleration profile of a cam with an indication of the value x E,

Fig. 3 ein Diagramm mit Darstellung der Parameter z, pH, γ(x) als Funktion über dem Nockenwinkel x. Fig. 3 is a diagram showing the parameters z, p H , γ (x) as a function of the cam angle x.

In Fig. 1 ist ein Nocken 1 angedeutet, der soeben von einem Flachstößel 2 abläuft. Mit rG ist ein Grundkreisradius und mit rN ein Krümmungsradius des Nockens 1 an einer Nockenspitze 3 ent­ sprechend einem Nockenwinkel x = 0 (Fig. 3) bezeichnet. Ferner ist der jeweilige Nockenhub z, der sich nach der Nockenform 4 richtet und der maximale Nockenhub z(0) = zmax an der Stelle x = 0 eingetragen.In Fig. 1, a cam 1 is indicated, which just runs from a flat tappet 2 . With r G is a base circle radius and with r N a radius of curvature of the cam 1 at a cam tip 3 accordingly a cam angle x = 0 ( Fig. 3). Furthermore, the respective cam stroke z, which is based on the cam shape 4 and the maximum cam stroke z (0) = zmax is entered at the point x = 0.

In Fig. 2 ist ein qualitativer Verlauf der Ventilbeschleunigung z′′ als Funktion über dem Nockenwinkel x dargestellt. Der kri­ tische Bereich für die Hertzpressung und die Schmierfilmbildung betrifft den Bereich zwischen dem Nockenwinkel x = 0 und x = xE. Der Nockenwinkel xE stellt das Ende der Nockenspitze, also den Anfang eines Übergangsbereiches zur Nockenflanke dar. Dieser kritische Bereich 0≦x≦E bereitet Probleme hinsichtlich Hertzpressung und Schmierfilmbildung.In Fig. 2, a qualitative course of the valve acceleration z '' is shown as a function of the cam angle x. The critical area for the Hertz pressure and the lubrication film formation concerns the area between the cam angle x = 0 and x = x E. The cam angle x E represents the end of the cam tip, that is to say the beginning of a transition area to the cam flank. This critical area 0 ≦ x bereit E causes problems with regard to compression and lubrication film formation.

Der verstärkte Rückgang der Hertzpressung wird erfindungsgemäß durch die im Bereich 0≦x≦xE vorgenommene Variation der nach dem Stand der Technik konstant gehaltenen Beurteilungskennzahl γ0 bewirkt. Durch diese sich mit dem Nockenwinkel x verändernde Beurteilungskennzahl γ(x) wird erreicht, daß sich der Krümmungs­ radius r(x) von x = 0 und dem Wert rN ausgehend stetig vergrößert.The increased decrease in the Hertz pressure is caused according to the invention by the variation in the range 0 0 x ≦ x E of the assessment index γ 0 , which is kept constant according to the prior art. This rating index γ (x), which changes with the cam angle x, ensures that the radius of curvature r (x) increases continuously from x = 0 and the value r N.

Während weiterhin für die Nockenspitze bei x = 0 der Wert γ(0) = γ0 = rN/(rG + z(0)) gilt, folgt die Beurteilungs­ kennzahl im Bereich 0≦x≦xE erfindungsgemäß stetig steigend der Gesetzmäßigkeit γ(x) = r(x)/(rG + z(x)), bis sie bei X = xE den maximalen Wert γ(xE) = γ0·(1 + b) erreicht. γ(x) darf aber an der Stelle xE den Wert 0,25 nicht überschreiten. In der Formel für γ(x) bedeutet r(x) den Krümmungsradius an einer Stel­ le x und z(x) den Nockenhub an einer Stelle x. Da der Grundkreis­ radius rG und der maximale Nockenhub z(0) = zmax vorgegeben sind, folgt aus der Beziehung für γ(x), daß sich mit steigendem Wert für γ(x) von der Nockenspitze bei x = 0 beginnend der Krümmungs­ radius r(x) vergrößert und folglich die aus Fig. 3 ersichtliche Hertzpressung pH absinkt.While the value γ (0) = γ 0 = r N / (r G + z (0)) also applies to the cam tip at x = 0, the assessment characteristic in the range 0 ≦ x ≦ x E according to the invention steadily increases according to the law γ (x) = r (x) / (r G + z (x)) until it reaches the maximum value γ (x E ) = γ0 · (1 + b) at X = x E. However, γ (x) at the point x E must not exceed 0.25. In the formula for γ (x) r (x) means the radius of curvature at a position x and z (x) the cam stroke at a position x. Since the base circle radius r G and the maximum cam stroke z (0) = zmax are specified, it follows from the relationship for γ (x) that as the value for γ (x) increases, the radius of curvature begins at x = 0 from the tip of the cam r (x) increases and consequently the Hertzpressure p H shown in FIG. 3 decreases.

Um den aus Fig. 2 zu ersehenden stetig steigenden Verlauf der hydrodynamischen Bezugszahl γ(x) zu erreichen, muß der Nockenhub z(x) der GleichungIn order to achieve the steadily increasing profile of the hydrodynamic reference number γ (x), which can be seen from FIG. 2, the cam stroke z (x) of the equation

genügen. Die Konstante k muß dabei auf iterativem Wege derart ermittelt werden, daß beim Einsetzen der Werte z(xE) und des Krümmungsradius r(xE) als Funktion der Nockenform Z(x) an der Stelle xE in die Formelare enough. The constant k must be determined iteratively in such a way that when the values z (x E ) and the radius of curvature r (x E ) are inserted as a function of the cam shape Z (x) at the point x E in the formula

ergibt.results.

Bei freier Wahl der Parameter 0,15≦γ0<0,25 und 0,1≦b≦0,3 ist ferner darauf zu achten, daß der maximale Wert für γ(x) an der Stelle (xE) den Wert 0,25 nicht überschreitet.If the parameters 0.15 ≦ γ 0 <0.25 and 0.1 ≦ b ≦ 0.3 are freely chosen, care must also be taken that the maximum value for γ (x) at the point (x E ) is 0 , Does not exceed 25.

Da einerseits γ(x) den Wert 0,25 nicht überschreitet, aber an­ dererseits durch Variation des Wertes γ(x) im Bereich x≦x≦xE der Krümmungsradius r(x) ansteigt, wird neben opti­ maler Schmierung eine Überschreitung der zulässigen Hertzpressung pH vermieden.On the one hand, γ (x) does not exceed the value 0.25, but on the other hand, by varying the value γ (x) in the range x ≦ x ≦ x E, the radius of curvature r (x) increases, in addition to optimal lubrication, the permissible values are exceeded Hertz pressure p H avoided.

Claims (1)

Nocken zur Steuerung eines Ventils in Hubkolbenmaschinen, durch den das Ventil über einen Flachstößel gegen die Kraft einer Schließfeder geöffnet wird, wobei die Nockenform auf der Grund­ lage der hydrodynamischen Beurteilungskennzahl (γ0) bestimmt wird, die aus dem Nockenkrümmungsradius (rN), dem Grundkreisra­ dius (rG) und dem Nockenhub (z) in der Form γ0=rN/(rG+z(0)) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Nockenform die hydrodynamische Beurteilungskennzahl in einem kritischen Bereich 0≦x≦xE einer stetig ansteigenden Funk­ tion von x in der Form gehorcht, daß dabei der Funktionswert γ(x) an der Stelle x=0 den Wert γ0 und an der Stelle x=xE den maximalen Wert γ(x) = γ0·(1 + b) annimmt, wobei b einen Pa­ rameter darstellt, der im Bereich 0,1≦b≦0,3 und γ0 einen Parameter darstellt, der im Bereich 0,15≦0,25 gewählt wer­ den kann, daß jedoch γ(x) an der Stelle x = xE den Wert 0,25 nicht überschreiten darf, und daß die Nockenform im Ausgangszu­ stand durch die Beziehung für den Nockenhub festgelegt ist.
Hierin bedeuten:
x laufenden Nockenwinkel, beginnend bei x = 0,
γ0 Beurteilungskennzahl bei x = 0, wählbar zwischen 0,15 und 0,25,
b Parameter wählbar zwischen 0,1 und 0,3,
k Konstante, die sich iterativ aus der Beziehung ergibt,
r(xE) Krümmungsradius der Nockenform an der Stelle xE,
z(xE) Nockenhub an der Stelle xE,
z(0) maximale Nockenerhebung zmax bei x=0,
rN Krümmungsradius an der Nockenspitze,
rG Grundkreisradius,
xE Nockenwinkel am Ende der Nocken­ spitze.
Cam for controlling a valve in reciprocating piston machines, by means of which the valve is opened via a flat tappet against the force of a closing spring, the cam shape being determined on the basis of the hydrodynamic rating (γ 0 ), which is derived from the cam radius of curvature (r N ), the Basiskreisra dius (r G ) and the cam stroke (z) in the form γ 0 = r N / (r G + z (0)) is formed, characterized in that to determine the cam shape, the hydrodynamic rating in a critical range 0 ≦ x ≦ x E of a continuously increasing function of x in the form obeys that the function value γ (x) at the position x = 0 the value γ 0 and at the position x = x E the maximum value γ (x) = γ 0 · (1 + b), where b is a Pa represents parameter that in the range 0.1 ≦ b ≦ 0.3 and γ 0 represents a parameter that can be selected in the range 0.15 ≦ 0.25, but that γ (x) at the point x = x E must not exceed the value of 0.25, and that the cam shape in the initial state was due to the relationship for the cam stroke is set.
Here mean:
x current cam angle, starting at x = 0,
γ 0 assessment key at x = 0, selectable between 0.15 and 0.25,
b parameters selectable between 0.1 and 0.3,
k constant that iteratively results from the relationship results in
r (x E ) radius of curvature of the cam shape at the point x E ,
z (x E ) cam stroke at point x E ,
z (0) maximum cam elevation z max at x = 0,
r N radius of curvature at the tip of the cam,
r G base circle radius,
x E Cam angle at the end of the cam.
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