DE4222155A1 - Nockenwelle mit einem zusatznocken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1, insbesondere für eine Brenn­ kraftmaschine. Erfindungsgemäß sollen die dabei erzeugten normalen Drehmomentimpulse vergrößert werden.

Eine Nockenwelle für Brennkraftmaschinen mit federbelasteten Rollen erfährt eine Reihe von entgegengesetzten Drehmoment­ impulsen bei jeder Umdrehung. Der positive Impulsanstieg ergibt sich daraus, daß der Nockenwelle Drehmoment zugeführt werden muß, damit jeder Arbeitsnocken entgegen der von der Rolle ausgeübten Kraft beim Ventilöffnen rotieren kann, während der ins Negative reichende Teil dadurch auftritt, daß auf die Nockenwelle ein entgegengesetztes Drehmoment einwirkt, wenn der Arbeitsnocken beim Schließen des Ventils von der Kraft der Nockenrolle beaufschlagt wird.

Die dabei entstehenden Drehmomentimpulse können für bestimmte Zwecke verwendet werden, beispielsweise um ein Steuersignal für veränderliche Ventilsteuerzeiten (VCT) zu liefern, wie in der US-PS 50 02 023 erläutert ist. Auf diese Patentschrift wird deshalb Bezug genommen.

Gegebenenfalls (gewöhnlich für Motoren mit vier bzw. sechs Zylindern in Reihe) sind die Drehmomentimpulse nicht groß genug, um ein VCT-System gemäß der US-Patentschrift zu betätigen. Dann müssen die Impulse verstärkt werden.

Erfindungsgemäß ist eine Nockenwelle für eine Brennkraft­ maschine vorgesehen, die die an der Nockenwelle auftretenden Drehmomentimpulse wesentlich erhöht. Hierzu ist erfindungs­ gemäß ein Zusatznocken vorgesehen, d. h. ein Nocken mehr als für die Betätigung der Ventile erforderlich ist. Das Profil des Zusatznockens ergänzt das Profil der Arbeitsnocken für die Ventilbetätigung und arbeitet mit einer federbelasteten Nockenrolle zusammen, die also kein Ventil betätigt. Das Profil des Zusatznockens ist derart, daß die an ihm auftre­ tenden Drehmomentimpulse im wesentlichen synchron und gleichgerichtet mit den Drehmomentimpulsen sind, die sich beim Betätigen der Motorventile ergeben und eine gewünschte Amplitude haben.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Nocken­ welle für mechanische Anwendungen zu schaffen, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, die im Betrieb wesentlich erhöhte Nettodrehmomentimpulse liefert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1A und 1B schematische Darstellungen einer Nocken-Steuerung für ein Ventil,

Fig. 2 der sich bei der Steuerung gemäß den Fig. 1A und 1B einstellende Drehimpulsverlauf,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Nockenwelle mit einem Arbeitsnocken und einem Zusatznocken,

Fig. 4 der Drehmomentimpulsverlauf einer Zweifach- OH-Nockenwelle für eine 4-Zylinder-Maschine,

Fig. 5 der Drehmomentimpulsverlauf an einer Zweifach-OH-Nockenwelle für eine 6-Zylin­ der-Maschine,

Fig. 6 eine Endansicht eines Zusatznockenprofils für die Nockenwelle gemäß Fig. 4,

Fig. 7 eine Endansicht eines Zusatznockenwellen­ profils für eine Nockenwelle gemäß Fig. 5,

Fig. 8 den Drehmomentimpulsverlauf an einer Zwei­ fach-OH-Nockenwelle für eine 8-Zylinder-Maschine mit Nockenrollen,

Fig. 9 eine Endansicht des Zusatznockenprofils für die Nockenwelle der Fig. 8,

Fig. 10 eine schematische Darstellung des Zusatz­ nockens mit einer federbelasteten Rolle für das in Fig. 9 dargestellte Profil,

Fig. 11 den Drehmomentimpulsverlauf an der mit dem Zusatznocken versehenen Nockenwelle gemäß Fig. 10,

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines bevor­ zugten Ausführungsbeispiels für eine Zwei­ fach-OH-Nockenwelle einer 8-Zylinder-Maschine und

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Nocken­ wellenantriebsrades in einer abgeänderten Ausführungsform.

Die Fig. 1A und 1B zeigen einen Nocken C mit einer einzigen Nase und einer Rolle R an einem Kipphebel A, der um eine Achse B drehbar ist und mit einem Ventilschaft V zusam­ menwirkt und der von einer sich am Zylinderkopf H abstützen­ den Feder S auf den Nocken C gedrückt wird.

Die Andruckkraft der Rolle R wirkt rechtwinklig auf das Nockenprofil, wobei die Reibung vernachlässigt wird, die Andruckkraft F ist in Fig. 1A für den Fall dargestellt, daß die Rolle R auf der ansteigenden Flanke der Nase L läuft. Der Drehmomentarm der Kraft F ist der Abstand "e" gegenüber der Nockenwellenachse, und das Drehmoment ergibt sich aus F×e und ist der Drehung der Nockenwelle entgegengesetzt gerichtet. Dies wird als positives Drehmoment bezeichnet. Dreht sich der Nocken C weiter, so erreicht die Rolle R die Spitze der Nase, die Andruckkraft schneidet somit die Nockenwellenachse, und der Drehmomentenarm "e" ist Null. Dann ist auch das Drehmoment Null und beim weiteren Drehen der Nockenwelle ändert sich das Vorzeichen.

In Fig. 1B hat die Rolle R die abfallende Flanke der Nase L erreicht. Das von der Andruckkraft erzeugte Moment ist -F×e, also in der Richtung dem in Fig. 1A erzeugten Drehmoment entgegengerichtet, also gleichsinnig mit der Nockenwellen­ drehung. Anschließend erreicht die Rolle R den Grundkreis des Nockens, das Moment wird wieder zu Null, solange bis die Rolle wiederum das ansteigende Nockenprofil erreicht.

Bei Verwendung solcher Rollen für die Nocken einer Nocken­ welle lassen sich die Reibungsverluste verringern. Dadurch wird auch das auf die sich drehende Nockenwelle einwirkende kontinuierliche Nachschleppmoment verringert.

Für die in den Fig. 1A und 1B gezeigte Nockenwelle mit einer einzigen Nase C und einer Rolle R ist der Drehmoment­ verlauf für eine vollständige Umdrehung in Fig. 2 dar­ gestellt, wobei die Reibung vernachlässigt wurde.

Für einen Nocken mit dem Impulsverlauf gemäß Fig. 2 kann nun ein Zusatznocken vorgesehen werden, der einen synchronen Impuls gleicher Polarität und mit einer bestimmten Amplitude erzeugt. Fig. 3 zeigt einen Nocken 20 und seinen Zusatz­ nocken 22 auf einer Nockenwelle 24. Durch richtiges Anordnen des Zusatznockens 22 auf der Welle und entsprechender Be­ lastung mit einer Rolle und Feder kann man eine Vergrößerung des an der Nockenwelle auftretenden Drehmomentes erzielen. Das Nettodrehmoment der ventilsteuernden Nocken zuzüglich des Zusatznockens reicht zur Betätigung eines VCT-Systems gemäß US-PS 50 02 023 aus.

Der Nocken C in den Fig. 1A und 1B hat einen Grundkreis entsprechend dem minimalen Radius des Nockens, während die Nockenspitze den maximalen Radius aufweist. Entsprechend kann auch der Grundkreis des Zusatznockens den minimalen Radius aufweisen, während der Bereich des maximalen Radius der Spitze des Zusatznockens entspricht.

Eine Nockenwelle für eine DOHC-4-Zylinder-Maschine hat vier Nocken in Abständen von 90°. Der Impulsverlauf der Fig. 2 wiederholt sich viermal während einer Umdrehung. Da der Verlauf sich über 90° Nockenwellenwinkel erstreckt, gehen die Impulse ineinander über. So ergibt sich der Drehmoment­ verlauf während einer Umdrehung der Kurbelwelle für vier sinusähnliche Teilphasen aus Fig. 4.

Bei einer DOHC-6-Zylinder-Maschine besitzt die Nockenwelle 3 um 120° verdrehte Nocken. Fig. 5 zeigt den Impulsverlauf für die Nockenwelle, wobei drei Impulse in einer Umdrehung der Kurbelwelle auftreten.

Ein Zusatznocken 30 für eine DOHC-4-Zylinder-Maschine ist in Fig. 6 als viernasiger Nocken mit einer federbelasteten Rolle 32 dargestellt. Dieser Zusatznocken erzeugt den in Fig. 4 dargestellten Drehmomentverlauf und liefert somit einen wesentlichen Anstieg des Nettodrehmoments.

Fig. 7 zeigt einen Zusatznocken mit drei Nasen für eine DOHC-6-Zylinder-Maschine. Der Zusatznocken 40 liefert eben­ falls einen wesentlichen Anstieg des Drehmomentverlaufs in Fig. 5 und die Wirkungsweise entspricht der bereits für die 4-Zylinder-Maschine beschriebenen.

Fig. 8 zeigt den Drehmomentverlauf für eine Nockenwelle einer DOHC-8-Zylinder-Maschine mit Nockenrollen mit gemesse­ nen Werten. Die Geometrie der Maschine resultiert in unglei­ chen Ventilarbeitszeiten für die von einer Nockenwelle aus gesteuerten Ventile. So sind immer zwei Ventile nur 45° aus­ einander. Damit überlappen sich die Impulse der beiden Ven­ tile beträchtlich. Es ergibt sich ein Zusammenfallen in einen einzigen Impuls. Deshalb besteht der Impulsverlauf für die ganze Nockenwelle aus einer Reihe von drei ziemlich irregulär auftretenden Impulsen während einer Umdrehung wie in Fig. 8 dargestellt. Solche Impulse reichen normalerweise nicht für die in US-PS 50 02 023 beschriebene Betätigung aus, insbesondere nicht für 4- und 6-Zylinder-Maschinen in Reihe.

Fig. 12 zeigt einen Zusatznocken 50 mit drei Nasen für eine Nockenwelle 52 einer DOHC-V-8-Maschine zum Verstärken des Drehmoments. Das Nockenprofil zeigt Fig. 9. Fig. 10 zeigt eine Feder 54 zum Belasten des Zusatznockens 50, einen Kipphebel 56 und Rollen 58. für den Drehmomentverlauf des Zusatznockens 50 gelten die Betrachtungen in der Beschrei­ bung zu den Fig. 1A und 1B. In einem Nockenumlauf gibt es sechs Stellen mit Drehmoment Null, drei an der Spitze der drei Nasen und drei an den niedrigen Stellen des Nockens 50. Zwischen jeweils zwei benachbarten Nullstellen ist das Drehmoment positiv, wenn die Rolle 58 auf der ansteigenden Flanke einer Nase läuft und negativ, wenn die Rolle 58 auf der abfallenden Flanke läuft. Der Zusatznocken liefert einen Drehmomentverlauf der in Fig. 11 dargestellt ist und der den von den Ventilen herrührenden Drehmomentverlauf gemäß Fig. 8 verstärkt.

In einer DOHC-V-8-Maschine betätigt jede Nockenwelle ein Ventil für jeden der vier Zylinder der Maschine. Somit trägt eine Nockenwelle vier Nocken zum Steuern der vier Ventile der vier Zylinder, jeweils ein Ventil pro Zylinder. Die ventilsteuernden Nocken der Nockenwelle sind in Längsrich­ tung voneinander beabstandet und in Umfangsrichtung gegen­ einander versetzt, um das Zünden der Zylinder in der rich­ tigen Reihenfolge und zu den richtigen Steuerzeiten zu ermöglichen. Da eine Nockenwelle dieser Art vier ventil­ steuernde Nocken aufweist, von denen jeder aufeinanderfol­ gend positive und negative Drehmomentimpulse an die Nocken­ welle liefert ist das Nettodrehmoment an der Nockenwelle und den beteiligten mechanischen Elementen aus Drehmomentimpul­ sen der einzelnen ventilsteuernden Nocken zusammengesetzt.

Fig. 12 zeigt ferner eine Nockenwelle 52 für die Einlaß­ ventile der vier Zylinder in einer Zylinderbank einer DOHC- V-8-Maschine. Die Nockenwelle 52, deren Position gegenüber der Nockenwelle zum Steuern der Auslaßventile der gleichen Zylinder und gegenüber der Motorkurbelwelle (nicht gezeigt) vorzugsweise der Phase nach mit in der US-PS 50 02 023 erläuterten Mitteln einstellbar ist, um die Leistungsabgabe zu verbessern, weist einen langen Schaftabschnitt 60 mit vier die Einlaßventile steuernden Nocken 62, 64, 66 und 68 auf. Diese Nocken sind einstückig an der Welle 60 angeformt und der Reihe nach längs der Welle 60 beabstandet. Die Nockenwelle 52 ist um eine Mittelachse der Welle 60 drehbar. Ein Antriebskettenrad 70 ist auf die Welle 60 aufgekeilt und wird von einer Steuerkette angetrieben.

Wie bereits erwähnt, liefern die Nocken 62, 64, 66 und 68 mit ihren federbelasteten Rollen eine Serie von drei sinusförmigen Drehmomentimpulsen auf die Nockenwelle 52, das Kettenrad 70 und die umschlingende Kette. Erfindungsgemäß ist nun das Nettodrehmoment erheblich vergrößert, da der Zusatznocken 50 vorgesehen ist, der ebenfalls einstückig angeformt ist. Der Zusatznocken 50 ist nahe einem Ende der Welle 60 der Nockenwelle 52 angeordnet, also entfernt vom Kettenrad 70. Wie Fig. 10 zeigt, drückt auf den Zusatznocken 50 eine Rolle 58 am Kipphebel 56. Das andere Ende des Kipp­ hebels 56 ist mit einer Feder 54 federbelastet, die auf einen Teller 54 drückt, um die Rolle 58 federnd an den Zusatznocken 50 zu drücken. Der Zusatznocken erzeugt Drehmomentimpulse an der Nockenwelle 52, die zeitlich synchron und polaritätsgleich mit den Drehmomentimpulsen der Arbeitsnocken 62, 64, 66, 68 zusammenfallen und eine bestimmte Amplitude haben. Somit ist auch das Drehmoment an dem Kettenrad 70 und der Steuerkette vergrößert. Das Profil des Zusatznockens 50 ist etwas unregelmäßig, da die Dreh­ momentimpulse der Arbeitsnocken der Größe nach nicht vollständig gleich sind.

Fig. 13 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform eines Ketten­ rads 170 für die nicht dargestellte konventionelle Nocken­ welle. Das Kettenrad 170 hat einen offenen Teil 170a mit einer nach innen gekehrten Nockenfläche 172 mit drei radial nach außen vorspringenden Nasen 172a, 172b und 172c. Mit der Nockenfläche 172 arbeitet eine federbelastete, radiale Rolle zusammen, die nicht gezeigt ist und auf die Nockenwelle drei Drehmomentimpulse bei jeder Umdrehung ausübt. Auf diese Weise kann auf ,den Zusatznocken 50 verzichtet werden und können trotzdem die erforderlichen Drehmomentimpulse erzeugt werden.

In dem Ausführungsbeispiel ist eine Nockenwelle für die in Reihe angeordneten Zylinder einer DOHC-Maschine beschrieben. Die Erfindung läßt sich aber auf alle Arten von Nockenwellen übertragen, auch für Nockenwellen mit zwei oder mehr Einlaß- und Auslaßventilen pro Zylinder.

Claims (12)

1. Nockenwelle mit Drehmomentverstärkung mit mindestens einem Arbeitsnocken zum Betätigen einer federnd an den Arbeitsnocken angedrückten Rolle oder dergleichen, gekennzeichnet durch mindestens einen zusätzlichen auf der Nockenwelle sitzenden Nocken (22, 30, 40, 50), an den eine Rolle (32, 58) federnd angedrückt ist und der ein gegenüber dem Arbeitsnocken (20, 62, 64, 66, 68) umfangsmäßig derart angeordnetes Profil aufweist, daß bei Rotation der Nocken­ welle ein Drehmomentimpuls in die Nockenwelle eingeleitet wird, der im wesentlichen synchron mit und gleichsinnig zu dem Impuls ist, der von dem jeweiligen Arbeitsnocken über die Rolle eingeleitet wird.

2. Nockenwelle nach Anspruch 1, bei der die Nockenwelle mit dem Arbeitsnocken einstückig gebildet ist.

3. Nockenwelle nach Anspruch 1, bei der der Zusatznocken ein einzelner Nocken ist, der mit der Welle drehbar ist und dessen Profil nach außen zeigt.

4. Nockenwelle nach Anspruch 2, bei der der Zusatznocken ein einziger Nocken ist, der einstückig mit der Nockenwelle und dem Arbeitsnocken ausgebildet ist.

5. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Antriebsrad zum Antrieb der Nockenwelle.

6. Nockenwelle nach Anspruch 5, bei der das Zusatznockenprofil an dem Antriebsrad ausgebildet ist und nach innen zeigt.

7. Nockenwelle zur Ventilsteuerung mehrerer Zylinder einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatznocken ein Profil mit mehreren umfangsmäßig beabstandeten, nach außen weisenden Vorsprüngen aufweist, um Drehmomentimpulse auf die Nockenwelle auszuüben, die im wesentlichen synchron mit und gleichsinnig zu den Drehmo­ mentimpulsen sind, die von den Ventilsteuernocken auf die Nockenwelle ausgeübt werden.

8. Nockenwelle nach Anspruch 7, bei der alle Ventilsteuernocken einstückig an der Welle angeformt sind.

9. Nockenwelle nach Anspruch 7 oder 8, bei der ein Zusatznocken drei nach außen gerichtete Nasen aufweist.

10. Nockenwelle nach Anspruch 9, bei der drei Ventilsteuernocken vorgesehen sind.

11. Nockenwelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vier Ventilsteuernocken vorgesehen sind.

12. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatznocken an einem Ende der Nockenwelle angeordnet ist.