SE434540B

SE434540B - Cam for control of valves in piston machines

Info

Publication number: SE434540B
Application number: SE7806696A
Authority: SE
Inventors: G Deschler; H Gebhardt; D Wittmann
Original assignee: Maschf Augsburg Nuernberg Ag
Priority date: 1977-06-10
Filing date: 1978-06-08
Publication date: 1984-07-30
Also published as: IT1096506B; DE2726073A1; CH628398A5; FR2393933B1; IN150782B; GB1584330A; FR2393933A1; SE7806696L; DD136516A1; DE2726073C2; IT7824365A0; RO84376A; HU176700B; RO84376B; SU957773A3; JPS547015A

Description

7806696-6 Det är redan känt och har bekräftats genom mätningar, att en smörjmedelfilm kan bildas vid vätskesmörjning även mellan högbelastade glidytor, varvid filmen visserligen inte medför fullkomlig isärhållning av de i förhållande till varandra glidande ytorna, men dock minskar metallisk beröring genom hydrodynamisk bärning vid delar av ytan. Detta smörjnings- tillstånd kan fysikaliskt betecknas som blandfriktion och dess ändamål är att åstadkomma en så stor andel av vätskebär- ning som möjligt. Med införandet av teorin beträffande elasto- hydrodynamisk smörjning kan experimentellt påvisbara film- tjocklekar beräknas. Denna nya teori innebär en utveckling av den av Osborne Reynolds 1886-grundlagda klassiska teorin be- träffande hydrodynamisk smörjning och tar hänsyn till smörj- medlets viskositetsökning vid tryckpâkänningar samt en lokalt begränsad, elastisk deformering av de belastade kontaktytorna, Formeln för beräkning av minsta smörjfilm uppställdes av Dowsen och Higginson (uppsats Fowle "Die elasto-hydrøåynamische Schmierungstheorie“, offentliggjord av Shell International Petroleum Co. Ltd., London, och utgör resultatet av en matematisk analys av den elasto-hydrodynamiska smörjningsteo-s rin. Formeln lyder: H = 1,6 x G°'6 x u0'7- x w'°'l3 (I) Därvid är H, G, U och W dimensionslösa faktorgrupper, med följande betydelse: H = hmin/fl G =cxx E' , U =]ë§xä 1 W = šçššr där hmin är smörjfilmens minsta tjocklek, f den teoretiska krökningsradien, som erhålls ur 1/f = l/f l + l[fë, varvid fl och få är krökningsradierna hos de båda i kontakt med varandra varande ytorna, d smörjmedelsviskositetens tryckkoefficient enligt “_ = n x cha, där np är viskositeten vid trycket p, P E' den reducerade elasticitetsmodulen för materialen i de mot varandra glidande ytorna, U l/E' = l/2 l~v32 + l:3%3 , varvid El och E2 är elas- El Ez ticitetsmodulerna och vl och vz de Poissonska talen för de båda ytorna, n smörjmedelsviskositeten vid atmosfärstryck och omgivnings- temperatur, 10 15 20 25 30 35 7806696-6 w belastningen på kontaktställets breddenhet, u kontaktytornas l och 2 glidhastighet enligt u = l/2 (ul+u2). 7806696-6 It is already known and has been confirmed by measurements that a lubricant film can be formed during liquid lubrication even between highly loaded sliding surfaces, whereby the film does not entail complete separation of the sliding surfaces in relation to each other, but nevertheless reduces metallic contact by hydrodynamic bearing. parts of the surface. This lubrication condition can be physically described as mixed friction and its purpose is to achieve as large a proportion of liquid bearing as possible. With the introduction of the theory of elastohydrodynamic lubrication, experimentally detectable film thicknesses can be calculated. This new theory involves a development of the classical theory of hydrodynamic lubrication founded by Osborne Reynolds in 1886 and takes into account the increase in the viscosity of the lubricant during compressive stresses as well as a locally limited, elastic deformation of the loaded contact surfaces. by Dowsen and Higginson (Fowle's essay "Die elasto-hydrøåynamische Schmierungstheorie", published by Shell International Petroleum Co. Ltd., London, and is the result of a mathematical analysis of the elasto-hydrodynamic lubrication theory. The formula reads: H = 1 , 6 x G ° '6 x u0'7- x w' ° 'l3 (I) In this case, H, G, U and W are dimensionless factor groups, with the following meaning: H = hmin / fl G = cxx E', U = ] ë§xä 1 W = šçššr where hmin is the minimum thickness of the lubricating film, f the theoretical radius of curvature, obtained from 1 / f = l / fl + l [fë, where fl and få are the radii of curvature of the two surfaces in contact with each other , d lubricant viscosity pressure coe fficient according to '_ = nx cha, where np is the viscosity at the pressure p, PE' the reduced modulus of elasticity of the materials in the sliding surfaces, U l / E '= l / 2 l ~ v32 + l: 3% 3, whereby El and E2 are the modulus of elasticity and vel and vz the Poisson's numbers for the two surfaces, n the lubricant viscosity at atmospheric pressure and ambient temperature, w 15 the load on the contact unit width unit, u the contact surfaces 1 and 2 sliding speed according to u = l / 2 (ul + u2).

I den angivna ekvationen har den reducerade elasticitets- modulen E' blott en mycket liten exponent (E0'03) och dessutom skiljer sig de vid maskinkonstruktionen använda materialen blott obetydligt från varandra med avseende på elasticitetsmodulen (E = 80 000 till 210 000 N/mmz). Dessutom ändrar sig tryck- koefficienten blott inom snäva gränser vid de för användning aktuella smörjmedlen och inflytandet av laständringcn på smörj- medelsfilmens tjocklek (faktorgruppen W) kan försummas på grund av den låga exponenten. Dowson och Higginson anger därför för beräkningen av minsta tjockleken hmin hos smörjmedelsfilmen följande förenklade formel, i vilken uttrycken G0'6 och W_0fl3 i ovanstående formel ersatts av konstanter. Denna formel lyder: h . = 5 x ifsllnx-lxí (II) min Som framgår av de båda formlerna bestäms tjockleken av smörjmedelsfilmen utom av viskositeten n av glidhastigheten u samt den teoretiska krökningsradien f hos kontaktytan. Ändamålet med uppfinningen är att vid en kam av detta slag bestämma kamgeometrin i området för kamspetsen, dvs om- rådet för kritisk smörjfilmsbildning, så att optimala smörj- ningsförhållanden uppnås.In the given equation, the reduced modulus of elasticity E 'has only a very small exponent (E0'03) and in addition the materials used in machine construction differ only insignificantly from each other with respect to the modulus of elasticity (E = 80,000 to 210,000 N / mm 2 ). In addition, the pressure coefficient changes only within narrow limits at the lubricants in question for use and the influence of the load change on the thickness of the lubricant film (factor group W) can be neglected due to the low exponent. Dowson and Higginson therefore state for the calculation of the minimum thickness hmin of the lubricant film the following simplified formula, in which the terms G0'6 and W_0fl3 in the above formula are replaced by constants. This formula reads: h. = 5 x ifsllnx-lxí (II) min As can be seen from the two formulas, the thickness of the lubricant film is determined except by the viscosity n of the sliding speed u and the theoretical radius of curvature f of the contact surface. The object of the invention is to determine the comb geometry in the area of the comb tip, ie the area for critical lubrication film formation, in a comb of this kind, so that optimal lubrication conditions are achieved.

Küppfinningen avser sålunda en kam för styrning av ven- tiler i kolvmaskiner, medelst vilken kam ventilen öppnas mot kraften av en fjäder under bildande av en smörjmedelfilm genom att kammens topp glidande samverkar med en plan botten på en ventillyftare och lyfter denna en höjd betecknad z, varvid kammens form bestämmas av en av lyfthöjden beroende kröknings- radie betecknad rn och kammens bascirkelradie betecknad rc, och nämnda krökningsradier är bestämda enligt elasto- hydrodynamisk smörjningsteori för optimering av det bedöm- ningstal P, som är beroende av rn, r och z. Denna kam G kännetecknas av att bedömningstalet V= rn/(rG + z) är lika med eller större än 0,15 och lika med eller mindre än 0,25 eller om kammens form så tillåter är lika med eller större än 0,6.The invention thus relates to a cam for controlling valves in piston machines, by means of which the valve opens against the force of a spring while forming a lubricant film by the top of the cam sliding cooperating with a flat bottom of a valve lifter and lifting it a height designated z, wherein the shape of the cam is determined by a radius of curvature dependent on the lifting height denoted rn and the base radius of curvature of the cam denoted rc, and said radii of curvature are determined according to elastohydrodynamic lubrication theory for optimizing the judgment number P, which is dependent on rn, r and z. comb G is characterized in that the judgment number V = rn / (rG + z) is equal to or greater than 0.15 and equal to or less than 0.25 or if the shape of the comb so allows is equal to or greater than 0.6.

Som kriterium för denna insikt tjänar beräkningen av den minimala smörjfilmen hmin enligt Dowsons och Higginsons ekvation.As a criterion for this insight, the calculation of the minimum lubricating film hmin according to Dowson's and Higginson's equation serves.

För översiktlig härledning kan man betrakta den förenklade formeln 10 l5 20 25 30 35 7806696-6 II och närmare beskriva uppfinningen i anslutning till ett på ritningarna visat utföringsexempel.For a general derivation, one can consider the simplified formula 10 and describe the invention in more detail in connection with an exemplary embodiment shown in the drawings.

Fig. l visar rent schematiskt utförandet av en kam- styrning, fig. 2 beroendet av den hydrodynamiska bedömnings- karakteristiken av den relativa filmtjockleken hos smörjmedlet i form av ett diagram.Fig. 1 schematically shows the design of a cam guide, Fig. 2 depends on the hydrodynamic assessment characteristic of the relative film thickness of the lubricant in the form of a diagram.

I fig. l är en kam 1 antydd, vilken just löper in på en ventillyftare 2 med plan botten 3. Krökningsradien hos kammens basyta är betecknad RG och krökningsradien hos kampartiet med rN. Avståndet mellan medelpunkten 4 för kamytan från medelpunkten 5 för basytan i lyftarens rörelseriktning är betecknad a, vilket sålunda varierar med kammens vinkelläge. Detsamma gäller lyfthöjden z, som ju varierar med kamläget inom det område kammen och lyftaren berör varandra.In Fig. 1 a cam 1 is indicated, which just runs into a valve lifter 2 with a flat bottom 3. The radius of curvature of the base surface of the cam is denoted RG and the radius of curvature of the cam portion with rN. The distance between the center point 4 of the cam surface and the center point 5 of the base surface in the direction of movement of the lifter is denoted a, which thus varies with the angular position of the cam. The same applies to the lifting height z, which of course varies with the cam position within the area the cam and the lifter touch each other.

Till att börja med beräknas glidhastigheten ul vid kammen, vilken fås ur ul = rN x m. Glidhastigheten u vid lyftaren 2 fås 2 ur u2 = -a x m, visserligen noga taget vid lyftarens mitt.To begin with, the sliding speed ul at the ridge is calculated, which is obtained from ul = rN x m. The sliding speed u at the lifter 2 is obtained 2 from u2 = -a x m, albeit carefully at the center of the lifter.

Glidhastigheten u mellan kammen l och lyftaren 2 erhålls därur till u = 1/2 (ul + uz) = 1/2 x [Z rN - (rG + 2)] u» där visserligen avståndet -a ersatts av den plan lyftare gällande (IV) , ekvationen -a = rN - (rG + z) och insatts i ekvationen II. Om dessutom även den teoretiska krökningsradien ersätts med kam- krökningsradien rN får man för minsta tjockleken hos smörjfilmen h - t (r + z) 2 rm 2 - 'rm min - cons . G x ______ ______ (III) IG + Z IG + Z där "const.“ = 5 x l0_6 x-\ H-¿-9- 2 Denna funktion har två nollställen, nämligen vid rN = 0 r G X z och .r = 0,5 mellan vilka maximala värdet för hmin ligger, rN , med rG + z Om den dimensionslösa, geometriska storheten vilken profilen per grad kamvinkel är fastlagd, betecknas som hydrodynamiskt bedömningstal Y och om man hänför smörjfilmens 10 15 25 30 7806696- 6 minsta tjocklek hmin till det optimala värdet h som inom opt' det kritiska omrâdet O < Y < 0,5 överhuvudtaget är möjligt, så får man den relativa smörjfilmtjockíekenšÜ min _ l2Y2 “ Y! . šl h hopt (0<,Y<0'5) 0,123 För fullständighets skull anges också funktionen för den relativa smörjfilmtjockleken çz, vilken fås vid hänsynstagande till den fullständiga formeln för beräkning av hmip-värdet: h 0,7XY0;43 ' min : I(2Y-1)] hopt (0 Fig. 2 visar relativa smörjfilmtjockleken som funktion av det hydrodynamiska bedömningstalet Y. Av det faktum att det hydrodynamiska bedömningstalet Y är beroende av de geometriska storheterna för kammen l, såsom krökningsradie r bascirkelradie NI r och kamlyft z, av vilka kamlyftet z liksom krökningsradien G r ändras genom förslitning och därmed påverkar bedömningstalet Y? uppnås optimalt utförande av en kamprofil i det kritiska området 0 < Y < 0,5 blott när bedömningstalet Y i kamspetsen kommer att ligga till vänster om kurvmaximum (området I), eftersom därefter uppträdande slitning med en förskjutning av det hydrodynamiska bedömningstalet Y i riktningen 0,5 först medför en förbättring och, efter överskridandet av maximum en försämring av bildningen av en bärkraftig smörjoljefilm.The sliding speed u between the cam 1 and the lifter 2 is obtained therefrom to u = 1/2 (ul + uz) = 1/2 x [Z rN - (rG + 2)] u »where admittedly the distance -a is replaced by the plane lifter in force ( IV), the equation -a = rN - (rG + z) and inserted into the equation II. In addition, if the theoretical radius of curvature is also replaced by the cam radius of curvature rN, the minimum thickness of the lubricating film h - t (r + z) 2 rm 2 - 'rm min - cons is obtained. G x ______ ______ (III) IG + Z IG + Z where "const." = 5 x l0_6 x- \ H-¿-9- 2 This function has two zeros, namely at rN = 0 r GX z and .r = 0.5 between which the maximum value for hmin is, rN, with rG + z If the dimensionless, geometric quantity which the profile per degree of cam angle is determined, is denoted as hydrodynamic assessment number Y and if one refers to the minimum thickness of the lubricating film. hmin to the optimum value h which in opt 'the critical range O <Y <0.5 is generally possible, then you get the relative lubricating film thicknessíÜš min _ l2Y2 “Y!. šl h hopt (0 <, Y <0'5) 0.123 For the sake of completeness, the function of the relative lubricating film thickness çz is also given, which is obtained by taking into account the complete formula for calculating the hmip value: h 0.7XY0; 43 'min: I (2Y-1)] hopt (0 Fig. 2 shows the relative lubricating film thickness as a function of the hydrodynamic rating Y. The fact that the hydrodynamic rating Y is dependent on a v the geometric quantities of the cam l, such as radius of curvature r base circle radius NI r and cam lift z, of which the cam lift z as well as the radius of curvature G r are changed by wear and thus affect the judgment number Y? optimal performance of a comb profile is achieved in the critical range 0 <Y <0.5 only when the rating number Y in the cam tip will be to the left of the curve maximum (range I), since subsequent wear with a displacement of the hydrodynamic rating number Y in the direction 0 , 5 first leads to an improvement and, after exceeding the maximum, a deterioration of the formation of a viable lubricating oil film.

I området ( > 0,5 (området II) däremot medför slitning blott fördelar med avseende på smörjfilmbildningen.In the range (> 0.5 (range II), on the other hand, wear only entails advantages with respect to the lubrication film formation.

Detta område nås för övrigt blott sällan, exempelvis vid rundkammar. Det må dessutom nämnas, att kurvan 7 erhållits enligt Dowson-Higginsons förenklade formel och den sträckade kurvan 8 enligt den fullständiga formeln.Incidentally, this area is only rarely reached, for example at round combs. It may also be mentioned that the curve 7 is obtained according to Dowson-Higginson's simplified formula and the stretched curve 8 according to the complete formula.

Claims

7806696-6 ¿PATENT REQUIREMENT Cam for controlling valves in piston machines, by means of which cam (1) the valve is opened against the force of a spring while forming a Lubricant film by the top of the cam sliding cooperating with a flat bottom (3) on a valve lifter (2) and lifts it a height denoted z, the shape of the cam being determined by a radius of curvature dependent on the lift height denoted rn and the base radius of the cam denoted rG, and said radii of curvature being determined according to elasto-hydrodynamic lubrication theory of rn, rG and Z, feel 8 t 8 C k nia d that the assessment number P = rn / (rG + z) is equal to or greater than 0.15 and equal to or less than 0.25 or if the comb shape so allows is equal to or greater than 0.6.