DE3705114A1 - Nockenwelle aus gusseisen fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Bei modernen Brennkraftmaschinen tritt eine sehr hohe spezifische Flächenpressung zwischen den Nocken der Nockenwelle und den damit zusammenwirkenden Stößeln, Kipp- oder Schwinghebeln auf. Wegen seines guten Ver­ schleißverhaltens eignet sich Gußeisen (Grauguß, Sphäroguß oder Temperguß) besonders gut als Material für die Nockenwelle. Ein gravierender Nachteil von Gußeisen ist seine geringe Biegewechselfestigkeit, die zu Nockenwellenbrüchen führen kann, da die Nocken­ welle im Betrieb wechselnden Biegemomenten ausgesetzt ist. Solche Nockenwellenbrüche treten vornehmlich im Bereich bzw. kurz nach der ersten Lagerstelle auf, die dem Ende der Nockenwelle benachbart ist, auf dem das Antriebsrad angebracht ist, da durch die Antriebskette oder den Antriebsriemen ein hohes Biegemoment auf die Nockenwelle ausgeübt wird, die aufgrund der Drehung der Nockenwelle zu einer hohen Biegewechselbelastung führt.

Es sind zwar Gußwerkstoffe mit höherer Biegewechsel­ festigkeit bekannt, jedoch haben diese durchwegs eine kleinere zulässige spezifische Flächenpressung und dadurch ein schlechteres Verschleißverhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nocken­ welle aus Gußeisen zu schaffen, die einerseits eine hohe spezifische Flächenpressung zuläßt und damit ein günstiges Verschleißverhalten aufweist, bei der jedoch die Gefahr von Biegeschwingungsbrüchen auf ein Mindest­ maß reduziert ist.

Diese Aufgabe wird nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel zur Erzeugung einer Druckspannung in der Nockenwelle zumindest in dem Bereich vorgesehen sind, der sich von dem das Antriebs­ rad tragenden Ende bis zu der Stelle erstreckt, an der das von dem Antrieb auf die Nockenwelle ausgeübte Biege­ moment zu Null wird.

Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zu Nutze, daß die hier in Frage kommenden Gußwerkstoffe eine Schwellbelastung ertragen, die bis sechs Mal so hoch sein kann, wie die zulässige Biegewechselbelastung. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag werden in dem Gußeisen Druckspannungen erzeugt, die bei Drehung der Welle in Schwellbelastung umgewandelt werden. Dadurch kann die Nockenwelle um ein Vielfaches höher belastet werden, so daß bei einer Nockenwelle aus einem Material mit relativ geringer Biegewechselfestigkeit, jedoch mit einem guten Verschleißverhalten Brüche effektiv vermieden werden.

Die erwähnte Druckspannung kann durch eine Schraube erzeugt werden, die sich an dem antriebsseitigen Ende der Nockenwelle axial abstützt und sich in eine Längs­ bohrung der Nockenwelle erstreckt und in ein Innenge­ winde in dieser Bohrung eingreift, das in dem Bereich angeordnet ist, in dem das Biegemoment zu Null wird. Diese Schraube kann gleichzeitig zur axialen Fixierung des Antriebsrades verwendet werden.

Alternativ kann die Nockenwelle eine durchgehende Längs­ bohrung aufweisen, durch die sich ein Zuganker erstreckt, der an beiden Enden der Nockenwelle axial fixiert ist, nachdem durch Anziehen einer Schraube oder dergleichen an einem oder beiden Enden des Zugankers eine ent­ sprechende Druckspannung in dem Gußmaterial aufgebaut wurde.

Druckspannungen können in dem Gußmaterial schon beim Gießen der Nockenwelle erzeugt werden, indem ein von dem Gußmaterial umgossener Zuganker, der von einem Rohr oder einem Stab gebildet sein kann, vorgesehen ist, der aus einem Material besteht, dessen Längen­ ausdehnungskoeffizient größer ist als derjenigen des Gußmaterials, wobei Mittel zur Aufnahme der beim Ab­ kühlen des Gußmaterials entstehenden Schubspannungen in der Grenzschicht zwischen dem Zuganker und dem Guß­ material vorgesehen sind. Beim Abkühlen des Gußver­ bundes werden aufgrund der unterschiedlichen Längen­ ausdehungskoeffizienten in dem Zuganker Zugspannungen und in dem Gußmaterial Druckspannungen aufgebaut. Die an der Grenzschicht entstehenden Schubspannungen können durch entsprechende Oberflächenrauheit oder durch Profilieren der Oberfläche des Zugankers oder auch durch je einen Bund an beiden Enden des Zugankers auf­ genommen werden. Damit keine unerwünschte Abschreck­ wirkung des Gußmaterials am Zuganker erfolgt, kann dieser vorher angeheizt oder während des Gießvor­ ganges durch elektrischen Stromdurchfluß auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden. Zusätzlich werden dadurch unerwünschte Gasblasen im Guß vermieden. Bei einem Graugußmaterial mit einem Längenausdehnungs­ koeffizienten von α=9-10 kann für den Zuganker bei­ spielsweise einer der folgenden Werkstoffe verwendet werden:

10 NiCrAlTi 32.20- α = 15  2 CrNiSi 18.15- α = 16,5 15 CrNiSi 20.12- α = 16,5 üblicher Stahl- α = 12.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen be­ schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt einer Nockenwelle ent­ sprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm, aus dem der Verlauf des Biege­ moments im kritischen Bereich der Nockenwelle hervorgeht,

Fig. 3 ein Diagramm, der den Spannungsverlauf über den Querschnitt an der bruchgefährdeten Stelle X-X in Fig. 1 zeigt, wenn keine Druckvorspannung vorgesehen ist,

Fig. 4 ein Diagramm ähnlich Fig. 3, jedoch mit Druck­ vorspannung des bruchgefährdeten Bereiches der Nockenwelle,

Fig. 5 einen Längsschnitt einer Nockenwelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und

Fig. 6 einen Längsschnitt einer Nockenwelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

Die in Fig. 1 dargestellte Nockenwelle 1 ist unter anderem an den Stellen A, B und C in einem nicht dar­ gestellten Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ge­ lagert und mit Nocken 2 zur Betätigung nicht darge­ stellter Einlaß- und/oder Auslaßventile versehen. An dem in der Zeichnung linken Ende der Nockenwelle 1 ist ein Antriebsrad 3, im Ausführungsbeispiel eine Zahn­ riemenscheibe, mittels einer Feder 4 drehfest angebracht.

In der Nockenwelle 1 wird durch den Zug des Zahnriemens, der durch den Pfeil P veranschaulicht ist, auf die Nockenwelle 1 ein Biegemoment ausgeübt, dessen Verlauf in Fig. 2 dargestellt ist. Dieses Biegemoment erzeugt beim Umlauf der Nockenwelle 1 eine Biegewechselbe­ lastung, die im Querschnitt X-X zu einem Bruch führen kann, wenn für die Nockenwelle ein Gußeisen verwendet wird, das zwar gute Verschleißeigenschaften, jedoch eine geringe Biegewechselfestigkeit aufweist. Um die guten Verschleißeigenschaften dieses Materials aus­ nutzen zu können und gleichzeitig die Bruchgefahr auf ein vertretbares Maß zu reduzieren, wird in dem Bereich der Nockenwelle 1, der sich von dem Angriffspunkt der Antriebskraft P bis zu der Stelle Z erstreckt, an der das Biegemoment zu Null wird (siehe Fig. 2), eine Druck­ spannung erzeugt, welche die Biegewechselspannung in dem gefährdeten Querschnitt X-X, die in Fig. 3 dar­ gestellt ist, überlagert und in eine reine Druckspannung gemäß Fig. 4 umwandelt. Bei der Ausführung gemäß Fig. 1 wird diese Druckspannung durch eine Schraube 5 erzeugt, die sich in eine Längsbohrung 6 in der Kurbelwelle 1 erstreckt, sich mit ihrem Kopf 7 über die Zahnriemen­ scheibe 3 am linken Ende der Nockenwelle 1 abstützt und mit ihrem Gewinde 8 in ein Innengewinde 9 der Bohrung 6 eingeschraubt ist, welches im Bereich des Nulldurchganges Z des Biegemoments angeordnet ist. Beim Festziehen der Schraube 5 wird somit in dem Bereich der Nockenwelle 1, der sich vom linken Ende der Nockenwelle bis zum Nulldurchgang Z des Biege­ moments erstreckt, die erwähnte Druckspannung aufge­ baut, so daß der in Fig. 4 dargestellte Spannungsver­ lauf im gefährdeten Querschnitt X-X erreicht wird.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 im wesentlichen da­ durch, daß die Nockenwelle 1′ mit einer durchgehenden Längsbohrung 10 versehen ist, durch welche sich ein Zuganker 11 erstreckt, dessen Schraubenkopf 12 sich über die Zahnriemenscheibe 3′ am linken Ende der Nocken­ welle 1′ abstützt und auf dessen Ende 13 eine Mutter 14 aufgeschraubt ist, die sich am rechten Ende der Nocken­ welle 1′ abstützt. Durch Festziehen der Mutter 14 wird in der Nockenwelle 1′ eine Druckspannung aufgebaut, durch die in jedem Querschnitt der Nockenwelle die sonst gemäß Fig. 3 auftretende Biegewechselbelastung in eine Druck- Schwellbelastung umgewandelt wird. Der Zuganker 11 kann von einem massiven Stab oder auch von einem Rohr ge­ bildet sein.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 wird die Druck­ spannung in der Nockenwelle 1′′ bereits beim Gießen erzeugt. Zu diesem Zweck ist in die Nockenwelle 1′′ ein rohrförmiger Zuganker 15 eingegossen, der sich über die ganze Länge der Nockenwelle 1′′ erstreckt und aus einem Material besteht, dessen Längenausdehnungs­ koeffizient größer ist als derjenige des Gußmaterials. Beim Abkühlen des Gußverbundes werden aufgrund der unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten in dem Zuganker 15 Zugspannungen und in dem Gußmaterial Druckspannungen aufgebaut. Um die beim Abkühlen des Gußmaterials in der Grenzschicht zwischen dem Zuganker 15 und dem Gußmaterial entstehenden Schubspannungen aufzunehmen, ist der Zuganker 15 an beiden Enden je­ weils mit einem Bund 16 bzw. 17 versehen, an dem sich das Gußmaterial axial abstützt. Der Bund 16 weist ein Innengewinde 18 zur Aufnahme einer Schraube 19 für die Befestigung der Zahnriemenscheibe 3′′ auf. Zusätzlich zu den Bunden 16 und 17 oder anstelle derselben kann die Oberfläche des Zugankers 15 zur Aufnahme der Schubspannungen aufgerauht oder profiliert sein, wie dies schematisch durch die dicken Linien 20 angedeutet ist. An Stelle eines rohrförmigen Zugankers kann auch ein massiver Stab eingegossen werden.

Die Wirkung des eingegossenes Zugankers gemäß Fig. 6 ist im Prinzip die gleiche wie diejenige des durch­ gehenden Zugankers gemäß Fig. 5.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Vorschlages ergeben sich naturgemäß auch dann, wenn der Antrieb der Nocken­ welle nicht durch einen Zahnriemen, sondern durch eine Kette erfolgt, da in beiden Fällen eine Biegewechsel­ belastung der Nockenwelle erfolgt, die durch die Er­ findung in eine Druck-Schwellbelastung umgewandelt wird.

Claims (8)

1. Nockenwelle aus Gußeisen für Brennkraftmaschinen, die an einem Ende ein Antriebsrad für ein endloses Zugmittel trägt, gekennzeichnet durch Mittel (5, 11, 15) zur Erzeugung einer Druck­ spannung in der Nockenwelle (1, 1′, 1′′) zumindest in dem Bereich, der sich von dem genannten Ende bis zu der Stelle (Z) erstreckt, an der das von dem Antrieb auf die Nockenwelle ausgeübte Biege­ moment zu Null wird.

2. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Druckspannung eine Schraube (5) vorgesehen ist, die sich an dem genannten Ende der Nockenwelle (1) axial abstützt und sich in eine Längsbohrung (6) der Nockenwelle erstreckt und deren Gewinde (8) in ein Innengewinde (9) in der genannten Bohrung eingreift, das in dem Bereich angeordnet ist, in dem das Biegemoment zu Null wird.

3. Nockenwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (5) gleichzeitig zur axialen Fixierung des Antriebsrades (3) verwendet ist.

4. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine durchgehende Längsbohrung (6) aufweist, durch die sich ein Zuganker (11) erstreckt, der an beiden Enden der Nockenwelle (1′) axial fixiert ist.

5. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen eingegossenen, sich über die ganze Länge der Nockenwelle (1′′) erstreckenden Zuganker (15) aus einem Material aufweist, dessen Längenaus­ dehnungskoeffizient größer als derjenige des Guß­ materials, und daß Mittel (16, 17) zur Aufnahme der beim Abkühlen des Gusses entstehenden Schubspannungen in der Grenzschicht zwischen dem Zuganker (15) und dem Gußmaterial vorgesehen sind.

6. Nockenwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Zugankers (15) zur Aufnahme der Schubspannungen aufgerauht oder profiliert ist.

7. Nockenwelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuganker (15) an seinen Enden jeweils einen Bund (16, 17) aufweist, an dem sich das Gußmaterial axial abstützt.

8. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Zuganker von einem Rohr oder von einem massiven Stab gebildet ist.