Motorlarda kam-ventil mekanizmasının teorik ve deneysel incelenmesi

Abstract

ÖZET Bu çalışmada, içten yanmalı motorlarda yaygın biçimde kullanılan kam tahrikli bir ventil mekanizmasının dinamiği teorik ve deneysel açıdan incelenmektedir. Tekniğin bugünkü durumunda, söz konusu mekanizmaların dinamik davranışını teorik açıdan incelemek için tek serbestlik dereceli modelin yeterli olabildiği bilinmekte ve basitliği sebebiyle tercih edil mekteyse de, bazı yazarlar tarafından sonlu ve sonsuz sayıda çok serbestlik dereceli modellerde ele alınmaktadır. Modellemedeki bu iki eğilimi birleştirici tarzda bu çalışma çerçevesinde, birisi tek serbestlik dereceli ve diğeri sonsuz sayıda çok serbestlik dereceli iki ayrı model kullanılmış, aynı zamanda bunlar birbirleriyle muhtelif açılardan muka yese edilmişlerdir. Teorik hesapların kontrolü için deney maksadıyla bir ventil mekanizması inşa olunmuştur. Bazı işletme ve konstrüksiyon parametrelerinin ventil mekanizma sının çalışmasını nasıl etkilediğini görmek için kam mili devir sayısı, ventil yayı öngerilme kuvveti, ventil boşluğu ve tij boyu değiştirilerek hesap ve deneyler yapılmıştır. Orta hızlarda tek ve sonsuz serbestlik dereceli modelin mertebece aynı sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Buna mukabil sonsuz serbestlik dereceli modelde kuvvet-kapalılığın daha hassas kontrolü mümkün olmaktadır. ıx

DIE THEORETISCHE UND EXPERIMENTED UNTERSUCHUNG VON NOCKEN- GESTEUERTEN VENTILTRIEBEN AN VERBRENNUNGSMOTOREN ZUSAMMENFASSUNG Der Gaswechsel an Viertakt-Motoren wird durch nockengesteuerte Ventiltriebe durchgefiihrt. Hier handelt es sich um Ein-und Auslass- ventile, die mindestens von einer Nockenwelle bewegt werden. Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle über einen Ketten-oder Riemenrad angetrieben und dreht sich mit halber Motordrehzahl um. Dieses System nennt man einfach `Ventilsteuerung`. Anfang unseres Jahrhunderts waren die Drehgeschwindigkeiten von Maschinen gegenüber dem heutigen Zustand ziemlich niedrig. Das gilt auch für Verbrennungsmotoren. Deswegen bot der Entrwurf von Nocken- getrieben zum Gaswechsel keine Schwierigkeit. Als die Drehgeschwindig keiten parallel zur technologischen Entwicklung überraschend stiegen, traten die Probleme im Bereich der Ventilsteuerung auf. Die zwei von den obengenannten Problemen sind besonders hier zu ernennen: - Der ungünstige Einfluss der Ventiltriebselastizitaets auf die Ventilbewegung, - Das Ve rlo rengehen des Kraftschlusses zwischen Nocken und Ventil in unerwarteten Zeitpunkten. Es ist klar, dass die Bemühungen der Motorenhersteller durch Drehzahlsteigerung das Verhaeltnis von Leistung zu Gewicht und/oder zu Bauvolumen zu verbessern, oft mit erheblichen in Ventilantrieben auftretenden Schwierigkeiten verbunden sind. Es kann daher gesagt werden, dass dieses Thema noch lange Zeit seine Aktualitaet nicht verlieren wird. Grundsaetzlich kann man die Nockengetrieben nicht unabhaengig von Kurvengetrieben denken. Das Nockengetriebe stellt eine Anwendung des Kurvengetriebes in Verbrennungsmotoren dar. In anglo-amerikanischer Literatür nennt man alle diese Getriebe `Cam Mechanisms`. Eine Auf- teilung der Nocken-und Kurvengetriebe trifft man nur in deutsch- sprachiger Literatür. Die dynamischen Untersuchungen von Nockengetrieben wurden bis heute im allgemeinen auf zwei Wegen durchgefiihrt: - Die sich für die Prof ilk inematik interessierenden Arbeiten: In diesen Arbeiten werden die Profile untersucht, die günstig kine- maticshe Eigenschaften aufweisen. Im Rahmen dieser Arbeiten wurden auch Profile vorgeschlagen, die im Getriebe keine unerwiinschtedynamische Vorgaenge verursachen, sodass das Getriebe ein gutes Antriebsverhalten zegien wird. Gebrauch und Modifizieren von Standartfun.ktion.en und algebraischen Polynomialen am Nockenprof il, die Untersuchung der Profile durch Fourier-Re ihen mit endlichen Gliedern, Prof ilensynthese anhand nümerischer Verfahren, Überprüfen von Ubertragungswinkeln und Kriimmungsradien u.a. Themen werden in der Prof ilk inematik behandelt. - Die auf die Systemkinetik bezogenen Arbeiten: Man versucht in diesen Arbeiten, die Eigenfrequenzen des Systems: zu berechnen und sein dynamisches Verhalten gegen ein vorgeschriebenes Bewegungs- gesetz festzustellen, aber auch manche dynamische Parameter so zu ermitteln, dass das dynamische Verhalten des Getriebes günstig beeinflusst wird. Diese Arbeiten umfassen das Systemmodellieren, die dynamische Antwort des Endglieds (Ventils), sowie die Stoss- und Ruckyo rgaenge infolge des Ventilspiels und der Herstellungs- tolerenzen u.a. Themen. Heute ist man zum Schluss gelangen, dass das Model mit einem Freiheitsgrad bei der Untersuchung eines Nockengetriebes befriedigend sein kann, Dabei gebraucht man auch komplizierte Modelle, in denen einige Getriebeglieder als Kontinuum angesehen werden. Bei den Nockengetrieben trifft man verschiedene Schwingungsarten. In mehreren Arbeiten der letzten 20 Jahre sind oft auch die Elastizitaet der Nockenwelle zur Berechnungen herangezogen worden. Die Mehrzahl der bis jetzt durchgefiihrten Arbeiten beschaeftigen sich wegen der Brauchbarkeit und Einfachheit mit den Modellen, die nur einen Freiheitsgrad haben. Jedoch unterscheiden sich die Eigenfrequenzen des Modells, welches eine kontinuierliche elastische Stösselstange hat, von denen des Modells, das nur durch eine Masse und einen Feder dargestellt wird (27). Wie bereits erwaehnt, liegt ein wichtiges Problem des konventionellen Ventiltriebs darin, dass die Ventilbewegung wegen der Gestaengeelâstizitaet bei hohen Drehgeschwindigkeiten von der vorgeschriebenen abweicht. Darüber hinaus kann der Kraftschluss zwischen Nocken und Ventxl verloren gehen und dieses f liegt iiber einen bestimmten Nockenwinkelbereich solange frei, bis Kraft schluss wiederhergestellt wird. Erfolgt dies beim Nockenablauf nicht, so trifft das Ventil mit hoher Geschwindigkeit auf seinen Sitz, was Beschaedigungen des Ventiltellers und des Sitzes zur Folge haben kann, Kurz gesagt, bei dynamischer Untersuchung des Ventiltriebs fallen zwei verschiedene Tendenzen auf. Die erste behandelt den Ventiltrieb als Einmassenschwinger, der aus einer Masse und einem Feder besteht, und die zweite benützt ein Modeli, in dem eines o der mehrere der Getriebeglieder als Kontinuum angenommen werden. Wegen des hohen Rechenaufwandes sind die Arbeiten der zweiten Gruppe im Vergleich zu der ersten ziemlich wenig. Obwohl die Themen wie Nockenherstellungsfehler, Nocken- abnutzung, Ungleichmaessigkeit der Nockenwellendrehung, Torsions- XIschwingungen der Nockenwelle, Einflüsse der Ventiltriebe in dem- selben Motor aufeinander, Elastizitaet des Ventiltriebs von verschiedenen Autoren saemtlich öder einzelnerweise behandelt werden, ist heute zum Schluss gekommen, dass die Gestaenge- elastizitaet in meisten Faellen den grössten Einfluss auf die Isthubkurve des Ventils dargestellt. Nach dem Studium der einschlaegigen Literatür wurde es als Aufgabe der vorliegenden Arbeit genommen, einen Ventiltrieb durch matematische Modelle mit einem und auch unendlich vielen Freiheitsgraden theoretisch zu untersuchen und die Übereinstimmung der daraus gewonnenen Ergebnisse mit denen, die im Labor ermittelt worden, zu überprüfen. Um dynamisches Verhalten des Ventiltriebs experimentell festzustellen, wurde ein Prüfstand aufgebaut. Somit wurde es möglich die Einflüsse von verschiedenen Betriebs-und Konstruk- tionsparameter (wie Maschinendrehzahl, Federvorspannkraf t, Daempfungkoeff izient, Ventilspiel, Elastizitaet der System- glieder u.a) auf die Ventilbewegung zu ermitteln. In dieser Arbeit wurde mit dem Betriebsverhalten des Ventiltriebs mehr beschaeftigt als Prof ilkinematik. Aus diesem Grund umfasst sie den Modellaufbau eines gegebenen Ventiltriebs, die rechnerische öder experimentelle Ermittlung der Daempfung und Steif igkeiten im System sowie der Eigenfrequenz. Die Messung der Stangenkraft, des Ventilhubes, der Ventilgeschwindigkeit und Ventilbeschleunigung wurde auch durchgeführt. Die Übereinstimmung und Unterschiede zwischen theoretischen und experimentellen Er- gebnissen wurden diskutiert. Es wurde dabie versucht, ein be im Modellieren eines ausğeführten öder zu entwerfenden Ventiltriebs allgemeingültiges Verfahren zu erklaeren. Die vorliegende Arbeit setzt sich aus fünf Abschnitten zusammen. im ersten Abschnitt ist eine kurze Information über das Thema sowie die Feststellung deş Ziels und Umfangs der Arbeit gegeben. Die betref fende Literaturrechherche bildet den zweiten Abschnitt. in dem dritten gibt man zuerst die Grundkenntnisse für dynamische Untersuchung eines Ventiltriebs. Spaeter werden zwei Modelle (s. Abbild 3.2 und 3.7) mit einem und unendlich vielen Freiheitsgraden dargestellt, die der theoretischen Berechnung zugrundegelegt werden, und die entsprechenden Bewegungsgleichungen abgeleitet. Obwohldie Bewegungsgleichung des Modells mit einem Freiheitsgrad mathematisch einfach gelöst werden kann, ist es ziemlich schwierig, den Kraf tschluss Schritt für Schritt zu prüfen. Die Bewegungsgleichungen des zweiten Modells sind eine hyperbelsche partielleDifferentialgleichüng für die Stösselstange und dazu eine gewohnliche für die Masse m^ (s. Abbild 3.7). Auch dabei ist eine analyticshe Lösung möglich, solange der Kraftschluss nicht ver- lorengeht. Aus dem Grund, dass sich die Anfangsbedingungen der Differentialgleichungen bei jedem Verlorengehen und Wiederher- stellen des Kraftschlusses veraendern, ist der nümerische xiıLoaungsweg bevorzugt worden. Zu diesem Zweck wurden die Rechen- programme für zwei Modelle erstellt und an einem Rechner der Fa. DIGITAL in Uludağ UniVersitaet benutzt. Im vierten Abschnitt ist Versuchsmethoden, verwendete Messgeraete und erzielten Ergebnisse gegeben. Es wurde im letzten Abschnitt einen besonderen Wert darauf gelegt, die theoretischen und experimen tellen Ergebnisse miteinander zu vergleichen und aüch einige zur Untersuchung eines Ventiltriebs zu berücksichteigende Punkte festzustellen una Rückachlüsse auf die Verwirkl ichung der spae teren Modelluntersuchung sowie die Giiltigkeit der gewonnenen Ergebnisse in bezug auf Betriebsverhalten zu ziehen. Ein Vergleich zwischen zwei Modellen, die in dieser Arbeiten behandelt wurden, liefert die folgenden Ergebnisse: - Waehrend der Kraftschluss beim Modeli mit unendlich vielen Freiheitsgraden (abgekiirzt: m.u.v.F.) an verschiedenen Berührungs- stellen - z.B. zwischen Stössel und Stösselstange, zwischen Stössel- stange und Kipphebel sowie Kipphebel und Ventil-überprüft werden kann, ist dies bei dem Modeli mit einem Freiheitsgrad (abgekiirzt: m.e.F.) nicht möglich. Bei ihm kann man nur global verstehen, ob der Kraftschluss im Getriebe vorhanden ist oder nicht. Aber die Zeitpunkten, in denen Kraftschluss verloren geht und wieder- hergestellt wird. - Bei der Berechnung der Stangenkraft weisen die beiden Modelle einen unwesentlichen Unterschied um 4 % an numerischen Werten auf. Alldieses Gesagte gilt für mittleren Drehgeschwindig- keiten von 500 bis 1500 Nockenwellennumdrehung pro Minute. - Das Rechenprogramm für das Modeli m.u.v.F. braucht einen 6-fach grösseren Speicherplatz und eine etwa 2-fach laengere Rechenzeit als das andere. - Beim Modeli m.u.v.F. muss man mehr Systemkoef f izienten-wie Daempfung und Steifigkeit- theoretisch und experimentell bestimmen, als bei dem m.e.F., das vorgezogen wird, weil es mit weniger und leicht feststellbaren Systemparametern dargestellt werden kann. Beim Modellieren eines gegebenen Ventiltriebs müsaen die folgenden Punkte berücksichtigt werden: - Die Gesamtsteif igkeit (k, im Modeli m.e.F.) ist veraen- derlich über eine Periode. Deswegen muss ihre Messung für eine voile Drehung der Nockenwelle durchgeführt werden. - Die Daempfung (d + d., im Modeli m.e.F.) veraendert sich auch in einer Periode. Sie spıelt zum Abklingen der erzwungenen Schwingung im Getriebe eine wichtige Rolle. Es kann die Coulombsche Reibung z.B. zwischen Ventil und Ventilführung geben. Auf den Diagrammen der Stangenkraft faellt eine plötzliche Kraftabnahme beim maximalem Hub auf. Diese weist auf eine Reibung hin. - Falls die diskreten Hubwerte anstelle der analytischen Hubfunktion sowie die Different-Gleichungen gebraucht oder eine diskrete Fourier-Analyse durchgeführt werden, muss die Anzahl der diskreten Werte nicht kleiner sein, als die aus folgender Bedingung bestimmte (42) : xmsT_ ti K max Wobei ü) die Eigenfrequenz des Systems un d ti die tnaximale Betriebswinkelgeschwindigkeit ist. Um die Einfluss© verschiedenâr B©eriebs~und Konsfcrukfcions- paramater auf di© Ventllbewegung zu untersuehaa, wurde die Varsuch® durchgeführt, indem die Federvorspannkraf t, die Drehgeschwindigkeit, das Ventilspiel und die Stangenlaenge geandert werden. Aus den Rekorden dieser Versuche ergaben sich die folgenden Ergebnisse: - Bei der Zunahme der Federvorspannkraf t werden die Schwin- gunsamplituden grosser. Demgegeniiber verlaeuft die Ventilbe- schleunigungskurve an niedrigeren Werten. Das Verhaeltnis der nach dem Durchlaufen des Ventilspiels in der Stange entstehenden Kraft zu der Federvorspannkraf t wird umso kleiner, je grosser die Federvorspannkraf t wird. - Die Drehzahlsteigerung bewirkt einen schlechten Kraft- verlauf. In mittleren Drehzahlen veraendert sich die Grösse der Kraef te nicht so viel. - Bei den Ventilspielen von 0,2-0,3 mm sind die Beschleuni- gungsverlaeufe fast gleich. Ein Ventilspiel von 0,6 mm wirkt sich ungünstig auf den Beschleunigungsverlauf bei grösseren Federvors- pannkraft, weil die Schwingungen nach dem Stoss der Stange auf den Kipphebel grosse Amplituden haben, waehrend dieses Spiel bei kleinerer Federvorspannkraf t keinen grossen Einfluss auf die Be- schleunigungskurve hat. - Eine 8 % - ige Zunahme der Stangenlaenge hat keinen wesent- lichen Einfluss auf die Ventilbeschleunigung, waehrend negative Beschleunigungswerte bei laengerer Stösselstange absolut kleiner ist als bei der Kurzen. Positive Beschleunigungswerte sind in gleicher Grösse. Bei kürzerer Stösselstange hat der Kraftverlauf niedrigere Werte als beim anderen, d.h. die kürzere Stösselstange iibertraegt die Bewegung besser. xiv