DE3636933A1 - Mechanischer drehzahlregler fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Drehzahlregler für Brennkraftmaschinen zur Regelung der Fördermenge bei Einspritzpumpen mit einem fliehkraftbetätigten Reglermeßwerk, das auf den Reglerhebel wirkt.

Fliehkraftbetätigte Drehzahlregler, die von der Brenn­ kraftmaschine selbst angetrieben werden, können infolge von Erschütterungen und besonders von Resonanzfrequenzen ein instabiles Regelverhalten aufweisen.

Weitere Störungen können durch starke Drehmomentschwankun­ gen auftreten, die von der Pumpe ausgelöst werden und von deren Druckunterschieden während eines Arbeitspiels her­ rühren.

In dem System des herkömmlichen Drehzahlreglers wirken konstante Reibungskräfte. Bei niedrigen Drehzahlen sind die Fliehkräfte geringer als bei hohen, so daß bei niedri­ gen Drehzahlen die Reibung schlechter überwunden wird als bei hohen. Die Reibung bewirkt also unterschiedliche Hysteresen in den Abregelkennlinien über den Drehzahlbe­ reich des Motors. Bei hohen Drehzahlen sind die Hysteresen klein, bei niedrigen Drehzahlen größer. Durch eine zusätz­ liche Reibung im Reglersystem kann diese Instabilität un­ terdrückt werden. Wird diese Reibung aber in unkontrol­ lierter Weise, z. B. durch eine konstant wirkende Kraft, aufgebracht, besteht die Gefahr, daß die Hysteresen auf­ grund der stärkeren Reibung noch größer werden und der Regler ein träges Ansprechverhalten zeigt.

Bei vorhandenen freien Massenmomenten erster Ordnung ist die Ursache der Reglerinstabilität zwar durch einen Mas­ senausgleich zu beseitigen, beispielsweise durch ein Mas­ senausgleichsgetriebe, diese Maßnahme ist allerdings sehr aufwendig.

Es wurde deshalb nach Lösungen zur Reduzierung der stören­ den Einflüsse gesucht.

Aus der AT-PS 1 83 992 ist ein Fliehgewichtsregler für eine Einspritzbrennkraftmaschine bekannt. Um die Einwirkung von Stößen und Vibration des Antriebs auf den Regler zu ver­ mindern und den Gang des Reglers gleichförmiger zu machen, ist der Regler drehelastisch mit seinem Antrieb verbunden. Zusätzlich wird eine Reaktionskraft der auf die Fliehge­ wichte wirkenden Fliehkraft auf eine als Reibungsdämpfer ausgebildete Dämpfungseinrichtung wirksam gemacht, wobei die Anpreßkraft des Reibungsdämpfers durch die die Flieh­ gewichte belastende Federung erzeugt wird. Der Fliehge­ wichtsträger wird stirnseitig gegen den Flansch der Ein­ spritzpumpenwelle gepreßt, wobei die Anpreßkraft durch die Reglerfeder erzeugt wird, deren Druck über eine Hülse, die Arme der Fliehgewichte und Bolzen auf den Fliehgewichts­ träger übertragen wird. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Reglerfeder gleichzeitig den Anpreßdruck aufbrin­ gen muß, und daß bei Verschleiß der Reibfläche der gesamte Fliehgewichtsträger ausgewechselt werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Regelver­ halten eines mechanischen Drehzahlreglers durch einfache konstruktive Maßnahmen gegenüber störenden Einflüssen wie Erschütterungen, Resonanzfrequenzen und Drehmomentschwan­ kungen zu stabilisieren.

Die Aufgabe wird mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Zwischen der Antriebswelle des Reglermeßwerks und der auf der Antriebswelle verschieblich angeordneten Reglermuffe zur Betätigung des Reglerhebels befindet sich mindestens ein fliehkraftbetätigter Reibungskörper.

Die Störanfälligkeit eines mechanischen Drehzahlreglers hängt naturgemäß von der Reibung in seinem Reglermeßwerk ab. Je größer die Reibung innerhalb des Reglermeßwerks ist, umso stabiler, damit aber auch reaktionsärmer, d. h. träger, ist der Drehzahlregler. Bei einem Regelvorgang muß immer zunächst eine zusätzliche Reibkraft überwunden wer­ den, ehe der Regler den erforderlichen Regelprozeß ausfüh­ ren kann. Diese Reibung ist, unabhängig von der Drehzahl, immer vorhanden, so daß sich über den Drehzahlbereich des Motors verschieden große Hysteresen der Abregelkennlinien ergeben. Bei hohen Drehzahlen und hohen Fliehkräften wird die Reibung leichter überwunden und die Selbsthemmung nimmt ab, so daß kleine Hysteresen entstehen. Bei niedri­ gen Drehzahlen ist die Fliehkraft geringer, so daß auch größere Hysteresen entstehen. Der Regler hat also kein gleichmäßiges Ansprechverhalten über dem gesamten Dreh­ zahlbereich. Die Erfindung geht davon aus, eine genaue do­ sierte Reibung herzustellen, so daß die Hysteresen inner­ halb des gesamten Drehzahlbereichs klein und etwa gleich groß sind.

Als besonders vorteilhaft erweist sich deshalb eine von der Fliehkraft abhängige Reibung. Die dadurch entstehende Reibungskraft ist genau definiert, denn sie nimmt mit dem Quadrat der Drehzahl zu und kann zudem über das Gewicht der Reibungskörper im gewünschten Umfang gesteuert werden.

Erfindungsgemäß befinden sich die fliehkraftbetätigten Reibungskörper jeweils in auf dem Umfang verteilten Boh­ rungen der Antriebswelle oder einer ihr aufgeschobenen Hülse. Die Bohrungen verlaufen senkrecht oder nahezu senk­ recht zur Drehachse und münden auf der Gleitfläche der verschieblich angeordneten Reglermuffe.

Dreht sich die Antriebswelle des Drehzahlreglers, bewegen sich die Reibungskörper innerhalb der Bohrungen radial nach außen. Sie treffen dort auf die Reglermuffe. Mit steigender Drehzahl wird durch die Fliehgewichte die Reg­ lermuffe längs der Antriebswelle des Drehzahlreglers oder längs einer der Antriebswelle aufgesetzten Hülse verscho­ ben. Die Reibungskörper treffen auf die Gleitfläche der Reglermuffe, die nun in senkrechter Richtung zu ihrer Be­ wegungsrichtung verschoben wird. Je höher die Drehzahl, desto höher ist auch die Fliehkraft, mit der die Reibungs­ körper gegen die Gleitfläche der Reglermuffe gedrückt wer­ den. Die Fliehkraft nimmt mit dem Quadrat der Drehzahl zu, somit auch die Kraft, die von den Reibungskörpern auf die Reglermuffe ausgeübt wird. Die Fliehkraft und die dadurch bewirkte Reibkraft ist durch die Masse der Reibungskörper und die Drehzahl des Reglermeßwerks genau definiert. Es wird eine Reibung im Reglersystem erzeugt, die bei hoher Drehzahl des Motors hoch und bei niedriger Drehzahl des Motors entsprechend dem Quadrat der Drehzahl geringer ist und somit die Hysteresen im Regelbereich des Drehzahlreg­ lers, vor allem im unteren Drehzahlbereich, gering hält.

Die übrigen Eigenschaften des Reglers, beispielsweise das automatische Einschalten der Startmenge, wird durch die mit Hilfe der Reibunskörper aufgebrachten Reibung nicht beeinflußt, da bei stillstehendem Motor von ihnen keine Reibungskräfte aufgebracht werden.

Die Reibungskörper können vorteilhaft Kugeln oder Stifte sein, die sich leichtgängig in den Bohrungen bewegen. Bei Kugeln tritt beim Verschieben der Reglermuffe nur Rollrei­ bung auf, während bei Stiften, die gegen die Gleitfläche der Reglermuffe gedrückt werden, Gleitreibung auftritt. Da die Gleitreibung immer größer als die Rollreibung ist, kann eine genau definierte erwünschte Reibung eingestellt werden. Beispielsweise können in abwechselnder Folge Rei­ bungskörper als Kugeln und Stifte in die Bohrungen einge­ setzt werden.

Die Bohrungen für die Reibungskörper sind in der Tiefe größer als der Durchmesser der kugelförmigen Reibungskör­ per bzw. die Länge der stiftförmigen Reibungskörper. Da­ durch ist vorteilhaft gewährleistet, daß bei niedrigen Drehzahlen oder bei Stillstand die Reibungskörper entspre­ chend der Beweglichkeit innerhalb der Bohrungen nur sehr geringer Reibungskräfte auf die zu verschiebende Regler­ muffe ausüben.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die erfindungsge­ mäße Vorrichtung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel eines erfin­ dungsgemäßen mechanischen Drehzahlreglers im Schnitt,

Fig. 2 zeigt die Auswirkung der unkontrollierten Reibung bei der Drehzahlregelung an einem schematisierten Drehzahl-Regelstangenweg-Diagramm und einem überlagerten, schematisierten Drehzahl-Leistungs-Diagramm,

Fig. 3 zeigt die gleichen Diagramme bei einem Drehzahlregler mit drehzahlabhängiger Dämpfungsreibung.

In Fig. 1 ist der Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mechanischen Drehzahlreglers dar­ gestellt. Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des Reglermeßwerks 1 des Drehzahlreglers ist zusätzlich in ei­ ner schwächeren Strichstärke die Kontur des Reglerhebels 2 und der von diesem betätigten, federbelasteten Regelstange 3 hinzufügt.

Das Reglermeßwerk 1 des Drehzahlreglers ist direkt auf der Nockenwelle 4 der hier nicht dargestellten Einspritzpumpe mit einer Schraube 5 befestigt, die gleichzeitig als An­ triebswelle des Drehzahlreglers dient. Die Schraube 5 sichert mit einer Scheibe 6 das Antriebsrad 7 des Dreh­ zahlreglers und die Meßwerkhülse 8. Das Reglermeßwerk 1 des Drehzahlreglers liegt hinter einer Gehäusewand 9, wo­ bei der Durchtritt der Meßwerkhülse 8 durch einen Dicht­ ring 10 geschützt wird.

Auf der Meßwerkhülse 8 sitzt das Drehzahlreglermeßwerk 1, das den Reglerhebel 2 betätigt, bestehend aus dem Fliehge­ wichtsträger 11 mit den Fliehgewichten 12, die die Regler­ muffe 13 verschieben und dadurch den Reglerhebel 2 betäti­ gen. Der Reglerhebel 2 liegt mit dem Außenring eines Ku­ gellagers 14 an der Schulter 15 der Reglermuffe 13 an. Da­ durch wird es möglich, die der rotatorischen Bewegung der Reglermuffe 13 überlagerte translatorische Bewegung auf den Reglerhebel 2 zu übertragen.

Von der Kurbelwelle ausgehend wird über das Antriebsrad 7 der Drehzahlregler und damit auch die Nockenwelle der Ein­ spritzpumpe angetrieben. Mit steigender Drehzahl werden die Fliehgewichte 12 aufgrund zunehmender Fliehkräfte nach außen gedrückt. Dabei steigen die Kräfte auf die Regler­ muffe 13 an, die verschiebbar auf der Meßwerkhülse 8 sitzt. Die Reglermuffe 13 wird aus ihrer Ruhelage verscho­ ben und drückt über ihrer Schulter 15 den Reglerhebel 2 seinerseits aus seiner Ruhelage.

Wie aus der Wirkungsweise des Drehzahlreglers ersichtlich, kann über die Reibung der Reglermuffe 13 ein sehr starker Einfluß auf das Regelverhalten ausgeübt werden, denn die Reglermuffe 13 gleitet auf der Meßwerkhülse 8 und die Fliehgewichte 12 wiederum gleiten auf der Reglermuffe 13. Die innere Reibung des Drehzahlreglers hat sowohl eine po­ sitive als auch eine negative Auswirkung auf das Regelver­ halten. Es gilt deshalb, optimale Reibungsverhältnisse zu finden. Zu viel Reibung macht den Drehzahlregler schwer­ gängig und unfähig, Steuerbefehle schnell und präzise aus­ zuführen. Bei zu wenig Reibung wird der Drehzahlregler störanfällig, besonders gegenüber drehzahlbedingten Schwingungen, Resonanzfrequenzen und Erschütterungen. Bei niedrigen Drehzahlen ist die Störanfälligkeit groß.

Erfindungsgemäß ist deshalb zur Lösung des Problems, der Einstellung optimaler Reibungsverhältnisse, der Drehzahl­ regler mit fliehkraftbetätigten Reibungskörpern 16 und 16′ ausgestattet. Der Reibungskörper 16 ist kugelförmig, der Reibungskörper 16′ stiftförmig mit halbkugelförmigem Ende zur Gleitfläche 18 der Reglermuffe 13 hin. Die Reibungs­ körper bewegen sich jeweils in einer Bohrung 17 in der Meßwerkhülse 8, senkrecht zur Drehachse. Die Bohrungen 17 münden senkrecht auf die Gleitfläche 18 der Reglermuffe 13.

Bei Stillstand liegen die Reibungskörper 16 bzw. 16′ lose auf der Gleitfläche 18 auf oder fallen, jeweils auf der Oberseite der Meßwerkhülse 8, in die Bohrungen 17 hinein.

Die auftretenden Reibungskräfte sind vernachlässigbar klein. Mit steigender Drehzahl des Drehzahlreglers werden die Reibungskörper 16 bzw. 16′ mit zunehmender Fliehkraft gegen die Gleitfläche 18 der Reglermuffe 13 gedrückt. Die Fliehkraft nimmt nach der Formel K=m×v ²/r (K= Kraft, m=Masse, v=Umfangsgeschwindigkeit, r=Bahn­ halbmesser) mit dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit zu. Dadurch steigt ebenfalls drehzahlabhängig die Reibungs­ kraft zwischen den Reibungskörpern 16 bzw. 16′ und der Gleitfläche 18 der Reglermuffe 13 an. Die kugelförmigen Reibungskörper 16 verursachen eine Rollreibung, die stift­ förmigen 16′ Gleitreibung. Die Größe der jeweiligen Kräfte läßt sich nach dem allgemein bekannten Coulombschen Rei­ bungsgesetz berechnen.

Die Gleitreibung ist immer größer als die Rollreibung, so daß durch Kombination unterschiedlicher Reibungskörper, kugelförmige 16 und stiftförmige 16′, das jeweils optimale Reibungsverhalten hergestellt werden kann. Eine weitere, die Reibungskräfte beeinflussende Komponente ist die Masse der Reibungskörper. Je größer ihre Masse ist, desto größer ist die Beschleunigung durch die Fliehkraft und desto größer werden dadurch die Reibungskräfte. Diese Wirkung ist erwünscht, weil dadurch eine optimale Selbsthemmung in den hohen Drehzahlbereichen eintritt.

Fig. 2 zeigt in vereinfachter Form ein Drehzahl-Regelstan­ genweg-Diagramm eines Dieselmotors, das in vereinfachter Form auch dem Drehzahl-Drehmoment-Diagramm gleicht, bei unkontrollierter Reibung im Drehzahlregler. Bei verschie­ denen Drehzahlen n ist auf der Abszisse das Drehmoment N bzw. der Regelstangenweg 1, jeweils zwischen Vollast und Nullast, aufgetragen. Zu jeder Drehzahl gehört ein be­ stimmtes maximales Drehmoment. Wird der Motor bei unverän­ derter Verstellhebelstellung entlastet, so darf die Dreh­ zahl im Regelbereich nur um ein bestimmtes Maß ansteigen, beispielsweise von n _{v 1} auf n ₁₁. Das Diagramm veran­ schaulicht deutlich, daß bei unkontrolliert aufgebrachter Reibung zur Dämpfung von Schwingungen und zur Eleminierung von Störungen nach einer Laständerung infolge der Reibung die Regelstange nie wieder dieselbe Position einnimmt und damit nie dieselbe Drehzahl wieder erreicht wird. Bei er­ neutem Lastanstieg sinkt so zunächst die Drehzahl auf n ₁₂ bevor sich die Regelstange bewegt und die endgültige Drehzahl n _v2 bei Vollast erreicht wird. Die Drehzahl schwankt innerhalb einer Hysterese. Diese Hysterese ist bei niedrigen Drehzahlen infolge der Reibung groß und nimmt mit steigender Drehzahl ab.

Fig. 3 zeigt das Drehzahl-Drehmoment-Diagramm bzw. das Drehzahl-Regelstangenweg-Diagramm eines Drehzahlreglers mit drehzahlabhängiger Reibung. Deutlich zu sehen ist die Abnahme der Hysteresen auf einen sehr schmalen Bereich, der über die gesamten möglichen Drehzahlen konstant ist. Da die Reibung an der Gleitfläche 18 der Reglermuffe 13 mit zunehmender Drehzahl nicht abnimmt, sondern steigt, sind die Hysteresen alle gleich schmal. Die Drehzahl­ schwankungen n ₁₁, n ₁₂ und n _{v 1}, n _{v 2} sind wesentlich geringer und konstant gegenüber den Diagrammen in Fig. 1.

Der erfindungsgemäße mechanische Drehzahlregler mit einem fliehkraftbetätigten Reglermeßwerk mit fliehkraftbetätig­ ten Reibungskörpern zur Stabilisierung des Regelvorgangs eignet sich nicht nur zur Regelung der Fördermenge bei Einspritzpumpen. Er kann überall dort eingesetzt werden, wo über Fliehkraftregler drehzahlabhängige Regelmaßnahmen vorgenommen werden.

Claims (6)

1. Mechanischer Drehzahlregler für Brennkraftmaschinen zur Regelung der Fördermenge bei Einspritzpumpen mit einem fliehkraftbetätigten Reglermeßwerk, das auf den Reglerhe­ bel wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Antriebswel­ le (4) des Reglermeßwerks (1) und der auf der Antriebswel­ le (4) verschieblich angeordneten Reglermuffe (13) zur Be­ tätigung des Reglerhebels (2) mindestens ein fliehkraftbe­ tätigter Reibungskörper (16, 16′) befindet.

2. Mechanischer Drehzahlregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die fliehkraftbetätigten Reibungskörper (16, 16′) jeweils in auf dem Umfang ver­ teilten Bohrungen (17) der Antriebswelle (4) oder einer ihr aufgeschobenen Meßwerkhülse (8) befinden, und daß die Bohrungen (17) senkrecht oder nahezu senkrecht zur Dreh­ achse verlaufen und auf der Gleitfläche (18) der ver­ schieblich angeordneten Reglermuffe (13) münden.

3. Mechanischer Drehzahlregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibungskörper (16) als Kugeln ausgebildet sind.

4. Mechanischer Drehzahlregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibungskörper (16′) als Stifte ausgebildet sind.

5. Mechanischer Drehzahlregler nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Reibungskörper sowohl Ku­ geln (16) als auch Stifte (16′) eingesetzt werden.

6. Mechanischer Drehzahlregler nach einem der Ansprü­ che 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (17) für die Reibungskörper (16, 16′) in der Tiefe größer sind als der Durchmesser der kugelförmigen Reibungskörper (16) bzw. die Länge der stiftförmigen Reibungkörper (16′).