Was ist eine Nockenwelle?
Eine Nockenwelle ist ein mechanisches Bauteil, das die Art und Richtung einer Bewegung ändern kann. Die Bewegung einer Nockenwelle kann geändert werden, indem sie über ein Schütz auf einen angetriebenen Teil übertragen wird. So kann beispielsweise die Drehbewegung einer kreisförmigen Nockenwelle in die vertikale Bewegung eines stangenförmigen angetriebenen Teils umgewandelt werden. Der einfache Aufbau gewährleistet eine lange Lebensdauer und einen geringen Wartungsaufwand. Es handelt sich außerdem um ein hocheffizientes und abfallarmes Gerät, da weniger Kraft auf andere Teile übertragen wird. Nockenwellen gibt es in einer Vielzahl von Formen und müssen entsprechend der Anwendung eingesetzt werden.
Anwendungen von Nockenwellen
Nockenwellen werden in verschiedenen Maschinen und Geräten eingesetzt, bei denen die Bewegungsrichtung geändert werden muss. Ein Beispiel dafür ist das Auslassventil eines Motors. Benzinbetriebene Fahrzeuge stoßen große Mengen an Abgasen aus, wenn der Motor zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird. Nockenwellen werden verwendet, um diese Abgase reibungslos abzuführen. Eine im Fahrzeug eingebaute Nockenwelle wandelt die Rotationsbewegung des Motors in eine Hin- und Herbewegung der Ventile um. Diese Nockenwellenbewegung wird durch den angetriebenen Teil übertragen, um die Ventile zeitnah zu öffnen und zu schließen.
Funktionsweise der Nockenwellen
Nockenwellen gibt es in einer Vielzahl von Formen. Sie können die Bewegungsrichtung leicht ändern. In diesem Abschnitt werden die Bewegungsprinzipien und Merkmale der einzelnen Formen vorgestellt. Nockenwellen lassen sich grob in zwei Typen unterteilen:
- flache Nockenwellen
Dies sind Nockenwellen mit einer flachen, einfachen Struktur. Es gibt gerade Nockenwellen und Nockenwellen mit rotierenden Platten. Bei geraden Nockenwellen wird die Auf- und Abwärtsbewegung einer Nockenwelle mit leichten Unregelmäßigkeiten auf den angetriebenen Teil übertragen, wo die Bewegung über das Schütz weitergeleitet wird. Bei Nockenwellen mit rotierender Scheibe kann die vertikale Bewegung durch das Schütz auf den angetriebenen Teil übertragen werden, indem eine gewundene rotierende Scheibe gedreht wird. In der Regel überträgt eine eiförmige Drehscheibe eine zyklische Bewegung auf einen stab- oder plattenförmigen angetriebenen Knoten. - dreidimensionale Nockenwellen
Eine Nockenwelle mit einer dreidimensionalen und komplexeren Struktur. Dazu gehören zylindrische Nockenwellen, kugelförmige Nockenwellen und Taumelscheibennocken. Zylindrische und kugelförmige Nockenwellen haben Nuten in ihrer dreidimensionalen Struktur, entlang derer sich der angetriebene Teil bewegt, was komplexe Bewegungsänderungen ermöglicht. Taumelscheibennockenwellen versetzen den angetriebenen Teil in eine vertikale Bewegung, indem sie eine geneigte Fläche drehen.
Entwurf von Nocken
Um eine Nocke zu entwerfen, muss zunächst die Art des Nockenmechanismus ausgewählt werden. Konkret werden die Nocke (flache oder dreidimensionale Nocke) und die Art des angetriebenen Mechanismus (linear oder oszillierend) bestimmt.
Anschließend werden die Details der Ausgangsbewegung festgelegt. Konkret wird ein Zeitdiagramm für die Nocke erstellt. Beim Zeichnen des Diagramms wird die 1/2-Überlappungsmethode angewandt, d. h., wenn eine Nocke die Hälfte der Strecke zurückgelegt hat, beginnt sich die nächste Nocke zu bewegen.
Der nächste Schritt ist die Bestimmung der Parameter des Nockenwerks. Konkret werden Bedingungen wie die Größe des Mechanismus, z. B. der Eingriffswinkel und die Hebellänge, festgelegt.
Der Eingriffswinkel ist der Winkel, der sich aus der Richtung der Kraft, die vom angetriebenen Teil (Achse) auf den Nocken ausgeübt wird, und der Richtung der Kraft, die durch die Drehung des Nockens auf den angetriebenen Teil (Normal) ausgeübt wird, ergibt. Je kleiner der Eingriffswinkel ist, desto geringer ist die Belastung (Flächenpressung) der mit dem Nocken in Berührung kommenden Flächen und desto ruhiger kann sich der Nocken bewegen.
Der Nockendurchmesser wird anhand des maximalen Eingriffswinkels der Nocke bestimmt. Der maximale Eingriffswinkel der Nocke beträgt etwa 30° bei linearer Bewegung und 45° bei Oszillation bzw. 45° oder weniger bei Nockengeschwindigkeiten unter 100 U/min und 30° oder weniger bei höheren Geschwindigkeiten. Der Außendurchmesser der Nocke muss unterhalb dieses Wertes für den maximalen Eingriffswinkel eingestellt werden.
Der nächste Schritt besteht darin, den Eingriffswinkel, den Krümmungsradius usw. unter den in den vorhergehenden Schritten ermittelten Bedingungen zu berechnen und zu prüfen, ob die Form geeignet ist. Insbesondere der Eingriffswinkel und der Krümmungsradius werden streng berechnet. Der maximale Eingriffswinkel, der minimale konvexe Krümmungsradius, der minimale konkave Krümmungsradius usw. werden daraufhin überprüft, ob sie innerhalb der zulässigen Grenzen liegen.
Schließlich wird anhand der geometrischen Kenndaten geprüft, ob die Flächenpressung, die Festigkeit der mechanischen Elemente, die Dauerfestigkeit des Rollkontakts und die Steifigkeit den Leistungsanforderungen entsprechen.
Positive Nocken
Ein positiv wirkender Nocke ist ein Mechanismus, der die Nockenbewegung zuverlässig auf den angetriebenen Teil überträgt. Wenn sich die Nocke mit hoher Geschwindigkeit dreht, kann der angetriebene Teil der Nockenbewegung nicht folgen. Dieser Mechanismus verwendet eine Feder oder ein anderes Haltemittel, um sicherzustellen, dass die Nocke ihre Aufgabe erfüllen kann.
Beispiele für positive Nockenbewegungen sind frontale Nocken, zylindrische Nocken, kegelförmige Nocken und kugelförmige Nocken.