機油泵泄壓閥卡滯故障分析及解決

李貴壹Li Guiyi

機油泵泄壓閥卡滯故障分析及解決

李貴壹
Li Guiyi

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

介紹汽車發(fā)動機機油泵泄壓閥卡滯問題的故障分析過程及解決方案。對泄壓閥彈簧彈力、初始作動壓力、初開壓力和全開壓力進行設(shè)計計算，對量產(chǎn)品泄壓閥的結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)進行對標分析，采用CAE計算分析泄油窗口的受力，找到泄壓閥卡滯問題的根本原因，制定對應(yīng)的解決方案，并通過可靠性試驗驗證了方案的合理性，對機油泵泄壓閥設(shè)計防再發(fā)具有參考意義。

發(fā)動機機油壓力；機油泵；泄壓閥卡滯

機油泵是發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的核心部件，主要作用是在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中，將潤滑油壓送到發(fā)動機各摩擦副表面以保證其充分潤滑。發(fā)動機機油泵一般為曲軸直接或間接驅(qū)動，其容積效率受發(fā)動機轉(zhuǎn)速影響，低轉(zhuǎn)速時效率低、排量小，中高轉(zhuǎn)速時效率高、排量大。設(shè)計機油泵時為了保證發(fā)動機熱怠速油壓，在中高轉(zhuǎn)速時會出現(xiàn)機油泵排量過剩。為了維持系統(tǒng)油壓在設(shè)計范圍，避免不必要的機械損失，需在機油泵內(nèi)部設(shè)計泄壓閥，將中高轉(zhuǎn)速時過剩的機油泄掉。因此，機油泵泄壓閥是維持發(fā)動機潤滑系統(tǒng)油壓的關(guān)鍵部件，一旦出現(xiàn)故障，會直接導(dǎo)致潤滑系統(tǒng)油壓下降或徹底失壓，進而使發(fā)動機摩擦副異常磨損。

某款發(fā)動機機油泵開發(fā)中出現(xiàn)了機油泵泄壓閥卡滯，對此進行設(shè)計分析，提出解決方案，通過試驗驗證找到問題原因和解決方案，為機油泵泄壓閥設(shè)計提供參考。

1 泄壓閥卡滯故障

在某型號發(fā)動機交變負荷耐久試驗中，停機檢查后重新啟動，無法建立機油壓力，更換機濾后，按照750 r/min倒拖10 s，發(fā)現(xiàn)機濾內(nèi)無機油，更換同批次新機油泵，啟動發(fā)動機后油壓恢復(fù)；發(fā)動機繼續(xù)運轉(zhuǎn)96 h，停機檢查，重新啟動無法建立機油壓力，倒拖時油壓降至－7 kPa，手動敲擊機油泵泄壓閥位置3次后，油壓重新建立，但停機后再啟動油壓仍無法建立。

拆解機油泵檢查，發(fā)現(xiàn)機油泵泄壓閥孔有異常磨損，泄壓閥卡滯[1]，如圖1所示。

圖1 泄壓閥異常磨損

分析交變負荷耐久試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)油壓逐漸下降，如圖2所示。

圖2 交變負荷耐久試驗機油泵油壓、油溫變化

2 故障分析

2.1 排查范圍

采用魚骨圖確定重點排查范圍，逐一排查機油泵泄壓閥卡滯相關(guān)項目，明確各風(fēng)險項，如圖3所示。

通過魚骨圖中人、機、料、法、環(huán)排查確定以下方向：（1）設(shè)計排查，泄壓閥、泄壓閥彈簧、泄壓閥安裝孔、泄壓閥彈簧座、泄油孔設(shè)計方案和設(shè)計參數(shù)的合理性；（2）質(zhì)量排查，泄壓閥粗糙度、泄壓閥頂部過渡圓角、泄壓閥彈簧垂直度、泵殼硬度、泄壓閥孔粗糙度是否符合設(shè)計要求。

圖3 魚骨圖確定排查范圍

2.2 故障件測量

故障件經(jīng)過測量后，發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）彈簧設(shè)計長度短，泄壓閥安裝后與彈簧頂部有1.3 mm間隙，無預(yù)緊力，這使泄壓閥工作壓力范圍大、作動頻繁、易磨損，如圖4、圖5所示；

圖4 泄壓閥與彈簧配合

圖5 故障件泄壓閥作動壓力區(qū)間

（2）泄壓閥彈簧長徑比大于2.6，彈簧失穩(wěn)，彈簧在壓縮過程中可能出現(xiàn)徑向彎曲，導(dǎo)致閥體單側(cè)受力過大；

（3）彈簧傾斜度實測值為3°～5°（標準要求小于2°），導(dǎo)致柱塞上下運動過程中受力不均，單側(cè)受力較大。

2.3 對標分析

將故障件與其他量產(chǎn)機油泵進行對標測量和計算分析，發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）故障件泄壓閥頂部無倒角，對標件頂部有倒角，可有效避免泄壓閥上下運動時頂部與泄油孔內(nèi)邊緣卡滯；

（2）故障件泄壓閥彈簧沒有導(dǎo)向機構(gòu)，對標件泄壓閥彈簧有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可以保證彈簧長徑比小于2.6，避免工作時彈簧發(fā)生徑向彎曲。

2.4 受力分析

對機油泵泄壓閥進行CAE分析，計算鼻梁區(qū)受力情況，如圖6所示。

圖6 泄壓閥結(jié)構(gòu)和受力示意

結(jié)果顯示，柱塞直徑為15 mm時，泄油窗口面積偏小，導(dǎo)致鼻梁區(qū)閥體與閥孔內(nèi)壁所受的垂直力達到30 N，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，鼻梁區(qū)所受垂直力應(yīng)小于10 N，由此可知此時受力明顯偏大。

針對機油泵泄壓閥孔、泄壓閥和泄壓閥彈簧進行了故障件測量、對標分析和受力計算，分析結(jié)果見表1。

表1 故障件分析結(jié)果

2.5 原因確定

通過排查分析確定機油泵泄壓閥卡滯故障原因為：（1）泄壓閥長徑比偏小，泄壓閥在泄油窗口處導(dǎo)向長度短，在孔內(nèi)上下移動時側(cè)向擺動量偏大，易發(fā)生閥頂部與泄油窗口邊緣碰撞，造成內(nèi)腔臺階；（2）頂部無倒角設(shè)計，閥體上行時因閥體擺動，易發(fā)生閥頂部與泄油窗口邊緣碰撞，造成內(nèi)腔臺階；（3）泄壓閥彈簧無預(yù)緊力，泄壓閥可以在閥內(nèi)自由移動，在油壓未達到泄壓閥初開壓力的情況下，閥體在初開行程范圍內(nèi)做高頻上下移動，因閥體硬度遠高于閥孔硬度，造成閥孔異常磨損，孔徑變大后泄壓閥體和孔之間的油膜無法維持，喪失密封能力；（4）彈簧垂直度過大，易使閥體側(cè)向擺動偏向一側(cè)，造成單側(cè)閥孔磨損；（5）泄油窗口面積偏小，導(dǎo)致鼻梁區(qū)所受垂直力較大，易造成閥孔磨損；（6）泄壓閥彈簧垂直度不合格，長徑比超過2.6，處于失穩(wěn)狀態(tài)，彈簧失穩(wěn)有增加泄壓閥側(cè)向擺動量的風(fēng)險。

3 優(yōu)化改進

根據(jù)前文確定的泄壓閥卡滯原因制定改進措施，具體見表2。

表2 泄壓閥改進措施

續(xù)表2

泄壓閥結(jié)構(gòu)變更前、后結(jié)構(gòu)對比如圖7所示。

泄壓閥結(jié)構(gòu)變更后作動壓力區(qū)間如圖8所示。

改進后，泄壓閥作動壓力范圍明顯降低，大幅度減少了泄壓閥的作動次數(shù)，降低了泄壓閥孔內(nèi)壁疲勞磨損的風(fēng)險。

圖8 改進件泄壓閥作動壓力區(qū)間

泄壓閥結(jié)構(gòu)變更后泄油窗口處受力如圖9所示。

圖9 改進件泄壓閥泄油口受力示意

改進后，泄油窗口面積增加，鼻梁區(qū)閥體與閥孔內(nèi)壁所受的垂直力由30 N降為6 N，降低了80%，有利于改善閥孔磨損。

4 試驗驗證

通過發(fā)動機交變負荷耐久試驗驗證改進方案的有效性，試驗運行800 h，試驗過程中油壓未見異常下降，如圖10所示，機油泵泄壓閥孔未見異常磨損，如圖11所示。

圖10 交變負荷耐久試驗機油泵油壓、油溫變化（改進后）

圖11 交變負荷耐久試驗后泄壓閥孔（改進后）

5 結(jié) 論

對機油泵泄壓閥卡滯問題進行分析和解決，得到影響機油泵卡滯的關(guān)鍵因素：

（1）泄壓閥長徑比影響泄壓閥在閥孔內(nèi)的擺動量，長徑比越小擺動量越大，建議長徑比大于1.5；

（2）泄壓閥頂部應(yīng)有倒角或圓角結(jié)構(gòu)，以避免頂部因擺動與泄油窗口上邊緣發(fā)生碰撞；

（3）泄壓閥泄油窗口面積影響鼻梁區(qū)受力，正常工作狀態(tài)下鼻梁區(qū)受力應(yīng)小于10 N；

（4）泄油窗口的高度對泄壓閥擺動有影響，高度越大，閥體擺動量越大，在保證泄油面積的情況下應(yīng)盡量降低泄油高度；

（5）泄壓閥彈簧應(yīng)設(shè)計有預(yù)緊力，通過計算使泄壓閥的初始作動壓力處在泄壓閥工作壓力區(qū)間內(nèi)；

（6）泄壓閥彈簧的垂直度應(yīng)控制在2°以內(nèi)，并計算彈簧的穩(wěn)定性，如果彈簧不穩(wěn)定，則在泄壓閥孔和底座上增加彈簧導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

[1]呂啟菊，梁雙青，林衛(wèi)，等.機油壓力報警燈常亮故障排查及解決[J].時代汽車，2022（16）：158-160.

2022-10-24

1002-4581（2023）01-0042-05

U464.137+.1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.01.010