某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵齒輪斷裂改進(jìn)過(guò)程分析

聞武　崔軍　范皖元

某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵齒輪斷裂改進(jìn)過(guò)程分析

聞 武，崔 軍，范皖元

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，合肥 230022）

摘 要：本文針對(duì)某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵齒輪斷裂問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)因素分析，通過(guò)一系列的改進(jìn)措施，經(jīng)過(guò)臺(tái)架耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后機(jī)油泵齒輪能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)油泵；齒輪式；斷裂；耐久試驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.008

1 機(jī)油泵齒輪斷裂因素分析

1.1 齒輪材料分析

1.1.1 性能檢測(cè)

將故障件齒輪和新件的齒輪進(jìn)行材料性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，新件、故障件的密度、硬度在圖紙要求附近，有些能夠達(dá)到要求，有些不能滿足要求。具體如下表：

1.1.2 強(qiáng)度檢測(cè)

對(duì)新件的機(jī)油泵齒輪進(jìn)行單齒壓潰試驗(yàn)（測(cè)量方式如圖1），試驗(yàn)表明壓潰斷裂的部位均為齒輪軸孔處，說(shuō)明齒輪的單齒折斷強(qiáng)度大于齒輪軸孔處折斷強(qiáng)度。

1.1.3 齒輪材料CAE分析

齒輪材料為粉末冶金材料燒結(jié)銅鋼（F0203J），抗拉極限為500MPa，齒輪與軸的設(shè)計(jì)半徑過(guò)盈量為0.011～0.0255mm，以最大半徑過(guò)盈量帶入計(jì)算，齒輪軸孔處最大應(yīng)力為617MPa，超過(guò)了原材料抗拉強(qiáng)度極限（500MPa），會(huì)造成齒輪斷裂，見(jiàn)圖2所示。綜上根據(jù)目前的設(shè)計(jì)，齒輪與軸的過(guò)盈量需要有一定的要求，不能盲目減小過(guò)盈量，導(dǎo)致齒輪軸孔處的應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料的極限抗拉強(qiáng)度，所以齒輪的材料（F0203J）性能不能滿足要求，需要改進(jìn)齒輪材料。

1.2 齒輪受力分析

1.2.1 驅(qū)動(dòng)力

從結(jié)構(gòu)上看，機(jī)油泵主動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自曲軸前端的齒輪，見(jiàn)圖3所示。從故障機(jī)的前面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性正常，整個(gè)過(guò)程數(shù)據(jù)平穩(wěn)，沒(méi)有異常波動(dòng)，說(shuō)明齒輪斷裂并非驅(qū)動(dòng)力波動(dòng)異常導(dǎo)致。

1.2.2 機(jī)油壓力

在試驗(yàn)中，機(jī)油泵齒輪斷裂前，機(jī)油壓力正常；拆解后，PRV閥彈簧的彈力稍微降低，還是符合衰減要求，說(shuō)明機(jī)油壓力正常，對(duì)齒輪斷裂無(wú)影響。

1.3 齒輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析

1.3.1 齒輪齒形設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)斷裂機(jī)油泵齒輪的齒形計(jì)算，齒根圓的R=1.5mm過(guò)小，齒根強(qiáng)度低。實(shí)際齒輪的重合度計(jì)算為，按照漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)特性，其理論最小極限重合度為1.089，最大極限重合度為1.981，目前齒輪的重合度靠近理論極限的下限，但在合理范圍內(nèi)，所以齒形并非齒輪磨損的直接原因。

1.3.2 齒輪軸的設(shè)計(jì)

從斷裂齒輪偏磨的現(xiàn)象分析，兩個(gè)齒輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸位置發(fā)生了偏移，齒面接觸不均一，通過(guò)正向與逆向分析，齒輪偏磨的主要原因在于軸與軸承接觸位置的長(zhǎng)度過(guò)短導(dǎo)致兩根軸的平行度差，如圖4所示，齒面接觸不均一，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)致齒輪偏磨。

1.4 齒輪裝配分析

由于齒輪與軸的配合是過(guò)盈配合，在實(shí)際裝配過(guò)程中采用低溫壓裝，若壓裝力過(guò)大導(dǎo)致齒輪內(nèi)部有裂紋，容易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。對(duì)庫(kù)存多件已經(jīng)壓裝好的齒輪件進(jìn)行磁粉探傷，結(jié)果顯示未發(fā)現(xiàn)任何斷裂及內(nèi)部裂紋，齒輪與軸的過(guò)盈量的選擇滿足要求。所以齒輪與軸的裝配過(guò)程沒(méi)有異常，并非導(dǎo)致齒輪斷裂的原因。

1.5 機(jī)油泵齒輪斷裂分析結(jié)果

通過(guò)斷裂機(jī)理的分析，確定了機(jī)油泵齒輪斷裂的主要原因有以下兩點(diǎn)：a.機(jī)油泵齒輪軸的長(zhǎng)度過(guò)短，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中齒輪容易發(fā)生偏磨，從而齒輪受力不均，局部受力過(guò)大導(dǎo)致磨損嚴(yán)重；b.機(jī)油泵齒輪的材料強(qiáng)度過(guò)低，容易發(fā)生磨損，受力異常后更容易發(fā)生齒輪斷裂。

2 機(jī)油泵齒輪的優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 機(jī)油泵齒輪設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)機(jī)油泵齒輪設(shè)計(jì)上的不合理進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)設(shè)計(jì)尺寸的檢查，主動(dòng)齒輪軸長(zhǎng)度增加將導(dǎo)致齒輪室與減震皮帶輪干涉，從動(dòng)齒輪軸可以增加3.5mm，見(jiàn)圖5所示。同時(shí)將齒根圓從R1.52更改為R2.6，作用是增大齒根厚度，增強(qiáng)單齒強(qiáng)度，見(jiàn)圖6所示。

2.2 齒輪材料強(qiáng)度優(yōu)化

針對(duì)機(jī)油泵齒輪材料強(qiáng)度不足，將原齒輪材料F0203J更換為AHC100.29+2%Cu+0.8%C，在延伸率不變的情況下，強(qiáng)度有了較大提升，材料性能對(duì)比如圖7所示。

2.3 機(jī)油泵齒輪的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.1 性能驗(yàn)證

從設(shè)計(jì)變更上看，機(jī)油泵齒輪的齒形不變，僅對(duì)材料及齒輪軸的長(zhǎng)度加長(zhǎng)，改善齒輪的嚙合及強(qiáng)度，對(duì)油泵的性能影響較小，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，整改前后發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的性能基本無(wú)變化，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

2.3.2 可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)800小時(shí)交變負(fù)荷試驗(yàn)和400小時(shí)活塞缸蓋開(kāi)裂耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)油泵齒輪能夠通過(guò)試驗(yàn)考核，同時(shí)磨損更小，無(wú)偏磨現(xiàn)象，泵殼與泵蓋表面光滑，無(wú)劃痕，較修改之前大大改善。

3 結(jié) 論

本論文通對(duì)某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵齒輪斷裂問(wèn)題的原因進(jìn)行分析研究，得出由于機(jī)油泵齒輪材料的選擇不合理，加上齒輪本身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題，導(dǎo)致齒輪運(yùn)行過(guò)程發(fā)生偏磨、受力不均等現(xiàn)象，從而發(fā)生齒輪斷裂，通過(guò)對(duì)機(jī)油泵齒輪材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的修改，改善了齒輪接觸受力，同時(shí)增加了齒輪的強(qiáng)度，解決了機(jī)油泵齒輪斷裂的問(wèn)題，對(duì)后期機(jī)油泵齒輪開(kāi)發(fā)有一定的參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：聞武（1985-），本科，工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)開(kāi)發(fā)工作。endprint