某商用車轉(zhuǎn)子機(jī)油泵噪聲優(yōu)化的試驗(yàn)研究

呂建中 張杰 劉名 楊文釗 張輝輝

摘要：本文針對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)油泵噪聲異響問題，分析噪聲影響因素，從轉(zhuǎn)子困油區(qū)及泵體強(qiáng)度的角度，運(yùn)用CFD與試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試的工具對(duì)液壓噪聲與機(jī)械噪聲進(jìn)行了分析對(duì)比，卸荷槽與加強(qiáng)筋的優(yōu)化方案對(duì)噪聲降低有明顯效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)油泵;困油;卸荷槽;加強(qiáng)筋

0? 引言

轉(zhuǎn)子機(jī)油泵具有容積效率高、軸向空間便于布置安裝和易集成設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小排量發(fā)動(dòng)機(jī)。針對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)油泵噪聲，行業(yè)內(nèi)主要是從轉(zhuǎn)子齒廓修形、CFD流場(chǎng)分析的角度對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)油泵的噪聲進(jìn)行分析與研究。在B樣機(jī)開發(fā)過程中，某4.25L發(fā)動(dòng)機(jī)在中高轉(zhuǎn)速范圍存在“嗡嗡”異響凸顯，經(jīng)排查為機(jī)油泵異響，因此有必要對(duì)此異響問題進(jìn)行研究與分析。

1? 理論基礎(chǔ)

1.1 公式

基頻

式中：n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min;Z為內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù);i為階次。

1.2 轉(zhuǎn)子泵噪聲影響因素

機(jī)油泵噪聲主要有空氣噪聲、液壓噪聲與機(jī)械噪聲，實(shí)際工程中機(jī)油泵的主要噪聲形式為液壓噪聲與機(jī)械噪聲。轉(zhuǎn)子機(jī)油泵噪聲的影響因素有：齒數(shù)、泵體強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子齒型精度、死區(qū)困油、驅(qū)動(dòng)齒輪加工精度。轉(zhuǎn)子泵齒數(shù)越多，泵油脈動(dòng)越均勻，轉(zhuǎn)子間的沖擊也越小。轉(zhuǎn)子材料常為粉末冶金，粉末冶金制造的工藝參數(shù)也影響齒廓的型線成型質(zhì)量，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)子嚙合噪聲。由于粉末冶金材料的疲勞接觸強(qiáng)度要低于鋼齒，加之潤(rùn)滑油的清潔度差，金屬異物將造成齒廓的異常磨損，也會(huì)噪聲轉(zhuǎn)子泵異響。機(jī)油泵內(nèi)部液壓劇烈波動(dòng)會(huì)造成液壓沖擊，進(jìn)而引起噪聲。泵體強(qiáng)度不足將引起泵體在某個(gè)工況下的共振，同時(shí)由于泵體對(duì)轉(zhuǎn)子的支撐不足將造成內(nèi)外轉(zhuǎn)子的嚙合間隙變化，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)械沖擊及機(jī)械噪聲[1～4]。

1.3 困油區(qū)

為了保證容積效率，轉(zhuǎn)子泵的吸油區(qū)與壓油區(qū)須分割開，在吸油與壓油循環(huán)過程中二者是不連通的。在機(jī)油泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子從吸油區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)至壓油區(qū)的過程中，內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子與泵體會(huì)逐漸形成封閉的困油區(qū)。在困油區(qū)體積不斷減少的過程中，由于液體的不可壓縮性及轉(zhuǎn)子與泵體端面間隙狹小，困油區(qū)內(nèi)工質(zhì)難以泄掉，困油區(qū)內(nèi)壓力急劇升高，此壓力遠(yuǎn)高于泵出口的壓力。隨著困油區(qū)運(yùn)動(dòng)至壓油區(qū)，困油區(qū)內(nèi)工質(zhì)泄至壓油區(qū)，壓力急劇下降，壓力的波動(dòng)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子形成沖擊，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。

2? 原車測(cè)量

某型4.25L發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)油泵存在異響，對(duì)該車的噪聲進(jìn)行測(cè)量。轉(zhuǎn)子機(jī)油泵的內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)為4，發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3200r/min，速比為1.282。

從color-map圖來看，機(jī)油泵異響主要分布在中高轉(zhuǎn)速范圍，從階次分析來看，異響主要分布在1100～1600Hz。

3? 優(yōu)化目標(biāo)與方案

根據(jù)對(duì)此轉(zhuǎn)子機(jī)油泵結(jié)構(gòu)及異響因素的初步分析，將消除機(jī)油泵“嗡嗡”異響作為優(yōu)化目標(biāo)，采取排查機(jī)油泵內(nèi)部流場(chǎng)機(jī)油壓力波動(dòng)及泵體強(qiáng)度的分析策略及優(yōu)化方案。

4? 仿真分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前實(shí)際工況點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)油泵進(jìn)行CFD建模分析，試驗(yàn)實(shí)測(cè)的潤(rùn)滑系統(tǒng)的流量及壓力等參數(shù)作為仿真輸入，對(duì)困油區(qū)域內(nèi)的機(jī)油壓力進(jìn)行仿真監(jiān)測(cè)，分別對(duì)怠速850r/min、大扭矩點(diǎn)2500r/min及額定點(diǎn)3200r/min進(jìn)行仿真，潤(rùn)滑油型號(hào)15W/40，動(dòng)力粘度為0.01226kPa·s。

4.2 轉(zhuǎn)子泵困油區(qū)壓力

在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速850r/min的工況下，泵出口壓力設(shè)置為100kPa（相對(duì)壓力值），在此工況下轉(zhuǎn)子泵困油區(qū)壓力波動(dòng)如圖3所示。

根據(jù)困油區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)機(jī)油壓力波動(dòng)數(shù)據(jù)曲線來看，困油區(qū)內(nèi)機(jī)油壓力存在上下波動(dòng)，其中有一 “尖峰”處的最大機(jī)油壓力值可達(dá)泵出口機(jī)油壓力的350%。有必要對(duì)困油區(qū)的高壓潤(rùn)滑油進(jìn)行疏導(dǎo)，增加泄壓通道，卸荷槽是常使用的方法。

4.3 卸荷槽方案

卸荷槽的布置設(shè)計(jì)既要實(shí)現(xiàn)將困油區(qū)內(nèi)的工質(zhì)通過卸荷槽泄至低壓區(qū)，同時(shí)又要避免造成吸油區(qū)與壓油區(qū)之間的密封泄露影響容積效率。

借助目前的三維輔助設(shè)計(jì)工具，卸荷槽開設(shè)在困油區(qū)至壓油區(qū)之間，起始位置為困油區(qū)體積為最小處，延伸至壓油區(qū)，卸荷槽的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)困油區(qū)運(yùn)動(dòng)軌跡的覆蓋，泵體與泵蓋的卸荷槽對(duì)稱布置。

卸荷槽深度取0.5·Z，值為2mm。

4.4 仿真對(duì)比

對(duì)增加卸荷槽后的，困油區(qū)最高壓力降低幅值34～71%。

5? 泵體優(yōu)化加筋方案

由于機(jī)油泵泵體與發(fā)動(dòng)機(jī)前端蓋為集成設(shè)計(jì)，泵腔由泵軸座一分為二，泵體強(qiáng)度不足。

加強(qiáng)筋與泵軸座垂直相交，加強(qiáng)筋的厚度低于泵軸座的1/2，而且遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子端面。

經(jīng)仿真分析，增加加強(qiáng)筋前后，機(jī)油泵流量基本無變化。由于加強(qiáng)筋布置位置在進(jìn)油低流速區(qū)，同時(shí)加強(qiáng)筋會(huì)起到導(dǎo)流的作用，其引起的阻力損失可忽略不計(jì)。

6? 整機(jī)噪聲臺(tái)架實(shí)測(cè)

試驗(yàn)對(duì)原轉(zhuǎn)子泵殼體、加筋后殼體、加卸荷槽后殼體及外接機(jī)油泵4種狀態(tài)分別進(jìn)行噪聲測(cè)試。其中，外接機(jī)油泵方案如圖6所示，此時(shí)，整機(jī)內(nèi)部機(jī)油泵被拆卸，使用外部設(shè)備保證各工況下的流量及壓力。

整機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果如圖7所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)800～1800r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，增加加強(qiáng)筋優(yōu)化殼體后的方案，對(duì)除900r/min、1300r/min轉(zhuǎn)速外的噪聲均有所降低。在此基礎(chǔ)上增加卸荷槽后，除1600r/min外各轉(zhuǎn)速下的噪聲均有所降低，而且效果明顯。同時(shí)，從使用外接機(jī)油泵方案來看，在低于1400r/min時(shí)，增加加強(qiáng)筋與增加卸荷槽的機(jī)油泵方案聲壓曲線降噪效果與外接機(jī)油泵時(shí)的基本重合。

通過對(duì)整車的color-map圖進(jìn)行分析，從階次分布來看，1100～1600Hz的噪聲得到降低。

7? 結(jié)論

①仿真結(jié)果表明，卸荷槽對(duì)困油區(qū)最高壓力的降低可達(dá)33～71%。

②卸荷槽對(duì)噪聲的優(yōu)化對(duì)一階較為有效，對(duì)二階噪聲在部分轉(zhuǎn)速有效。

③除了降低困油區(qū)壓力波動(dòng)引起的液壓噪聲外，還需進(jìn)一步降低因泵體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度引起的機(jī)械噪聲，雙管齊下，1100～1600Hz的噪聲得到降低。

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