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      機油泵泄壓閥卡滯故障分析及解決

      2023-03-03 01:12:08李貴壹LiGuiyi
      北京汽車 2023年1期
      關(guān)鍵詞:機油泵壓閥閥體

      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

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