某柴油發(fā)動機機油泵齒輪斷裂改進過程分析

聞武　崔軍　范皖元

某柴油發(fā)動機機油泵齒輪斷裂改進過程分析

聞 武，崔 軍，范皖元

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，合肥 230022）

摘 要：本文針對某柴油發(fā)動機機油泵齒輪斷裂問題進行了相關因素分析，通過一系列的改進措施，經過臺架耐久性試驗驗證，優(yōu)化后機油泵齒輪能夠滿足設計要求。

關鍵詞：機油泵；齒輪式；斷裂；耐久試驗

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

1 機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

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

1.1.2 強度檢測

對新件的機油泵齒輪進行單齒壓潰試驗（測量方式如圖1），試驗表明壓潰斷裂的部位均為齒輪軸孔處，說明齒輪的單齒折斷強度大于齒輪軸孔處折斷強度。

1.1.3 齒輪材料CAE分析

齒輪材料為粉末冶金材料燒結銅鋼（F0203J），抗拉極限為500MPa，齒輪與軸的設計半徑過盈量為0.011～0.0255mm，以最大半徑過盈量帶入計算，齒輪軸孔處最大應力為617MPa，超過了原材料抗拉強度極限（500MPa），會造成齒輪斷裂，見圖2所示。綜上根據(jù)目前的設計，齒輪與軸的過盈量需要有一定的要求，不能盲目減小過盈量，導致齒輪軸孔處的應力遠大于材料的極限抗拉強度，所以齒輪的材料（F0203J）性能不能滿足要求，需要改進齒輪材料。

1.2 齒輪受力分析

1.2.1 驅動力

從結構上看，機油泵主動輪上的驅動力來自曲軸前端的齒輪，見圖3所示。從故障機的前面的試驗數(shù)據(jù)上看，發(fā)動機的動力性正常，整個過程數(shù)據(jù)平穩(wěn)，沒有異常波動，說明齒輪斷裂并非驅動力波動異常導致。

1.2.2 機油壓力

在試驗中，機油泵齒輪斷裂前，機油壓力正常；拆解后，PRV閥彈簧的彈力稍微降低，還是符合衰減要求，說明機油壓力正常，對齒輪斷裂無影響。

1.3 齒輪設計結構分析

1.3.1 齒輪齒形設計

通過對斷裂機油泵齒輪的齒形計算，齒根圓的R=1.5mm過小，齒根強度低。實際齒輪的重合度計算為，按照漸開線直齒圓柱齒輪的結構特性，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，所以齒形并非齒輪磨損的直接原因。

1.3.2 齒輪軸的設計

從斷裂齒輪偏磨的現(xiàn)象分析，兩個齒輪在運動過程中接觸位置發(fā)生了偏移，齒面接觸不均一，通過正向與逆向分析，齒輪偏磨的主要原因在于軸與軸承接觸位置的長度過短導致兩根軸的平行度差，如圖4所示，齒面接觸不均一，運動過程中導致齒輪偏磨。

1.4 齒輪裝配分析

由于齒輪與軸的配合是過盈配合，在實際裝配過程中采用低溫壓裝，若壓裝力過大導致齒輪內部有裂紋，容易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。對庫存多件已經壓裝好的齒輪件進行磁粉探傷，結果顯示未發(fā)現(xiàn)任何斷裂及內部裂紋，齒輪與軸的過盈量的選擇滿足要求。所以齒輪與軸的裝配過程沒有異常，并非導致齒輪斷裂的原因。

1.5 機油泵齒輪斷裂分析結果

通過斷裂機理的分析，確定了機油泵齒輪斷裂的主要原因有以下兩點：a.機油泵齒輪軸的長度過短，運動過程中齒輪容易發(fā)生偏磨，從而齒輪受力不均，局部受力過大導致磨損嚴重；b.機油泵齒輪的材料強度過低，容易發(fā)生磨損，受力異常后更容易發(fā)生齒輪斷裂。

2 機油泵齒輪的優(yōu)化和試驗驗證

2.1 機油泵齒輪設計優(yōu)化

針對機油泵齒輪設計上的不合理進行了優(yōu)化，通過設計尺寸的檢查，主動齒輪軸長度增加將導致齒輪室與減震皮帶輪干涉，從動齒輪軸可以增加3.5mm，見圖5所示。同時將齒根圓從R1.52更改為R2.6，作用是增大齒根厚度，增強單齒強度，見圖6所示。

2.2 齒輪材料強度優(yōu)化

針對機油泵齒輪材料強度不足，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，強度有了較大提升，材料性能對比如圖7所示。

2.3 機油泵齒輪的試驗驗證

2.3.1 性能驗證

從設計變更上看，機油泵齒輪的齒形不變，僅對材料及齒輪軸的長度加長，改善齒輪的嚙合及強度，對油泵的性能影響較小，從試驗結果來看，整改前后發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的性能基本無變化，滿足發(fā)動機的需求，試驗結果如圖8所示。

2.3.2 可靠性試驗驗證

通過800小時交變負荷試驗和400小時活塞缸蓋開裂耐久性試驗驗證，機油泵齒輪能夠通過試驗考核，同時磨損更小，無偏磨現(xiàn)象，泵殼與泵蓋表面光滑，無劃痕，較修改之前大大改善。

3 結 論

本論文通對某柴油發(fā)動機機油泵齒輪斷裂問題的原因進行分析研究，得出由于機油泵齒輪材料的選擇不合理，加上齒輪本身設計結構存在問題，導致齒輪運行過程發(fā)生偏磨、受力不均等現(xiàn)象，從而發(fā)生齒輪斷裂，通過對機油泵齒輪材料和設計結構的修改，改善了齒輪接觸受力，同時增加了齒輪的強度，解決了機油泵齒輪斷裂的問題，對后期機油泵齒輪開發(fā)有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]陳家瑞，馬天飛等.汽車構造[M].北京.人民交通出版社，2007

（01）.

[2]楊連生 《內燃機設計》 機械工業(yè)出版社 1991

[3]安相璧，唐天元.汽車試驗工程[M].北京.國防工業(yè)出版社，2006.

[4]JBT2798鐵基粉末冶金燒結制品金相標準[S].國家機械工業(yè)局發(fā)布.

[5]方達淳，吳新潮，饒如麟，鮑東輝，周明彪.汽車發(fā)動機可靠性試驗方法[J].GB/T 19055-2003.

作者簡介：聞武（1985-），本科，工程師，主要從事發(fā)動機整機試驗開發(fā)工作。endprint