機(jī)油泵泄壓閥卡滯故障分析及解決

李貴壹Li Guiyi

機(jī)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(dòng)機(jī)機(jī)油泵泄壓閥卡滯問題的故障分析過程及解決方案。對(duì)泄壓閥彈簧彈力、初始作動(dòng)壓力、初開壓力和全開壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)量產(chǎn)品泄壓閥的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，采用CAE計(jì)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(duì)應(yīng)的解決方案，并通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的合理性，對(duì)機(jī)油泵泄壓閥設(shè)計(jì)防再發(fā)具有參考意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力；機(jī)油泵；泄壓閥卡滯

機(jī)油泵是發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的核心部件，主要作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，將潤(rùn)滑油壓送到發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副表面以保證其充分潤(rùn)滑。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵一般為曲軸直接或間接驅(qū)動(dòng)，其容積效率受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，低轉(zhuǎn)速時(shí)效率低、排量小，中高轉(zhuǎn)速時(shí)效率高、排量大。設(shè)計(jì)機(jī)油泵時(shí)為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)熱怠速油壓，在中高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)出現(xiàn)機(jī)油泵排量過剩。為了維持系統(tǒng)油壓在設(shè)計(jì)范圍，避免不必要的機(jī)械損失，需在機(jī)油泵內(nèi)部設(shè)計(jì)泄壓閥，將中高轉(zhuǎn)速時(shí)過剩的機(jī)油泄掉。因此，機(jī)油泵泄壓閥是維持發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)油壓的關(guān)鍵部件，一旦出現(xiàn)故障，會(huì)直接導(dǎo)致潤(rùn)滑系統(tǒng)油壓下降或徹底失壓，進(jìn)而使發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副異常磨損。

某款發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵開發(fā)中出現(xiàn)了機(jī)油泵泄壓閥卡滯，對(duì)此進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，提出解決方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證找到問題原因和解決方案，為機(jī)油泵泄壓閥設(shè)計(jì)提供參考。

1 泄壓閥卡滯故障

在某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)交變負(fù)荷耐久試驗(yàn)中，停機(jī)檢查后重新啟動(dòng)，無法建立機(jī)油壓力，更換機(jī)濾后，按照750 r/min倒拖10 s，發(fā)現(xiàn)機(jī)濾內(nèi)無機(jī)油，更換同批次新機(jī)油泵，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后油壓恢復(fù)；發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)96 h，停機(jī)檢查，重新啟動(dòng)無法建立機(jī)油壓力，倒拖時(shí)油壓降至－7 kPa，手動(dòng)敲擊機(jī)油泵泄壓閥位置3次后，油壓重新建立，但停機(jī)后再啟動(dòng)油壓仍無法建立。

拆解機(jī)油泵檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)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(fù)荷耐久試驗(yàn)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(fù)荷耐久試驗(yàn)機(jī)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(diǎn)排查范圍，逐一排查機(jī)油泵泄壓閥卡滯相關(guān)項(xiàng)目，明確各風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，如圖3所示。

通過魚骨圖中人、機(jī)、料、法、環(huán)排查確定以下方向：（1）設(shè)計(jì)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(jì)方案和設(shè)計(jì)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(jì)要求。

圖3 魚骨圖確定排查范圍

2.2 故障件測(cè)量

故障件經(jīng)過測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）彈簧設(shè)計(jì)長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)壓力區(qū)間

（2）泄壓閥彈簧長(zhǎng)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(shí)測(cè)值為3°～5°（標(biāo)準(zhǔn)要求小于2°），導(dǎo)致柱塞上下運(yùn)動(dòng)過程中受力不均，單側(cè)受力較大。

2.3 對(duì)標(biāo)分析

將故障件與其他量產(chǎn)機(jī)油泵進(jìn)行對(duì)標(biāo)測(cè)量和計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）故障件泄壓閥頂部無倒角，對(duì)標(biāo)件頂部有倒角，可有效避免泄壓閥上下運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jī)構(gòu)，對(duì)標(biāo)件泄壓閥彈簧有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可以保證彈簧長(zhǎng)徑比小于2.6，避免工作時(shí)彈簧發(fā)生徑向彎曲。

2.4 受力分析

對(duì)機(jī)油泵泄壓閥進(jìn)行CAE分析，計(jì)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(shí)，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(dá)到30 N，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，鼻梁區(qū)所受垂直力應(yīng)小于10 N，由此可知此時(shí)受力明顯偏大。

針對(duì)機(jī)油泵泄壓閥孔、泄壓閥和泄壓閥彈簧進(jìn)行了故障件測(cè)量、對(duì)標(biāo)分析和受力計(jì)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(jī)油泵泄壓閥卡滯故障原因?yàn)椋海?）泄壓閥長(zhǎng)徑比偏小，泄壓閥在泄油窗口處導(dǎo)向長(zhǎng)度短，在孔內(nèi)上下移動(dòng)時(shí)側(cè)向擺動(dòng)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(tái)階；（2）頂部無倒角設(shè)計(jì)，閥體上行時(shí)因閥體擺動(dòng)，易發(fā)生閥頂部與泄油窗口邊緣碰撞，造成內(nèi)腔臺(tái)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(dòng)，在油壓未達(dá)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(dòng)，因閥體硬度遠(yuǎn)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)量的風(fēng)險(xiǎn)。

3 優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)前文確定的泄壓閥卡滯原因制定改進(jìn)措施，具體見表2。

表2 泄壓閥改進(jìn)措施

續(xù)表2

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

泄壓閥結(jié)構(gòu)變更后作動(dòng)壓力區(qū)間如圖8所示。

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

圖8 改進(jìn)件泄壓閥作動(dòng)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(jìn)件泄壓閥泄油口受力示意

改進(jìn)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(yàn)驗(yàn)證

通過發(fā)動(dòng)機(jī)交變負(fù)荷耐久試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性，試驗(yàn)運(yùn)行800 h，試驗(yàn)過程中油壓未見異常下降，如圖10所示，機(jī)油泵泄壓閥孔未見異常磨損，如圖11所示。

圖10 交變負(fù)荷耐久試驗(yàn)機(jī)油泵油壓、油溫變化（改進(jìn)后）

圖11 交變負(fù)荷耐久試驗(yàn)后泄壓閥孔（改進(jìn)后）

5 結(jié) 論

對(duì)機(jī)油泵泄壓閥卡滯問題進(jìn)行分析和解決，得到影響機(jī)油泵卡滯的關(guān)鍵因素：

（1）泄壓閥長(zhǎng)徑比影響泄壓閥在閥孔內(nèi)的擺動(dòng)量，長(zhǎng)徑比越小擺動(dòng)量越大，建議長(zhǎng)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(dòng)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(duì)泄壓閥擺動(dòng)有影響，高度越大，閥體擺動(dòng)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(jì)有預(yù)緊力，通過計(jì)算使泄壓閥的初始作動(dòng)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(jì)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(jī)油壓力報(bào)警燈常亮故障排查及解決[J].時(shí)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