机油泵泄压阀卡滞故障分析及解决
2023-03-03李贵壹LiGuiyi
李贵壹Li Guiyi
机油泵泄压阀卡滞故障分析及解决
李贵壹
Li Guiyi
(北京汽车研究总院有限公司,北京 101300)
介绍汽车发动机机油泵泄压阀卡滞问题的故障分析过程及解决方案。对泄压阀弹簧弹力、初始作动压力、初开压力和全开压力进行设计计算,对量产品泄压阀的结构和设计参数进行对标分析,采用CAE计算分析泄油窗口的受力,找到泄压阀卡滞问题的根本原因,制定对应的解决方案,并通过可靠性试验验证了方案的合理性,对机油泵泄压阀设计防再发具有参考意义。
发动机机油压力;机油泵;泄压阀卡滞
机油泵是发动机润滑系统的核心部件,主要作用是在发动机运转过程中,将润滑油压送到发动机各摩擦副表面以保证其充分润滑。发动机机油泵一般为曲轴直接或间接驱动,其容积效率受发动机转速影响,低转速时效率低、排量小,中高转速时效率高、排量大。设计机油泵时为了保证发动机热怠速油压,在中高转速时会出现机油泵排量过剩。为了维持系统油压在设计范围,避免不必要的机械损失,需在机油泵内部设计泄压阀,将中高转速时过剩的机油泄掉。因此,机油泵泄压阀是维持发动机润滑系统油压的关键部件,一旦出现故障,会直接导致润滑系统油压下降或彻底失压,进而使发动机摩擦副异常磨损。
某款发动机机油泵开发中出现了机油泵泄压阀卡滞,对此进行设计分析,提出解决方案,通过试验验证找到问题原因和解决方案,为机油泵泄压阀设计提供参考。
1 泄压阀卡滞故障
在某型号发动机交变负荷耐久试验中,停机检查后重新启动,无法建立机油压力,更换机滤后,按照750 r/min倒拖10 s,发现机滤内无机油,更换同批次新机油泵,启动发动机后油压恢复;发动机继续运转96 h,停机检查,重新启动无法建立机油压力,倒拖时油压降至-7 kPa,手动敲击机油泵泄压阀位置3次后,油压重新建立,但停机后再启动油压仍无法建立。
拆解机油泵检查,发现机油泵泄压阀孔有异常磨损,泄压阀卡滞[1],如图1所示。
图1 泄压阀异常磨损
分析交变负荷耐久试验数据发现系统油压逐渐下降,如图2所示。
图2 交变负荷耐久试验机油泵油压、油温变化
2 故障分析
2.1 排查范围
采用鱼骨图确定重点排查范围,逐一排查机油泵泄压阀卡滞相关项目,明确各风险项,如图3所示。
通过鱼骨图中人、机、料、法、环排查确定以下方向:(1)设计排查,泄压阀、泄压阀弹簧、泄压阀安装孔、泄压阀弹簧座、泄油孔设计方案和设计参数的合理性;(2)质量排查,泄压阀粗糙度、泄压阀顶部过渡圆角、泄压阀弹簧垂直度、泵壳硬度、泄压阀孔粗糙度是否符合设计要求。
图3 鱼骨图确定排查范围
2.2 故障件测量
故障件经过测量后,发现如下问题:
(1)弹簧设计长度短,泄压阀安装后与弹簧顶部有1.3 mm间隙,无预紧力,这使泄压阀工作压力范围大、作动频繁、易磨损,如图4、图5所示;
图4 泄压阀与弹簧配合
图5 故障件泄压阀作动压力区间
(2)泄压阀弹簧长径比大于2.6,弹簧失稳,弹簧在压缩过程中可能出现径向弯曲,导致阀体单侧受力过大;
(3)弹簧倾斜度实测值为3°~5°(标准要求小于2°),导致柱塞上下运动过程中受力不均,单侧受力较大。
2.3 对标分析
将故障件与其他量产机油泵进行对标测量和计算分析,发现如下问题:
(1)故障件泄压阀顶部无倒角,对标件顶部有倒角,可有效避免泄压阀上下运动时顶部与泄油孔内边缘卡滞;
(2)故障件泄压阀弹簧没有导向机构,对标件泄压阀弹簧有导向结构,可以保证弹簧长径比小于2.6,避免工作时弹簧发生径向弯曲。
2.4 受力分析
对机油泵泄压阀进行CAE分析,计算鼻梁区受力情况,如图6所示。
图6 泄压阀结构和受力示意
结果显示,柱塞直径为15 mm时,泄油窗口面积偏小,导致鼻梁区阀体与阀孔内壁所受的垂直力达到30 N,根据设计经验,鼻梁区所受垂直力应小于10 N,由此可知此时受力明显偏大。
针对机油泵泄压阀孔、泄压阀和泄压阀弹簧进行了故障件测量、对标分析和受力计算,分析结果见表1。
表1 故障件分析结果
2.5 原因确定
通过排查分析确定机油泵泄压阀卡滞故障原因为:(1)泄压阀长径比偏小,泄压阀在泄油窗口处导向长度短,在孔内上下移动时侧向摆动量偏大,易发生阀顶部与泄油窗口边缘碰撞,造成内腔台阶;(2)顶部无倒角设计,阀体上行时因阀体摆动,易发生阀顶部与泄油窗口边缘碰撞,造成内腔台阶;(3)泄压阀弹簧无预紧力,泄压阀可以在阀内自由移动,在油压未达到泄压阀初开压力的情况下,阀体在初开行程范围内做高频上下移动,因阀体硬度远高于阀孔硬度,造成阀孔异常磨损,孔径变大后泄压阀体和孔之间的油膜无法维持,丧失密封能力;(4)弹簧垂直度过大,易使阀体侧向摆动偏向一侧,造成单侧阀孔磨损;(5)泄油窗口面积偏小,导致鼻梁区所受垂直力较大,易造成阀孔磨损;(6)泄压阀弹簧垂直度不合格,长径比超过2.6,处于失稳状态,弹簧失稳有增加泄压阀侧向摆动量的风险。
3 优化改进
根据前文确定的泄压阀卡滞原因制定改进措施,具体见表2。
表2 泄压阀改进措施
续表2
泄压阀结构变更前、后结构对比如图7所示。
泄压阀结构变更后作动压力区间如图8所示。
改进后,泄压阀作动压力范围明显降低,大幅度减少了泄压阀的作动次数,降低了泄压阀孔内壁疲劳磨损的风险。
图8 改进件泄压阀作动压力区间
泄压阀结构变更后泄油窗口处受力如图9所示。
图9 改进件泄压阀泄油口受力示意
改进后,泄油窗口面积增加,鼻梁区阀体与阀孔内壁所受的垂直力由30 N降为6 N,降低了80%,有利于改善阀孔磨损。
4 试验验证
通过发动机交变负荷耐久试验验证改进方案的有效性,试验运行800 h,试验过程中油压未见异常下降,如图10所示,机油泵泄压阀孔未见异常磨损,如图11所示。
图10 交变负荷耐久试验机油泵油压、油温变化(改进后)
图11 交变负荷耐久试验后泄压阀孔(改进后)
5 结 论
对机油泵泄压阀卡滞问题进行分析和解决,得到影响机油泵卡滞的关键因素:
(1)泄压阀长径比影响泄压阀在阀孔内的摆动量,长径比越小摆动量越大,建议长径比大于1.5;
(2)泄压阀顶部应有倒角或圆角结构,以避免顶部因摆动与泄油窗口上边缘发生碰撞;
(3)泄压阀泄油窗口面积影响鼻梁区受力,正常工作状态下鼻梁区受力应小于10 N;
(4)泄油窗口的高度对泄压阀摆动有影响,高度越大,阀体摆动量越大,在保证泄油面积的情况下应尽量降低泄油高度;
(5)泄压阀弹簧应设计有预紧力,通过计算使泄压阀的初始作动压力处在泄压阀工作压力区间内;
(6)泄压阀弹簧的垂直度应控制在2°以内,并计算弹簧的稳定性,如果弹簧不稳定,则在泄压阀孔和底座上增加弹簧导向结构。
[1]吕启菊,梁双青,林卫,等.机油压力报警灯常亮故障排查及解决[J].时代汽车,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