發動機機油泵異響的分析

□ 陳麗霞 □ 侯 麗 □ 胡 廣 □ 湯守哲

寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江寧波 315336

1 發動機機油泵概述

發動機機油泵的作用是提高機油壓力,強制壓送機油至發動機各零部件運動表面進行潤滑。在發動機機油泵中,變排量機油泵根據油道內壓力,通過反饋系統和調節系統提高機油壓力,再將機油壓送到發動機各零部件表面,提供潤滑。二級可變排量機油泵的輸出壓力能夠根據發動機轉速和負荷變化自動調整,可以降低能耗。汽車在不同工況下采用變排量機油泵供給機油,在滿足發動機潤滑要求的基礎上,能夠減少能量損失,降低油耗。

2 故障情況

2.1 故障1

某車輛在試車時出現異響問題,經過排查,發現P擋加速到2 500 r/min開始松油門,存在發動機嘯叫異響。通過噪聲、振動、聲振粗糙度專業設備進行異響源探測,在熱機怠速工況下,在駕駛員左耳和副駕駛員右耳布置傳感器進行噪聲監測,在發動機與變速器接合面和發動機油底殼底部布置傳感器進行振動檢測,檢測點如圖1所示。

▲圖1 故障1噪聲和振動檢測點

通過對異響車輛和不異響車輛進行評價,發現車輛內異響聲大小與發動機油底殼底部的振動大小相對應,噪聲和振動檢測結果如圖2所示。

車輛內異響大小與發動機和變速器接合面的傳遞無關聯,故障鎖定為發動機本體問題。通過對發動機零部件進行更換驗證,發現異響跟隨機油泵發生,機油泵更換前后噪聲和振動檢測結果如圖3所示。

▲圖2 故障1噪聲和振動檢測結果▲圖3 故障1機油泵更換前后噪聲和振動檢測結果

通過檢測結果、三方主觀評價和故障復現情況,確認發動機嘯叫異響問題為機油泵故障導致。

2.2 故障2

工廠反饋,某車輛在熱試時發現發動機前端有敲擊異響。通過噪聲、振動、聲振粗糙度專業設備進行異響源探測,在駕駛員左耳布置噪聲檢測點,如圖4所示,在發動機油底殼前端布置振動檢測點,在1 000r/min怠速升速至2 500 r/min以后松油門,降至怠速工況進行評價,發動機油底殼前端噪聲及振動能量較大,出現周期性寬頻敲擊特征。噪聲和振動監測結果如圖5所示。通過更換機油泵,異響消失。機油泵更換后噪聲和振動檢測結果如圖6所示。

▲圖4 故障2噪聲檢測點

通過測試數據、三方主觀評價和故障復現情況,確認發動機前端敲擊異響問題為機油泵故障導致。

3 原因分析

3.1 故障1

故障機油泵為變排量機油泵,可以根據負荷調整排量,結構如圖7所示。

▲圖5 故障2噪聲和振動檢測結果▲圖6 故障2機油泵更換后噪聲和振動檢測結果

▲圖7 故障1異響機油泵結構

異響機油泵齒輪外觀未發現磕碰,齒輪完好,如圖8所示。無異響機油泵齒輪外觀同樣未發現磕碰,齒輪完好。

▲圖8 故障1異響機油泵齒輪外觀

對機油泵的尺寸進行檢測,包括機油泵齒輪表面跳動、機油泵端面與銷孔垂直度、齒輪軸與銷孔軸垂直度、齒輪軸跳動等。異響機油泵和無異響機油泵的尺寸無明顯差異,其中,異響機油泵齒輪軸與銷孔軸垂直度還優于無異響機油泵。

對機油泵齒輪齒型進行檢測,均合格。異響機油泵齒輪齒型與無異響機油泵齒輪齒型無明顯差異,判斷齒輪齒形參數不是導致異響問題的直接原因。

對機油泵齒輪齒面粗糙度進行檢測,均合格,結果見表1。異響機油泵齒輪齒面粗糙度與無異響機油泵齒輪齒面粗糙度無明顯差異,判斷齒輪齒面粗糙度不是導致異響問題的直接原因。

表1 故障1機油泵齒輪齒面粗糙度檢測結果 μm

對機油泵齒輪齒面波紋度進行檢測,異響機油泵檢測結果如圖9所示,無異響機油泵檢測結果如圖10所示。異響機油泵齒輪齒面波紋度呈鋸齒狀,無異響機油泵齒輪齒面波紋度光滑整齊,控制較好。

▲圖9 故障1異響機油泵齒輪齒面波紋度檢測結果

異響機油泵齒輪齒面波紋度較差,在工作齒面存在連續波浪形態或局部較長凸起、凹陷的情況下,機油泵會產生嘯叫問題。通過對不同齒面波紋度的機油泵齒輪進行分析,總結參數,發現機油泵齒輪的齒形公差和齒相公差需控制在2.0 μm以內,有效工作齒面嚴禁出現連續波浪形態或局部較長凸起、凹陷的情況,這樣機油泵可以避免嘯叫問題。

對機油泵齒輪動平衡進行檢測,異響機油泵與無異響機油泵影響齒輪動平衡的減重孔無明顯差異,位置度均合格,判斷減重孔位置度不是導致異響問題的直接原因。

對異響機油泵裝配齒輪間隙進行檢測,檢測結果為0.1～0.12 mm,間隙要求為0.04～0.13 mm,檢測結果滿足要求。

對機油泵總成進行檢測,異響機油泵前后殼體軸承孔同軸度、機油泵殼體軸承孔與定位銷孔平行度和無異響機油泵相比,無明顯差異,異響機油泵前后殼體互換軸承孔同軸度及平行度一致性較好。

▲圖10 故障1無異響機油泵齒輪齒面波紋度檢測結果

對曲軸齒輪分度圓及曲軸齒輪端面跳動進行檢測,曲軸齒輪分度圓的檢測結果為0.009 3～0.018 2 mm,要求為不大于0.06 mm,曲軸齒輪端面跳動的檢測結果為0.048 7～0.057 7 mm,要求為不大于0.15 mm,均滿足要求。

對機油泵和曲軸齒輪的接觸斑點進行檢測,檢測方法為在曲軸齒輪左右齒面涂覆一層紅色涂料,如圖11所示,裝配異響機油泵和無異響機油泵進行嚙合評價,如圖12所示。通過檢測發現,異響機油泵及無異響機油泵和曲軸齒輪的接觸斑點分布存在明顯差異。異響機油泵接觸斑點分布于齒輪一側,呈對角接觸,如圖13所示。無異響機油泵接觸斑點分布于齒輪中間位置,如圖14所示。通過仿真計算,在機油泵齒輪和曲軸齒輪平行無偏差的情況下,機油泵接觸斑點應分布于齒輪中間位置,如圖15所示。如果機油泵齒輪與曲軸齒輪有0.5°偏差,那么機油泵接觸斑點分布于齒輪一側,如圖16所示。

▲圖11 曲軸齒輪涂覆涂料

▲圖12 故障1機油泵嚙合評價▲圖13 故障1異響機油泵接觸斑點

接觸斑點檢測與理論分析說明裝配后機油泵齒輪與曲軸齒輪不平行,導致齒輪嚙合在邊緣,產生振蕩,平穩性差,造成異響。對機油泵齒輪與曲軸齒輪平行度進行驗證評價,發現機油泵齒輪與曲軸齒輪平行度在0.035 mm以內,不會產生異響。

▲圖14 故障1無異響機油泵接觸斑點▲圖15 機油泵齒輪和曲軸齒輪平行仿真結果▲圖16 機油泵齒輪和曲軸齒輪不平行仿真結果

通過以上分析對故障1進行小結。機油泵齒輪齒面波紋度較差,工作齒面存在連續波浪形態或局部較長凸起、凹陷情況,機油泵會產生異響問題。裝配后機油泵齒輪與曲軸齒輪不平行,導致齒輪嚙合在邊緣,產生振蕩,平穩性差,也會造成異響問題。

3.2 故障2

異響機油泵檢測結果顯示存在中心頻率為2 000 Hz的寬頻敲擊,發動機轉速為1 000 r/min時,敲擊時間間隔為0.067 7 s,發動機油底殼前端振動敲擊時刻與噪聲對應,敲擊間隔與機油泵轉一圈所需時間相等。

對異響機油泵進行尺寸檢測,齒形公差、齒相公差等相關參數均合格,滿足設計要求,并且接觸斑點檢測結果也滿足要求,確認機油泵設計沒有問題。

異響機油泵齒輪齒部存在磕傷等異常缺陷,如圖17所示。

▲圖17 故障2異響機油泵齒輪外觀

在異響機油泵齒輪距離磕傷處20個齒處人為制造相似磕傷,如圖18所示,用于驗證異響是否由磕傷造成。20個齒基本對應90°。對人為磕傷機油泵齒輪裝機,進行振動檢測,結果如圖19所示。圖19顯示在原周期性振動的基礎上,每次振動之后1/4周期多出一次振動,對應人為磕傷位置。由此驗證機油泵齒輪磕傷,與平衡軸不正常嚙合,造成異響。

▲圖18 故障2異響機油泵齒輪人為磕傷

▲圖19 故障2人為磕傷機油泵齒輪振動檢測結果

通過以上分析對故障2進行小結,機油泵敲擊異響的產生原因為機油泵齒輪磕傷。

4 優化措施

對于故障1,將機油泵齒輪的齒形公差和齒相公差控制在2.0 μm以內,有效工作齒面嚴禁出現連續波浪形態或局部較長凸起、凹陷情況,同時將機油泵齒輪與曲軸齒輪的平行度控制在0.035 mm以內。

更換機油泵,機油泵齒輪齒形公差和齒相公差實測為1.9～2.0 μm,機油泵齒輪與曲軸齒輪平行度小于0.035 mm,裝機后主觀評價無嘯叫異響,優化措施有效。

對于故障2,機油泵齒輪工作表面不允許有磕傷。更換齒輪無磕傷的機油泵,振動檢測結果如圖20所示,主觀評價無敲擊異響,優化措施有效。

▲圖20 無磕傷機油泵齒輪振動檢測結果

由此可見,針對兩起故障的優化措施均有效。

5 結束語

筆者針對兩起發動機機油泵異響故障進行分析,判定失效模式,提出優化措施,解決了機油泵異響問題。在日常工作中,控制機油泵齒輪工作齒面波紋度,避免工作齒面突起、凹陷,并控制機油泵齒輪與曲軸齒輪平行度,可以有效解決機油泵嘯叫異響問題。通過優化供方生產工藝、物流轉運及裝配工序,避免機油泵齒輪在制造、運轉、裝配環節產生磕碰等,可以避免機油泵敲擊異響問題。