劉鐵飛，楊正中，王炯，張?jiān)龇?/p>

(湖南機(jī)油泵股份有限公司，湖南衡東 421400)

0 引言

機(jī)油泵是發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，現(xiàn)階段通常分為定量泵和變量泵。定量泵按結(jié)構(gòu)形式又分為齒輪泵和轉(zhuǎn)子泵，而轉(zhuǎn)子泵是定量機(jī)油泵最為常見的一種結(jié)構(gòu)形式，特別是在中低馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)上。相對(duì)于齒輪式的機(jī)油泵有著噪聲小、易于制造、成本低、占用空間小等特點(diǎn)。

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求的提高，對(duì)油泵的性能要求也日益要求嚴(yán)格。對(duì)于性能指標(biāo)的改善，現(xiàn)有技術(shù)通常通過改善油道、封油區(qū)域及零件的精度等級(jí)來提高。轉(zhuǎn)子作為轉(zhuǎn)子機(jī)油泵的一個(gè)關(guān)鍵零件，直接影響著油泵的性能指標(biāo)。轉(zhuǎn)子作為傳動(dòng)件也直接影響著油泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲、容積效率、壓力脈動(dòng)等性能指標(biāo)。本文作者基于某機(jī)油泵對(duì)不同的轉(zhuǎn)子的型線對(duì)油泵的性能影響進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 轉(zhuǎn)子機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)及原理

通常的轉(zhuǎn)子機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)組成形式如某轉(zhuǎn)子機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由泵體、泵蓋、內(nèi)外轉(zhuǎn)子、驅(qū)動(dòng)軸、閥組件等零件組成。驅(qū)動(dòng)軸通過傳動(dòng)齒輪或鏈輪等形式帶動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子同方向旋轉(zhuǎn)，內(nèi)外轉(zhuǎn)子相差一個(gè)齒數(shù)，旋轉(zhuǎn)中心有一個(gè)偏心距，在嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，形成幾個(gè)獨(dú)立的近似封閉的空間，通過各封閉空間容積的變化完成吸油、排油過程。轉(zhuǎn)子的嚙合過程是內(nèi)轉(zhuǎn)子型線與外轉(zhuǎn)子圓弧輪廓的相互嚙合過程，故轉(zhuǎn)子型線的優(yōu)劣直接影響著性能指標(biāo)。

圖1 某轉(zhuǎn)子機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)子型線的類型

轉(zhuǎn)子機(jī)油泵通常是內(nèi)嚙合結(jié)構(gòu)形式，按型線可以分為7種，分別是圓弧擺線、全共軛圓弧、圓錐曲線復(fù)合擺線、橢圓擺線、雙擺線、圓弧復(fù)合擺線、月牙泵復(fù)合擺線。文中主要對(duì)其中的4種擺線進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究，參見圖2擺線類型型線圖所示，分別是圓弧擺線、圓錐曲線復(fù)合擺線(簡(jiǎn)稱為圓錐擺線)、橢圓擺線、圓弧復(fù)合擺線。

圖2 擺線類型型線圖

根據(jù)轉(zhuǎn)子擺線設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子型線生成三維模型，參見圖3內(nèi)外轉(zhuǎn)子三維模型所示。某油泵基本參數(shù)：轉(zhuǎn)子齒數(shù)6/7齒，偏心距2.36 mm，外轉(zhuǎn)子外圓直徑為47.6 mm，轉(zhuǎn)子厚度為33.6 mm，按圓弧擺線型線轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)排量為15.78 mL/r。

圖3 內(nèi)外轉(zhuǎn)子三維模型

3 仿真分析

通過對(duì)模型的流體域提取，參見圖4流體域模型分析，采用Pumplinx Ver02進(jìn)行CFD分析。分析邊界條件為140 ℃ &0W20，對(duì)油泵轉(zhuǎn)速和出口壓力分別為504 r/min &98 kPa、1 680 r/min &294 kPa、5 040 r/min &392 kPa 3個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行了仿真分析。

圖4 流體域模型分析

仿真分析的流量性能見表1，可以看出在怠速工況504 r/min時(shí)，4種型線的轉(zhuǎn)子基本一致，在中高階段，橢圓擺線型線轉(zhuǎn)子流量相對(duì)偏高，圓錐擺線相對(duì)偏低。

表1 仿真流量性能 單位：L/min

仿真分析5 040 r/min &392 kPa工況下的氣蝕-氣體體積分?jǐn)?shù)如圖5所示，由圖可知，圓弧擺線和橢圓擺線的氣體體積分?jǐn)?shù)分別為0.3，圓錐擺線和圓弧復(fù)合擺線則是0.5，說明在同等的設(shè)計(jì)情況下，前者的抗氣蝕能力要強(qiáng)于后者。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 流量性能測(cè)試

在溫度140 ℃、介質(zhì)為0W20的條件下，對(duì)仿真分析的工況進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。5 040 r/min &392 kPa工況在機(jī)油泵調(diào)節(jié)閥開啟的狀態(tài)，不進(jìn)行流量性能的對(duì)比。由表可以看出橢圓擺線的轉(zhuǎn)子在相同的內(nèi)外轉(zhuǎn)子基本尺寸的情況下，實(shí)際的排量更大。而圓錐擺線和圓弧復(fù)合擺線的實(shí)際排量更小，從型線圖形上也可以看出，其內(nèi)轉(zhuǎn)子齒頂相對(duì)其他兩種更加肥大，導(dǎo)致在相同的轉(zhuǎn)子齒頂、齒根的情況下實(shí)際排量相對(duì)偏小。

表2 流量性能 單位：L/min

4.2 壓力脈動(dòng)測(cè)試

在溫度140 ℃、介質(zhì)為0W20的條件下，選取油泵的3個(gè)工況點(diǎn)，分別為油泵轉(zhuǎn)速840 r/min &100 kPa、3 360 r/min &400 kPa、5 040 r/min&500 kPa進(jìn)行了壓力脈動(dòng)的試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試采集點(diǎn)位置參見圖6測(cè)試安裝圖所示。每個(gè)轉(zhuǎn)速壓力穩(wěn)定后測(cè)試時(shí)間為15 s，采樣頻率為10 kHz。測(cè)試結(jié)果如表3和圖7所示，圓弧復(fù)合擺線在均勻性和偏差幅值上表現(xiàn)最好，圓錐擺線次之，橢圓擺線相對(duì)最差。

圖6 壓力脈動(dòng)測(cè)試安裝圖

表3 壓力脈動(dòng)測(cè)試值

圖7 3 660 r/min &400 kPa 壓力脈動(dòng)結(jié)果展示

4.3 噪聲測(cè)試

圖8 噪聲測(cè)試安裝位置

4種轉(zhuǎn)子型線的噪聲測(cè)試值的平均聲壓級(jí)相差不超過2 dB(A)，可以認(rèn)為4種轉(zhuǎn)子型線在該油泵在噪聲表現(xiàn)方面無明顯差異。

表4 穩(wěn)態(tài)噪聲測(cè)試值

續(xù)表4

在試驗(yàn)油溫130 ℃、介質(zhì)為5W30條件下，按油泵轉(zhuǎn)速504 r/min &出口壓力98 kPa工況固定出油口阻尼，轉(zhuǎn)速?gòu)?04 r/min在160 s時(shí)間勻速升速到5 460 r/min，采樣頻率為25 600 Hz，測(cè)試加速過程中的Overall噪聲值參見圖9所示，4種轉(zhuǎn)子的持續(xù)加速Overall噪聲水平相當(dāng)，無顯著差異。其余兩個(gè)方位的噪聲水平也相當(dāng)，在此不進(jìn)行一一列舉了。

圖9 持續(xù)加速Overall噪聲(位置-前方)

5 結(jié)論

文中通過對(duì)4種轉(zhuǎn)子型線對(duì)油泵的流量性能、氣蝕分析、壓力脈動(dòng)及噪聲的試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試。從該油泵的試驗(yàn)結(jié)果可得：

(1)流量性能上在相同轉(zhuǎn)子尺寸情況下，橢圓擺線轉(zhuǎn)子的流量最大。

(2)仿真抗氣蝕能力圓弧擺線和橢圓擺線相對(duì)較好，圓錐擺線和圓弧復(fù)合擺線需要通過改變大小端的封油寬度、封油角度等結(jié)構(gòu)形式來降低氣體體積分?jǐn)?shù)。

(3)壓力脈動(dòng)上有較大差異，以圓弧復(fù)合擺線表現(xiàn)最好。

(4)在噪聲測(cè)試上4種轉(zhuǎn)子型線無明顯差異。

文中通過仿真及試驗(yàn)測(cè)試識(shí)別了4種轉(zhuǎn)子型線對(duì)油泵性能影響的差異性，為轉(zhuǎn)子油泵的轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考借鑒。對(duì)于轉(zhuǎn)子型線在不同排量的機(jī)油泵在性能上的影響有待進(jìn)一步的研究。