发动机转子式机油泵异响原因分析与改进
故障维修·发动机转子式机油泵异响原因分析与改进
doi:10.16648/jki.1005-2917.2019.04.076
发动机转子式机油泵异响原因分析与改进
王少枫　董璠　孙庆　吕方奎　明艳
（东风汽车公司技术中心，湖北武汉　430058）
摘要：在汽油发动机上开展了转子式机油泵异响原因的分析研究。对发动机冷机启动异响进行了故障树分析，并解析了故障树中可能导致发动机冷机启动异响的零部件。使用故障树列举可能导致机油泵在低油温工况下异响的因素，通过对故障件的试验分析，解析人员对异
响程度打分评价分析了发动机冷机启动异响产生的原因。研究结果表明：机油泵的气爆噪音主要是由机油空化和直接进气两部分造成，通过CFD分析腔内气体的形成可以确定是否由机油空化导致异响，而机油泵结合面的平面度是造成直接进气气爆的主要原因。通过修
改机油泵铣面的加工程序，刀具切削刃口位置和定位夹具可以有效解决机油泵加工时平面度超差的问题，机油泵异响的现象也得到明
显改善。
关键词：转子式机油泵；冷机启动；异响；平面度
前言
转子式机油泵是发动机的重要组成部分，安装在发动机的前端，其主要作用是将油底壳里的机油经过增压后送到机油滤清器和各润滑油道，以润滑发动机的各主要于运动件，并使机油得到滤清[1，2]。在转子式机油泵工作时，无论转子转到任何角度，内、外转子每个齿的齿形齿廓线上总能互相成点接触。这样内外转子间形成多个工作腔，随着转子的转动，这几个工作腔的容积是不断变化的。在进油道的一侧空腔，由于转子脱开啮合，容积逐渐增大，产生真空，机油被吸入，转子继续旋转，机油被带到出油道的一侧，这时正好进入啮合，使这一空腔容积减小，油压升高，机油从齿间挤出并经油道压送出去。这样随着转子的不断旋转，机油就不断的被吸入和压出[3–5]。
发动机的异响故障对整机的性能和使用都造成较大影响。转子式机油泵工作过程中异响是发动机故障异响的主要原因之一。由于本文以汽油机为研究对象，分析了生产过程中发现的发动机点火试验时机油泵产生异响的原因，并提出解决方案。
1. 分析产生异响的零部件
转子式机油泵通常由壳体、内转子、外转子和泵盖等组成。内转子用键或者销子固定在转子轴上，由曲轴齿轮直接或者间接驱动，内转子和外转子中心的偏心距为e，内转子带动外转子一起沿同一方向转动。内转子凸齿多于外转子的凹齿，这样内、外转子同向不同步的旋转。转子转到任何角度时，内、外转子每个齿的齿形齿廓线上总能互相成点接触。这样内外转子间形成多个工作腔，随着转子的转动，这几个工作腔的容积是不断变化的。在进油道的一侧空腔，由于转子脱开啮合，容积逐渐增大，产生真空，机油被吸入，转子继续旋转，机油被带到出油道的一侧，这时正好进入啮合，使这一空腔容积减小，油压升高，机油从齿间挤出并经油道压送出去。这样随着转子的不断旋转，机油就不断的被吸入和压出。下图1为本次发生异响的机油泵原理图。
图1　转子式机油泵原理图
1.1  建立发动机异响故障树
通过对多台异响发动机点火试验，解析小组（包括技术中心产品开发人员、NVH工程师、工艺员，零部件质量工程师，品质解析人员，车间班长，热试工等）对该汽油机异响特征总结如下：（1）异响存在于每次发动机冷机（常温）启动时；
（2）持续时间约10s–30s，短时间内再次启动，无异响；
（3）全转速均存在异响，异响频率与转速正相关；
（4）异响部位在发动机前端面（正时齿轮盖端）；
（5）异响声音为有一定时间间隔的“嗒嗒嗒”金属敲击声；
（6）发动机异响时，其他指标正常，无抖动。
根据发动机异响特性，解析小组使用故障树对发动机冷机启动异响进行分析，见图2。
图2　发动机冷启动异响故障树
1.2  发动机异响故障树末端原因分析
为保证试验结果的准确性，本次解析过程中所有试验均采用解析小组打分的方式评价异响程度，异响等级评价如下表1所示。
表1　异响等级评价打分表
分数01234
说明无异响
轻微异响，
几乎听不到
存在异响，
但可以接受
异响比较严
重，基本不
能接受
严重异响，
完全不能接
受根据图2发动机冷启动异响故障树中分析的可能原因，采取相应的试验方法进行验证。单次实验存在比较大的偶然性，我们针对其他异响发动机，将上述5组试验重复两次，均与表1中试验结果一致。至此可以得出发动机冷机启动异响是由机油泵发出。
表2　发动机异响故障树末端原因试验分析表
零部件验证方法实验对象验证结果轮系拆解皮带，冷机启动，异响仍存在异响机A无关
链系统
拆解发动机，链系统固定良好，无
松动现象
异响机A无关VVT
将发动机VVT转子与壳体通过锁销
完全固定，使其无相对转动，重新
安装到A发动机上，异响仍存在
异响机A无关活塞
异响发动机（B）与正常发动机对调
机油泵，观察异响的跟随情况
异响机B
正常机C
异响跟随机
油泵转移机油泵
异响发动机（B）与正常发动机对调
机油泵，观察异响的跟随情况
异响机B
正常机C
异响跟随机
油泵转移
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《装备维修技术》2019年第4期（总第172期）2. 机油泵异响原因分析
2.1  建立机油泵异响故障树
转子式机油泵异响一般分为两个方面：1、机械噪音；2、气爆
噪音。机械噪音主要由运转噪音和振动噪音两部分构成，在实际生
产过程中，由于机械噪音往往伴随零部件的摩擦或者振动产生，由
机械噪音引发的异响往往是有规律的，并伴随机油泵工作持续存在
的。气爆噪音的形成受机油空化和直接进气的影响，出现时间会受
机油泵工况变化，可存在不连续的状况[6]。结合前文中发动机异响
特性，机油泵结构及工作原理，解析小组针对机油泵异响，列出故
障树，如图3所示。
图3　机油泵异响故障树
2.2  机油泵异响故障树末端原因分析
2.2.1  机油泵机械异响分析
因后续试验需要拆解异响机油泵的部分零件，为确保试验的准
确性，先测量机油泵泵盖螺栓力矩，所有异响机油泵螺栓力矩均在
6–9N.m范围内，符合设计要求。为验证机油泵异响是否为机械碰
撞导致的异响，使用交换验证的方法，对异响机油泵进行试验，试
验方法及结果见表2。
表3　故障树机械异响原因试验分析表
序号试验目的试验方法试验对象试验结果
1是否为内外转
发动机异响子碰撞异响将两台异响机油泵依次与
正常机油泵的转子互换
异响机油泵1
异响机油泵2
正常机油泵1
异响不随
转子转移
2是否为转子与
泵盖碰撞异响将两台异响机油泵依次与
正常机油泵的泵盖互换
异响机油泵1
异响机油泵2
正常机油泵1
异响不随
泵盖转移
3是否为转子与
壳体碰撞将两台异响机油泵依次与
正常机油泵的壳体互换
异响机油泵1
异响机油泵2
正常机油泵1
异响随壳
体转移
备注：以上试验，机油泵运行条件为机油温度10℃，吸油高度–110mm，转速600–1800r/min，出油压力400kPa–550kPa。
根据以上3组试验可以得出，异响与壳体相关。但壳体中安装有限压阀，异响可能来自于限压阀，为排除该因素，将异响机油泵1的限压阀使用钢销固定，使其处于常闭状态，异响机油泵1仍存在异响。综合上述4组试验结果，可以得出机油泵异响与机油泵壳体有关，但究竟是不是由壳体与转子碰撞引起的异响，我们检查了转子及壳体转子室内壁，未发现明显撞痕和磨痕，于是我们又测量了上述3组试验对象的相关尺寸，结果见表4，异响机油泵1和异响机油泵2相关尺寸均在合格范围内。
2.2.2  机油泵气爆异响分析
由于气爆噪音可能为机油空化或直接进气两种原因，故需对机油泵内部机油空化情况进行CFD分析，下图为故障件机油温度20℃的CFD分析图。实验时进口相对压力为0Bar，出口相对压力为4Bar，转速1200r/min。从图中可以看出，在机油温度20℃，转速1200r/min时机油泵内腔并未达到空化的程度，虽然空化在进油腔第一进油腔位置易形成，但通过修改该处位置型腔结构，加大第一转子腔处两侧的通流面积，异响状况未发生变化。可以判断机油泵内空化并不是异响发生的主要原因。
表4　机油泵壳体转子室与转子尺寸测量表
测量项目异响机油泵1异响机油泵2测量结果98#转子室平面度0.01340.0042合格
转子室底面平面度0.01990.0107合格
1#内转子孔直径45.036245.0331合格
9#外转子直径21/D81.574081.5772合格
1#内转子圆柱度/F0.00660.0244合格平行度–0/D0.02610.0265合格
垂直度–0/D0.00390.0155合格
1#和9#偏心距3–9/D  2.9953  2.9918合格直线–2/A130.181929.2141合格
圆–24/X  2.5893  2.6112合格Y–1.5059–1.4602合格点–2/Z（内）11.853211.8670合格
点–3/Z（内）11.853111.8228合格
点–4/Z（外）11.853611.8550合格
点–5/Z（外）11.844411.8565合格
图4　20℃机油泵内部空化图
直接进气导致的机油泵异响主要由铸造缺陷和端面加工不良导致。通过检测机油泵结合面平面度，发现异响机油泵结合面平面度为0.06–012mm，远超出0.027mm的公差要求。下表5为异响件和合格件的平面度检测结果。由于链壳泵盖结合面在靠近进油口处存在高点，导致装配泵盖时泵盖与链壳结合面贴合不严，进油腔区域存在多处细小缝隙，特别时靠近进油口处尤其严重。在机油温度较低时，由于机油粘度增加，油阻增大，导致进油腔内的负压有所升高。由于在运转过程中在转子端面上存在一层油膜，油膜填充了转子与泵盖处的间隙，形成了一道密封带，故内转子与泵盖处的端面间隙进气相对较少。当进油腔内的压力与细小缝隙达到临界值时，外界空气会从泵盖结合面处的这些细小缝隙大量进入机油泵腔体内部，机油内会出现大量气泡，这些气泡进入高压腔后，由于压力升高发生破裂，产出汽爆现象，发出较大声响[7，8]。故可以判断，机油泵异响主要受结合面平面度超差影响所致。
表5　机油泵平面度检测结果
检测样本检测结果判断
异响件2#0.10mm超出0.027mm平面度要求
异响件3#0.12mm超出0.027mm平面度要求
合格件0.02mm合格
3. 问题解析和改善措施
3.1  问题解析
机油泵结合面超差主要的影响因素包含以下三个方面：
（1）铣面加工存在缺陷；在机油泵结合面铣面加工时，凸出高点部位宽度仅1.96mm，而切削合金刀片刃口宽4.32mm。在刀片切削时，刀片不能做到全刃口完全切削，会出现铣面超差的情况。下图3为铣面加工刀具和尺寸的示意图。
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故障维修·发动机转子式机油泵异响原因分析与改进
1.96mm
图5　铣面加工所使用刀具示意图
（2）  加工刀具切削刃口不平；检查刀具刀尖，发现刀尖部分上翘，测量切屑刃相对安装贴合面角度
为91.18°，刀具边缘还有R0.8圆弧，造成刀片安装后切削面与切屑部件不平，导致切削时刀具不能与工件完全贴合，致使加工的平面度有误差。
（3）  加工定位异常；机油泵加工时，如果定位销异常也可导致定位浮动，导致加工时平面度超差。图4为机油泵加工时的定位夹
具，图中两个定位销已出现磨损，定位出现偏差。同时毛坯的定位孔如出现倒角不均匀，也会对定位造成影响，同时影响加工质量。
图6　机油泵定位夹具示意图
3.2  改善措施及效果
根据加工过程中发现的问题，对机油泵的加工工艺进行改善，制定改善措施如下：
（1）  调整铣面加工程序；将加工轨迹向外增加1mm ，使加工时刀具可以尽量覆盖整个加工面，使刀具切削轨迹更合理；
（2）  调整焊接合金刀片的位置；通过测量切削刃安装后的切削间隙，需保证其切削间隙应小于0.05mm ，保证加工时切削刃与工件的贴合度，减少刀具上翘造成的加工误差。
（3）  定时检查定位夹具；缩短定位夹具的检查周期，避免由于夹具定位浮动导致的加工误差。同时在毛坯定位孔增加倒角处理，保证定位质量。
图7为改善后机油泵加工面平面度的加工质量，图中可以看出，通过改善机油泵表面平面度得到有效改善，同时异响现象也得以消除。
结论
本文通过对发动机冷机启动异响进行了故障树分析，并解析了故障树中可能导致发动机冷机启动异响的零部件。使用故障树列举可能导致机油泵在低油温工况下异响的因素，通过对故障件的试验
分析，出了机油泵异响的原因，得出的主要结论如下：
（4）  机油泵的不连续异响主要由机油空化和直接进气两个原因造成，需使用CFD 分析是否由于机油空化造成气爆异响，同时机油泵结合面进气也是导致机油泵异响的重要原因，在机油温度较低时，机油粘度大，导致进油腔内的负压有所升高。正常情况下，在机油泵运转过程中在壳体与泵盖间存在一层油膜，该油膜填充了转子与泵盖处的间隙，形成了一道密封带，防止外部气体进入，但当进油腔内
的压力与细小缝隙达到某个函数关系时，外界空气就会从结合面处的这些细小缝隙进入机油泵腔体内部，机油内会出现大量气泡，这些气泡进入高压腔后，由于压力升高发生破裂，产出气爆现象。
图7　改善前后机油泵加工面平面度
（5）  在机油泵加工时应合理制定加工程序，使加工时刀具尽可能覆盖整个加工面，避免由于空间小等因素导致刀具无法加工到，致使加工平面度超差，导致机油泵异响。加工时的检具夹具需定时检查，防止夹具定位浮动导致定位偏差。同时切削刃与刀柄的角度也需调整至0.05mm 以内，保证切削刃与工件完整贴合，减少刀具上翘造成的加工平面度超差。
参考文献
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燃机与摩托车.2008，4：43–45.总之，焊后残存应力会严重危害焊接构件的使用可靠性。本不应该在管道使用期间出现的应力腐蚀失效问题，因焊接产生的残余失效应力而加速了该失效的发生。因此，对于管道焊接构件，应当采取有效的技术工艺，降低甚至消除焊接残余应力，提高焊后构件的防腐能
力。
3. 减小焊接残余应力的一些措施
（1）  锤击法。用圆头小锤在焊缝冷却中均匀迅速锤击焊缝，抵消一部分焊接变形，减少焊接残余应力。
（2）  合理安排焊接顺序。若存在较多的管道焊接，应从错开的短焊缝开始，然后逐步增长，这样可以减少焊缝的约束，使其自由收缩，减少残余应力的产生。
（3）  固定方式的选择。尽量选择刚性固定，这样可减少焊接时的变形，待冷却后，再将固定去除。但此方式仅适用于低碳钢。
（4）  预热。减少焊接部位与非焊接部位的温度差，减少热应力，即减少残余应力的产生。
总结
大口径高压输送及高钢级管的应用是全世界管道进步的一个
主要方向。我国西气东输工程的成功，标示着我国的高强度钢管道理论研究及实际应用方面取得了重
要成果。焊接是管道中的必要工艺，因此提高焊接工艺水平、减少焊接残余应力是加速我国管道工程发展的一项重要技术，更是能够保障我国油气运输通道使用寿命的有效手段。
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