机油泵泄压阀卡滞故障分析及解决_李贵壹.pdf

机油泵泄压阀卡滞故障分析及解决北京汽车2023.No.1 42 北京汽车北京汽车文章编号：1002-4581（2023）01-0042-05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）摘要：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。关键词：发动机机油压力；机油泵；泄压阀卡滞中图分类号：U464.137+.1文献标志码：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2023.01.010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。（a）泄压阀孔（b）泄压阀图 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、油温变化机油泵泄压阀卡滞故障分析及解决北京汽车2023.No.1 43 北京汽车北京汽车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1.3mm 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 35（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：机油泵泄压阀卡滞故障分析及解决北京汽车2023.No.1 44 北京汽车北京汽车（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。（a）泄压阀结构示意（b）泄压阀泄油口受力示意图 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故障件分析结果零件名称具体分析结论机油泵壳体泄油孔泄油面积不足泄压阀整体结构顶部无倒角长径比1.47，偏小泄压阀弹簧预紧力无（长度不够）稳定性长径比大于 2.6，不稳定垂直度25，超过 22.5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泄压阀改进措施零件名称故障原因改进方案泄压阀原因 1直径由 15 mm 变更为 12 mm，长度由22 mm 变更为 25 mm，长径比由 1.47变更为 2.08原因 2泄压阀顶部斜倒角 1 mm20原因 5直径由 15 mm 变更为 12 mm机油泵壳体原因 5阀孔直径由 15 mm 变更为 12 mm机油泵泄压阀卡滞故障分析及解决北京汽车2023.No.1 45 北京汽车北京汽车续表 2零件名称故障原因改进方案泄压阀弹簧原因 3重新设计泄压阀弹簧，泄压阀开启压力由 490 kPa 变更为 550 kPa，泄压阀作动压力由 0 变更为 500 kPa原因 4、6弹簧垂直度小于 2泄压阀弹簧座原因 6重新设计弹簧座，增加弹簧导向结构，提高弹簧稳定性泄压阀结构变更前、后结构对比如图 7 所示。（a）变更前（b）变更后图 7泄压阀结构变更前、后对比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）机油泵泄压阀卡滞故障分析及解决北京汽车2023.No.1 46 北京汽车北京汽车图 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。参考文献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=收稿日期：（上接第 4 页）2李海亮.麦弗逊悬架车辆半轴位移摆角图的 Matlab 实现J.北京汽车，2022(2)：32-35.3凌晨，韩权武，刘春梅，等.麦弗逊式悬架运动分析J.汽车工程学报，2015，5(6)：448-453.4耿庆松，秦伟，黄勇刚，等.麦弗逊独立悬架空间运动学分析J.机械设计与制造，2015(1)：20-23.5李晏，张姗，王威，等.麦弗逊悬架运动分析的空间解析法及MATLAB 实现J.中国工程机械学报，2015，13(1)：16-21.2022 10 11=收稿日期：