某柴油发动机机油泵齿轮断裂改进过程分析

闻武　崔军　范皖元

某柴油发动机机油泵齿轮断裂改进过程分析

闻 武，崔 军，范皖元

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，合肥 230022）

摘 要：本文针对某柴油发动机机油泵齿轮断裂问题进行了相关因素分析，通过一系列的改进措施，经过台架耐久性试验验证，优化后机油泵齿轮能够满足设计要求。

关键词：机油泵；齿轮式；断裂；耐久试验

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.20.008

1 机油泵齿轮断裂因素分析

1.1 齿轮材料分析

1.1.1 性能檢测

将故障件齿轮和新件的齿轮进行材料性能检测，检测结果显示，新件、故障件的密度、硬度在图纸要求附近，有些能够达到要求，有些不能满足要求。具体如下表：

1.1.2 强度检测

对新件的机油泵齿轮进行单齿压溃试验（测量方式如图1），试验表明压溃断裂的部位均为齿轮轴孔处，说明齿轮的单齿折断强度大于齿轮轴孔处折断强度。

1.1.3 齿轮材料CAE分析

齿轮材料为粉末冶金材料烧结铜钢（F0203J），抗拉极限为500MPa，齿轮与轴的设计半径过盈量为0.011～0.0255mm，以最大半径过盈量带入计算，齿轮轴孔处最大应力为617MPa，超过了原材料抗拉强度极限（500MPa），会造成齿轮断裂，见图2所示。综上根据目前的设计，齿轮与轴的过盈量需要有一定的要求，不能盲目减小过盈量，导致齿轮轴孔处的应力远大于材料的极限抗拉强度，所以齿轮的材料（F0203J）性能不能满足要求，需要改进齿轮材料。

1.2 齿轮受力分析

1.2.1 驱动力

从结构上看，机油泵主动轮上的驱动力来自曲轴前端的齿轮，见图3所示。从故障机的前面的试验数据上看，发动机的动力性正常，整个过程数据平稳，没有异常波动，说明齿轮断裂并非驱动力波动异常导致。

1.2.2 机油压力

在试验中，机油泵齿轮断裂前，机油压力正常；拆解后，PRV阀弹簧的弹力稍微降低，还是符合衰减要求，说明机油压力正常，对齿轮断裂无影响。

1.3 齿轮设计结构分析

1.3.1 齿轮齿形设计

通过对断裂机油泵齿轮的齿形计算，齿根圆的R=1.5mm过小，齿根强度低。实际齿轮的重合度计算为，按照渐开线直齿圆柱齿轮的结构特性，其理论最小极限重合度为1.089，最大极限重合度为1.981，目前齿轮的重合度靠近理论极限的下限，但在合理范围内，所以齿形并非齿轮磨损的直接原因。

1.3.2 齿轮轴的设计

从断裂齿轮偏磨的现象分析，两个齿轮在运动过程中接触位置发生了偏移，齿面接触不均一，通过正向与逆向分析，齿轮偏磨的主要原因在于轴与轴承接触位置的长度过短导致两根轴的平行度差，如图4所示，齿面接触不均一，运动过程中导致齿轮偏磨。

1.4 齿轮装配分析

由于齿轮与轴的配合是过盈配合，在实际装配过程中采用低温压装，若压装力过大导致齿轮内部有裂纹，容易发生断裂现象。对库存多件已经压装好的齿轮件进行磁粉探伤，结果显示未发现任何断裂及内部裂纹，齿轮与轴的过盈量的选择满足要求。所以齿轮与轴的装配过程没有异常，并非导致齿轮断裂的原因。

1.5 机油泵齿轮断裂分析结果

通过断裂机理的分析，确定了机油泵齿轮断裂的主要原因有以下两点：a.机油泵齿轮轴的长度过短，运动过程中齿轮容易发生偏磨，从而齿轮受力不均，局部受力过大导致磨损严重；b.机油泵齿轮的材料强度过低，容易发生磨损，受力异常后更容易发生齿轮断裂。

2 机油泵齿轮的优化和试验验证

2.1 机油泵齿轮设计优化

针对机油泵齿轮设计上的不合理进行了优化，通过设计尺寸的检查，主动齿轮轴长度增加将导致齿轮室与减震皮带轮干涉，从动齿轮轴可以增加3.5mm，见图5所示。同时将齿根圆从R1.52更改为R2.6，作用是增大齿根厚度，增强单齿强度，见图6所示。

2.2 齿轮材料强度优化

针对机油泵齿轮材料强度不足，将原齿轮材料F0203J更换为AHC100.29+2%Cu+0.8%C，在延伸率不变的情况下，强度有了较大提升，材料性能对比如图7所示。

2.3 机油泵齿轮的试验验证

2.3.1 性能验证

从设计变更上看，机油泵齿轮的齿形不变，仅对材料及齿轮轴的长度加长，改善齿轮的啮合及强度，对油泵的性能影响较小，从试验结果来看，整改前后发动机润滑系统的性能基本无变化，满足发动机的需求，试验结果如图8所示。

2.3.2 可靠性试验验证

通过800小时交变负荷试验和400小时活塞缸盖开裂耐久性试验验证，机油泵齿轮能够通过试验考核，同时磨损更小，无偏磨现象，泵壳与泵盖表面光滑，无划痕，较修改之前大大改善。

3 结 论

本论文通对某柴油发动机机油泵齿轮断裂问题的原因进行分析研究，得出由于机油泵齿轮材料的选择不合理，加上齿轮本身设计结构存在问题，导致齿轮运行过程发生偏磨、受力不均等现象，从而发生齿轮断裂，通过对机油泵齿轮材料和设计结构的修改，改善了齿轮接触受力，同时增加了齿轮的强度，解决了机油泵齿轮断裂的问题，对后期机油泵齿轮开发有一定的参考价值。

参考文献：

[1]陈家瑞，马天飞等.汽车构造[M].北京.人民交通出版社，2007

（01）.

[2]杨连生 《内燃机设计》 机械工业出版社 1991

[3]安相璧，唐天元.汽车试验工程[M].北京.国防工业出版社，2006.

[4]JBT2798铁基粉末冶金烧结制品金相标准[S].国家机械工业局发布.

[5]方达淳，吴新潮，饶如麟，鲍东辉，周明彪.汽车发动机可靠性试验方法[J].GB/T 19055-2003.

作者简介：闻武（1985-），本科，工程师，主要从事发动机整机试验开发工作。endprint