转子型线对机油泵性能影响的研究

刘铁飞，杨正中，王炯，张增峰

(湖南机油泵股份有限公司，湖南衡东 421400)

0 引言

机油泵是发动机的润滑系统中的一个关键部件，现阶段通常分为定量泵和变量泵。定量泵按结构形式又分为齿轮泵和转子泵，而转子泵是定量机油泵最为常见的一种结构形式，特别是在中低马力的发动机上。相对于齿轮式的机油泵有着噪声小、易于制造、成本低、占用空间小等特点。

随着汽车工业的快速发展，对发动机要求的提高，对油泵的性能要求也日益要求严格。对于性能指标的改善，现有技术通常通过改善油道、封油区域及零件的精度等级来提高。转子作为转子机油泵的一个关键零件，直接影响着油泵的性能指标。转子作为传动件也直接影响着油泵运转时的噪声、容积效率、压力脉动等性能指标。本文作者基于某机油泵对不同的转子的型线对油泵的性能影响进行了试验验证。

1 转子机油泵的结构及原理

通常的转子机油泵的结构组成形式如某转子机油泵的结构如图1所示，由泵体、泵盖、内外转子、驱动轴、阀组件等零件组成。驱动轴通过传动齿轮或链轮等形式带动内转子转动，内转子带动外转子同方向旋转，内外转子相差一个齿数，旋转中心有一个偏心距，在啮合运转的过程中，形成几个独立的近似封闭的空间，通过各封闭空间容积的变化完成吸油、排油过程。转子的啮合过程是内转子型线与外转子圆弧轮廓的相互啮合过程，故转子型线的优劣直接影响着性能指标。

图1 某转子机油泵的结构

2 转子型线的类型

转子机油泵通常是内啮合结构形式，按型线可以分为7种，分别是圆弧摆线、全共轭圆弧、圆锥曲线复合摆线、椭圆摆线、双摆线、圆弧复合摆线、月牙泵复合摆线。文中主要对其中的4种摆线进行对比实验验证研究，参见图2摆线类型型线图所示，分别是圆弧摆线、圆锥曲线复合摆线(简称为圆锥摆线)、椭圆摆线、圆弧复合摆线。

图2 摆线类型型线图

根据转子摆线设计软件设计转子型线生成三维模型，参见图3内外转子三维模型所示。某油泵基本参数：转子齿数6/7齿，偏心距2.36 mm，外转子外圆直径为47.6 mm，转子厚度为33.6 mm，按圆弧摆线型线转子设计的基础排量为15.78 mL/r。

图3 内外转子三维模型

3 仿真分析

通过对模型的流体域提取，参见图4流体域模型分析，采用Pumplinx Ver02进行CFD分析。分析边界条件为140 ℃ &0W20，对油泵转速和出口压力分别为504 r/min &98 kPa、1 680 r/min &294 kPa、5 040 r/min &392 kPa 3个工况点进行了仿真分析。

图4 流体域模型分析

仿真分析的流量性能见表1，可以看出在怠速工况504 r/min时，4种型线的转子基本一致，在中高阶段，椭圆摆线型线转子流量相对偏高，圆锥摆线相对偏低。

表1 仿真流量性能 单位：L/min

仿真分析5 040 r/min &392 kPa工况下的气蚀-气体体积分数如图5所示，由图可知，圆弧摆线和椭圆摆线的气体体积分数分别为0.3，圆锥摆线和圆弧复合摆线则是0.5，说明在同等的设计情况下，前者的抗气蚀能力要强于后者。

4 试验验证

4.1 流量性能测试

在温度140 ℃、介质为0W20的条件下，对仿真分析的工况进行了测试，测试结果见表2。5 040 r/min &392 kPa工况在机油泵调节阀开启的状态，不进行流量性能的对比。由表可以看出椭圆摆线的转子在相同的内外转子基本尺寸的情况下，实际的排量更大。而圆锥摆线和圆弧复合摆线的实际排量更小，从型线图形上也可以看出，其内转子齿顶相对其他两种更加肥大，导致在相同的转子齿顶、齿根的情况下实际排量相对偏小。

表2 流量性能 单位：L/min

4.2 压力脉动测试

在温度140 ℃、介质为0W20的条件下，选取油泵的3个工况点，分别为油泵转速840 r/min &100 kPa、3 360 r/min &400 kPa、5 040 r/min&500 kPa进行了压力脉动的试验测试，测试采集点位置参见图6测试安装图所示。每个转速压力稳定后测试时间为15 s，采样频率为10 kHz。测试结果如表3和图7所示，圆弧复合摆线在均匀性和偏差幅值上表现最好，圆锥摆线次之，椭圆摆线相对最差。

图6 压力脉动测试安装图

表3 压力脉动测试值

图7 3 660 r/min &400 kPa 压力脉动结果展示

4.3 噪声测试

图8 噪声测试安装位置

4种转子型线的噪声测试值的平均声压级相差不超过2 dB(A)，可以认为4种转子型线在该油泵在噪声表现方面无明显差异。

表4 稳态噪声测试值

续表4

在试验油温130 ℃、介质为5W30条件下，按油泵转速504 r/min &出口压力98 kPa工况固定出油口阻尼，转速从504 r/min在160 s时间匀速升速到5 460 r/min，采样频率为25 600 Hz，测试加速过程中的Overall噪声值参见图9所示，4种转子的持续加速Overall噪声水平相当，无显著差异。其余两个方位的噪声水平也相当，在此不进行一一列举了。

图9 持续加速Overall噪声(位置-前方)

5 结论

文中通过对4种转子型线对油泵的流量性能、气蚀分析、压力脉动及噪声的试验对比测试。从该油泵的试验结果可得：

(1)流量性能上在相同转子尺寸情况下，椭圆摆线转子的流量最大。

(2)仿真抗气蚀能力圆弧摆线和椭圆摆线相对较好，圆锥摆线和圆弧复合摆线需要通过改变大小端的封油宽度、封油角度等结构形式来降低气体体积分数。

(3)压力脉动上有较大差异，以圆弧复合摆线表现最好。

(4)在噪声测试上4种转子型线无明显差异。

文中通过仿真及试验测试识别了4种转子型线对油泵性能影响的差异性，为转子油泵的转子型线的设计及优化提供参考借鉴。对于转子型线在不同排量的机油泵在性能上的影响有待进一步的研究。