机油泵泄压阀卡滞故障分析及解决

李贵壹Li Guiyi

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）

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。

发动机机油压力；机油泵；泄压阀卡滞

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。

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

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1.3 mm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3°～5°（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：

（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。

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

2.5 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

续表2

泄压阀结构变更前、后结构对比如图7所示。

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）

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。

[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

1002-4581（2023）01-0042-05

U464.137+.1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.01.010