劉占強　侯曉東　王　　斌　王建中　張建川　吳　　超（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術研究中心）

機油泵的仿真優(yōu)化分析與試驗研究

劉占強1，2侯曉東1，2王斌1，2王建中1，2張建川1，2吳超1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

摘要：應用Cero及GAMBIT軟件對機油泵進行建模和網格劃分，應用CFX軟件對多種工況下機油泵出口部分三維流動進行模擬計算，得到詳盡的分析結果并預測了機油泵的特殊流動現(xiàn)象。將數(shù)值模擬結果與試驗特性曲線進行對比，從而驗證模擬分析結果的正確性。同時，也對機油泵容積效率的影響因素進行了分析，為提高機油泵工作性能提出了改進措施。

關鍵詞：機油泵數(shù)值模擬容積效率

引言

機油泵是內燃機潤滑系統(tǒng)中的關鍵部件，它為內燃機的正常工作提供了保障。同時，內燃機的性能和使用壽命也與機油泵的性能有密切聯(lián)系。機油泵的作用是保證潤滑系統(tǒng)的循環(huán)供油量及工作壓力，通過向各摩擦表面及待冷卻部件連續(xù)不斷地強制供油，使內燃機得到可靠的潤滑與冷卻，從而減少零件的磨損和熱應力[1-2]。機油泵的結構通常分為外接齒輪泵和內接齒輪泵，其中內接齒輪泵通常又被稱作轉子式機油泵。

1　轉子式機油泵概述

本文所研究的機油泵為南京創(chuàng)新機油泵制造有限公司自行設計的一款轉子式機油泵，其機油泵殼體為壓鑄鋁合金，驅動由曲軸上的驅動齒輪與內轉子同軸齒輪嚙合來實現(xiàn)。外轉子是從動齒輪，裝在機油泵泵體內，泵體密封固定在發(fā)動機的后端，系統(tǒng)總成如圖1所示。

應用Cero對機油泵總成進行三維建模，如圖2所示。

機油泵泵體、泵蓋和內外轉子的各個齒槽共同構成工作腔。當內轉子沿順時針方向轉動時，進油腔的容積由于齒輪逐漸脫離嚙合而增大，腔內產生一定的真空，潤滑油從油底殼經進油口被吸入隨后又被齒輪帶到出油腔。出油腔的容積由于齒輪逐漸進入嚙合而減小，使?jié)櫥蛪毫ι?，潤滑油經出油口被壓入內燃機機體上的潤滑油道。

在內燃機工作時，機油泵轉子不停地旋轉，潤滑油便連續(xù)不斷地流入潤滑油道，經過濾清后被送到各潤滑部位。同外接齒輪泵相比，轉子泵的特點是結構更加緊湊、體積更小，允許轉速更高，潤滑油為軸向吸入，同時流體進、出窗口的面積及角度范圍較大。轉子泵的優(yōu)點是潤滑油吸、排充分；在離心力的作用下有利于吸入的潤滑油充滿齒間，不易產生“氣穴”現(xiàn)象；轉速越高，吸入特性越好，容積效率越高，可在95%以上。此外，由于內外轉子只相差一齒且同向轉動，所以轉子泵的噪聲與流量脈動率均小于外接齒輪泵，而且使用壽命更長[3]。

圖1 轉子機油泵總成結構圖

圖3　機油泵網格劃分

2　機油泵CFD分析

圖2 轉子機油泵運動件三維模型

2.1機油泵網格劃分

將建立好的三維模型導入到GAMBIT中進行網格劃分。GAMBIT是功能強大且靈活方便的網格劃分工具，可以劃分出包括邊界層等特殊要求的高質量網格（尤其非結構化網格）。機油泵內部的連通區(qū)域形狀較為復雜，采用四面體的非結構化網格劃分更為適合，劃分結果如圖3所示。整個計算區(qū)域共生成229225個單元，對生成的網格進行檢查，結果表明網格質量良好，可以對其進行邊界條件的設置。

2.2CFX軟件介紹及相關設定

本文求解計算所選用的軟件CFX是全球第一個通過ISO9001質量認證的大型商業(yè)流體動力學軟件。誕生于工業(yè)應用背景中的CFX一直將豐富完善的物理模型、精確的計算結果、強大的后處理功能及用戶擴展性作為其發(fā)展的要求，并以其在這些方面的卓越成就，引領著CFD技術不斷發(fā)展。CFX是全球公認最好的旋轉機械工程CFD軟件，其對旋轉機械的設計、計算有一套完整的軟件體系，以及在旋轉機械行業(yè)十多年的專業(yè)經驗，CFX被旋轉機械領域90%以上的企業(yè)作為主要的氣動/水動力學分析和設計工具。機油泵作為典型的旋轉機械，應用CFX作為計算分析工具是非常適合的。

機油泵內部的流動可以簡化為不可壓縮流體的三維定常流動，湍流模型采用標準k-ε模型，湍流動能、動能耗散項、動量方程都采用二階迎風格式離散。將計算域劃分為內轉子、外轉子、入口及出口四部分，其中入口、出口為靜止計算域，內轉子、外轉子為旋轉計算域，熱傳導模型定義為：Total Energy，流體定義為參照牌號為15W/40CF-4的潤滑油設定流體性質，如表1所示。入口邊界平均壓力0.1MPa，出口邊界平均壓力0.4MPa，壁面采用默認的無滑移、光滑、絕熱壁面[4]。

表1潤滑油性能參數(shù)

2.3出口截面的計算結果

出口壓力是機油泵的一個重要性能參數(shù)，因此這里重點分析出口部分的流動情況。圖4是模擬轉速在2400 r/min的工況下出口截面的壓力等高線云圖。

圖4　出口截面的壓力分布

由圖4可見，出口截面上壓力分布較為均勻，大部分區(qū)域壓力分布在0.36~0.47MPa之間，通過CFX后處理的計算功能，整個出口截面的平均壓力為0.391MPa。

在出口截面上隨機取一點A，其壓力變化也是在0.33~0.45MPa之間。因此，在機油泵的正常工作中，出口壓力不會出現(xiàn)大的壓力波動現(xiàn)象。在出口左側區(qū)域，由于內、外轉子嚙合，齒間油腔體積不斷減小，壓力驟增，造成出口的對應區(qū)域也形成一個高壓區(qū)。

2.4嚙合間隙的計算結果

圖5為內、外轉子嚙合間隙橫截面的壓力分布。可以看到在內轉子帶動外轉子旋轉過程中嚙合間隙1在瞬間是相對封閉的，并且隨著轉動，間隙越來越小，其瞬間最大壓力可以達到1.24MPa左右.由于壓力梯度很大，這里會產生較大的噪聲；同時，機油壓力對齒輪局部會產生很大的應力。在與出口連通的空間2由于容積較大，并且在轉動的過程中，容積變化率也遠小于間隙1，故壓力分布梯度很小，但是仍高于出口壓力0.1MPa左右。

圖6表示內、外轉子嚙合間隙橫截面的速度分布情況。

圖5　嚙合間隙截面的壓力分布

圖6　嚙合間隙截面的速度分布

可以看出，出口截面的流速最高為7.8m/s，而且高流速區(qū)是隨著內、外轉子嚙合區(qū)域而移動的。在圖示1、2的狹小間隙由于潤滑油的粘性、出口壓力、機油泵本身轉動的共同作用，表現(xiàn)為流動速度很低，接近于零；而不與出口相連的各區(qū)域，流速基本與機油泵的轉速成對應關系。

經過計算得到出口的體積流量為22.248 L/min。在穩(wěn)定出口壓力為0.4MPa的情況下，不同轉速的出口流量特性計算結果見表2。

表2 不同轉速下的出口流量結果

3　試驗與驗證

3.1試驗設備

1）一套合適的夾具和驅動系統(tǒng)，用來保證機油泵能夠在任意工作轉速下運轉；

2）在管路上安裝一個可調流量的節(jié)流閥以調節(jié)機油泵的出口壓力；

3）帶有溫度控制的儲油箱，可以將油溫控制在試驗要求的范圍內，油箱容積應不小于機油泵最大每min泵油量的5倍；

4）一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

以上各部分構成機油泵綜合性能試驗臺，其試驗原理如圖7所示，試驗方法采用JB/T8886-1999《內燃機機油泵試驗方法》。

圖7　機油泵性能試驗原理圖

3.2計算與試驗結果對比

圖8為出口壓力穩(wěn)定在0.4MPa情況下，試驗得到的機油泵流量特性與計算結果的對比?？梢钥闯觯谙嗤隹趬毫Φ臈l件下，模擬結果在低轉速的情況下與試驗結果吻合良好；而在高轉速時，模擬值高于試驗值。主要原因是機油泵的轉速過高，油液瞬時得不到補充，空氣形成的氣泡在油液中占據(jù)了一定的體積，破壞了油液的連續(xù)性，導致容積效率降低。但是在總趨勢上，模擬與實驗得到的數(shù)據(jù)基本吻合，最大誤差不超過10%。因此通過模擬的方式可以得到具有符合實際的機油泵流量特性曲線，為產品的開發(fā)提供了新的研究方法和技術支持。

圖8　機油泵流量特性試驗與計算結果對比

4　機油泵容積效率優(yōu)化

容積效率η是機油泵工作性能的重要指標，容積效率的高低直接決定了機油泵的體積，當輸油量相同時，容積效率高的機油泵體積更小。

容積效率定義為：當機油泵出口壓力為P時，實際流量Q與理論流量Q0之比，即η=Q/Q0。機油泵的理論流量公式為：

式01徑，mm；r2為內轉子齒根圓半徑，mm；B為內轉子寬度，mm；n1為內轉子轉速，r/min。

影響容積效率的因素很多，其中包括端面間隙、齒頂間隙以及轉子寬徑比等。下面就分別考察配合間隙與轉子寬徑比對于機油泵容積效率的影響[5]。

4.1配合間隙的影響

為保證機油泵能夠正常運轉，必須選擇合適的配合間隙，轉子的齒頂嚙合間隙和端面間隙直接影響機油泵的性能。原機油泵的端面間隙和齒頂間隙均為0.08mm。假設潤滑油的粘度為常數(shù)，可得端面間隙的泄漏量為：

式中：q為泄漏量；δ1為端面間隙；∑β為泄漏所占圓周角（弧度）；μ為潤滑油的動力粘度；R為圓盤的外半徑；r0為圓盤孔半徑；Δp為圓盤外與圓盤中心壓力之差。

由上式看出，端面泄漏量與機油泵轉速無關，它隨壓差的增大而增大，隨端面間隙的增加而增加?，F(xiàn)將端面間隙減小至0.05mm，在轉速為2400 r/min，出口壓力為0.4MPa工況下進行仿真，得到體積流量上升至23.85 L/min，容積效率上升至90.3%。

當潤滑油流經小縫隙時雷諾數(shù)Re很小，流動呈層流狀態(tài)，則齒頂間隙泄漏量表示為：

式中：v0為兩平行板間的相對運動；δ2為兩平行板間的縫隙。將齒頂間隙同樣減小至0.05mm，在同樣工況下仿真得到體積流量為22.84 L/min，對應容積效率為86.5%。

可見容積效率是由泄漏引起的，減小間隙能夠提高機油泵的容積效率，其中端面間隙對于容積效率的影響更加明顯，在設計產品時，需要更加重視端面間隙配合的選擇。但是減小間隙配合可能會引發(fā)燒軸或泵體掃膛，同時也會增加零件加工成本，因此，在容積效率滿足要求的前提下，不能一味追求高精度要求。

4.2轉子寬徑比的影響

在滿足設計流量的前提下，機油泵的轉子半徑r、寬度B應選擇更小的尺寸以減小油泵的體積。通過r與B的配合調整可以保證設計流量Q不變，但是容積效率就會存在一定差異。

在這里引入內轉子寬徑比ψ，定義ψ=B/（2r2）。根據(jù)統(tǒng)計，ψ的取值范圍在0.12~1.52之間，ψ取值越小，轉子的自位能力越強，但是過小的ψ值會導致轉子易變形；相反ψ值較大時，由于轉子寬度加大，對于加工精度的要求變高。原機油泵的ψ=0.84，在保證理論流量Q0不變的情況下，分別調整內轉子寬徑比ψ至0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，使用CFX軟件進行數(shù)值分析，考察ψ對于容積效率的影響，結果見表3。當ψ=1.1時容積效率達到最大，ψ=1.2時容積效率出現(xiàn)下降?？梢娹D子寬度B的加大對提高機油泵的容積效率有利，但是過大的轉子寬度B會導致油腔過深，在高速運轉時，油液來不及充滿油腔，反而使容積效率降低，對于本文所選的機油泵，最佳內轉子寬徑比ψ為1.1。

表3　不同內轉子寬徑比ψ條件下的容積效率對比

從表中可以看出，內轉子寬徑比取0.7時，容積效率低于原機油泵，這是由于當ψ值較小時，轉子直徑較大，端面泄漏量所占的比例較大，因此造成容積效率的下降。隨著ψ值的加大，容積效率隨之上升，

5　結論

1）應用計算流體力學軟件CFX完成了不同工況下機油泵內部及出口部分的模擬計算，得到了可靠的分析數(shù)據(jù)，可以作為研究潤滑系統(tǒng)的邊界條件。

2）對機油泵出口壓力為0.4MPa，轉速為2400 r/min的工況進行了重點分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，機油泵內部流動趨勢及出口壓力符合工作要求。但是，存在局部壓力驟增的現(xiàn)象，建議在機油泵的出口對應區(qū)域設置卸荷槽，以減小壓力驟增，降低噪聲。

3）通過機油泵的試驗結果與模擬值的對比，得出相關結論：低轉速時，模擬與試驗結果吻合較好；高轉速時，兩者存在一定的誤差，其原因主要是計算過程中沒有考慮空穴及實際泄漏情況。

4）分析配合間隙、內轉子寬徑比對機油泵性能的影響，得出端面間隙對于容積效率的影響更加明顯，內轉子寬徑比為1.1時容積效率最佳。

參考文獻

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5蔣漢峰.柴油機機帶齒輪油泵容積效率的探討 [J].柴油機，1992（4）：50-52

中圖分類號：TK422.41

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0048-05

收稿日期：（2015-04-07）

作者簡介：劉占強（1985-），男，工程師，主要研究方向為新技術應用及整機開發(fā)。

The Performance Analysisand Experimental Research of the OilPum p

Liu Zhanqiang1,2,Hou Xiaodong1,2,Wang Bin1,2,Wang Jianzhong1,2,
Zhang Jianchuan1,2,Wu Chao1,2
1-TechnicalCenter,GreatWallMotor Company Limited(Baoding,Hebei,071000,China)
2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：The geometry modeling of the pump wasmade by Cero and the meshes were divided with GAMBIT,then the flow filed was investigated using CFX,a commercial available CFD code.Asa result,the detail of internal flow filed ofoutletof the gear pump was obtained,including the particular phenomena of flow.The performance dataof the pump in test isbasically coincidentwith simulation result.In addition,the factorswhich influence the volume efficiency were investigated in order to improve the performance of the pump.

Keywords：Oilpump,Numerical simulation,Volume efficiency