朱建魁　張帥沛　龍烊丞　雷坤

摘要：為降低機(jī)油泵噪聲，以某中速大功率船用柴油機(jī)齒輪機(jī)油泵為研究對象，從機(jī)械噪聲、困油噪聲和流量脈動噪聲3個方面分析噪聲原因；優(yōu)化機(jī)油泵結(jié)構(gòu)，對優(yōu)化后機(jī)油泵進(jìn)行噪聲測試和噪聲級別評價。通過拆檢機(jī)油泵和機(jī)油泵噪聲測試，確定機(jī)油泵噪聲為困油噪聲和由流量脈動引起的階次噪聲。優(yōu)化機(jī)油泵結(jié)構(gòu)，在進(jìn)、出油腔處分別增加補(bǔ)油槽和U型卸荷槽，并增大進(jìn)、出油道橫截面積。噪聲測試結(jié)果表明，優(yōu)化后機(jī)油泵額定轉(zhuǎn)速下噪聲下降2.2 dB，效果明顯，噪聲級別為C級。在不改變機(jī)油泵流量和壓力的情況下，優(yōu)化機(jī)油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以降低機(jī)油泵噪聲。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；齒輪機(jī)油泵；噪聲；評價

中圖分類號：TK421.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0037-07

引用格式：朱建魁，張帥沛，龍烊丞，等. 柴油機(jī)齒輪機(jī)油泵噪聲優(yōu)化及評價［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2023，40（5）：37-43.

ZHU Jiankui， ZHANG Shuaipei， LONG Yangcheng， et al. Noise improvement and evaluation of diesel gear oil pump［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：37-43.

0 引言

機(jī)油泵連續(xù)不斷地輸出潤滑油，對發(fā)動機(jī)各部位進(jìn)行潤滑與冷卻，是發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的“心臟”。齒輪機(jī)油泵結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低，在柴油機(jī)上應(yīng)用廣泛。但相比其他形式的機(jī)油泵，齒輪泵噪聲大，容積效率低。齒輪泵噪聲過大不僅影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，還影響工作人員的身體健康和勞動生產(chǎn)效率。近年來，用戶對發(fā)動機(jī)降噪的要求越來越高，噪聲問題成為制約齒輪泵應(yīng)用的主要因素之一［1］。齒輪泵設(shè)計(jì)、制造和安裝等方面都影響齒輪泵噪聲，只有綜合全面考慮，才能降低齒輪泵噪聲，提高發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性和安全性。

在某中速大功率船用柴油機(jī)開發(fā)過程中，齒輪機(jī)油泵噪聲較大，用戶難以接受。本文中通過研究齒輪機(jī)油泵工作原理及噪聲產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)合開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在不改變機(jī)油泵流量及壓力的前提下，對原機(jī)油泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)及測量對優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到降噪目的。

1 機(jī)油泵

1.1 工作原理

機(jī)油泵將機(jī)油從發(fā)動機(jī)油底殼（或油箱）中抽出，將機(jī)油加壓后輸出至各運(yùn)動部件進(jìn)行潤滑與冷卻。本文中分析的齒輪式機(jī)油泵內(nèi)部由一對外嚙合漸開線齒輪組成，齒輪旋轉(zhuǎn)嚙合使齒輪泵密封殼體內(nèi)的工作容積周期性變化，機(jī)油壓力隨之升高或降低，實(shí)現(xiàn)機(jī)油的輸送［2］。

1.2 機(jī)油泵的分類及特點(diǎn)

目前商用車和船用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的機(jī)油泵為齒輪泵（分為直齒輪泵、斜齒輪泵）和轉(zhuǎn)子泵，各類機(jī)油泵的特點(diǎn)對比如表1所示。當(dāng)供油體積流量大于150 L/min時，推薦使用齒輪泵。

2 噪聲產(chǎn)生原因及應(yīng)對措施

機(jī)油泵噪聲超限主要由油泵本身缺陷、外部管路及安裝等原因?qū)е隆?/p>

2.1 機(jī)油泵本身缺陷導(dǎo)致的噪聲

2.1.1 機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲包括振動噪聲和摩擦噪聲。泵油齒輪為變位齒輪正傳動，結(jié)構(gòu)緊湊、耐磨性高、承載力強(qiáng)，但因嚙合角增大導(dǎo)致重合度大幅減小。齒輪重合度大，同時參與嚙合的齒多，多對齒輪同時嚙合的時間長，可以提高齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，減小每對嚙合輪齒的載荷，增大齒輪傳動的承載能力。增大重合度會延長噴油泵閉死區(qū)持續(xù)的時間，對傳遞動力的齒輪有利，但對泵油齒輪不利。若重合度小于 可能出現(xiàn)前一對輪齒已脫離嚙合，后一對輪齒還未進(jìn)入嚙合的狀態(tài)，此時不會形成閉死區(qū)，但導(dǎo)致傳動中斷、輪齒間沖擊，影響傳動平穩(wěn)性[3-4]。一般推薦直齒輪、斜齒輪的重合度分別不小于1.05、2.00。為保證滿足斜齒輪重合度要求，齒寬b應(yīng)滿足

≥0.9πm/sin β，（1）

式中：為以mm為單位的齒寬b的數(shù)值；m為齒輪模數(shù)；β為分度圓螺旋角，°。

泵油齒輪的精度不足、制造誤差、安裝不當(dāng)可引起機(jī)械噪聲；泵內(nèi)零件損壞磨損嚴(yán)重，如齒形誤差或齒距誤差過大，兩齒輪接觸不良，齒面過于粗糙，公法線長度超過規(guī)定公差范圍，齒側(cè)隙過小，兩嚙合齒輪的接觸區(qū)不在分度圓位置等，均引起機(jī)械噪聲。此時，可更換齒輪或?qū)X輪對研加工。

2.1.2 困油噪聲

困油現(xiàn)象是齒輪泵的重要特性之一。外嚙合齒輪泵困油現(xiàn)象示意圖如圖1所示。由圖1可知：機(jī)油泵齒輪在嚙合過程中，當(dāng)前一對輪齒尚未脫離嚙合且后一對輪齒已開始嚙合時，這2對輪齒的嚙合處形成一個相對封閉的空間，這個空間即為齒輪困油區(qū)；隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，困油區(qū)容積逐漸減小，到2個嚙合齒輪節(jié)圓切點(diǎn)相接 （即圖中P點(diǎn)）時最小；然后困油容積逐漸擴(kuò)大，直到前一對輪齒脫離嚙合時困油區(qū)消失。在困油區(qū)逐漸縮小過程中，困油區(qū)內(nèi)的油液被壓縮，油壓升高，對齒輪軸和軸承產(chǎn)生徑向附加載荷，使軸功率增大；在困油區(qū)逐漸擴(kuò)大時，困油區(qū)內(nèi)的油壓逐漸下降，當(dāng)下降到絕對壓力低于油液的蒸汽壓時，油液氣化逸出，形成氣泡進(jìn)入壓力較高的區(qū)域，氣泡潰滅時產(chǎn)生沖擊壓力，對油泵產(chǎn)生侵蝕，即為氣蝕。氣蝕使齒面或者泵體、泵蓋高壓區(qū)出現(xiàn)麻點(diǎn)或者氣蝕坑[5]。隨著機(jī)油泵的運(yùn)行，以上過程以脈動的形式不斷重復(fù)出現(xiàn)，對泵產(chǎn)生沖擊載荷，引起振動和噪聲。

外嚙合齒輪的困油現(xiàn)象無法完全消除，但可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減輕其危害，通常采取設(shè)置卸荷槽和減少齒數(shù)2項(xiàng)措施。對于一臺已成型的齒輪泵，齒數(shù)已確定，可以通過增加或優(yōu)化卸荷槽緩解困油和氣蝕現(xiàn)象。當(dāng)困油容積減小時，卸荷槽與出油腔連通，將受壓縮的油液通過卸荷槽擠回出油腔；當(dāng)困油容積增大時，進(jìn)油側(cè)卸荷槽與進(jìn)油腔連通，將油液吸入進(jìn)油腔消除真空；困油容積最小時，困油容積與進(jìn)油腔、出油腔的卸荷槽均不連通，實(shí)現(xiàn)高、低壓腔隔離。

氣蝕通常發(fā)生在卸荷槽附近，可在泵體和齒輪密封處設(shè)計(jì)補(bǔ)油槽和卸荷槽防止氣蝕，防氣蝕油腔結(jié)構(gòu)如圖2所示［6］。為保證油泵容積效率，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)油槽和卸荷槽之間應(yīng)至少保證3齒封油。

2.1.3 流量脈動噪聲

2個齒輪嚙合時產(chǎn)生振動，導(dǎo)致機(jī)油泵流量脈動，該振動頻率稱為嚙合頻率f（亦稱為流量脈動頻率），其理論計(jì)算公式［4，7］如下：

{f} = z{n1}/60，（2）

式中：{f}為以Hz為單位的嚙合頻率f的數(shù)值，z為主動齒輪齒數(shù)，{n1}為以r/min為單位的機(jī)油泵轉(zhuǎn)速n1的數(shù)值。

流量脈動引起壓力脈動，導(dǎo)致噪聲。齒輪系統(tǒng)在嚙合頻率及倍頻處出現(xiàn)較大的頻率，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該將結(jié)構(gòu)的固有頻率與齒輪系統(tǒng)的嚙合頻率避開，避免出現(xiàn)共振，嚴(yán)重影響齒輪系統(tǒng)性能和可靠性。為避免共振，降低齒輪泵噪聲，f越大越好，但不能高于整個系統(tǒng)或相關(guān)零部件的固有頻率。

2.2 外部因素導(dǎo)致的機(jī)油泵噪聲

已定型的齒輪泵，齒輪結(jié)構(gòu)、卸荷槽、軸承精度和安裝精度均已確定，可從以下幾個方面查找產(chǎn)生噪聲的原因并采取對應(yīng)措施。

1）齒輪泵前的吸油管路密封不嚴(yán)，吸入空氣導(dǎo)致氣蝕噪聲。此時可以從排出的油液中看到氣泡，解決辦法為重點(diǎn)排查泵前各種閥門、法蘭密封。

2）齒輪泵前的吸油管路或過濾器局部堵塞造成截流。截流使吸入泵的油液很少，造成干磨和氣蝕，發(fā)出較大噪聲。此時應(yīng)找出堵塞點(diǎn)，或清洗濾芯去除污垢，使吸油管路暢通。

3）機(jī)油泵前過濾器選型不當(dāng)。通流面積過小，吸入油量不足，引起干磨和氣蝕，發(fā)出較大響聲。解決方法為更換通流面積合適的過濾器，且過濾器內(nèi)部油道通徑不小于泵前管路通徑，以免造成截流。

4）機(jī)油泵的轉(zhuǎn)速過高。每種齒輪泵都有推薦的最佳轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越高，流量越大；但轉(zhuǎn)速過高，由于離心力作用，油液不能完全充滿齒間，導(dǎo)致容積效率下降，同時也使輪齒嚙合振動加快，導(dǎo)致泵的噪聲急劇增大，此時應(yīng)及時降低轉(zhuǎn)速。

5）機(jī)油泵的傳動齒輪與驅(qū)動齒輪齒隙不當(dāng)。齒輪泵的傳動方式通常為軸套或彈性軸節(jié)傳動，若傳動齒隙不當(dāng)，則傳動振動增強(qiáng)，齒輪泵受到交變載荷作用，噪聲增大。針對這種情況，應(yīng)重新裝配齒輪，保證同軸度。

3 機(jī)油泵優(yōu)化

在某中速大功率船用柴油機(jī)開發(fā)過程中，機(jī)油泵在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，可聽到明顯且刺耳的“哞哞”聲，在轉(zhuǎn)速為2 100 r/min時噪聲更明顯。為降低噪聲，本文中對機(jī)油泵噪聲做全面分析，排除外部因素后，對機(jī)油泵進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 機(jī)油泵參數(shù)

該柴油機(jī)為直列四沖程、強(qiáng)制水冷、增壓中冷，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，裝配斜齒輪機(jī)油泵。開發(fā)初期，該柴油機(jī)機(jī)油泵結(jié)構(gòu)及參數(shù)已明確，機(jī)油泵結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3.2 噪聲原因分析

由表2可知：斜齒輪重合度大于2。經(jīng)計(jì)算，齒輪寬度b符合式（1）的要求；泵油齒輪制造精度為8級精度，滿足噪聲要求，齒輪設(shè)計(jì)合理[8]，可排除內(nèi)部零件磨損及裝配原因。

對原機(jī)油泵進(jìn)行拆檢，拆檢照片如圖4所示。由圖4可知：機(jī)油泵卸荷槽簡單，在泵蓋上發(fā)現(xiàn)了輕微的氣蝕痕跡，說明機(jī)油在高壓腔出現(xiàn)困油和氣蝕現(xiàn)象。

為分析流量脈動引起的噪聲，對機(jī)油泵進(jìn)行噪聲測試，測試設(shè)備如圖5所示，測得的額定轉(zhuǎn)速下噪聲（A計(jì)權(quán)）頻譜如圖6所示。

由圖6可知：額定轉(zhuǎn)速時，機(jī)油泵聲壓級為101 dB；頻率為310、2 544 Hz時噪聲較大。由式（2）可得機(jī)油泵嚙合頻率f為315 Hz，其8階頻率為2 520 Hz，與噪聲較大的頻率接近，因此可以確定該機(jī)油泵階次噪聲明顯。

分析機(jī)油泵結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)原機(jī)油泵進(jìn)、出油腔較狹窄，存在不同程度的渦流和空化隱患，且該機(jī)油泵流量較大，狹窄的油腔引起進(jìn)、出機(jī)油不順暢，導(dǎo)致機(jī)油壓力脈動。機(jī)油波動頻率和機(jī)油泵齒輪嚙合頻率的1階、8階頻率接近，產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生階次噪聲。

綜上，原機(jī)油泵噪聲為困油噪聲和流量脈動引起的階次噪聲。

3.3 機(jī)油泵優(yōu)化

為降低困油噪聲，對機(jī)油泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前、后對比如圖7所示。在機(jī)油泵進(jìn)油腔處增加補(bǔ)油槽，在出油腔處增加U型卸荷槽［9］，如圖7中紅圈所示。

進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)油泵進(jìn)、出油腔，加大進(jìn)、出油道橫截面積，使機(jī)油流動更順暢，降低流量脈動頻率。噴油泵進(jìn)、出油腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比如圖8所示。

3.4 試驗(yàn)對比驗(yàn)證

在相同的試驗(yàn)條件下，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后的機(jī)油泵進(jìn)行噪聲測試，不同轉(zhuǎn)速下機(jī)油泵噪聲測試結(jié)果如表3所示。

由表3可知：相比優(yōu)化前，優(yōu)化后機(jī)油泵噪聲降低了0.6～5.5 dB，額定轉(zhuǎn)速下機(jī)油泵噪聲降低了2.2 dB。測試現(xiàn)場明顯感受到噪聲降低。

優(yōu)化后機(jī)油泵額定工況下噪聲頻譜如圖9所示。由圖9可知：優(yōu)化噴油泵進(jìn)、出油腔后，明顯的階次噪聲得以消除。

4 噪聲評價

機(jī)油泵開發(fā)完成后應(yīng)對其噪聲等級進(jìn)行評價。文獻(xiàn)[10]將泵的噪聲劃分為A、B、C、D 4個等級，D級為不合格，A、B、C級噪聲限值如下：

{LA}=30+9.7lg {n}{Pu}，（3）

{LB}=36+9.7lg {n}{Pu} ，（4）

{LC}=42+9.7lg {n}{Pu} ，（5）

式中：{LA}、{LB}、{LC}分別為以Hz為單位的A、B、C級噪聲限值LA、LB、LC的數(shù)值，{Pu}為以kW為單位的機(jī)油泵輸出功率Pu的數(shù)值，{n}為以r/min為單位的機(jī)油泵額定轉(zhuǎn)速n的數(shù)值。

經(jīng)計(jì)算，該機(jī)油泵噪聲限值為：LA=87 dB，LB=93 dB，LC=99 dB。

結(jié)合表3可知：優(yōu)化前，機(jī)油泵額定轉(zhuǎn)速下噪聲為101 dB，大于限值LC，為D級，不合格；改進(jìn)后的噪聲為98.8 dB，介于限值LC和LB之間，為C級，合格。

式（3）～（5）同樣適用于聲功率級的噪聲評價，二者可互相轉(zhuǎn)化，更適用于理想狀態(tài)下測出的噪聲，實(shí)際測試時受環(huán)境及其他外部因素影響，噪聲限值建議以人體感受為準(zhǔn)，機(jī)油泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中無異響且噪聲在人耳可接受范圍內(nèi)即可。

改進(jìn)后的機(jī)油泵，在轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時噪聲并不明顯，之后，隨著轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)油泵流量增大，噪聲隨之增大，伴隨輕微的“哞哞”聲，較優(yōu)化前有較大改善，用戶可以接受。

在不改變泵流量和壓力的前提下，通過優(yōu)化卸荷槽消除困油現(xiàn)象、優(yōu)化泵腔降低液體脈動，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)油泵降噪目的。

5 結(jié)論

1）原機(jī)油泵卸荷槽簡單，泵蓋有輕微的氣蝕痕跡；該泵流量較大，但進(jìn)、出油腔較為狹窄，機(jī)油流動不順暢，導(dǎo)致機(jī)油壓力脈動。機(jī)油波動頻率和油泵齒輪嚙合頻率的1階頻率和8階頻率接近，產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生階次噪聲。

2）優(yōu)化機(jī)油泵結(jié)構(gòu)，在進(jìn)、出油腔處分別增加補(bǔ)油槽和U型卸荷槽，并擴(kuò)大油腔。優(yōu)化后機(jī)油泵額定轉(zhuǎn)速下噪聲下降2.2 dB，效果明顯。

3）根據(jù)國標(biāo)對噪聲級別進(jìn)行評價，優(yōu)化后機(jī)油泵噪聲由D級提升為C級。

4）在不改變機(jī)油泵流量和壓力的情況下，優(yōu)化機(jī)油泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以降低機(jī)油泵噪聲。

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Noise improvement and evaluation of diesel gear oil pump

ZHU Jiankui， ZHANG Shuaipei， LONG Yangcheng， LEI Kun

Chongqing Weichai Engine Co.， Ltd.， Chongqing 402262， China

Abstract：In order to reduce the noise of the oil pump， a gear oil pump of a medium speed high-power marine diesel engine is taken as the research object. The reasons for the noise are analyzed from three aspects： mechanical noise， trapped oil noise， and flow pulsation noise. The structure of the oil pump is optimized， and the optimized oil pump is tested for noise level evaluation. By disassembling and inspecting the oil pump and conducting noise testing on the oil pump， it is determined that the oil pump noise is trapped oil noise and order noise caused by flow pulsation. The structure of the oil pump is optimized by adding a makeup groove and a U-shaped unloading groove at the inlet and outlet cavities， and increasing the cross-sectional area of the inlet and outlet passages. The noise test results show that the optimized oil pump reduces noise by 2.2 dB at rated speed， with a significant effect and a noise level of C. The noise of the oil pump can be reduced by optimizing the internal structure of the oil pump without changing its flow rate and pressure.

Keywords：engine; gear oil pump; noise; evaluation

（責(zé)任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-05-16

第一作者簡介：朱建魁（1989—），男，云南祥云人，工程師，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃油系統(tǒng)、潤滑冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，E-mail： zhujk@weichai.com。