機(jī)械式機(jī)油泵通過(guò)合適的循環(huán)回路將機(jī)油泵入內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部，以確保必要的潤(rùn)滑和冷卻。在機(jī)油泵運(yùn)行期間，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生高頻的相互作用，因而在零件表面會(huì)產(chǎn)生磨損，這樣就會(huì)導(dǎo)致泵油能力的不斷降低。Bosch VHIT公司已開(kāi)發(fā)出了一種用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確性的模擬工具，以評(píng)估可調(diào)式葉片泵的磨損過(guò)程，以此就能用于改善機(jī)油泵設(shè)計(jì)而降低試驗(yàn)成本。

1 機(jī)油泵設(shè)計(jì)優(yōu)化

在內(nèi)燃機(jī)中，潤(rùn)滑機(jī)油泵在維持整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行條件方面起著決定性的作用。機(jī)油泵持續(xù)不斷地泵送機(jī)油用于潤(rùn)滑并冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，從而避免了因干摩擦而隨之產(chǎn)生的磨損和高溫失效現(xiàn)象。機(jī)油泵具有多種結(jié)構(gòu)型式來(lái)滿(mǎn)足這些用途，其可分為電動(dòng)調(diào)節(jié)式和機(jī)械調(diào)節(jié)式機(jī)油泵。本文重點(diǎn)研究了機(jī)械式機(jī)油泵（MOP），確切地說(shuō)是泵油量可調(diào)式葉片泵（VV-MOP）（圖1），其在汽車(chē)工業(yè)中已得到了廣泛的應(yīng)用。圖2示出了典型的VV-MOP的剖面圖。

圖1 泵油量可調(diào)式機(jī)油泵

圖2 泵油量可調(diào)機(jī)械式機(jī)油泵（左），因外環(huán)能繞旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)而能減少泵油量（右）

在設(shè)計(jì)機(jī)油泵時(shí)需有計(jì)劃地使用模擬工具，利用其分析結(jié)果就能預(yù)測(cè)出各種不同的運(yùn)行條件，當(dāng)然用戶(hù)要求不僅在于投產(chǎn)前而且應(yīng)在整個(gè)產(chǎn)品壽命期間機(jī)油泵都具有最佳的運(yùn)行性能。

為了完成整個(gè)驗(yàn)證過(guò)程，則需在試驗(yàn)臺(tái)或汽車(chē)上進(jìn)行相應(yīng)數(shù)量的試驗(yàn)。傳統(tǒng)采用純經(jīng)驗(yàn)的試驗(yàn)方法對(duì)時(shí)間及資金有極大的損耗，并且在絕大多數(shù)情況下會(huì)超出預(yù)計(jì)的試驗(yàn)時(shí)間。

為了使用于轎車(chē)和商用車(chē)的泵油量可調(diào)機(jī)械式機(jī)油泵達(dá)到最高的效率，于數(shù)年前已開(kāi)發(fā)了多種模擬工具，經(jīng)過(guò)Bosch VHIT公司的優(yōu)化，開(kāi)發(fā)出了一種以數(shù)學(xué)多體模擬模型為基礎(chǔ)的模擬工具，從而通過(guò)機(jī)械式機(jī)油泵零部件之間相互機(jī)械作用的模擬，就能在考慮到這些相互作用、潤(rùn)滑狀況以及潛在的磨損現(xiàn)象情況下優(yōu)化機(jī)油泵的設(shè)計(jì)。以此即可改善機(jī)油泵的使用壽命，而且還能防止機(jī)油泵工作能力的下降及其隨之在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)的損壞。通過(guò)識(shí)別臨界接觸表面并預(yù)測(cè)可能存在的磨損程度，就能在進(jìn)行試驗(yàn)之前對(duì)各種不同的材料進(jìn)行比較，以避免過(guò)多不必要的方案。

2 機(jī)械式機(jī)油泵的工作機(jī)理

葉片泵由泵體內(nèi)腔中被外環(huán)內(nèi)表面包圍的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)組成，并直接通過(guò)與發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸連接的轉(zhuǎn)子傳遞驅(qū)動(dòng)力。

葉片式機(jī)油泵的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由一定數(shù)量的葉片（Nv）、兩個(gè)中心環(huán)、一個(gè)外環(huán)和轉(zhuǎn)子組成，這些零件彼此間是通過(guò)機(jī)械方式進(jìn)行連接的，這樣才能使機(jī)油泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)。正如圖2所示，轉(zhuǎn)子是外環(huán)中的一個(gè)對(duì)稱(chēng)零件,其相對(duì)于外環(huán)內(nèi)表面處于偏心位置，而葉片則被插入轉(zhuǎn)子內(nèi)的槽中，與轉(zhuǎn)子和外環(huán)共同形成容納機(jī)油的腔室，從進(jìn)油口至出油口機(jī)油就被封閉在其中。兩個(gè)中心環(huán)被分別安裝在轉(zhuǎn)子的前后側(cè)。這些零件被設(shè)計(jì)得在旋轉(zhuǎn)期間使滑行的葉片可連續(xù)地與外環(huán)內(nèi)表面接觸并形成封閉狀態(tài)，以預(yù)防在葉片之間每個(gè)腔室中的機(jī)油發(fā)生泄漏。

在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)期間，隨著進(jìn)油腔室容積的增大機(jī)油被吸入腔室，隨后這些機(jī)油就被一起壓往出油口，并被泵入發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油管路中，于是機(jī)油通過(guò)機(jī)油泵壓力室被連續(xù)地泵入發(fā)動(dòng)機(jī)中。

3 可調(diào)節(jié)的泵油量

機(jī)油泵的泵油量基本與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比,但是在機(jī)械式機(jī)油泵的某種特定分組情況下泵油量還是能調(diào)節(jié)的。

圖2中紅色范圍內(nèi)的高壓能將很大的力作用于外環(huán)外面的調(diào)節(jié)范圍。如果壓力超過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)所規(guī)定的閾值，那么調(diào)節(jié)彈簧就會(huì)被逐漸壓縮，這種較小的變化就會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的幾何學(xué)產(chǎn)生影響，因?yàn)榇藭r(shí)外環(huán)會(huì)開(kāi)始圍繞著旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)（見(jiàn)圖2），而機(jī)油泵的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)就會(huì)達(dá)到一個(gè)全新的平衡位置，其泵油容積就能按需減少，于是流量也同時(shí)保持在所期望的值，這樣就不會(huì)消耗不必要的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

機(jī)械式機(jī)油泵旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的這種新的結(jié)構(gòu)配置也會(huì)對(duì)磨損過(guò)程產(chǎn)生影響，因而零件上的臨界磨損表面就會(huì)隨著泵油容積的調(diào)節(jié)而發(fā)生變化。原則上，諸如轉(zhuǎn)速、幾何學(xué)和機(jī)油高壓等各種不同因素的組合會(huì)導(dǎo)致臨界狀況，因此在模擬模型中必須考慮到壓力變化所誘導(dǎo)的后果。

4磨損過(guò)程和設(shè)計(jì)驗(yàn)證

泵入發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油可直接用于各種零件之間接觸表面的潤(rùn)滑,但是仍會(huì)發(fā)生臨界磨損狀況而導(dǎo)致機(jī)油泵內(nèi)部的摩擦問(wèn)題,其結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)干摩擦而引起機(jī)油泵的磨損,在相應(yīng)措施不完善的情況下就會(huì)縮短發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。圖3示出了泵油量可調(diào)式機(jī)油泵內(nèi)部可能出現(xiàn)的4種基本磨損情況。正如過(guò)去經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)分析所表明的那樣，磨損最大的接觸表面（BF）如下：（1）BF 1：葉片上端與外環(huán)內(nèi)表面之間的接觸表面；（2）BF 2和BF 3：葉片側(cè)面與轉(zhuǎn)子接觸點(diǎn)之間的接觸表面；（3）BF 4：葉片與中心環(huán)之間的接觸表面；為了預(yù)測(cè)BF的摩擦特性，開(kāi)發(fā)了模擬工具，并借助于相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工作階段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果予以驗(yàn)證。

圖3 VV-MOP零件之間的主要磨損表面

及泵零件之間常見(jiàn)的磨損細(xì)節(jié)

借助于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型、預(yù)測(cè)機(jī)械式機(jī)油泵零件磨損過(guò)程的模擬工具、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證以及對(duì)評(píng)估泵油量可調(diào)式機(jī)油泵模型可靠性進(jìn)行的后處理來(lái)查明泵油量可調(diào)式機(jī)油泵的磨損過(guò)程。

5 泵油量可調(diào)式機(jī)油泵模型

第一步首先要查明機(jī)油泵旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)所有零件之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。整個(gè)模型基本上是一個(gè)具有兩個(gè)自由度的系統(tǒng):系統(tǒng)偏心距ecc和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角θ。

這兩個(gè)參數(shù)的數(shù)值能彼此獨(dú)立地進(jìn)行變化。圖4是相對(duì)于單個(gè)葉片的運(yùn)動(dòng)學(xué)示意圖，在模擬時(shí)這種模型可用于描寫(xiě)零件之間的間隙損耗和間隙寬度，其結(jié)果具有較高的細(xì)部精度，零件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的模擬還能確定磨損零件表面的部位，并且無(wú)需進(jìn)行簡(jiǎn)化。

圖4 泵油量可調(diào)式機(jī)油泵的運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)

除此之外，多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)可與機(jī)油泵腔室中機(jī)油的流體動(dòng)力學(xué)特性一起作為負(fù)荷狀態(tài)函數(shù)來(lái)解，這樣就能使液壓力作用于整個(gè)系統(tǒng)?；谠撛?，就能在等溫條件下同時(shí)連同其他物理影響因素一起解出用于多體系統(tǒng)的方程組，從而最終查明所有零件連同機(jī)油的摩擦接觸特性。

圖5示出了機(jī)油泵單個(gè)葉片的受力系統(tǒng)，圖中標(biāo)志的箭頭表示在動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中被調(diào)制的不同的力。力Ft和Fb位于葉片上端和下端的接觸表面；力F1和F2位于相對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的葉片背面和正面，同時(shí)還對(duì)葉片側(cè)面產(chǎn)生了壓力Fpc。

圖5 第n個(gè)葉片的受力系統(tǒng)

模擬環(huán)境允許評(píng)估機(jī)油的流體動(dòng)力學(xué)特性，其中流體特性可作為壓力和溫度的函數(shù)（在考慮到質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律情況下），并且還能評(píng)估其它諸如穴蝕和空氣滲透等狀況。

如上所述，機(jī)油的流體動(dòng)力學(xué)會(huì)影響機(jī)械式機(jī)油泵運(yùn)行時(shí)的整體動(dòng)力學(xué)，因此必須詳盡地建立機(jī)油的流體動(dòng)力學(xué)模型，著重注意機(jī)械式機(jī)油泵運(yùn)行期間單個(gè)機(jī)油腔室中的壓力變化以及每個(gè)零件不同接觸表面的潤(rùn)滑狀況。在BF 1～3接觸表面上必然會(huì)發(fā)生明顯的機(jī)油泄漏和磨損損壞。目前已確定有3種重要的流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)：

（1）粘著滑行效應(yīng)，這是由這些接觸表面上的潤(rùn)滑狀況所引起的，它歸因于葉片相對(duì)于與外環(huán)之間縫隙中機(jī)油的切向速度（BF 1）；

（2）擠壓效應(yīng)，它與葉片滑動(dòng)的徑向速度成正比，葉片的這種擠壓效應(yīng)會(huì)將轉(zhuǎn)子與外環(huán)之間的接觸表面上的機(jī)油擠壓出去進(jìn)入毗鄰的腔室中；

（3）空氣滲透，還有氣泡或溶解在機(jī)油中的空氣，它是例如溫度、旋轉(zhuǎn)速度和機(jī)油壓力變化等諸多變化因素的函數(shù)。

在機(jī)油泵運(yùn)行期間，這些動(dòng)力學(xué)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致臨界的腔室機(jī)油壓力峰值。

6 摩擦接觸計(jì)算

開(kāi)發(fā)的這種模擬程序使得根據(jù)赫茲方程進(jìn)行的摩擦計(jì)算的摩擦副反作用力能夠定量化，與此相應(yīng)評(píng)估接觸壓力狀況和計(jì)算每個(gè)步驟接觸材料的強(qiáng)度，由此就能查明相同或不同硬度和粗糙度的兩個(gè)零件之間的能量交換。這樣查明的模型化零件的動(dòng)態(tài)摩擦力通常是非線(xiàn)性的，因此系統(tǒng)必須用數(shù)字來(lái)解。圖5示出的是BF 1計(jì)算壓力狀況的細(xì)部。

7 試驗(yàn)的實(shí)施

采用加速磨損試驗(yàn)方法來(lái)查明泵油量可調(diào)式機(jī)油泵的臨界負(fù)荷條件。最主要的目的是建立測(cè)得的每單個(gè)零件的磨損量與模型模擬的接觸力之間的關(guān)系，因此要根據(jù)其Archard磨損系數(shù)K并與參考文獻(xiàn)中的數(shù)值進(jìn)行比較來(lái)查明機(jī)械式機(jī)油泵的設(shè)計(jì)品質(zhì)（表1），最后進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估，其中將鑒定臨界接觸表面的潤(rùn)滑狀況是否可靠，產(chǎn)品的使用壽命是否如預(yù)期的那樣比最初結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)高得多。

表1 Archard磨損系數(shù)K

8 試驗(yàn)和測(cè)量

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)期間有規(guī)律的時(shí)間間隔中，在一定的時(shí)間采用加速磨損臨界循環(huán)給泵油量可調(diào)式機(jī)油泵加載，在預(yù)先規(guī)定的間隔時(shí)間將機(jī)油泵從試驗(yàn)臺(tái)上拆下來(lái)并進(jìn)行分解，采用微米級(jí)誤差的高精度測(cè)量?jī)x器查明每個(gè)零件的狀況，然后再將機(jī)油泵裝配好，安裝到試驗(yàn)臺(tái)上，直至下一個(gè)測(cè)量時(shí)間點(diǎn)。經(jīng)歷這樣的過(guò)程就能一步步地保存試驗(yàn)結(jié)果，為所有零件建立磨損量（Wv）和磨損過(guò)程。

在這種關(guān)系中可應(yīng)用兩種不同的試驗(yàn)規(guī)范（VP）（圖6）。綜合每個(gè)負(fù)荷循環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果就能得到磨損特性，最終查明的結(jié)果處于這兩種試驗(yàn)結(jié)果之間。

圖6 試驗(yàn)規(guī)范

9 試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)一步處理試驗(yàn)結(jié)果，并得到K，從而就能查明機(jī)械式機(jī)油泵零件接觸面的潤(rùn)滑狀況。

從試驗(yàn)中只要獲得關(guān)于接觸表面BF 1～3的信息，因?yàn)榻佑|表面BF 4不會(huì)出現(xiàn)對(duì)機(jī)械式機(jī)油泵工作能力具有重要意義的磨損現(xiàn)象，因此采用不同的方法處理接觸表面BF 1～3：對(duì)于BF 1按照上述方法定量查明其磨損量和潤(rùn)滑狀況；對(duì)于BF 2～3則不考慮其潤(rùn)滑狀況，因?yàn)槠鋵?duì)于評(píng)估過(guò)程并無(wú)重要意義，特別是用Archard定律不能正確地描述這樣的滑動(dòng)接觸，因此對(duì)于這些表面只要評(píng)估葉片側(cè)面的磨損范圍，并在試驗(yàn)后對(duì)葉片側(cè)面上的磨損部位進(jìn)行目測(cè)比較。不同接觸表面的模擬結(jié)果示于圖7。

圖7 不同接觸表面磨損過(guò)程的模擬結(jié)果

接觸表面BF 1的試驗(yàn)結(jié)果（圖8）表明，該兩種試驗(yàn)在不同時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量之間基本上無(wú)明顯的區(qū)別，特別是在試驗(yàn)初期因磨損消除了零件上所有的粗糙部位，因此達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在后續(xù)的進(jìn)程中數(shù)值有所降低。為了改善確認(rèn)的可靠性，分析時(shí)僅考慮了第一個(gè)測(cè)量時(shí)間點(diǎn)的試驗(yàn)狀況，因?yàn)槠渲猩婕暗侥p過(guò)程中最不利的狀況。

圖8 試驗(yàn)1～2后接觸表面BF1磨損量

測(cè)量結(jié)果

最后，評(píng)估兩種試驗(yàn)的試驗(yàn)狀況，從而就能對(duì)模擬和試驗(yàn)進(jìn)行比較（圖9）。按照上述方法評(píng)估所有臨界接觸表面的所有分析參數(shù)。正如前面所闡述的那樣，所評(píng)估的接觸表面BF 1的潤(rùn)滑狀況處于試驗(yàn)1和2試驗(yàn)結(jié)果之間，因此對(duì)于葉片與外環(huán)之間的接觸具有足夠的基本上是彈性流體動(dòng)力學(xué)潤(rùn)滑，因此所分析的機(jī)械式機(jī)油泵的設(shè)計(jì)是較為可靠的，葉片側(cè)面的模擬磨損表面已通過(guò)目測(cè)進(jìn)行確認(rèn)。未來(lái)還應(yīng)對(duì)接觸表面BF 2～3進(jìn)行的測(cè)量。

圖9 試驗(yàn)1～2時(shí)BF1潤(rùn)滑狀況（左）和

目測(cè)查明的BF2～3（右）

10 結(jié)論

Bosch VHIT公司的這種新型模擬工具能查明臨界接觸表面和潛在的磨損區(qū)域，因此在設(shè)計(jì)階段就能防止它們的發(fā)生。通過(guò)在各種不同運(yùn)行條件下機(jī)油泵整個(gè)使用壽命的模擬，就能減少必須在試驗(yàn)臺(tái)和汽車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)的數(shù)量，并提高產(chǎn)品的可信度。對(duì)最終設(shè)計(jì)的優(yōu)化可按照不同的工作循環(huán)進(jìn)行，并且在試驗(yàn)之前就能避免設(shè)計(jì)尺寸過(guò)大。