基于AMESim發(fā)動機(jī)油壓測試系統(tǒng)設(shè)計分析

陸廣華，霍 羽，楊家印

（1.江蘇省徐州技師學(xué)院，江蘇 徐州 221151；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000；3.江蘇省徐州經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221000）

1 引言

機(jī)油壓力測試是發(fā)動機(jī)及汽車生產(chǎn)中重要的冷測試環(huán)節(jié)，可以有效的保證發(fā)動機(jī)后續(xù)工作的可靠性，此種測試可以較早發(fā)現(xiàn)潛在的故障，且高效低本無污染，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量，又為企業(yè)節(jié)約成本，被越來越多的企業(yè)重視。機(jī)油作為重要的潤滑劑，是發(fā)動機(jī)正常工作的保證，其必須有足夠的壓力才能保證正常工作，因此，對機(jī)油壓力測試系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要應(yīng)用價值[1]。

國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定研究：文獻(xiàn)[2]；利用在抱爪或其他夾緊機(jī)構(gòu)自動夾緊發(fā)動機(jī)的飛輪或適配器時，通過轉(zhuǎn)速變化對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測；文獻(xiàn)[3]通過數(shù)據(jù)采集卡同時從發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口、出氣口、夾緊機(jī)構(gòu)的扭矩傳感器以及主油道出口的壓力傳感器上采集數(shù)據(jù)，以此對整機(jī)工作進(jìn)行監(jiān)測；文獻(xiàn)[4]通過發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時傳感器所采集的數(shù)據(jù)來相對地分析加工、裝配中可能存在的問題；文獻(xiàn)[5]基于噪聲震動分析技術(shù)，結(jié)合冷測試技術(shù)對發(fā)動機(jī)質(zhì)量進(jìn)行判定和評估。

根據(jù)發(fā)動機(jī)冷測試中機(jī)油壓力測試系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)，對各模塊進(jìn)行分析，選用控制圖對機(jī)油壓力進(jìn)行設(shè)置，基于AMESim搭建機(jī)油壓力動態(tài)測試系統(tǒng)，基于測試系統(tǒng)和實際發(fā)動機(jī)測試數(shù)據(jù)，對機(jī)油壓力波動中過低和過高情況進(jìn)行對比分析，以驗證測試數(shù)據(jù)的可靠性。

2 機(jī)油壓力測試系統(tǒng)模型

2.1 機(jī)油壓力測試系統(tǒng)

在機(jī)油壓力測試系統(tǒng)一般由油底殼、機(jī)油泵、機(jī)油濾清器、限壓閥、潤滑油道、溫度傳感器、機(jī)油壓力傳感器、噴油泵等組成[6-7]，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Engine Lubrication System Components

（1）機(jī)油泵供油量

試驗中測試發(fā)動機(jī)裝配的為轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵，這種泵多用為補(bǔ)油泵和潤滑油泵使用[8]。

式中：A—內(nèi)轉(zhuǎn)子沿齒掃過的工作面積，cm2；b—內(nèi)轉(zhuǎn)子齒寬，mm；Z1—內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

因為各種間隙的存在，則工作流量QL要小于理論體積流量[9]。

式中：ηv—容積效率。

（2）管道

直管模型中，沿程阻力是最主要的壓力損失。在層流區(qū)區(qū)間阻力系數(shù)與粗糙度無關(guān)[10]，可描述為：當(dāng)Re<2320，液體為油時：

水流光滑區(qū)間，雷諾數(shù)范圍4000

在紊流過渡區(qū)的上限和下限均與d/Δ有關(guān)[12]，它的范圍約為：0.85

常見的彎管模型有折角彎管和圓滑彎管，局部壓力損失系數(shù)取決于折角大小，局部壓力損失為：

圓滑彎管局部壓力損失為：

式中：d—彎管直徑；α—彎轉(zhuǎn)角；R—彎管軸心線的曲率半徑。

2.2 機(jī)油壓力控制圖設(shè)置

在了解機(jī)油測試的過程中，不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)油壓力的測試實質(zhì)就是系統(tǒng)將實際測量值和預(yù)設(shè)的域值進(jìn)行對比，若實際值超出域值范圍，則說明發(fā)動機(jī)裝配中出現(xiàn)了問題。域值的設(shè)定是通過大量的正常的發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力數(shù)據(jù)得來的[13]。

選用控制圖的類型，首先取決于監(jiān)控過程的數(shù)據(jù)是連續(xù)的還是離散的，其次還要考慮取樣的難易程度、成本等方面。目前汽車及其零部件制造企業(yè)常用的控制圖選用方法[14]。

圖2 控制圖選用方法流程圖Fig.2 Control Chart Selection Method Flow Chart

基于目前汽車質(zhì)量管理行業(yè)中的經(jīng)驗，目前對于連續(xù)型數(shù)據(jù)，均值極差圖是一種應(yīng)用較多的工具，而p圖則是離散型數(shù)據(jù)使用較廣泛的控制圖，如圖2（a）、圖2（b）所示。實際統(tǒng)計獲得結(jié)果，如圖2（c）所示。根據(jù)其可判斷發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力正常與否。主要通過判斷測試點是否在控制線以內(nèi)，且隨機(jī)排列，即可認(rèn)為無缺陷[15]。

2.3 機(jī)油壓力測試系統(tǒng)模型

根據(jù)此款四缸汽油機(jī)潤滑系統(tǒng)基本參數(shù)，利用AMESim軟件的液阻類、液壓元件類模塊庫建立起潤滑系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。

圖3 發(fā)動機(jī)油壓監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 Engine Oil Pressure Monitoring System

3 機(jī)油壓力波動分析

3.1 機(jī)油壓力過低

將試驗數(shù)據(jù)輸入模型中，獲得的發(fā)動機(jī)的高速機(jī)油壓力測試曲線，如圖4（a）所示。正常發(fā)動機(jī)的測試壓力曲線，如圖4（b）所示。

圖4 發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力動態(tài)變化曲線Fig.4 Engine Oil Pressure Dynamic Curve

對比分析可知：發(fā)動機(jī)測試過程中，發(fā)現(xiàn)高速動態(tài)油壓波動過大，檢查相應(yīng)的高速油壓采集曲線，發(fā)現(xiàn)其壓力在720°的一個工作循環(huán)內(nèi)呈現(xiàn)出有規(guī)律的波峰波谷，波動值超出測試上限150%以上（標(biāo)注值為（0～100）mbar，實測值為 252mbar），所以問題現(xiàn)象是發(fā)動機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)階段無法保持一個穩(wěn)定的機(jī)油壓力。由曲線上可以看出，該發(fā)動機(jī)的機(jī)油壓力隨著發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)在劇烈的上下波動。

發(fā)動機(jī)油道存在泄漏可能會造成機(jī)油壓力的波動，因此根據(jù)分析結(jié)果需要對發(fā)動機(jī)在試漏時的測試數(shù)據(jù)表進(jìn)行檢驗，如表1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)試漏的測試數(shù)據(jù)沒有任何錯誤，基本排除了誘導(dǎo)泄漏的可能性。如果高速機(jī)油壓力波動值過大，還需要考慮的是機(jī)油泵限壓閥存在質(zhì)量缺陷，機(jī)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)，或者機(jī)油泵鏈條裝配存在某種缺陷。為了確定問題所在，將發(fā)動機(jī)測試轉(zhuǎn)速從1300r/min調(diào)整到900r/min，改變轉(zhuǎn)速后機(jī)油壓力動態(tài)壓力測試曲線，如圖5所示。

表1 試漏測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test Data Leak Test

圖5 改變轉(zhuǎn)速后機(jī)油壓力曲線Fig.5 Changes the Speed of the Oil Pressure Curve

檢測壓力曲線，發(fā)現(xiàn)機(jī)油壓力波動值以更加規(guī)律的波形上下波動，且波動范圍遠(yuǎn)超出設(shè)定的正常范圍。由此懷疑該缺陷與發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)件應(yīng)相關(guān)。而運(yùn)轉(zhuǎn)件中涉及到機(jī)油壓力的，由機(jī)油泵限壓閥、機(jī)油泵鏈輪、正時鏈條、主軸瓦等。對這些零件逐一分析，可以了解到主軸瓦會引起該缺陷，但同時也會伴隨著其他項目的缺陷，如扭矩值偏高或偏低等，所以基本排除該項。而限壓閥等缺陷，會伴隨著機(jī)油壓力的超高或超低，不會產(chǎn)生規(guī)律性變化。鏈條張緊器所需要的張緊力是由一個密封腔體內(nèi)的機(jī)油產(chǎn)生的，通往腔體的是一個單向閥，當(dāng)腔體內(nèi)壓力小于機(jī)油壓力時，機(jī)油進(jìn)入該密封腔體。而當(dāng)腔體內(nèi)壓力大于機(jī)油壓力時，單向閥關(guān)閉，腔體內(nèi)機(jī)油變產(chǎn)生張緊器所需要的力。通過拆檢鏈條張緊器，最終發(fā)現(xiàn)其支承座上的單向閥丟失，由此導(dǎo)致鏈條張緊器內(nèi)密封腔體與主油道相通，機(jī)油壓力便在不斷變化的該密封腔體作用下，產(chǎn)生超出正常的范圍的壓力波動，如圖6所示。

圖6 鏈條漲緊器及支架Fig.6 Chain Tensioner and Bracket

3.2 機(jī)油壓力過高

系統(tǒng)啟動后，在機(jī)油壓力監(jiān)控階段，發(fā)現(xiàn)在規(guī)定的時間內(nèi)，發(fā)動機(jī)無法建立足夠大的機(jī)油壓力，無法對發(fā)動機(jī)進(jìn)行正常的潤滑，設(shè)備保護(hù)性停機(jī)，如圖7（a）所示。根據(jù)圖7（a）所示結(jié)果，檢查外部機(jī)油壓力傳感器、機(jī)油適配器的連接情況以及機(jī)油液位高度，都未發(fā)現(xiàn)異常；重新測試仍然是同樣的缺陷，因此懷疑發(fā)動機(jī)機(jī)油泵及供油系統(tǒng)等相關(guān)零件存在故障；為避免對發(fā)動機(jī)造成不可挽回的損壞，未繼續(xù)進(jìn)行測試，而是將發(fā)動機(jī)送返修區(qū)域后拆檢，經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)油泵鏈條脫落，導(dǎo)致測試時機(jī)油泵無法正常工作，機(jī)油無法正常供給，如圖7（b）所示。由于機(jī)油壓力測試中的油壓監(jiān)控及時發(fā)現(xiàn)問題并啟動保護(hù)性停機(jī)，避免了發(fā)動機(jī)的嚴(yán)重?fù)p壞。

圖7 機(jī)油壓力過高Fig.7 Oil Pressure is Too High

4 結(jié)論

根據(jù)機(jī)油壓力測試系統(tǒng)特點，選用控制圖，基于AMESim搭建系統(tǒng)模型，對機(jī)油壓力波動工況進(jìn)行試驗和模型對比分析，結(jié)果可知：

（1）根據(jù)實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用控制圖判斷機(jī)油壓力波動是否超過允許范圍，可有效判斷壓力測試是否合格；

（2）機(jī)油壓力波動過低和油壓過高均會引起發(fā)動機(jī)故障，需要根據(jù)具體問題，分析出現(xiàn)故障的原因，提出解決辦法；

（3）通過理論分析和AMESim建模，與實際結(jié)果對比可知，分析的準(zhǔn)確性與可靠性，為發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力測試提供參考。