內(nèi)燃機(jī)機(jī)油泵的流量計(jì)算及零件參數(shù)設(shè)計(jì)
摘要：我們主要介紹內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)流量計(jì)算和機(jī)油泵的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率確定發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油實(shí)際循環(huán)流量，分別對(duì)齒輪泵和轉(zhuǎn)子泵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確定關(guān)鍵零部件的基本尺寸，從而完成機(jī)油泵零件設(shè)計(jì)。
Abstract: The author mainly introduces the flow calculation of the internal combustion engine lubrication system and the designparameters of the oil pump: the actual circulating flow of the engine oil is determined by the effective power of the engine, the parameters of the gear pump and the rotor pump are calculated respectively, and the basic dimensions of the key parts are determined design of Oil Pump Parts.
機(jī)油泵是內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中***重要的部件，其功能是為潤(rùn)滑系統(tǒng)提供足夠壓力和流量的機(jī)油，油壓和流量必須保證在一定的范圍之內(nèi)，以保證每一個(gè)摩擦件能得到充分的潤(rùn)滑而且不損壞相關(guān)的零部件。筆者主要針對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)油泵一些基本參數(shù)的計(jì)算和選用進(jìn)行闡述，以此來指導(dǎo)機(jī)油泵的設(shè)計(jì)和開發(fā)。
1、內(nèi)燃機(jī)機(jī)油散熱量計(jì)算和機(jī)油實(shí)際循環(huán)流量計(jì)算：
1.1、內(nèi)燃機(jī)機(jī)油散熱量φj：
理論上，內(nèi)燃機(jī)機(jī)油循環(huán)流量 qv 可以根據(jù)兩種辦法來確定：一種方法是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的機(jī)油散熱量來確定；另一種方法是統(tǒng)計(jì)方法，即比較同類型的機(jī)器，在相同的條件下的機(jī)油流量，選擇適當(dāng)?shù)牧髁孔鳛闄C(jī)器的機(jī)油設(shè)計(jì)流量。在這里介紹用機(jī)油散熱量決定機(jī)油流量的方法。
機(jī)油散熱量 φj 由下式確定：
| j =α0φi | （1） |
式中，φj 為機(jī)油帶走的熱量（kJ/h），φi 為內(nèi)燃機(jī)每一小時(shí)燃料燃燒生成的熱量，α0 為機(jī)油散熱量占發(fā)熱量的百分比。對(duì)于現(xiàn)代汽車拖拉機(jī)用的內(nèi)燃機(jī)可取 0 = 0.015～0.025，對(duì)于活塞用機(jī)油冷卻的柴油機(jī)需由機(jī)油帶走的熱量要大的多，可達(dá)
到 α0 = 0.06。
| 由于 | i | = | 3 600 P | （2） | ||
| e | ||||||
| 所以 | j | =α0 | 3 600 P | （3） | ||
e
式中，P 為內(nèi)燃機(jī)有效功率 (kW)，ηe 為有效效率，對(duì)于汽油機(jī)可取 ηe = 0.25，對(duì)柴油機(jī)可取
ηe = 0.35。
1.2 、機(jī)油實(shí)際循環(huán)流量 qva：
確定了機(jī)油所帶走的熱量后，就可以求出內(nèi)取到 3.5。
2、機(jī)油泵參數(shù)設(shè)計(jì)：
2.1、機(jī)油泵分類介紹：
個(gè)為從動(dòng)齒輪。齒輪在密封泵殼中旋轉(zhuǎn)，齒輪所帶入的機(jī)油從進(jìn)油腔被壓送到出油腔。
齒輪泵計(jì)算主要是根據(jù)泵的實(shí)際流量（qva）確定齒輪的基本尺寸（模數(shù) m，齒數(shù) z，齒寬 b）和轉(zhuǎn)速（np），并按下列順序進(jìn)行計(jì)算[2]。
a. 確定齒輪泵的實(shí)際排量：設(shè)機(jī)油泵的轉(zhuǎn)速為np（r/min），且假定齒輪的齒間容積與齒的體積相等，則齒輪泵的理論排量為：
| （df2 – dk2）bnp | |
| 4 | |
| 而實(shí)際排油量為： | |
| qva = （df 2 – dk 2）bnp p | （6） |
| 4 |
式中，df 、dk 分別表示齒頂圓和齒根圓直徑（mm），ηp 為機(jī)油泵的容積效率，一般取 ηp = 0.7～0.8，或者根據(jù)試驗(yàn)值選定。
未經(jīng)修正的齒輪的齒頂高等于模數(shù) m，因此 df = d + 2 m（d 為齒輪節(jié)圓直徑）。如假定齒根高也等于模數(shù) m（實(shí)際上為 1.2 m），則 dk = d -2 m。
| 這時(shí) df | 2 – dk | 2 = 8 dm，考慮到 d = mz，所以： | |||
| 2 | 60 | （7） | |||
| qva = 2πm zbηp np 106 | |||||
b. 選定齒輪輪緣速度 ur ：現(xiàn)在 ur 的允許值為6～8 m/s。若 ur 過大，則在離心力作用下，進(jìn)油腔的齒輪間容積中的機(jī)油填充情況會(huì)惡化，致使油泵的容積效率下降。為了改善機(jī)油填充情況，油泵進(jìn)油腔所占據(jù)的圓周尺寸應(yīng)不小于每個(gè)齒輪圓周長(zhǎng)長(zhǎng)度的 1/8。
c. 根據(jù)輪緣速度 ur ，確定齒輪外圓直徑 Dr 之在主流內(nèi)燃機(jī)中，主要采用外嚙合齒輪式機(jī)油泵（簡(jiǎn)稱齒輪泵）和內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)子式機(jī)油泵（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)子泵），還有一些內(nèi)燃機(jī)采用葉片泵。我們重點(diǎn)介紹齒輪泵和轉(zhuǎn)子泵的零部件設(shè)計(jì)。
后，按此式：
60 000
Dr = πnp ur
d. 選定 m，z：因?yàn)?nbsp;Dr = m（z Dr 之后，按此式選取 m 和 z。（8）+ 2），已知道液壓油液污染不敏感，在工作時(shí)油壓脈動(dòng)較大。
轉(zhuǎn)子泵結(jié)構(gòu)緊湊，供油均勻，噪音小，容積效率高，對(duì)油品的清潔度要求較高。我國(guó)現(xiàn)在已有轉(zhuǎn)子泵的系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并已生產(chǎn)由粉末冶金壓制成的轉(zhuǎn)子泵內(nèi)外轉(zhuǎn)子，省工省料，成本低，為轉(zhuǎn)子泵的推廣創(chuàng)造了條件。因此，近年來在新設(shè)計(jì)的和經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)的中小功率內(nèi)燃機(jī)新機(jī)型中采用較多[1]。
2.2、齒輪泵參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算：
齒輪泵是由兩個(gè)相互嚙合的齒輪所組成。一個(gè)為主動(dòng)齒輪，通過傳動(dòng)齒輪由曲軸驅(qū)動(dòng)，而另一因?yàn)?qva ∞m2 z（參看式 7），所以選用較大的 m 值是有利的，同時(shí)按照 Dr = m（z + 2）的關(guān)系，當(dāng)選用較大的 m 值時(shí)，z 就要減小，這樣做可以使機(jī)油泵結(jié)構(gòu)緊湊。
確定值 m 時(shí)，可以借助于經(jīng)驗(yàn)公式：
| m =（0.031～0.057） qv | （9） |
可以根據(jù)上式和國(guó)標(biāo)選取 m 值，一般為 m = 2.5～5。一般是取齒數(shù) z = 6～14。為了減少齒數(shù)，在油泵設(shè)計(jì)中盡量采用修正齒輪，但是 z 過少，會(huì)使
油泵所輸出的油中有較大的油壓脈動(dòng)。 e. 齒寬 b 為：
| b = | qv | （10） |
| 2πm2 zηp np 60×10–6 | ||
一般 b =（6～10）m = 20～50 mm，b 越大，要求齒輪的加工精度越高。
f. 在汽油機(jī)中，np = 0.5 ne（ne 為內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速），對(duì)于柴油機(jī)一般 np = 2 000～3 500 r/min 內(nèi)選用。
按照上述計(jì)算程序估算出相關(guān)值（m、z、b等），不一定能完全滿足設(shè)計(jì)要求。這時(shí)，可以改選別的參數(shù)重新進(jìn)行計(jì)算，直到各參數(shù)調(diào)整合格為止。齒輪設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，可以參考有關(guān)齒輪的專業(yè)書籍。
g. 驅(qū)動(dòng)齒輪泵所需的功率可按下式計(jì)算：
| Pp = 0.28×10-6 qva（Pout – Pin） | （11） |
式中，Pout ，Pin 為機(jī)油泵油出口和進(jìn)口的壓力表（MPa），一般取 Pin = 0；qva 為油泵實(shí)際排量（L/ h）。ηm 為油泵的機(jī)械效率，它考慮了克服摩擦力和液力阻力的功率損失，通常取 ηm = 0.85～0.90。
2.3、轉(zhuǎn)子泵參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算：
轉(zhuǎn)子泵是由內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子等組成。油泵工作時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)外轉(zhuǎn)子向同一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，它們可以看作是一對(duì)只差一個(gè)齒的內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)。
圖 1 機(jī)油泵轉(zhuǎn)子嚙合圖
內(nèi)外轉(zhuǎn)子的齒廓可以有不同的曲線形狀，轉(zhuǎn)子泵的外轉(zhuǎn)子的齒廓是一段等半徑正弧，內(nèi)轉(zhuǎn)子為其共軛曲線，即短輻外擺線的等距線。內(nèi)外轉(zhuǎn)子存在一定的偏心距 e。圖 1 展示了一般的轉(zhuǎn)子機(jī)油泵的嚙合圖，從圖 1 中可以看出，決定外轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)為偏心距 e（內(nèi)外轉(zhuǎn)子軸距）、總成半徑 R、齒形圓半徑 a、外轉(zhuǎn)子齒數(shù) Z2 ，其他參數(shù)可以通過e，a，R 等參數(shù)求出[3]。
內(nèi)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算和選擇如下。
確定轉(zhuǎn)子泵的實(shí)際排量，設(shè)機(jī)油泵的轉(zhuǎn)速為np（r/min），則轉(zhuǎn)子泵的理論排量為：A·Z1·b· np ，而實(shí)際排油量為：
| qva = A·Z1·b·np·ηp | （12） |
式中， A 為內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間形成的***大面積mm2，Z1 為內(nèi)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)，齒數(shù)在考慮加工和使用的合理性之后，在一定程度上不是可以自由選取的，可以參照 JB/T 6005《內(nèi)燃機(jī)機(jī)油泵轉(zhuǎn)子系列參數(shù)》，b 為內(nèi)轉(zhuǎn)子的厚度，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)軸的直徑和傳動(dòng)的可靠性來選取，np 為轉(zhuǎn)子泵的轉(zhuǎn)速，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的***高轉(zhuǎn)速和機(jī)油泵驅(qū)動(dòng)方式確定，ηp 為轉(zhuǎn)子泵的容積效率，制定我國(guó)的
系列型譜時(shí)選取 ηp ≥0.78，詳細(xì)參照 JB/T 8413.1《內(nèi)燃機(jī) 機(jī)油泵 部分：總成 技術(shù)條件》。內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間形成的***大面積：
| A = (2 1 )2 – (2 2 )2 = | qva | （13） | |
| Z1·b·np· p | |||
| 式中，ρ1 為內(nèi)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)徑之半，ρ2 內(nèi)轉(zhuǎn)子短 | |||
| 徑之半。 | |||
| 外轉(zhuǎn)子齒數(shù) Z2 ：Z2 = Z1 + 1 | （14） | ||
| 總成半徑 R： | |||
| R = a +ρ1 – e = a +ρ2 + e | （15） | ||
式中，e 為偏心距，a 為齒形圓半徑，通常 a = 4e 或者已知。
生成擺線齒廓的滾圓半徑 rg ：
| rg = | R | （16） | |||
| Z2 | |||||
| 滾圓所滾動(dòng)的基圓半徑 rj ： | |||||
| rj = | R×Z1 | （17） | |||
| Z2 | |||||
| 外轉(zhuǎn)子齒內(nèi)切圓半徑 r：r = R – a | （18） | ||||
| 外轉(zhuǎn)子限制圓半徑 L： | |||||
| L =ρ1 + e = R – a + 2 e | （19） | ||||
3、結(jié)束語：
通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)實(shí)際需求機(jī)油量和機(jī)油泵供油能力的計(jì)算，能快速鎖定機(jī)油泵的性能指標(biāo)，進(jìn)行機(jī)油泵各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)齒輪泵或者轉(zhuǎn)子泵，從而為內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供有效指導(dǎo)。