內燃機機油泵的流量計算及零件參數設計
摘要：我們主要介紹內燃機潤滑系統流量計算和機油泵的設計參數，利用發動機的有效功率確定發動機機油實際循環流量，分別對齒輪泵和轉子泵參數進行計算，確定關鍵零部件的基本尺寸，從而完成機油泵零件設計。
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.
機油泵是內燃機潤滑系統中***重要的部件，其功能是為潤滑系統提供足夠壓力和流量的機油，油壓和流量必須保證在一定的范圍之內，以保證每一個摩擦件能得到充分的潤滑而且不損壞相關的零部件。筆者主要針對內燃機機油泵一些基本參數的計算和選用進行闡述，以此來指導機油泵的設計和開發。
1、內燃機機油散熱量計算和機油實際循環流量計算：
1.1、內燃機機油散熱量φj：
理論上，內燃機機油循環流量 qv 可以根據兩種辦法來確定：一種方法是根據內燃機的機油散熱量來確定；另一種方法是統計方法，即比較同類型的機器，在相同的條件下的機油流量，選擇適當的流量作為機器的機油設計流量。在這里介紹用機油散熱量決定機油流量的方法。
機油散熱量 φj 由下式確定：
| j =α0φi | （1） |
式中，φj 為機油帶走的熱量（kJ/h），φi 為內燃機每一小時燃料燃燒生成的熱量，α0 為機油散熱量占發熱量的百分比。對于現代汽車拖拉機用的內燃機可取 0 = 0.015～0.025，對于活塞用機油冷卻的柴油機需由機油帶走的熱量要大的多，可達
到 α0 = 0.06。
| 由于 | i | = | 3 600 P | （2） | ||
| e | ||||||
| 所以 | j | =α0 | 3 600 P | （3） | ||
e
式中，P 為內燃機有效功率 (kW)，ηe 為有效效率，對于汽油機可取 ηe = 0.25，對柴油機可取
ηe = 0.35。
1.2 、機油實際循環流量 qva：
確定了機油所帶走的熱量后，就可以求出內取到 3.5。
2、機油泵參數設計：
2.1、機油泵分類介紹：
個為從動齒輪。齒輪在密封泵殼中旋轉，齒輪所帶入的機油從進油腔被壓送到出油腔。
齒輪泵計算主要是根據泵的實際流量（qva）確定齒輪的基本尺寸（模數 m，齒數 z，齒寬 b）和轉速（np），并按下列順序進行計算[2]。
a. 確定齒輪泵的實際排量：設機油泵的轉速為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 為機油泵的容積效率，一般取 ηp = 0.7～0.8，或者根據試驗值選定。
未經修正的齒輪的齒頂高等于模數 m，因此 df = d + 2 m（d 為齒輪節圓直徑）。如假定齒根高也等于模數 m（實際上為 1.2 m），則 dk = d -2 m。
| 這時 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 ：現在 ur 的允許值為6～8 m/s。若 ur 過大，則在離心力作用下，進油腔的齒輪間容積中的機油填充情況會惡化，致使油泵的容積效率下降。為了改善機油填充情況，油泵進油腔所占據的圓周尺寸應不小于每個齒輪圓周長長度的 1/8。
c. 根據輪緣速度 ur ，確定齒輪外圓直徑 Dr 之在主流內燃機中，主要采用外嚙合齒輪式機油泵（簡稱齒輪泵）和內嚙合轉子式機油泵（簡稱轉子泵），還有一些內燃機采用葉片泵。我們重點介紹齒輪泵和轉子泵的零部件設計。
后，按此式：
60 000
Dr = πnp ur
d. 選定 m，z：因為 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，在工作時油壓脈動較大。
轉子泵結構緊湊，供油均勻，噪音小，容積效率高，對油品的清潔度要求較高。我國現在已有轉子泵的系列標準設計，并已生產由粉末冶金壓制成的轉子泵內外轉子，省工省料，成本低，為轉子泵的推廣創造了條件。因此，近年來在新設計的和經改進設計的中小功率內燃機新機型中采用較多[1]。
2.2、齒輪泵參數設計計算：
齒輪泵是由兩個相互嚙合的齒輪所組成。一個為主動齒輪，通過傳動齒輪由曲軸驅動，而另一因為 qva ∞m2 z（參看式 7），所以選用較大的 m 值是有利的，同時按照 Dr = m（z + 2）的關系，當選用較大的 m 值時，z 就要減小，這樣做可以使機油泵結構緊湊。
確定值 m 時，可以借助于經驗公式：
| m =（0.031～0.057） qv | （9） |
可以根據上式和國標選取 m 值，一般為 m = 2.5～5。一般是取齒數 z = 6～14。為了減少齒數，在油泵設計中盡量采用修正齒輪，但是 z 過少，會使
油泵所輸出的油中有較大的油壓脈動。 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. 在汽油機中，np = 0.5 ne（ne 為內燃機轉速），對于柴油機一般 np = 2 000～3 500 r/min 內選用。
按照上述計算程序估算出相關值（m、z、b等），不一定能完全滿足設計要求。這時，可以改選別的參數重新進行計算，直到各參數調整合格為止。齒輪設計的細節，可以參考有關齒輪的專業書籍。
g. 驅動齒輪泵所需的功率可按下式計算：
| Pp = 0.28×10-6 qva（Pout – Pin） | （11） |
式中，Pout ，Pin 為機油泵油出口和進口的壓力表（MPa），一般取 Pin = 0；qva 為油泵實際排量（L/ h）。ηm 為油泵的機械效率，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、轉子泵參數設計計算：
轉子泵是由內轉子、外轉子等組成。油泵工作時，內轉子帶動外轉子向同一個方向轉動，它們可以看作是一對只差一個齒的內嚙合齒輪傳動。
圖 1 機油泵轉子嚙合圖
內外轉子的齒廓可以有不同的曲線形狀，轉子泵的外轉子的齒廓是一段等半徑正弧，內轉子為其共軛曲線，即短輻外擺線的等距線。內外轉子存在一定的偏心距 e。圖 1 展示了一般的轉子機油泵的嚙合圖，從圖 1 中可以看出，決定外轉子的結構參數為偏心距 e（內外轉子軸距）、總成半徑 R、齒形圓半徑 a、外轉子齒數 Z2 ，其他參數可以通過e，a，R 等參數求出[3]。
內轉子的結構參數的計算和選擇如下。
確定轉子泵的實際排量，設機油泵的轉速為np（r/min），則轉子泵的理論排量為：A·Z1·b· np ，而實際排油量為：
| qva = A·Z1·b·np·ηp | （12） |
式中， A 為內外轉子之間形成的***大面積mm2，Z1 為內轉子的齒數，齒數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《內燃機機油泵轉子系列參數》，b 為內轉子的厚度，根據內燃機的整機結構、傳動軸的直徑和傳動的可靠性來選取，np 為轉子泵的轉速，根據發動機的***高轉速和機油泵驅動方式確定，ηp 為轉子泵的容積效率，制定我國的
系列型譜時選取 ηp ≥0.78，詳細參照 JB/T 8413.1《內燃機 機油泵 部分：總成 技術條件》。內外轉子之間形成的***大面積：
| A = (2 1 )2 – (2 2 )2 = | qva | （13） | |
| Z1·b·np· p | |||
| 式中，ρ1 為內轉子長徑之半，ρ2 內轉子短 | |||
| 徑之半。 | |||
| 外轉子齒數 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 | |||||
| 滾圓所滾動的基圓半徑 rj ： | |||||
| rj = | R×Z1 | （17） | |||
| Z2 | |||||
| 外轉子齒內切圓半徑 r：r = R – a | （18） | ||||
| 外轉子限制圓半徑 L： | |||||
| L =ρ1 + e = R – a + 2 e | （19） | ||||
3、結束語：
通過對內燃機潤滑系統實際需求機油量和機油泵供油能力的計算，能快速鎖定機油泵的性能指標，進行機油泵各項關鍵參數計算，設計齒輪泵或者轉子泵，從而為內燃機潤滑系統的設計計算提供有效指導。