干式機(jī)油泵的設(shè)計(jì)思路

崔恩勝，馬文舉，張東雨，張 馳

（吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

干式機(jī)油泵的設(shè)計(jì)思路

崔恩勝，馬文舉，張東雨，張 馳

（吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

干式機(jī)油泵又稱發(fā)動(dòng)機(jī)外置機(jī)油泵，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)干式油底殼系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)回收落到油底殼的機(jī)油并給發(fā)動(dòng)機(jī)油道提供具有一定油壓的機(jī)油。其本質(zhì)是利用依靠通過軸傳動(dòng)或皮帶傳動(dòng)而得到的部分發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力工作的多段同軸泵，由1個(gè)齒輪泵與1個(gè)或以上的羅茨泵組成。本文通過總結(jié)現(xiàn)已較為完善的齒輪泵和羅茨泵的設(shè)計(jì)思路，并參考國外一些干式油底殼品牌的成品泵，給讀者提供一個(gè)干式機(jī)油泵國產(chǎn)化的思路。

干式油底殼系統(tǒng)；汽車改裝；機(jī)油泵

0 引言

干式油底殼系統(tǒng)作為一種發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的優(yōu)化方案，近年來常見于汽車改裝領(lǐng)域和一些如FSC一樣的汽車賽事。然而，作為其核心配件的機(jī)油泵卻一直被如Moroso、Dailey Engineering等歐美品牌壟斷，其售價(jià)普遍達(dá)到1000美金以上。

1 干式油底殼系統(tǒng)

圖1為一個(gè)典型的干式潤滑系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，與傳統(tǒng)油底殼相比，最直觀的差異在于用不具備容積的油盤（干式油底殼）取代了傳統(tǒng)油底殼，并利用一個(gè)獨(dú)立的機(jī)油罐去承擔(dān)貯存機(jī)油的功能。這種布置直接帶來了降低發(fā)動(dòng)機(jī)重心、改善供油泵的吸油、使曲軸箱真空化的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命、功率與整車的操控性。

1.2 干式油泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由干式潤滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以看出，泵承擔(dān)著兩個(gè)任務(wù)：1.供油泵給油道提供具有一定壓力的機(jī)油；2.回油泵把落至油底殼的機(jī)油抽回機(jī)油罐中?；赜捅迷诔槌鲇偷讱?nèi)的機(jī)油時(shí)會(huì)將曲軸箱竄氣一同排出，故回油泵的工作介質(zhì)是高粘度的機(jī)油與空氣的混合物。因常用作發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵的齒輪泵與擺線轉(zhuǎn)子泵均無法以空氣為介質(zhì)，所以在抽油泵的選擇上，在石油輸送和抽真空領(lǐng)域都被廣泛使用的羅茨泵無疑是最佳的選擇。為了更好地與羅茨泵匹配，供油泵也就要選擇同樣是對(duì)稱雙軸結(jié)構(gòu)的外齒輪泵。需要注意的是，在整個(gè)多段泵中，供油泵并不是必須的。它的功能依然可以依靠原機(jī)油泵來完成，只需把機(jī)油罐的出口管路通過油底殼連至原機(jī)泵的上游。但其缺點(diǎn)在于會(huì)增加油底殼的設(shè)計(jì)、加工成本與后期的維護(hù)成本。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際的情況對(duì)兩種方案進(jìn)行取舍。

2 供油泵的設(shè)計(jì)

2.1 供油泵的流量

如上文所述，供油泵應(yīng)選用外齒輪泵。在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵的正向開發(fā)中，機(jī)油泵的流量qvp由潤滑系統(tǒng)的循環(huán)機(jī)油量qvc決定，而qvc是根據(jù)必須被機(jī)油帶走的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量Φc來決定的，其公式如下：

式中， P為內(nèi)燃機(jī)有效功率；α0為機(jī)油散熱量占發(fā)熱量的百分比，可取0.015至0.02；ηe為有效效率，汽油機(jī)約等于0.25～0.33；ρ為機(jī)油的密度，一般取ρ=0.85kg/L；c為機(jī)油的比熱容，約等于1.7～2.1kJ/ （kg·℃）；Δ t為機(jī)油進(jìn)出口溫差，一般取8～15℃。

然而，除了諸如蘭博基尼、奧迪R8等少部分量產(chǎn)車采用了原機(jī)干式油底殼系統(tǒng)以外，干式系統(tǒng)更多地見于一些汽車賽事與改裝車領(lǐng)域。故對(duì)于汽車改裝用的干式油泵，確定供油泵流量最直接的方法就是參照發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)泵的流量。

2.2 增一齒法確定齒輪參數(shù)

齒輪泵須滿足機(jī)油的流量要求是齒輪泵設(shè)計(jì)中的基本。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)齒輪，我們假設(shè)其齒間槽的容積等于輪齒的體積，其流量公式如下：

式中，m為齒輪模數(shù)；z為齒數(shù)；b為齒寬，一般取b=（6～10）m，過大不僅會(huì)導(dǎo)致軸的負(fù)荷過高，也會(huì)增加齒輪的加工難度；np為油泵轉(zhuǎn)速，一般與曲軸轉(zhuǎn)速為1∶2的關(guān)系；ηp為齒輪泵的容積效率，可取0.7～0.8，也可以取試驗(yàn)值。

從公式（2-3）可得，油泵的流量qvc∝m2zb，在流量一定的情況下，m越大，齒輪外圓直徑Dr=m（z+2）便可以越小。Dr過大不僅會(huì)增加齒輪泵的體積與質(zhì)量，更關(guān)鍵的是會(huì)增加齒輪輪緣速度vr。當(dāng)vr過大時(shí)，因?yàn)殡x心力的作用，會(huì)極大影響油泵的容積效率。故為了控制Dr的尺寸，發(fā)動(dòng)機(jī)外齒輪機(jī)油泵通常會(huì)選擇較大的模數(shù)m與較少的齒數(shù)z（一般取z=6～14）。因?yàn)閦小于齒輪最小根切 齒數(shù)，故要做變位調(diào)整。為了計(jì)算與加工的方便，通常會(huì)采用增一齒法進(jìn)行變位。所謂增一齒法，便是在齒輪實(shí)際中心距的設(shè)定中，假定齒數(shù)為（z+1），即中心距a=m（z+1），并以此中心距去做齒輪的變位調(diào)整。這一方法不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程和加工過程中對(duì)尺寸的處理，一個(gè)更重要的意義在于：與其同軸的羅茨泵傳動(dòng)齒輪因此得以使用標(biāo)準(zhǔn)齒輪。

2.3 卸荷槽

卸荷槽的設(shè)計(jì)在齒輪泵設(shè)計(jì)中是一個(gè)專門的研究方向，在此不做深入的討論，如下為一種經(jīng)驗(yàn)公式可在卸荷槽設(shè)計(jì)中進(jìn)行參考：

兩卸荷槽間距a=2.78m，半距離b=a/2（雙向齒輪泵），b=0.8m（單向齒輪泵），槽寬c＞2.5m，槽深h＞0.8m

2.4 限壓閥

因在干式油底殼系統(tǒng)中，機(jī)油進(jìn)入油道的入口在原機(jī)限壓閥的下游，干式機(jī)油泵便需要自帶一個(gè)限壓閥來達(dá)到齒輪泵內(nèi)泄壓的目的。對(duì)于潤滑系統(tǒng)的主油道油壓值，可大致參考如下：汽油機(jī)為0.2～0.3MPa；柴油機(jī)為0.3～0.6MPa；高速強(qiáng)化（增壓）發(fā)動(dòng)機(jī)為0.6～0.9MPa。

還有一種確定主油道壓力值的方法是查閱相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)的維修手冊(cè)，其中會(huì)有對(duì)于主油道壓力值的要求。

在閥芯的選擇上，機(jī)油泵的限壓閥一般有球閥式和滑閥式兩種。相較之下，前者在開啟瞬間會(huì)有油壓驟降現(xiàn)象，而滑閥式則可以使油壓更為穩(wěn)定。

3 回油泵的設(shè)計(jì)

3.1 流量與結(jié)構(gòu)

回流泵的任務(wù)不僅是要把落至油底殼的機(jī)油抽回到油管中，還有及其重要的一點(diǎn)是把曲軸箱竄氣給一同排出去，使曲軸箱半真空化。半真空狀態(tài)的曲軸箱有利于運(yùn)動(dòng)件的減阻，進(jìn)而可使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在一定程度上得到提升。為了達(dá)到這一目的，回油泵的總流量須遠(yuǎn)大于供油泵，通常需要達(dá)到供油泵流量的2～3倍。

羅茨泵與齒輪泵不同，兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間并不接觸，更無法自行解決傳動(dòng)問題。這樣一來便需要相應(yīng)的齒輪去承擔(dān)它們的傳動(dòng)。但另一方面，對(duì)材料的要求也就不高，大可以使用低密度的鋁來加工。輕量化對(duì)于會(huì)選擇干式油底殼系統(tǒng)并追求極限的車輛來說是極其重要的一點(diǎn)，所以在干式機(jī)油泵的設(shè)計(jì)中，輕量化的需求尤為關(guān)鍵。

3.2 羅茨轉(zhuǎn)子

回油泵中使用的羅茨轉(zhuǎn)子類型按葉數(shù)可分為雙葉轉(zhuǎn)子和三葉轉(zhuǎn)子；按形狀可分為直面式和螺旋式。三葉轉(zhuǎn)子相較于二葉轉(zhuǎn)子，其面積利用系數(shù)、容積效率與供油脈動(dòng)都較好，但缺點(diǎn)是其對(duì)介質(zhì)的要求較高，機(jī)油中的雜質(zhì)顆粒會(huì)對(duì)其有較大的磨損；螺旋式相較于直面式的優(yōu)點(diǎn)是較好的供油脈動(dòng)，在降噪、降空化方面具有優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)在于設(shè)計(jì)難度和加工難度都比直面式大，以數(shù)控銑加工為例，螺旋式需要五軸機(jī)床而直面式僅需三軸機(jī)床便能加工。觀察歐美干式油底殼品牌近年來的研發(fā)規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，其進(jìn)程也經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從雙葉到三葉、從直面式到螺旋式的過程。所以對(duì)初次嘗試的設(shè)計(jì)者來說，建議采用雙葉直面式的羅茨轉(zhuǎn)子。

對(duì)于采用在多段泵的羅茨轉(zhuǎn)子，需要注意的是，因?yàn)槎喽伪玫妮S會(huì)有較大的軸徑，加之轉(zhuǎn)子的材料為鋁，所以轉(zhuǎn)子的腰部不宜過細(xì)。以圖3為例，為了保證這一點(diǎn)，采用了圓弧-漸開線-圓弧的轉(zhuǎn)子型線。

4 接頭與出入口

4.1 接頭

AN接頭用于軟管或是金屬硬管的連接，它源自二戰(zhàn)時(shí)期的美國陸軍（Army）與海軍（Navy）的軍用標(biāo)準(zhǔn)，故稱AN。如今，AN接頭已成為汽車潤滑油路與燃油供給油路改裝的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)常見于汽車油冷器的改裝。對(duì)于AN接頭公頭的加裝方式，有以下幾種：1.焊接接頭；2.法蘭面轉(zhuǎn)接接頭；3.公制轉(zhuǎn)AN接頭；4.美制轉(zhuǎn)AN接頭。焊接接頭出于焊接熱變形的考慮，無法在油泵上使用；法蘭面轉(zhuǎn)接接頭因?yàn)閲鴥?nèi)難以買到成品，加之自行加工的成本較高，也不予考慮。

4.2 出入口

觀察圖2的油泵可以發(fā)現(xiàn)，其出口的數(shù)量少于油泵的段數(shù)。干式機(jī)油泵的回油段往往采用貫通多個(gè)羅茨段的壓力腔的方式來減少回油段出口的數(shù)量。這不僅減少了回油管路的數(shù)量，達(dá)到了輕量化和降低成本的目的，還使得回油管路中油氣混合物的流速變高，這對(duì)于在機(jī)油罐中的油氣分離過程是有利的。

5 總結(jié)

對(duì)于汽車改裝，隨著人民生活水平的提高，相信在可預(yù)見的未來我們可以看到政策的開放和隨之而來的龐大的市場(chǎng)。在我國，對(duì)于干式油底殼系統(tǒng)的探索也在FSC等賽事中進(jìn)行著。對(duì)于外嚙合齒輪泵和羅茨泵，其本身的技術(shù)已較為完善。故在干式機(jī)油泵的設(shè)計(jì)中，需要的便是對(duì)這些技術(shù)的整合與對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和干式油底殼系統(tǒng)較為深刻的認(rèn)識(shí)。

［1］Ehsan Farkhondeh，Design of a Dry Sump Lubrication System for a Honda CBR600 F4i engine for Formula SAE applications，Massachusetts Institute of Technology，2006

［2］吳偉蔚，馬富銀.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵的綜合性能評(píng)價(jià)［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2012，25（02）：134-142

［3］程紹桐，李子玲等.柴油機(jī)機(jī)油泵限壓閥的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)，2000（05）：23-25

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.261

吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃。

崔恩勝（1994-），男，吉林延吉人，本科，吉林大學(xué)吉速車隊(duì)干式油底殼系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。