高速轉動的發動機干式油底殼設計

蒲朝祥 黃瀟 張嘉杰 劉興田 上海工程技術大學

中國大學生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。給參賽車隊根據賽事規則和相應制造標準，在一年時間內自行設計一輛具有良好的操控性、優良的加速性能以及符合安全規范小型賽車。

發動機是整車的動力來源，為保證發動機具有良好的工況效果，對發動機潤滑系統進行了改進。油底殼主要功能是儲存潤滑油且封閉曲軸箱。發動機油底殼設計原則是能保證發動機在各種工況下都能為發動機內部部件提供潤滑油，使得發動機能夠持續運行。

本文對發動機油底殼進行重新設計，采用外置儲油罐，減小油底殼容積，降低發動機的重心。并通過CATIA建模、進行模型優化、Ansys流體分析對儲油罐進行晃動仿真，以驗證方案可行性。

一、采用干式潤滑的原因

（一）濕式油底殼在FSC中的現狀

濕式潤滑系統的油底殼內存儲全部潤滑油，結構簡單，制造成本低。同時由于給活塞、曲軸、變速箱齒輪、變速鏈條等發動機部件提供的潤滑油都儲存在下部的油底殼之中，使得所需發動機油底殼容積很大，發動機位置過高，整車的重心也被提高在安全規則限定不能低于最低包絡面，同時位于發動機上的進氣系統也不能超出車架包絡面以外。在FSC這項高速的賽車運動中特別是在整車在高速轉向或漂移時，采用濕式潤滑系油底殼內的潤滑油因重力作用集中在某一處而使得發動機零部件的潤滑效果減弱。同時較高的重心也不利于這項高速賽車運動項目。

（二）干式油底殼

干式油底殼采用外置儲油罐，回流的潤滑油將會被吸油泵泵回外部的儲油罐中，再通過機油泵加壓后流經機油濾清器、冷卻器、油道到達各個運動的摩擦表面，回落至下部油底殼吸油泵工作回到儲油罐。機油通過較長的輸送管道有利于潤滑有的降溫，改善潤滑性能，機油外置避免機油受高壓燃氣的侵襲，防止了機油的過早氧化。

使用干式油底殼的優勢：降低發動機的重心，提高車輛在行駛過程的穩定性和操控性。改善了發動機的潤滑效果，提高潤滑效果，保障了發動機的使用壽命。外置儲油罐有利于機油的降溫，保障機油品質。

二、干式油底殼的設計

設計流程：外油路選擇——二級機油泵——油底殼設計——儲油罐設計——儲油罐晃動分析

（一）外油路連接

干式油底殼會多出一個干式機油泵，安裝在發動機機械水泵位置。CBR600發動機內外油路主要的連接方式為⑴通過原機油泵連接和⑵通過與機油濾清器連接。本文采用通過集濾器間接與原機機油泵連接。

干式油底殼的儲油量較少，原車的機油泵無法將機油抽入加壓，需額外加一個與干式潤滑系統相匹配的機油泵。甭問采用賽方提供的購買的二級機油泵。

（二）油底殼設計

設計油底殼考慮到與原發動機要無間隙配合，對原裝油底殼進行三維逆向掃描，并建立CATIA建模。油底殼高度為40mm，采用二級機油泵，兩個口向外儲油罐泵機油的出口，機油在儲油罐中降溫后通過與集濾器相連的機油泵抽進發動機潤滑主油道進行潤滑。考慮到油底殼密封性，圖中油底殼外形由逆向掃描輪廓建立的三維模型，在出油口和廢油口出設計集油槽，利于機油的順暢循環。

（三）儲油罐設計

油氣分離形式有慣性分離，纖維過濾分離，旋流分離等。氣液慣性分離是應用氣流急速轉向使氣液運動軌跡不同而分離，但其對于較小的液滴分離效果較差，且要求較高的入口流體速度才能達到較好效果，將這種分離方式作為機油罐入口與壁面的初分離可有效去除較大液滴。過濾分離通過過濾介質將氣體中的液滴分離出來介質主要用金屬絲網和玻璃纖維，適用于較小流速時的分離，可布置在機油罐頂部溢流口處有效分離小液滴。氣液離心分離利用流體旋轉產生的離心力來分離氣 流中的液滴，它有分離時間短，設備體積小等優勢，十分適合完成機油罐的油氣分離功能，故選擇旋流分離。儲油罐體積3.14L。考慮整車結構布局設計其直徑為100mm，高度410mm。為加快潤滑油冷卻，在儲油罐外部增設散熱片，考慮到輕量化問題儲油罐材料為全鋁材料。

儲油罐晃動分析：將機油填充至油罐三分之一高度約為1.08L，進行模擬。①前進加速度5m/s2，時間持續1s；②極速轉向時前進加速度-10m/s2，側向加速度為20m/s2，持續時間0.5s。

三、與上年度濕式油底殼對比

（一）平穩性能

干式油底殼較往年所做的濕式油底而言，高度矮了30mm，降低發動機的重心。對于濕式油底殼而言，賽車在高速過彎的工況下，側向會產生一個很大的加速度（約2G），此時機油由于慣性作用，開始往靠轉彎方向相反的方向移動，賽車在行使過程中不穩定。

（二）潤滑效果

采用濕式油底殼的賽車在高速過彎的工況下，機油往開始轉彎的反向移動，導致吸油不充分；此外由于潤滑油是直接回落到下部油底殼中的，油液中含有過多的氣體，導致發動機傳動部件受潤滑部件的潤滑效果不理想。采用干式潤滑油底殼將機油內的氣體分離。干式潤滑系統機油由外部回路，且在儲油罐上設有散熱片，能更好的將油液的溫度降低。故而采用干式潤滑時機油的潤滑效果更好。