小型賽車發(fā)動(dòng)機(jī)干式油底殼潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李宇翔 鐘玉華 邱詠怡

摘要：本文對小型賽車發(fā)動(dòng)機(jī)干式油底殼潤滑系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括干式油底殼外形設(shè)計(jì)，機(jī)油罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和油氣分離形式，干式機(jī)油泵的選型及各零件之間油管和AN接頭的選擇和布置。通過對賽車發(fā)動(dòng)機(jī)干式油底殼潤滑系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)安裝高度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)極限工況的潤滑效果，進(jìn)而優(yōu)化整車重心分配，提高賽車操控性。

Abstract： This paper optimizes the design of dry sump lubrication system for small racing engines， including dry sump shape design， oil tank structure design and oil and gas separation form， dry oil pump selection and selection and arrangement of tubing and AN joints between parts. Through the optimized design of the racing engine dry sump lubrication system， the engine installation height is reduced， the lubrication effect of the engine limit working condition is ensured， and the center of gravity distribution of the vehicle is optimized to improve the handling of the car.

關(guān)鍵詞：干式油底殼;油氣分離;潤滑系統(tǒng)

Key words： dry oil sump;oil and gas separation;lubrication system

中圖分類號：U464.137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）08-0128-05

0 ?引言

潤滑系統(tǒng)又是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)重要的組成部分，其主要功能是：在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，將足量、溫度適宜、潔凈無雜質(zhì)的的機(jī)油送至發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各個(gè)零件的摩擦表面，在其表面形成一層薄薄的油膜，從而實(shí)現(xiàn)液體摩擦，降低摩擦阻力，減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗，降低零件的磨損。同時(shí)，在保證良好潤滑效果的同時(shí)，機(jī)油還能對各零件進(jìn)行冷卻散熱和碎屑清潔，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作的耐久性和可靠性。

1 ?現(xiàn)有潤滑技術(shù)在小型賽車的不足及解決方案

小型賽車幾乎都采用了摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)。摩托車在轉(zhuǎn)向時(shí)一般會(huì)有壓彎動(dòng)作，機(jī)油依舊能在各力之間找到平衡，液面變化不大，集濾器依舊能吸到機(jī)油，所以原車濕式油底殼能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但當(dāng)其安裝在小型賽車后，其劣勢主要有：

①由于原車濕式油底殼高度過高，安全結(jié)構(gòu)規(guī)則[1]限制潤滑系統(tǒng)不能低于車架最低包絡(luò)面，同時(shí)位于發(fā)動(dòng)機(jī)上部的進(jìn)氣系統(tǒng)也不得超出車架包絡(luò)面以外。如果直接將原機(jī)的濕式油底殼安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置會(huì)大幅度抬高，勢必會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)其他系統(tǒng)的布置安全和合理性。同時(shí)過高的動(dòng)力系統(tǒng)安裝位置也與賽車低重心的理念相悖，不利于賽車動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。

②小型賽車在賽道上行駛時(shí)，隨著賽車技術(shù)不斷發(fā)展，其性能表現(xiàn)也越來越極端。各方向的加速度會(huì)直接作用在機(jī)油上，沒有了原本摩托車的壓彎動(dòng)作，機(jī)油的液面將產(chǎn)生較大晃動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)集濾器抽不到機(jī)油，潤滑系統(tǒng)工作暫時(shí)失效的情況。

為了解決以上兩個(gè)問題，不少車隊(duì)使用自制濕式油底殼來降低發(fā)動(dòng)機(jī)安裝高度，在油底殼內(nèi)部增加阻浪結(jié)構(gòu)來減少機(jī)油液面波動(dòng)。但受限于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱輪廓，機(jī)油液面依舊會(huì)有較大波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)依舊有工作失效的危險(xiǎn)。原機(jī)潤滑系統(tǒng)機(jī)油的主要儲(chǔ)存位置是濕式油底殼，而干式油底殼潤滑系統(tǒng)機(jī)油主要儲(chǔ)存在機(jī)油罐內(nèi)，干式油底殼只存有少量機(jī)油。機(jī)油罐設(shè)計(jì)比較自由，不必受限于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱的輪廓，能夠設(shè)計(jì)更優(yōu)秀的阻浪結(jié)構(gòu)，機(jī)油能夠穩(wěn)定地輸送至機(jī)油泵將其加壓，保證潤滑系統(tǒng)的正常工作。

小型賽車的特點(diǎn)有：小型輕量化、靈活性高、操控性好、動(dòng)力性能優(yōu)異等。干式油底殼潤滑系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有[2]：

①防止機(jī)油液面產(chǎn)生較大波動(dòng)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)在極端工況下的正常工作;

②減少發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)部的高溫氣體對機(jī)油的影響，防止?jié)櫥土踊冑|(zhì)，延長其使用期限;

③大幅縮小油底殼容積，降低發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)高度，利于降低發(fā)動(dòng)機(jī)安裝高度，從而降低整車重心，提升車輛操控性;

④減少了發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的飛濺，同時(shí)機(jī)油泵不斷將曲軸箱內(nèi)的空氣和機(jī)油一同抽出，使曲軸箱內(nèi)部保持負(fù)壓，減少了工作阻力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和功率。

⑤系統(tǒng)的布置較為靈活，理論上可以將機(jī)油罐布置在車輛的任何地方，利于整車配重。

干式油底殼潤滑系統(tǒng)的缺點(diǎn)有：需要增加額外的機(jī)油泵和儲(chǔ)存機(jī)油的機(jī)油罐，機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，增加了重量，提高了制造成本。

綜合來看，干式油底殼潤滑系統(tǒng)在小型賽車上依舊是非常值得使用的，主要的適配性工作有：

①減輕整套干式油底殼潤滑系統(tǒng)的重量，保證小型賽車的輕量化;

②機(jī)油泵會(huì)將曲軸箱內(nèi)部的空氣和機(jī)油一同抽出，期間機(jī)油容易和空氣混合，使機(jī)油泡沫化，故需要設(shè)計(jì)一些結(jié)構(gòu)如油氣分離和液面聯(lián)通結(jié)構(gòu)來保證潤滑系統(tǒng)功能;

③干式油底殼潤滑系統(tǒng)的布置應(yīng)結(jié)合小型賽車的結(jié)構(gòu)及安全規(guī)則，優(yōu)化賽車重心，提高賽車操控性。

2 ?干式油底殼潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)

干式油底殼潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程大致是：選擇干式油底殼潤滑系統(tǒng)內(nèi)外油路的兩種連接方式——選擇干式機(jī)油泵——設(shè)計(jì)油柄——設(shè)計(jì)干式油底殼——設(shè)計(jì)油氣分離機(jī)油罐——潤滑外油路布置。

2.1 干式油底殼潤滑系統(tǒng)內(nèi)外油路連接方式的確定

本文使用本田CBR600摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行小型賽車干式油底殼潤滑系統(tǒng)的適配性設(shè)計(jì)。原發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

圖中，發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)機(jī)油經(jīng)過各零件的順序?yàn)椋簼袷接偷讱ぁ癁V器——機(jī)油泵——泄壓閥——機(jī)油濾清器——機(jī)油冷卻器——主油路——各潤滑油路——回落至濕式油底殼。

干式油底殼潤滑系統(tǒng)會(huì)額外使用一個(gè)干式機(jī)油泵，一般安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)機(jī)械水泵的位置，所以干式油底殼潤滑系統(tǒng)會(huì)分為內(nèi)油路和外油路。對于CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)，內(nèi)外油路連接方法主要有兩種：①通過機(jī)油濾清器;②通過原機(jī)機(jī)油泵?？紤]到密封效果及改造復(fù)雜程度。故選擇通過機(jī)油濾清器來連接發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外潤滑油路。

2.2 干式機(jī)油泵的選擇

干式油底殼存儲(chǔ)機(jī)油量較少，原車機(jī)油泵無法直接將機(jī)油抽入加壓，需要使用與干式油底殼潤滑系統(tǒng)匹配的機(jī)油泵。DAILEY ENGINEERING公司有適合各類小型賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的干式機(jī)油泵可供選擇，而且方案較為成熟，穩(wěn)定性高，成本相對較低，適合我們對干式油底殼潤滑系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)常用機(jī)油泵型號04-99-2295-2，圖紙如圖5所示。

2.3 油柄設(shè)計(jì)

油柄是連接外置油管和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部油路的轉(zhuǎn)接器，安裝在原車機(jī)油濾清器與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接處。油柄入口選用AN8接頭，在保證安裝接頭方便的同時(shí)減輕油柄質(zhì)量，采用可焊接鋁可滿足要求。油柄建模如圖6所示。

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2.4 干式油底殼設(shè)計(jì)

干式油底殼設(shè)計(jì)要求主要有：

①與發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確安裝，密封性良好，對于小型賽車而言可使用可焊接鋁。

②干式油底殼有2個(gè)出油口，考慮到賽車行駛時(shí)大部分時(shí)間都在加速，機(jī)油向后聚集，且為了讓機(jī)油均勻地進(jìn)入2個(gè)出油口，出油口應(yīng)布置為一左一右較為合適。

③機(jī)油能自然回流到2個(gè)出油口，油底殼的形狀最好能向出油口傾斜。

考慮到干式油底殼需要與發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確安裝，其輪廓需要與曲軸箱的底面輪廓相合。但發(fā)動(dòng)機(jī)體積龐大且重量較大，且其過程相當(dāng)繁瑣，所以對原裝油底殼輪廓進(jìn)行三維逆向掃描，并將掃描結(jié)果導(dǎo)入三維軟件，如圖7所示。

干式油底殼不是主要儲(chǔ)存機(jī)油的位置，所以可以做的盡可能薄且輕，從而達(dá)到賽車輕量化的目的。干式機(jī)油泵中的掃氣泵接頭為AN10，因此油底殼高度為接頭孔直徑加兩個(gè)壁厚，為27.26mm。出油口布置在一左一右并避開螺栓孔的安裝位置，按照發(fā)動(dòng)機(jī)底部輪廓平均兩個(gè)出油口機(jī)油儲(chǔ)存的容積。為防止機(jī)油沖刷下來的碎屑損壞機(jī)油泵轉(zhuǎn)子，油底殼出油口前做一個(gè)臺階，并做一段平面承接機(jī)油減緩其流速，使碎屑沉積在出油口前，方便清理。最終確定側(cè)面形狀為梯形，最終建模及外觀參數(shù)如圖8所示。

2.5 機(jī)油罐設(shè)計(jì)

由于干式油底殼潤滑系統(tǒng)工作時(shí)，機(jī)油泵會(huì)把機(jī)油和空氣一同抽入再泵入機(jī)油罐內(nèi)，此時(shí)部分空氣會(huì)溶入機(jī)油當(dāng)中，若不加分離會(huì)降低機(jī)油品質(zhì)，所以機(jī)油罐需要有油氣分離的功能。和干式油底殼相比，機(jī)油罐能在更為極限的狀況下穩(wěn)住機(jī)油液面，不會(huì)出現(xiàn)斷油現(xiàn)象，所以機(jī)油罐要求在賽事能達(dá)到的最大加速度時(shí)液面依舊高于出油口。為防止部分異物損害機(jī)油泵，出油口附近設(shè)置結(jié)構(gòu)以阻擋其進(jìn)入。

2.5.1 機(jī)油罐油氣分離設(shè)計(jì)

油氣分離形式[3]有慣性分離，纖維過濾分離，旋流分離等。

氣液慣性分離應(yīng)用氣流急速轉(zhuǎn)向使氣液運(yùn)動(dòng)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(dá)到較好效果，將這種分離方式作為機(jī)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(zhì)將氣體中的液滴分離出來，介質(zhì)主要用金屬絲網(wǎng)和玻璃纖維，適用于較小流速時(shí)的分離，可布置在機(jī)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(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力來分離氣流中的液滴，它有分離時(shí)間短，設(shè)備體積小等優(yōu)勢，十分適合完成機(jī)油罐的油氣分離功能，故選擇管柱式氣液旋流分離器（GLCC）[4]為主要分離形式。

按照賽車在直線加速5秒內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速機(jī)油循環(huán)量，取機(jī)油罐容積3.4L?？紤]輕量化和加工成本，選擇鋁作為機(jī)油罐加工材料。入口管和出口管均為干式機(jī)油泵同規(guī)格油管接頭AN10，采用PU透明管作為視油管方便觀察機(jī)油加注量和潤滑系統(tǒng)運(yùn)行情況。

入口管向下傾斜能大幅改善氣液分離效果，最佳傾斜角為-27度[5]。將機(jī)油罐分為內(nèi)外兩腔，內(nèi)腔為管柱式氣液旋流分離器，外腔為機(jī)油主儲(chǔ)存位置。機(jī)油罐三維建模如圖9所示。

2.5.2 機(jī)油罐晃動(dòng)分析

將機(jī)油填充至機(jī)油罐標(biāo)準(zhǔn)工作高度，至外腔高度一半（約1.7升），按照賽車的三種主要運(yùn)行情況進(jìn)行模擬：

①圓形繞環(huán)受到1G的側(cè)向加速度持續(xù)5秒;

②全力剎車受到2G的縱向加速度持續(xù)2秒;

③全力出彎加速同時(shí)加速和轉(zhuǎn)彎時(shí)受到2.5個(gè)G的加速度合力持續(xù)3秒。

晃動(dòng)分析結(jié)果如圖10，可見設(shè)計(jì)的機(jī)油罐能夠滿足要求。

2.6 干式油底殼潤滑系統(tǒng)布置

小型賽車干式油底殼潤滑系統(tǒng)機(jī)油流動(dòng)順序是：干式油底殼——干式三階機(jī)油泵的二階羅茨泵——機(jī)油罐——干式三階機(jī)油泵的轉(zhuǎn)子泵——油柄——機(jī)油濾清器——機(jī)油冷卻器——主油路——各潤滑油路——回落至干式油底殼。

按照該順序連接管路，干式油底殼潤滑系統(tǒng)布置裝配三維圖如圖11所示。

3 ?結(jié)束語

本文對小型賽車進(jìn)行了干式油底殼潤滑系統(tǒng)的適配工作，充分發(fā)揮干式油底殼潤滑系統(tǒng)優(yōu)勢的同時(shí)，也將其在小型賽車上的劣勢做到最低。該系統(tǒng)保證了發(fā)動(dòng)機(jī)在極端工況下的正常工作，能夠快速進(jìn)行機(jī)油油氣分離，減輕各零件重量，降低系統(tǒng)制造成本，實(shí)現(xiàn)賽車輕量化，降低賽車重心，并提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

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