某車用發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)油位校核與驗(yàn)證

段昭

當(dāng)開發(fā)新發(fā)動(dòng)機(jī)或?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)搭載于新車型時(shí)，潤滑系統(tǒng)油位需要重新校核。在設(shè)計(jì)階段，可以借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）等三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行分析。主要介紹使用Catia設(shè)計(jì)軟件檢查某發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)油位的操作方法。通過建立發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)油腔填充模型，評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件是否存在攪油，在不同工況下校核車輛潤滑系統(tǒng)的吸油能力和回油能力，布置最佳位置的吸油盤入口，并利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）仿真和潤滑系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)作為驗(yàn)證。

潤滑系統(tǒng);攪油;吸油能力;回油能力;油位

0 前言

潤滑系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要子系統(tǒng)之一，它不僅為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的摩擦表面提供壓力和流量合適的潤滑油，還對關(guān)鍵零部件起到冷卻、除銹和密封的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油底殼的潤滑油被機(jī)油泵吸入，通過吸油盤、油道和管路輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)各潤滑點(diǎn)和冷卻點(diǎn)，完成潤滑冷卻后潤滑油在重力作用下回到油底殼，如此周而復(fù)始[1]。

本文主要介紹通過Catia軟件建立潤滑油油腔模型方法，解析潤滑油分布規(guī)律，分析潤滑油油面，并提出油底殼油位須滿足的條件。通過借助某款發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)油腔填充模型，分析運(yùn)動(dòng)件的攪油問題，校核車輛在不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的吸油能力和回油能力，布置最佳位置的吸油盤入口，最后利用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件進(jìn)行仿真，并由臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的布置

本文所研究的是某款2.0 L汽油增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)和整車布置信息如表1所示。

圖1為該發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置圖。潤滑油通過吸油盤、機(jī)油泵和機(jī)濾總成，進(jìn)入缸體等需要潤滑的部件內(nèi)，然后經(jīng)回油通道返回油底殼。吸油盤和機(jī)油泵相連接，均布置在油底殼內(nèi)。機(jī)油泵通過鏈條由曲軸驅(qū)動(dòng)。

2 潤滑油油腔模型的建立與分析

2.1 建立潤滑油油腔模型

曲軸箱由缸體、下機(jī)體、鏈條罩蓋和油底殼等共同組成。發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油填充在曲軸箱底部，機(jī)油泵、吸油盤、正時(shí)鏈條系統(tǒng)等是建立潤滑油油腔模型的關(guān)聯(lián)部件，曲軸和連桿是建立油腔模型和校核潤滑油油面的重要部件。建立潤滑油油腔模型所需的主要輸入邊界部件如圖2所示。

通過Catia軟件，技術(shù)人員逐步建立了油腔模型：（1）根據(jù)圖2所示，在整車坐標(biāo)系下裝配與油腔相關(guān)聯(lián)的部件;（2）分別提取缸體、下機(jī)體、油底殼和發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋的內(nèi)腔，生成實(shí)體;（3）將上一步驟中的所有內(nèi)腔模型，進(jìn)行布爾運(yùn)算與合并，生成整體曲軸箱油腔模型a;（4）提取曲軸包絡(luò)、連桿包絡(luò)、機(jī)油泵、吸油盤、主軸承蓋、鏈系統(tǒng)零件及相關(guān)緊固件等實(shí)體模型;（5）將上一步驟中的所有實(shí)體模型，進(jìn)行布爾運(yùn)算與合并，生成去除油腔模型b;（6）用布爾運(yùn)算命令將模型b從模型a中去除，得到油腔模型c，即為潤滑油油腔模型[2]。相關(guān)潤滑油油腔模型如圖3所示。

本文所述的潤滑油模型的校核工作均在模型c上操作。模型布置姿態(tài)隨車輛行駛工況而變化。在校核潤滑系統(tǒng)油位時(shí)，技術(shù)人員根據(jù)油底殼內(nèi)潤滑油油量，將油腔模型進(jìn)行平面切割，切割后的平面被視作潤滑油油位面。

2.2 潤滑油分布

在進(jìn)行油腔模型校核時(shí)，技術(shù)人員對油腔模型進(jìn)行了以下假設(shè)和簡化：（1）潤滑油油量以體積進(jìn)行量化，忽略潤滑油溫度的變化對潤滑油密度的影響;（2）發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)油底殼內(nèi)潤滑油油面始終平整。

為了便于分析，技術(shù)人員將處于工作狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部潤滑油總量V分為以下3部分[3]。

（1）油道油量V1：填充發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部潤滑油油道（含機(jī)濾等）所需的潤滑油油量。

（2）空間油量V2：曲軸箱內(nèi)未到達(dá)油底殼的潤滑油，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空間存在和附著在零件內(nèi)壁的潤滑油油量。

（3）油底殼油量V3：儲(chǔ)存在油底殼內(nèi)部的潤滑油油量。

技術(shù)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，將該發(fā)動(dòng)機(jī)定義干式最大加油量Vmax設(shè)為5.80 L。通過圖1所示的油道模型，測得V1為1.00 L。由機(jī)油泵特性、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)估算V2為0.75 L，最大加油量與最小加油量的差值ΔV=1.00 L，則V3 的具體數(shù)值計(jì)算如下。

V3 max=Vmax- V1- V2（1）

V3 min=V3 max-ΔV （2）

由式1、式2計(jì)算所知，V3 max=4.05 L，V3 min=3.05 L。發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油油量的計(jì)算數(shù)值如表2所示。

油底殼油量V3 max和V3 min是潤滑油模型校核的關(guān)鍵參數(shù)。校核潤滑油油位即是檢查油底殼油位在最大值和最小值時(shí)，該布置是否能夠滿足潤滑系統(tǒng)油位的設(shè)計(jì)要求。

2.3 潤滑油油面分析

如圖4所示，為了便于使用Catia軟件校核潤滑油內(nèi)腔模型，技術(shù)人員標(biāo)注并定義了曲軸箱內(nèi)與潤滑油油面相關(guān)的平面。從下至上依次是油底殼內(nèi)底面P0、吸油盤入口平面P1、潤滑油最小加油量油面P2、潤滑油最大加油量油面P3、潤滑油最大加油量加0.5 L油面P4、擋油板底部平面P5和運(yùn)動(dòng)件包絡(luò)平面P6。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)咨詢公司的指導(dǎo)意見，潤滑油油位須滿足以下要求。

（1） 車輛在行駛過程中，油底殼內(nèi)潤滑油不得與曲軸連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)干涉，否則視為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件攪油，導(dǎo)致潤滑油產(chǎn)生泡沫，產(chǎn)生潤滑不良，從而造成油溫升高，潤滑油燒結(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功增大，性能下降等不良影響。為了安全起見，在設(shè)計(jì)最大加油量加0.5 L油面P4與運(yùn)動(dòng)件包絡(luò)平面P6之間的距離時(shí)，實(shí)際數(shù)值不得小于10.0 mm。

（2） 最大加油量油面P3與最小加油量油面P2的油量差值約為1.00 L（與油標(biāo)尺上下刻度差值相同）。

（3） 車輛在運(yùn)行時(shí)，必須保證吸油盤順利吸取油底殼的潤滑油，否則曲軸箱內(nèi)的氣體會(huì)被吸入潤滑系統(tǒng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑冷卻不良，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)[4]，因此潤滑油在最小加油量時(shí)對應(yīng)的油面P2距離吸油盤入口平面P1不得小于20.0 mm。

（4） 吸油盤入口布置位置是潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，入口平面P1與油底殼內(nèi)底面的距離不宜過小，否則潤滑油雜質(zhì)易堵塞吸油盤過濾網(wǎng)，造成潤滑油壓力偏低和溫度偏高，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能;距離過大，則會(huì)導(dǎo)致潤滑系統(tǒng)吸油能力不佳，潤滑油循環(huán)不充分，加速潤滑油老化，影響售后換油里程。此處建議設(shè)計(jì)距離范圍為5.0～10.0 mm。

3 潤滑油模型校核

3.1 運(yùn)動(dòng)件攪油校核

在車輛行駛時(shí)，要求曲軸、連桿等運(yùn)動(dòng)件不允許產(chǎn)生攪油現(xiàn)象。然而在較大傾角運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件攪油不可避免。本研究只校核車輛在水平路面勻速行駛時(shí)，油底殼潤滑油處P4油面，即油底殼潤滑油油量在V3=V3 max+0.50 L=4.55 L時(shí)，分析連桿運(yùn)動(dòng)包絡(luò)和曲軸包絡(luò)與潤滑油油面的距離。

如圖3所示，模型c的潤滑油油腔在進(jìn)行實(shí)體平面切割后，模型體積為4.55 L，模型的上平面即為裝有4.55 L潤滑油的油面，分別測量油面與連桿包絡(luò)、曲軸包絡(luò)的距離。結(jié)果如圖5和表3所示，滿足潤滑油油面與運(yùn)動(dòng)件包絡(luò)平面之間的距離≥10.0 mm的要求，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件不會(huì)產(chǎn)生攪油現(xiàn)象。

3.2 吸油能力校核

車輛在水平路面勻速行駛時(shí)，技術(shù)人員校核了發(fā)動(dòng)機(jī)在最小加油量時(shí)的吸油能力。當(dāng)油底殼潤滑油在V3 min=3.05 L時(shí)，技術(shù)人員對油面與吸油盤入口的距離進(jìn)行了分析。在將圖3中模型c的潤滑油油腔進(jìn)行實(shí)體平面切割后，模型體積為3.05 L，測量模型的上平面與吸油盤入口距離為72.6 mm，滿足油面與吸油盤入口距離≥20.0 mm的要求，吸油能力滿足預(yù)設(shè)條件（圖6）。

車輛在上下坡、加減速、轉(zhuǎn)彎等各種工況下，設(shè)計(jì)方案須保證潤滑油被安全吸入。根據(jù)潤滑系統(tǒng)油位設(shè)計(jì)要求，油底殼內(nèi)潤滑油在最小加油量情況下，技術(shù)人員分別在車輛前、后、左、右傾角均為45 °時(shí)，分析了油面與吸油盤入口的距離。

如圖7所示，技術(shù)人員將圖3中模型c的潤滑油油腔根據(jù)整車行駛姿態(tài)放置，默認(rèn)潤滑油油面始終水平，分別進(jìn)行實(shí)體平面切割，使模型體積V3 min為3.05 L，并測量模型的上平面與吸油盤入口距離S。車輛在上述極限傾角下的油面位置數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)測量結(jié)果，該發(fā)動(dòng)機(jī)搭載的整車在極限傾角下均滿足S≥20.0 mm的設(shè)計(jì)要求，吸油能力正常。

3.3 吸油盤入口位置校核

為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)具備較好吸油能力，在設(shè)計(jì)時(shí)，吸油盤入口平面、油底殼內(nèi)底面和整車地面一般作平行處理。技術(shù)人員利用Catia軟件測量吸油盤入口與油底殼內(nèi)底面距離為5.8 mm，滿足5.0～10.0 mm的布置要求，如圖8所示。

同時(shí)，吸油盤入口布置必須滿足整車在任何工況下的吸油要求，驗(yàn)證時(shí)要求潤滑油油量處于V3 min狀態(tài)，車輛分別在傾角0 °（水平路面勻速行駛）、前傾45 °、后傾45 °、左傾45 °、右傾45 °這5種工況下，吸油盤入口是否能夠被潤滑油覆蓋。技術(shù)人員采用圖3中模型c的潤滑油油腔作校核，取最小加油量V3 min為3.05 L，將圖6和圖7中的5種狀態(tài)潤滑油油腔模型選取交集，得到如圖9所示的幾何金字塔形狀的實(shí)體模型，吸油盤入口必須在交集模型范圍內(nèi)，以保證滿足吸油盤的吸油要求。由圖9進(jìn)行分析，該發(fā)動(dòng)機(jī)吸油盤入口處在油腔交集模型的中央，全部被包容覆蓋，符合設(shè)計(jì)要求。

如果交集模型沒有完全覆蓋吸油盤入口，則說明車輛在行駛時(shí)，潤滑系統(tǒng)有吸空的風(fēng)險(xiǎn)。技術(shù)人員在布置設(shè)計(jì)時(shí)，則需要優(yōu)化調(diào)整吸油盤入口的位置。

3.4 回油能力校核

當(dāng)開發(fā)新發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，技術(shù)人員都會(huì)在缸蓋和缸體上設(shè)計(jì)曲軸箱通風(fēng)通道和回油通道，達(dá)到潤滑油及時(shí)順利返回至油底殼的作用，并使曲軸箱內(nèi)氣流進(jìn)行循環(huán)，達(dá)到曲軸箱內(nèi)的氣壓平衡。因此，油底殼內(nèi)的潤滑油不得覆蓋曲軸箱通風(fēng)口和回油口，否則會(huì)造成潤滑油回油不暢，導(dǎo)致曲軸箱壓力過高，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性能、曲軸箱通風(fēng)性能和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。

為保證曲軸箱通風(fēng)功能和潤滑油回油能力，潤滑系統(tǒng)在進(jìn)行回油功能設(shè)計(jì)時(shí)須滿足以下要求：（1）曲軸箱通風(fēng)通道和回油通道入口位置須高于出口位置，以防止?jié)櫥偷构?（2）回油無死區(qū)，無潤滑油聚集區(qū);（3）曲軸箱通風(fēng)通道和回油通道出口距離最大加油量油面P3不小于20.0 mm。根據(jù)潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型和油腔模型，技術(shù)人員在傾角0 °、前傾45 °、后傾45 °、左傾45 °、右傾45 °這5種工況下，對車輛進(jìn)行了校核。該發(fā)動(dòng)機(jī)的校核結(jié)果滿足上述第1條和第2條要求。

當(dāng)油底殼內(nèi)潤滑油在最大加油量V3 max時(shí)，車輛分別在傾角0 °、前傾45 °、后傾45 °、左傾45 °、右傾45 °這5種工況下，將圖3中模型c的潤滑油油腔按照整車行駛姿態(tài)放置，并進(jìn)行實(shí)體平面切割。在切割后，模型體積V3 max為4.05 L，如圖10所示。測量模型的上平面與曲軸箱通風(fēng)通道和回油通道出口的最小距離h的相關(guān)記錄見表5。

根據(jù)測量結(jié)果，該發(fā)動(dòng)機(jī)搭載的整車在不同運(yùn)行工況下都滿足上述第3條設(shè)計(jì)要求。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)回油能力驗(yàn)證正常。

4 CAE仿真

為了驗(yàn)證Catia軟件模型校核潤滑油油位的準(zhǔn)確性，技術(shù)人員使用ANSA仿真軟件進(jìn)行分析[5]，輸入的整車運(yùn)行工況如表6所示，以計(jì)算在穩(wěn)態(tài)和不同油量下，油底殼內(nèi)潤滑油V3油面與吸油盤入口的高度差S。

根據(jù)圖11所示仿真模型，技術(shù)人員繪制了油底殼內(nèi)潤滑油油量V3與高度差S對應(yīng)的關(guān)系如圖12所示。當(dāng)油底殼潤滑油油量在最小油量V3 min=3.05 L時(shí)，車輛在各種工況下的高度差S與Catia軟件校核油腔模型測量的結(jié)果相近。因此可以判定，CAE仿真與Catia軟件模型校核結(jié)果是一致的。

5 潤滑系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

如圖13所示，技術(shù)人員按照整車布置傾角搭建發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，并進(jìn)行潤滑油油位試驗(yàn)、油尺刻度標(biāo)定試驗(yàn)和傾斜試驗(yàn)[6]，測得在水平狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)件不發(fā)生攪油。

發(fā)動(dòng)機(jī)在低速（1 000 r/min）、中速（3 000 r/min）和高速（5 500 r/min）工況下均滿足前傾45 °、后傾45 °、左傾45 °、右傾45 °的吸油要求。傾斜試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。吸油盤入口布置合理，潤滑油回油通暢。因此可以判定，臺(tái)架試驗(yàn)與Catia軟件模型校核結(jié)果也相符合。

6 結(jié)論

當(dāng)開發(fā)新發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，由于潤滑系統(tǒng)零件采用了新的設(shè)計(jì)方案，或者當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)搭載新車型時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的布置安裝傾角有所變化，都需要對潤滑油油位進(jìn)行校核。在設(shè)計(jì)初期不具備CAE仿真和臺(tái)架驗(yàn)證條件下，技術(shù)人員可以借助CAD三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的油位校核。

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