FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)干式油底殼設(shè)計(jì)

張春花，禤銳康，張文雅，余焯琳

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州 510800）

FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)干式油底殼設(shè)計(jì)

張春花，禤銳康，張文雅，余焯琳

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州 510800）

該文對(duì)參加2014中國大學(xué)生方程式汽車大賽的賽車發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括油底殼的類型確定，油底殼、機(jī)油罐以及油餅的實(shí)體建模，以及油管、接頭、機(jī)油泵的布置與連接設(shè)計(jì)。通過對(duì)賽車發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大減低了發(fā)動(dòng)機(jī)的重心，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑，提高了賽車的穩(wěn)定性。

干式油底殼；FSAE；發(fā)動(dòng)機(jī)

CLC NO.: U464.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-71-03

引言

FSAE(Formula SAE)大學(xué)生方程式系列賽事是由美國汽車工程師協(xié)會(huì)主辦，目的是挑戰(zhàn)世界各地大學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、制造小型方程式賽車能力。各參賽車隊(duì)按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在一年的時(shí)間內(nèi)自行設(shè)計(jì)和制造出一輛在加速、制動(dòng)、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。中國大學(xué)生方程式汽車大賽，是中國汽車工程學(xué)會(huì)及其合作會(huì)員單位，在學(xué)習(xí)和總結(jié)美、日、德等國家相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國國情，精心打造的一項(xiàng)全新賽事。

油底殼是賽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，它的主要功能是貯存機(jī)油并封閉曲軸箱。油底殼設(shè)計(jì)的原則是保證發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下，都能保證發(fā)動(dòng)機(jī)各部件有良好的潤滑，同時(shí)也有利于提高整車的操縱性能。

1、油底殼的分類

潤滑系統(tǒng)按照潤滑油大量貯存的位置不同，可分為濕式和干式油底殼兩類。

1.1 濕式油底殼

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的常為濕式油底殼，這一類發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼主要作用是承裝潤滑系統(tǒng)的潤滑油，與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝成一體，構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱，同時(shí)起到密封、散熱、防止?jié)櫥脱趸冑|(zhì)的作用。之所以稱為濕式油底殼是因?yàn)樵诎l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)一周，曲軸曲拐和連桿大頭就會(huì)浸入油底殼的潤滑油里面潤滑一次，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，曲拐會(huì)濺起油霧以潤滑曲軸和軸瓦等部件。然而這一類濕式油底殼有一個(gè)重要缺點(diǎn)，就是如果在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)、汽車高速拐彎以及漂移等情況時(shí)，油底殼內(nèi)的潤滑油會(huì)因?yàn)橹亓卸奂谀骋惶幎沟冒l(fā)動(dòng)機(jī)部分零件潤滑效果減弱。

1.2 干式油底殼

干式油底殼存有少量的機(jī)油，而大量的機(jī)油是存在機(jī)體外另設(shè)的1個(gè)專用油箱內(nèi)。機(jī)體下部雖然有個(gè)小型的貯油室，但流回的機(jī)油即被吸油泵不斷地送至油箱，再由機(jī)油泵加壓后經(jīng)機(jī)油濾清器、冷卻器、主油道到達(dá)各運(yùn)動(dòng)件的摩擦表面，潤滑后流回貯油室。因此，干式油底殼內(nèi)的機(jī)油是通過2個(gè)油泵來循環(huán)流動(dòng)的。這種潤滑方式雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，但因機(jī)油不在貯油室久留，可避免缸體內(nèi)高溫高壓燃?xì)獾那忠u與腐蝕，從而防止了機(jī)油的過早氧化變質(zhì)。

干式油底殼的優(yōu)勢(shì)是：減低發(fā)動(dòng)機(jī)重心，提高賽車行駛時(shí)穩(wěn)定性和操控性，改善發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑性能，提高潤滑效果，發(fā)動(dòng)機(jī)壽命有保障，有利于機(jī)油溫度的下降，油品有保障，機(jī)油泵兩路回油大于一路壓油，把曲軸通風(fēng)口可堵住，整個(gè)曲軸箱會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，出現(xiàn)負(fù)壓的好處是曲軸箱內(nèi)的壓力比活塞頂部小，從而增加密封減小漏氣，進(jìn)而提升功率。曲軸箱內(nèi)的負(fù)壓也使得旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)更加快，因?yàn)榛钊敳康淖枇Ω?，這就相當(dāng)于減輕了旋轉(zhuǎn)部件的重量，減少發(fā)動(dòng)機(jī)功率的損失。所以本次參賽的賽車選用干式油底殼。

2、干式油底殼設(shè)計(jì)

2.1 原裝油底殼

原裝發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼采用的是濕式油底殼，如圖1所示，高107mm，其高度太高，在比賽過程中不能很好的適應(yīng)比賽，在一些彎道有抽不到油的現(xiàn)象，造成潤滑不足，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損害非常大。

2.2 干式油底殼主要部件及設(shè)計(jì)

干式油底殼潤滑系統(tǒng)的主要組成部分包括油餅、機(jī)油油泵、油盤（油底殼）、濾清器、機(jī)油罐以及油管等組成。

2.2.1 油盤（油底殼）設(shè)計(jì)

油盤的設(shè)計(jì)要考慮到與發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體配合無間隙，所以對(duì)油底殼重新設(shè)計(jì)與缸體的輪廓相吻合，對(duì)原裝油底殼的輪廓進(jìn)行三維逆向掃描，并利用CATIA建模，如圖2所示。相對(duì)于原裝油底殼大大減低高度，僅為35mm，考慮到賽車在比賽時(shí)路況，多為加速和過彎賽道，所以兩個(gè)回油口靠后布置，加快回油速度，泄壓閥位置開兩條回油槽也有利于回油。油盤采用了優(yōu)質(zhì)鋁通過數(shù)控銑加工完成。

2.2.2 機(jī)油罐設(shè)計(jì)

機(jī)油罐設(shè)計(jì)首先考慮到加工成本問題，采用鋁板板金加工，大大減少了材料的成本和加工費(fèi)，機(jī)油罐容積大小的確定考慮到賽車在直線加速6秒發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)速下機(jī)油的循環(huán)量足夠，取4L。機(jī)油回油到機(jī)油罐中，開口位置與機(jī)油罐圓柱體相切，機(jī)油沿著壁面流到罐內(nèi)，這樣比較有利于機(jī)油油氣分離，減少高溫機(jī)油垂直沖擊產(chǎn)生的氣泡。為了更好的觀察油液的高度，設(shè)計(jì)成可視透明視油管。機(jī)油罐三維圖如圖3所示。

將油儲(chǔ)存在一個(gè)獨(dú)立的機(jī)油罐中好處。它保證了油泵持續(xù)無間斷供油，不管賽車在行駛中受到多大側(cè)加速度，機(jī)油都能夠及時(shí)被加壓保證潤滑效果。干式油底殼系統(tǒng)的供給油罐可以容納大容量潤滑油，離發(fā)動(dòng)機(jī)熱源遠(yuǎn)，有利于機(jī)油溫度冷卻，而且提供穩(wěn)定的壓力。

2.2.3 油餅設(shè)計(jì)

機(jī)油餅設(shè)計(jì)主要考慮到?jīng)]有利用原裝機(jī)油泵，利用的外置三階段機(jī)油泵，

油餅設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)避免了集濾器口定位難度大和減少加工工序， 油餅與機(jī)油濾清器連接使用。油餅的三維圖如圖4所示。

2.2.4 油底殼整體裝配

利用CATIA零件設(shè)計(jì)中的裝配設(shè)計(jì)模塊導(dǎo)入全部零件，在發(fā)動(dòng)機(jī)模型上進(jìn)行裝配，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)和車架的位置，優(yōu)化了油管的布置，最終裝配如圖5所示。整個(gè)油底殼的油路如圖5中箭頭所示，油底殼中的機(jī)油由紅色箭頭的油管→干式泵→黃色箭頭油管回機(jī)油罐；機(jī)油罐中機(jī)油由綠色箭頭油管→干式泵→藍(lán)色箭頭油管→機(jī)油柄→機(jī)油濾清器→機(jī)油冷卻器→發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部潤滑主油道。

FSAE race engine dry sump design

Zhang Chunhua, Ta Ruikang, Zhang Wenya, Yu Chaolin
（Guangzhou Institute of South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510800）

This paper participate in the 2014 China Formula Student racing car engine oil pan contest to optimize the design, including the determination of the type of oil pan, oil pan, cake machine tank and solid modeling, as well as tubing, fittings, oil pump layout and connection design. By optimizing the design of the car engine oil pan, greatly reducing the engine's center of gravity, improved engine lubrication, improve the stability of the car.

Dry sump；FSAE；Engine

U464.2

A

1671-7988(2015)02-71-03

張春花，講師，就職于華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車工程學(xué)院，研究方向車輛工程專業(yè)汽車電子。

學(xué)生研究計(jì)劃項(xiàng)目“FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)（honda cbr 600）干式油底殼設(shè)計(jì)（JY140609）。