現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用前景

王　琱，李　偉

(1. 李斯特技術(shù)中心(上海)有限公司，上海 201206)

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現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用前景

王琱1，李偉1

(1. 李斯特技術(shù)中心(上海)有限公司，上海 201206)

輕量化、集成化和電子化的新型發(fā)動(dòng)機(jī)已成迅猛之勢(shì)發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)新材料也越來(lái)越受歡迎。發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼設(shè)計(jì)也要求更加精準(zhǔn)化和細(xì)致化。高度集成的塑料油底殼設(shè)計(jì)已經(jīng)成熟，亟待逐漸取代傳統(tǒng)沖壓油底殼和壓鑄鋁油底殼，這對(duì)降低燃油耗、CO2排放，以及降低發(fā)動(dòng)機(jī)成本都起到重要作用。

塑料油底殼輕量化高度集成有限元分析試驗(yàn)驗(yàn)證

0　前言

上漲的原油價(jià)格和公眾生態(tài)壓力不斷提高對(duì)現(xiàn)代車輛燃油耗和排放要求,發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件設(shè)計(jì)面臨著巨大挑戰(zhàn)和機(jī)遇。油底殼是發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，位于曲軸箱下部封閉曲軸箱，并收集儲(chǔ)存發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)表面機(jī)油，散失部分熱量，防止?jié)櫥脱趸?。油底殼?nèi)部裝有擋油板，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)顛簸時(shí)造成的油面震蕩激濺導(dǎo)致機(jī)油乳化，還有利于潤(rùn)滑油雜質(zhì)的沉淀。此外，油底殼底部最低處還布置了放油螺塞。油底殼位于發(fā)動(dòng)機(jī)外部，工作條件比較苛刻，除滿足發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和功能需求外，受冷熱交變沖擊嚴(yán)重，還會(huì)遇到路面狀況的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

1　設(shè)計(jì)方法

1.1邊界條件設(shè)計(jì)

乘坐空間和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空間分配永遠(yuǎn)都在尋求平衡，隨著人們對(duì)汽車舒適度要求提高，發(fā)動(dòng)機(jī)艙逐漸減小。尤其是混合動(dòng)力車輛預(yù)留給電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的空間占很大比重，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可用的布置空間就越來(lái)越小，動(dòng)力總成呈輕量化、小型化發(fā)展趨勢(shì)。

油底殼設(shè)計(jì)前提條件需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，定義油底殼與氣缸體和飛輪殼間各配合面，考慮與動(dòng)力總成半軸、轉(zhuǎn)向桿和離地安全間隙。另外，油底殼結(jié)構(gòu)還需考慮是否支撐變速箱、附件系統(tǒng)、油底殼內(nèi)部機(jī)油泵的安裝驅(qū)動(dòng)和集濾器吸油口布置位置等。目前，應(yīng)用越來(lái)越廣泛的油底殼內(nèi)置平衡系統(tǒng)安裝驅(qū)動(dòng)和機(jī)油溫度液面?zhèn)鞲衅鞯牟贾玫榷荚诳紤]之列。

1.2材料選擇

油底殼材料具體應(yīng)用有壓鑄鋁(鎂)合金油底殼、鋼制沖壓油底殼、純塑料油底殼和塑料-鋁合金組合結(jié)構(gòu)油底殼。

壓鑄鋁(鎂)合金油底殼應(yīng)用廣泛，具有剛度好、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。目前，成熟的高壓鑄造技術(shù)已經(jīng)能夠滿足鑄鋁油底殼的各種結(jié)構(gòu)和性能需求。但是鑄鋁油底殼存在密度大、外形自由度差、磨具成本高和有后期加工工序等不足等缺點(diǎn)，已經(jīng)逐漸被采用節(jié)能環(huán)保、安全低成本的新材料和新技術(shù)油底殼所取代。

沖壓油底殼常有單層鋼板和多層鋼板(即三明治式)油底殼2種，具有質(zhì)量輕，噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)性能良好，三明治油底殼在NVH方面則有更優(yōu)秀的表現(xiàn)。但沖壓油底殼容易存在波紋、皺褶和邊緣拉痕等表面缺陷，而且沖壓成型工藝會(huì)導(dǎo)致材料塑性變形不均勻，往往使某些部位剛性較差。對(duì)于兼具變速箱支撐功能的油底殼，沖壓油底殼剛度也不能滿足要求。沖壓鋼板油底殼在售后維修的時(shí)候，密封表面由于硅膠粘結(jié)強(qiáng)度高，容易發(fā)生暴力拆卸，導(dǎo)致發(fā)生密封面不平整的問(wèn)題，再次裝配需整形或更換新油底殼，維修成本增加。

塑料油底殼一般采用尼龍PA66加30%～60%玻纖的材料。該材料具有很高的流動(dòng)性和良好的耐化學(xué)腐蝕性，耐高、低溫性能，持續(xù)使用溫度在-40℃～ 150℃之間，瞬時(shí)高溫可達(dá)200℃。油底殼主體厚度在3.5～4.5mm之間，具有質(zhì)量輕、成品不良率低、形狀設(shè)計(jì)自由度高、樣件制作速度快，以及NVH性能優(yōu)良的特點(diǎn)。如圖1所示，塑料油底殼還有著不可比擬的高度集成功能。

圖1　高度集成塑料油底殼示例

塑料油底殼本體除了儲(chǔ)油的功能外集成了密封圈、機(jī)油集濾器、機(jī)油分配管路、機(jī)油濾清器安裝支座和非解耦組合式襯套螺栓等結(jié)構(gòu)。集成的機(jī)油管路與縮短機(jī)油路程、降低壓降的措施相結(jié)合，可進(jìn)一步降低能量損失。此外，塑料油底殼還可集成擋油盤和承載附屬部件的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如空調(diào)壓縮機(jī)安裝支座等。高度集成的塑料油底殼緊固螺栓數(shù)量可減少30%，亦大大降低成本。從表1不同材料油底殼綜合評(píng)估可以看出，塑料油底殼有著巨大的應(yīng)用潛力。

表1　不同材料油底殼綜合評(píng)估

對(duì)于早先提到的塑料油底殼耐久性、隔熱和支撐強(qiáng)度的問(wèn)題已經(jīng)逐漸解決。耐久問(wèn)題可以選用高性能的尼龍加玻纖材料來(lái)解決，需要發(fā)動(dòng)機(jī)廠、零部件廠和原材料廠之間配合溝通，對(duì)原材料材質(zhì)和性能加強(qiáng)驗(yàn)證。塑料油底殼可集成多層材料隔熱板，以消除高溫排氣尾管從油底殼下部通過(guò)時(shí)熱輻射的影響。支撐變速箱的塑料油底殼可采用混合結(jié)構(gòu)，即主體采用純塑料的罩蓋式油底殼，而支撐結(jié)構(gòu)采用金屬框架，具有支撐作用的混合結(jié)構(gòu)的油底殼則安裝在曲軸箱上。油底殼內(nèi)外表面還設(shè)有加強(qiáng)筋，內(nèi)部筋或集成結(jié)構(gòu)可增加油底殼剛度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)底部噪聲和振動(dòng)目標(biāo)有積極作用。在汽車行駛方向，前保險(xiǎn)杠投影仰視和俯視20°范圍內(nèi)，油底殼外部特設(shè)防撞筋可在沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板額外保護(hù)的情況下，在遭遇路石撞擊時(shí)吸收石塊撞擊能量，保護(hù)油底殼本體免受沖擊破裂。出于聲學(xué)和流體力學(xué)的考慮，絕大多數(shù)整車廠都安裝了發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板，這樣原先石塊沖擊的問(wèn)題也迎刃而解。

1.3油底殼儲(chǔ)油量和容積計(jì)算

油底殼儲(chǔ)油量是潤(rùn)滑系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)之一，油底殼合理的儲(chǔ)油容積對(duì)完成發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑、冷卻、清洗和防銹等功能具有重要保證作用。油底殼在保證離地間隙和內(nèi)外邊界零件安全間隙前提下，儲(chǔ)油量必須滿足發(fā)動(dòng)機(jī)換油周期用油，而且滿足發(fā)動(dòng)機(jī)任意極限傾角和車輛加減速時(shí)吸油盤均覆蓋在最小機(jī)油量形成的機(jī)油“金字塔”內(nèi)。以熱力學(xué)和流體力學(xué)原理為依據(jù)給出潤(rùn)滑系統(tǒng)循環(huán)油量計(jì)算公式，經(jīng)行車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是可行的，為新設(shè)計(jì)機(jī)型機(jī)油循環(huán)量提供了參考。

對(duì)于機(jī)油冷卻活塞的現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)，熱力學(xué)計(jì)算方法循環(huán)油量Vc根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油散熱量Qc來(lái)確定：

Qc=(620～860)Ne(kJ/h)

(1)

式中，Ne為內(nèi)燃機(jī)功率(kW)。

則內(nèi)燃機(jī)需要的循環(huán)油量Vc：

(2)

式中，ρ為機(jī)油密度，一般取ρ=0.85kg/L；c為機(jī)油比熱容，一般取c=1.7～2.1kJ/(kg·℃)；Δt為機(jī)油進(jìn)出口溫差，一般取Δt=8～15℃。

考慮到循環(huán)油量有一定的富裕量，機(jī)油泵實(shí)際循環(huán)油量為：

Vp=KVc(L/h)

(3)

式中，K為儲(chǔ)備系數(shù)，一般取K=2～3。

為確保發(fā)動(dòng)機(jī)在熱機(jī)狀態(tài)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滿足所需機(jī)油壓力，根據(jù)流體力學(xué)基本原理，發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)間隙漏掉的機(jī)油量總和應(yīng)小于或等于發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)油量，以確定實(shí)際循環(huán)油量。由于發(fā)動(dòng)機(jī)各旋轉(zhuǎn)潤(rùn)滑部件間都形成了環(huán)形縫隙，受載荷、轉(zhuǎn)速等影響，在主軸頸、連桿軸頸，以及凸輪軸等的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，環(huán)形縫隙往往偏心的，如圖2流量計(jì)算模型所示。期間，機(jī)油泄漏量可按流體力學(xué)中的偏心環(huán)形縫隙的流量公式(4)計(jì)算。

(4)

當(dāng)ε=0時(shí)，式(4)與同心圓環(huán)縫隙流量公式一致；當(dāng)ε=1時(shí)，為極限情況，偏心量達(dá)到最大值，其縫隙流量為同心圓時(shí)的2.5倍，近似取2倍。

(a)　　　　　　　　　　　(b)　圖2　偏心環(huán)形縫隙流量計(jì)算模型

依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油路循環(huán)可知，上述間隙漏掉的油量總和就是理論循環(huán)機(jī)油量。所有發(fā)動(dòng)機(jī)的總泄油量為：

Q=Q1+Q2+…+Qn

(5)

式中，Q1，Q2，…，Qn為各泄漏處的泄油量，即潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)油循環(huán)量。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，油底殼儲(chǔ)油量計(jì)算可遵循以下2個(gè)原則：(1) 小排量發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼內(nèi)機(jī)油流經(jīng)機(jī)油泵的循環(huán)次數(shù)，即循環(huán)率小于9次/min，排量越大此數(shù)值可略減?。?2) 2.0～2.5倍發(fā)動(dòng)機(jī)排量容積。往油底殼內(nèi)添加機(jī)油偶爾會(huì)發(fā)生誤操作，如加機(jī)油量過(guò)多時(shí)的機(jī)油(即過(guò)加油量)，機(jī)油液面與曲軸箱內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件間，主要是指曲柄連桿形成的包絡(luò)，要預(yù)留安全間隙，避免在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)因攪油而加速機(jī)油乳化和增加旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)阻力而造成的動(dòng)力損失。

1.4靜態(tài)和動(dòng)態(tài)油面檢查

油底殼靜態(tài)油面檢查是為標(biāo)識(shí)出整車狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行停機(jī)靜置一段時(shí)間后正常加機(jī)油量范圍，最大和最小加油量液面位置分別對(duì)應(yīng)油底殼內(nèi)機(jī)油標(biāo)尺上、下刻度線。對(duì)于中小型發(fā)動(dòng)機(jī)，油底殼儲(chǔ)油量計(jì)算值設(shè)定為機(jī)油尺下刻度線位置，上、下刻度間油量波動(dòng)為1L。這是在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油換油周期內(nèi)，考慮機(jī)油損耗而設(shè)定的。動(dòng)態(tài)機(jī)油液面檢查目的是在油底殼內(nèi)極限少油的情況下，且在發(fā)動(dòng)機(jī)最大傾角和車輛加減速(一般設(shè)定0.8g和-0.8g加速度)時(shí)，始終保持機(jī)油集濾器口位于機(jī)油液面傾斜形成的最小油錐體內(nèi)，也就是確保機(jī)油濾清器在發(fā)動(dòng)機(jī)任何極限狀況下都能吸到機(jī)油，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)表面的油壓和潤(rùn)滑。各整車生產(chǎn)商均設(shè)定了自己的油面最大傾斜角度設(shè)計(jì)極限，不同類型車輛，油面檢查傾斜角度也不一樣。

1.5油底殼密封

傳統(tǒng)硬墊片大都采用無(wú)石棉環(huán)保密封墊片，墊片由芳綸纖維和石棉替代品組合而成，具有良好的耐油、抗壓、耐腐蝕、耐高、低溫和絕緣等特性，適用于金屬油底殼與曲軸箱間的密封，但是要避免零件表面毛刺等雜質(zhì)殘留在密封面而降低密封效果。另外，油底殼和缸體配合面的偏離也會(huì)導(dǎo)致硬墊片密封不嚴(yán)。還有1種金屬骨架外硫化橡膠的組合式硬墊片，綜合了橡膠墊的優(yōu)勢(shì)又避免橡膠被壓跑而不易固定的缺點(diǎn)，適用于全彈性材料密封比較苛刻的場(chǎng)合，但成本比較高。

彈性橡膠墊采用ACM或AEM材料，具有耐熱油腐蝕、耐老化的特點(diǎn)。類似O型圈密封，多用于密封面開(kāi)槽的塑料油底殼。墊片夾持在油底殼密封凹槽里，當(dāng)螺栓擰緊后彈性墊片壓縮以密封曲軸箱法蘭和油底殼密封面。密封條型式除了經(jīng)典T型斷面的聲學(xué)解耦密封條外，也可使用I型斷面密封條，在需要加強(qiáng)密封的T型連接區(qū)域采用華夫餅墊結(jié)構(gòu)密封。彈性密封可適當(dāng)減少油底殼安裝螺栓數(shù)量，而且有利于降低振動(dòng)和輻射噪聲耦合效果?，F(xiàn)在應(yīng)用越來(lái)越多的是液態(tài)硅樹(shù)脂密封，具有適應(yīng)性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)成型、密封可靠和成本低等優(yōu)點(diǎn)。硅膠密封在機(jī)械制造業(yè)金屬連接中已屬于常規(guī)技術(shù)，現(xiàn)正期待進(jìn)一步批量應(yīng)用于塑料油底殼。

1.6放油螺塞

放油螺塞位于整車安裝狀態(tài)下油底殼最低點(diǎn)，以保證重力作用下機(jī)油無(wú)殘留，當(dāng)然采用抽油方式換機(jī)油的發(fā)動(dòng)機(jī)另當(dāng)別論。另外，油塞布置還需考慮邊界條件，保證售后維修拆裝方便，不產(chǎn)生額外操作工時(shí)。傳統(tǒng)磁性放油螺塞可吸附機(jī)油從發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部攜帶下來(lái)的金屬碎屑，防止機(jī)油循環(huán)再次進(jìn)入潤(rùn)滑表面。輕量化的發(fā)動(dòng)機(jī)采用鑄鋁缸體和氣缸蓋，具有嚴(yán)苛的清潔度要求，使得磁性螺塞也逐漸被淘汰。金屬螺塞和密封墊片適用于預(yù)鑄螺座和焊接螺座的金屬油底殼。塑料油底殼可使用熱嵌件螺母和金屬螺塞及墊片的組合，也可使用卡扣式塑料螺塞和帶塑料螺紋的螺塞加O型圈密封的結(jié)構(gòu)。

2　設(shè)計(jì)有效性分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

油底殼完成功能性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，可利用有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，密封性、耐路石撞擊分析，振動(dòng)和聲學(xué)分析，流體力學(xué)優(yōu)化和模流分析等。機(jī)油循環(huán)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法，可解決一類無(wú)理論解的問(wèn)題，尤其對(duì)集成機(jī)油管路和潤(rùn)滑系統(tǒng)的塑料油底殼設(shè)計(jì)初期求出壓力損失，以確定最有利的機(jī)油流動(dòng)路線，降低能量損失。模流分析技術(shù)可改進(jìn)澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品缺陷，提高產(chǎn)品合格率。通過(guò)油底殼噪聲模擬分析，可采取局部加筋和對(duì)薄弱底部形狀上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)提高NVH性能。設(shè)計(jì)優(yōu)化后的油底殼模型進(jìn)行樣件試制后，還需進(jìn)行密封性試驗(yàn)、耐冷熱沖擊試驗(yàn)、鹽霧實(shí)驗(yàn)、承壓試驗(yàn)、路石撞擊試驗(yàn)和耐久性能試驗(yàn)等。對(duì)國(guó)內(nèi)某發(fā)動(dòng)機(jī)塑料油底殼的測(cè)試應(yīng)用表明，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的塑料油底殼與金屬油底殼相比，噪聲等級(jí)可在一定程度上降低0.5～2.0dB(A)，噪聲結(jié)果會(huì)因測(cè)試位置不同存在差異。國(guó)外供應(yīng)商BASF和Elringklinger在塑料油底殼研發(fā)生產(chǎn)方面具有豐富應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。塑料油底殼以較大的優(yōu)勢(shì)在現(xiàn)代商用車和轎車發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

3　結(jié)論

油底殼設(shè)計(jì)除滿足密封曲軸箱和儲(chǔ)油功能外，還需滿足發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、集成化和小型化發(fā)展需求。油底殼新材料和新技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越迫切，降低設(shè)計(jì)研發(fā)和生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)精準(zhǔn)的油底殼才能滿足市場(chǎng)發(fā)展。調(diào)研和試驗(yàn)證明，塑料油底殼在NVH性能、高度集成功能，以及降低油耗和CO2排放方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱上的應(yīng)用也亟待拓展。

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