FSAE賽車發(fā)動機干式油底殼設計

張春花，禤銳康，張文雅，余焯琳

（華南理工大學廣州學院，廣東 廣州 510800）

FSAE賽車發(fā)動機干式油底殼設計

張春花，禤銳康，張文雅，余焯琳

（華南理工大學廣州學院，廣東 廣州 510800）

該文對參加2014中國大學生方程式汽車大賽的賽車發(fā)動機油底殼進行優(yōu)化設計，包括油底殼的類型確定，油底殼、機油罐以及油餅的實體建模，以及油管、接頭、機油泵的布置與連接設計。通過對賽車發(fā)動機油底殼的優(yōu)化設計，大大減低了發(fā)動機的重心，改善了發(fā)動機的潤滑，提高了賽車的穩(wěn)定性。

干式油底殼；FSAE；發(fā)動機

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

引言

FSAE(Formula SAE)大學生方程式系列賽事是由美國汽車工程師協(xié)會主辦，目的是挑戰(zhàn)世界各地大學生團隊設計、制造小型方程式賽車能力。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，在一年的時間內(nèi)自行設計和制造出一輛在加速、制動、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。中國大學生方程式汽車大賽，是中國汽車工程學會及其合作會員單位，在學習和總結(jié)美、日、德等國家相關(guān)經(jīng)驗的基礎上，結(jié)合中國國情，精心打造的一項全新賽事。

油底殼是賽車發(fā)動機的重要零部件，它的主要功能是貯存機油并封閉曲軸箱。油底殼設計的原則是保證發(fā)動機在不同工況下，都能保證發(fā)動機各部件有良好的潤滑，同時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)動機使用的常為濕式油底殼，這一類發(fā)動機的油底殼主要作用是承裝潤滑系統(tǒng)的潤滑油，與發(fā)動機安裝成一體，構(gòu)成發(fā)動機曲軸箱，同時起到密封、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為在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，曲軸運轉(zhuǎn)一周，曲軸曲拐和連桿大頭就會浸入油底殼的潤滑油里面潤滑一次，同時在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，曲拐會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重要缺點，就是如果在發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)、汽車高速拐彎以及漂移等情況時，油底殼內(nèi)的潤滑油會因為重力集中而聚集在某一處而使得發(fā)動機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油，而大量的機油是存在機體外另設的1個專用油箱內(nèi)。機體下部雖然有個小型的貯油室，但流回的機油即被吸油泵不斷地送至油箱，再由機油泵加壓后經(jīng)機油濾清器、冷卻器、主油道到達各運動件的摩擦表面，潤滑后流回貯油室。因此，干式油底殼內(nèi)的機油是通過2個油泵來循環(huán)流動的。這種潤滑方式雖然結(jié)構(gòu)復雜一些，但因機油不在貯油室久留，可避免缸體內(nèi)高溫高壓燃氣的侵襲與腐蝕，從而防止了機油的過早氧化變質(zhì)。

干式油底殼的優(yōu)勢是：減低發(fā)動機重心，提高賽車行駛時穩(wěn)定性和操控性，改善發(fā)動機潤滑性能，提高潤滑效果，發(fā)動機壽命有保障，有利于機油溫度的下降，油品有保障，機油泵兩路回油大于一路壓油，把曲軸通風口可堵住，整個曲軸箱會出現(xiàn)負壓，出現(xiàn)負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，進而提升功率。曲軸箱內(nèi)的負壓也使得旋轉(zhuǎn)部件的運動更加快，因為活塞頂部的阻力更小，這就相當于減輕了旋轉(zhuǎn)部件的重量，減少發(fā)動機功率的損失。所以本次參賽的賽車選用干式油底殼。

2、干式油底殼設計

2.1 原裝油底殼

原裝發(fā)動機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)動機溫度過高，對發(fā)動機的損害非常大。

2.2 干式油底殼主要部件及設計

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

2.2.1 油盤（油底殼）設計

油盤的設計要考慮到與發(fā)動機的缸體配合無間隙，所以對油底殼重新設計與缸體的輪廓相吻合，對原裝油底殼的輪廓進行三維逆向掃描，并利用CATIA建模，如圖2所示。相對于原裝油底殼大大減低高度，僅為35mm，考慮到賽車在比賽時路況，多為加速和過彎賽道，所以兩個回油口靠后布置，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 機油罐設計

機油罐設計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，機油罐容積大小的確定考慮到賽車在直線加速6秒發(fā)動機高速轉(zhuǎn)速下機油的循環(huán)量足夠，取4L。機油回油到機油罐中，開口位置與機油罐圓柱體相切，機油沿著壁面流到罐內(nèi)，這樣比較有利于機油油氣分離，減少高溫機油垂直沖擊產(chǎn)生的氣泡。為了更好的觀察油液的高度，設計成可視透明視油管。機油罐三維圖如圖3所示。

將油儲存在一個獨立的機油罐中好處。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，機油都能夠及時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)動機熱源遠，有利于機油溫度冷卻，而且提供穩(wěn)定的壓力。

2.2.3 油餅設計

機油餅設計主要考慮到?jīng)]有利用原裝機油泵，利用的外置三階段機油泵，

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

2.2.4 油底殼整體裝配

利用CATIA零件設計中的裝配設計模塊導入全部零件，在發(fā)動機模型上進行裝配，考慮到發(fā)動機和車架的位置，優(yōu)化了油管的布置，最終裝配如圖5所示。整個油底殼的油路如圖5中箭頭所示，油底殼中的機油由紅色箭頭的油管→干式泵→黃色箭頭油管回機油罐；機油罐中機油由綠色箭頭油管→干式泵→藍色箭頭油管→機油柄→機油濾清器→機油冷卻器→發(fā)動機內(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廣州學院汽車工程學院，研究方向車輛工程專業(yè)汽車電子。

學生研究計劃項目“FSAE賽車發(fā)動機（honda cbr 600）干式油底殼設計（JY140609）。