干式機油泵的設計思路

崔恩勝，馬文舉，張東雨，張 馳

（吉林大學 汽車工程學院，長春 130022）

干式機油泵的設計思路

崔恩勝，馬文舉，張東雨，張 馳

（吉林大學 汽車工程學院，長春 130022）

干式機油泵又稱發動機外置機油泵，是汽車發動機干式油底殼系統的重要組成部分，負責回收落到油底殼的機油并給發動機油道提供具有一定油壓的機油。其本質是利用依靠通過軸傳動或皮帶傳動而得到的部分發動機動力工作的多段同軸泵，由1個齒輪泵與1個或以上的羅茨泵組成。本文通過總結現已較為完善的齒輪泵和羅茨泵的設計思路，并參考國外一些干式油底殼品牌的成品泵，給讀者提供一個干式機油泵國產化的思路。

干式油底殼系統；汽車改裝；機油泵

0 引言

干式油底殼系統作為一種發動機潤滑系統的優化方案，近年來常見于汽車改裝領域和一些如FSC一樣的汽車賽事。然而，作為其核心配件的機油泵卻一直被如Moroso、Dailey Engineering等歐美品牌壟斷，其售價普遍達到1000美金以上。

1 干式油底殼系統

圖1為一個典型的干式潤滑系統簡圖，與傳統油底殼相比，最直觀的差異在于用不具備容積的油盤（干式油底殼）取代了傳統油底殼，并利用一個獨立的機油罐去承擔貯存機油的功能。這種布置直接帶來了降低發動機重心、改善供油泵的吸油、使曲軸箱真空化的優勢，進而改善了發動機的壽命、功率與整車的操控性。

1.2 干式油泵的結構特點

由干式潤滑系統的結構可以看出，泵承擔著兩個任務：1.供油泵給油道提供具有一定壓力的機油；2.回油泵把落至油底殼的機油抽回機油罐中。回油泵在抽出油底殼內的機油時會將曲軸箱竄氣一同排出，故回油泵的工作介質是高粘度的機油與空氣的混合物。因常用作發動機機油泵的齒輪泵與擺線轉子泵均無法以空氣為介質，所以在抽油泵的選擇上，在石油輸送和抽真空領域都被廣泛使用的羅茨泵無疑是最佳的選擇。為了更好地與羅茨泵匹配，供油泵也就要選擇同樣是對稱雙軸結構的外齒輪泵。需要注意的是，在整個多段泵中，供油泵并不是必須的。它的功能依然可以依靠原機油泵來完成，只需把機油罐的出口管路通過油底殼連至原機泵的上游。但其缺點在于會增加油底殼的設計、加工成本與后期的維護成本。系統設計者可以根據實際的情況對兩種方案進行取舍。

2 供油泵的設計

2.1 供油泵的流量

如上文所述，供油泵應選用外齒輪泵。在發動機機油泵的正向開發中，機油泵的流量qvp由潤滑系統的循環機油量qvc決定，而qvc是根據必須被機油帶走的發動機散熱量Φc來決定的，其公式如下：

式中， P為內燃機有效功率；α0為機油散熱量占發熱量的百分比，可取0.015至0.02；ηe為有效效率，汽油機約等于0.25～0.33；ρ為機油的密度，一般取ρ=0.85kg/L；c為機油的比熱容，約等于1.7～2.1kJ/ （kg·℃）；Δ t為機油進出口溫差，一般取8～15℃。

然而，除了諸如蘭博基尼、奧迪R8等少部分量產車采用了原機干式油底殼系統以外，干式系統更多地見于一些汽車賽事與改裝車領域。故對于汽車改裝用的干式油泵，確定供油泵流量最直接的方法就是參照發動機原機泵的流量。

2.2 增一齒法確定齒輪參數

齒輪泵須滿足機油的流量要求是齒輪泵設計中的基本。對于標準齒輪，我們假設其齒間槽的容積等于輪齒的體積，其流量公式如下：

式中，m為齒輪模數；z為齒數；b為齒寬，一般取b=（6～10）m，過大不僅會導致軸的負荷過高，也會增加齒輪的加工難度；np為油泵轉速，一般與曲軸轉速為1∶2的關系；ηp為齒輪泵的容積效率，可取0.7～0.8，也可以取試驗值。

從公式（2-3）可得，油泵的流量qvc∝m2zb，在流量一定的情況下，m越大，齒輪外圓直徑Dr=m（z+2）便可以越小。Dr過大不僅會增加齒輪泵的體積與質量，更關鍵的是會增加齒輪輪緣速度vr。當vr過大時，因為離心力的作用，會極大影響油泵的容積效率。故為了控制Dr的尺寸，發動機外齒輪機油泵通常會選擇較大的模數m與較少的齒數z（一般取z=6～14）。因為z小于齒輪最小根切 齒數，故要做變位調整。為了計算與加工的方便，通常會采用增一齒法進行變位。所謂增一齒法，便是在齒輪實際中心距的設定中，假定齒數為（z+1），即中心距a=m（z+1），并以此中心距去做齒輪的變位調整。這一方法不僅簡化了設計過程和加工過程中對尺寸的處理，一個更重要的意義在于：與其同軸的羅茨泵傳動齒輪因此得以使用標準齒輪。

2.3 卸荷槽

卸荷槽的設計在齒輪泵設計中是一個專門的研究方向，在此不做深入的討論，如下為一種經驗公式可在卸荷槽設計中進行參考：

兩卸荷槽間距a=2.78m，半距離b=a/2（雙向齒輪泵），b=0.8m（單向齒輪泵），槽寬c＞2.5m，槽深h＞0.8m

2.4 限壓閥

因在干式油底殼系統中，機油進入油道的入口在原機限壓閥的下游，干式機油泵便需要自帶一個限壓閥來達到齒輪泵內泄壓的目的。對于潤滑系統的主油道油壓值，可大致參考如下：汽油機為0.2～0.3MPa；柴油機為0.3～0.6MPa；高速強化（增壓）發動機為0.6～0.9MPa。

還有一種確定主油道壓力值的方法是查閱相關發動機的維修手冊，其中會有對于主油道壓力值的要求。

在閥芯的選擇上，機油泵的限壓閥一般有球閥式和滑閥式兩種。相較之下，前者在開啟瞬間會有油壓驟降現象，而滑閥式則可以使油壓更為穩定。

3 回油泵的設計

3.1 流量與結構

回流泵的任務不僅是要把落至油底殼的機油抽回到油管中，還有及其重要的一點是把曲軸箱竄氣給一同排出去，使曲軸箱半真空化。半真空狀態的曲軸箱有利于運動件的減阻，進而可使發動機的功率在一定程度上得到提升。為了達到這一目的，回油泵的總流量須遠大于供油泵，通常需要達到供油泵流量的2～3倍。

羅茨泵與齒輪泵不同，兩個轉子之間并不接觸，更無法自行解決傳動問題。這樣一來便需要相應的齒輪去承擔它們的傳動。但另一方面，對材料的要求也就不高，大可以使用低密度的鋁來加工。輕量化對于會選擇干式油底殼系統并追求極限的車輛來說是極其重要的一點，所以在干式機油泵的設計中，輕量化的需求尤為關鍵。

3.2 羅茨轉子

回油泵中使用的羅茨轉子類型按葉數可分為雙葉轉子和三葉轉子；按形狀可分為直面式和螺旋式。三葉轉子相較于二葉轉子，其面積利用系數、容積效率與供油脈動都較好，但缺點是其對介質的要求較高，機油中的雜質顆粒會對其有較大的磨損；螺旋式相較于直面式的優點是較好的供油脈動，在降噪、降空化方面具有優勢，缺點在于設計難度和加工難度都比直面式大，以數控銑加工為例，螺旋式需要五軸機床而直面式僅需三軸機床便能加工。觀察歐美干式油底殼品牌近年來的研發規律可以發現，其進程也經歷了從簡單到復雜、從雙葉到三葉、從直面式到螺旋式的過程。所以對初次嘗試的設計者來說，建議采用雙葉直面式的羅茨轉子。

對于采用在多段泵的羅茨轉子，需要注意的是，因為多段泵的軸會有較大的軸徑，加之轉子的材料為鋁，所以轉子的腰部不宜過細。以圖3為例，為了保證這一點，采用了圓弧-漸開線-圓弧的轉子型線。

4 接頭與出入口

4.1 接頭

AN接頭用于軟管或是金屬硬管的連接，它源自二戰時期的美國陸軍（Army）與海軍（Navy）的軍用標準，故稱AN。如今，AN接頭已成為汽車潤滑油路與燃油供給油路改裝的行業標準，在國內常見于汽車油冷器的改裝。對于AN接頭公頭的加裝方式，有以下幾種：1.焊接接頭；2.法蘭面轉接接頭；3.公制轉AN接頭；4.美制轉AN接頭。焊接接頭出于焊接熱變形的考慮，無法在油泵上使用；法蘭面轉接接頭因為國內難以買到成品，加之自行加工的成本較高，也不予考慮。

4.2 出入口

觀察圖2的油泵可以發現，其出口的數量少于油泵的段數。干式機油泵的回油段往往采用貫通多個羅茨段的壓力腔的方式來減少回油段出口的數量。這不僅減少了回油管路的數量，達到了輕量化和降低成本的目的，還使得回油管路中油氣混合物的流速變高，這對于在機油罐中的油氣分離過程是有利的。

5 總結

對于汽車改裝，隨著人民生活水平的提高，相信在可預見的未來我們可以看到政策的開放和隨之而來的龐大的市場。在我國，對于干式油底殼系統的探索也在FSC等賽事中進行著。對于外嚙合齒輪泵和羅茨泵，其本身的技術已較為完善。故在干式機油泵的設計中，需要的便是對這些技術的整合與對發動機和干式油底殼系統較為深刻的認識。

［1］Ehsan Farkhondeh，Design of a Dry Sump Lubrication System for a Honda CBR600 F4i engine for Formula SAE applications，Massachusetts Institute of Technology，2006

［2］吳偉蔚，馬富銀.汽車發動機機油泵的綜合性能評價［J］.中國公路學報，2012，25（02）：134-142

［3］程紹桐，李子玲等.柴油機機油泵限壓閥的研究［J］.內燃機，2000（05）：23-25

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.261

吉林大學大學生創新創業訓練計劃。

崔恩勝（1994-），男，吉林延吉人，本科，吉林大學吉速車隊干式油底殼系統負責人。