極限駕駛工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼油面設(shè)計(jì)要求研究

張學(xué)文 張振培 姚博煒 劉高領(lǐng) 朱盼 甘黎明 韋錦易

摘要：關(guān)于油底殼的油面設(shè)計(jì)，除了需要保證在正常行駛工況，曲軸不會(huì)打到機(jī)油液面，還需保證在各種極限駕駛工況下，機(jī)油泵都能吸到油，不會(huì)出現(xiàn)吸空的現(xiàn)象。本文基于某款發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼油面設(shè)計(jì)過程，分析了油面設(shè)計(jì)所需要考慮的各種極限駕駛工況以及其所對(duì)應(yīng)的油面傾角的計(jì)算過程。

Abstract： Regarding the oil level design of the oil pan， in addition to ensuring that the crankshaft does not hit the oil level under normal driving conditions， it is also necessary to ensure that the oil pump can suck oil under various extreme driving conditions and there will be no suction phenomenon. Based on the oil level design process of the oil pan of a certain engine， this paper analyzes the various extreme driving conditions that need to be considered in the oil level design and the calculation process of the corresponding oil level inclination.

關(guān)鍵詞：油底殼;機(jī)油泵;油面設(shè)計(jì);油面傾角;極限工況

Key words： oil pan;oil pump;oil surface design;oil surface inclination;limit working condition

中圖分類號(hào)：U464.132 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0017-03

0 ?引言

在我們的日常駕駛工況中，由于重力以及慣性的影響，油底殼內(nèi)的機(jī)油會(huì)隨著車子的加減速、上下坡、左右轉(zhuǎn)彎等，出現(xiàn)向前、后、左、右四個(gè)方向傾斜的情況[1]。如果油底殼的設(shè)計(jì)不合理，油面傾斜的角度過大，在油底殼存油量較少時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)油面無法完全覆蓋機(jī)油泵吸油口的情況，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)油泵出現(xiàn)部分吸空或者完全吸不到油的現(xiàn)象[2，3]。此時(shí)，機(jī)油中因?yàn)槲肟諝猓瑲饬看蠓黾樱瑢?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑不足[4]，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致曲軸抱瓦，發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重交通事故。

因此在進(jìn)行油底殼油面設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)布置，整車設(shè)計(jì)狀態(tài)，對(duì)用戶在日常駕駛中可能出現(xiàn)的各種極限駕駛工況進(jìn)行充分校核、驗(yàn)證，確保在發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼存油量最少的工況下，機(jī)油泵吸油口都能被機(jī)油完全覆蓋，不會(huì)出現(xiàn)吸空和吸不到油的情況[5]。

基于該設(shè)計(jì)要求，本文以NX軟件的內(nèi)空間分析模塊，對(duì)某款發(fā)動(dòng)機(jī)的油面設(shè)計(jì)進(jìn)行了校核分析，并通過整車實(shí)測進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果與NX校核分析的結(jié)論一致。

本文分析了油底殼油面設(shè)計(jì)所應(yīng)考慮的各種極限駕駛工況，并詳細(xì)描述了各極限駕駛工況所對(duì)應(yīng)的油面傾角的計(jì)算過程，為油底殼油面設(shè)計(jì)的校核提供分析、驗(yàn)證思路。

1 ?計(jì)算各方向的最大油面傾角設(shè)計(jì)要求

1.1 油面最大后傾角度計(jì)算

油面后傾對(duì)應(yīng)的是整車急加速和爬坡工況，其中急加速工況可以按水平路面的全油門百公里加速來進(jìn)行校核，爬坡工況按整車設(shè)計(jì)的最大爬坡角度進(jìn)行校核。

1.1.1 水平路面全油門百公里加速對(duì)應(yīng)的油面后傾角度計(jì)算

采集整車在水平路面全油門百公里加速過程的速度、時(shí)間曲線，可以得到整車瞬時(shí)最大加速度a。圖1為某發(fā)動(dòng)機(jī)全油門百公里加速實(shí)測的整車瞬時(shí)加速度曲線，從圖中可知該發(fā)動(dòng)機(jī)的最大瞬時(shí)加速度約為0.58個(gè)g。

對(duì)最大加速度狀態(tài)下的機(jī)油進(jìn)行受力分析，如圖2所示。

其中G為機(jī)油的重力，F(xiàn)n是油底殼對(duì)機(jī)油的支撐力，F(xiàn)合是合力，？茲1為油面后傾角度，假設(shè)機(jī)油質(zhì)量為m，則有：

?由于全油門百公里加速的瞬時(shí)加速度會(huì)隨著坡度的增加相應(yīng)減少，所以我們?cè)诙x發(fā)動(dòng)機(jī)最大后傾角度的時(shí)候，一般只取水平路面全油門百公里加速測得的最大后傾角和最大爬坡角度對(duì)應(yīng)的后傾角兩者中較大的那個(gè)值作為設(shè)計(jì)校核要求即可，因此在這里我們選取30°作為該發(fā)動(dòng)機(jī)油面最大后傾角度的設(shè)計(jì)要求。

1.2 油面最大前傾角度計(jì)算

油面前傾對(duì)應(yīng)的是整車下坡、急減速工況，由于下坡時(shí)，整車對(duì)應(yīng)的最大制動(dòng)減速度會(huì)隨著坡度的增大而減小，所以我們一般不考慮下坡過程中的急減速工況，只需要單獨(dú)分析下坡、水平路面的急減速工況，并選兩者中較大的油面角度作為設(shè)計(jì)參考即可，其中最大下坡角度跟最大爬坡角度一致，約為19°。

急減速工況我們以整車設(shè)計(jì)的極限制動(dòng)性能作為設(shè)計(jì)參考。該款發(fā)動(dòng)機(jī)所搭載的整車制動(dòng)性能要求是速度從100km/h降至0km/h的制動(dòng)距離≤45m，根據(jù)下面公式可計(jì)算出急減速工況的最大減速度：

綜上，該發(fā)動(dòng)機(jī)油面最大前傾角度的設(shè)計(jì)要求為41°。

1.3 最大左、右傾角度計(jì)算

油面左、右傾斜分別對(duì)應(yīng)的是整車向右、向左急轉(zhuǎn)彎工況，其中最極限的轉(zhuǎn)彎工況可以通過測試不同方向盤角度下對(duì)應(yīng)的最大車速（輪胎出現(xiàn)滑移時(shí)對(duì)應(yīng)的車速，簡稱滑胎車速）進(jìn)行模擬，表1是整車實(shí)測得到的該款發(fā)動(dòng)機(jī)在不同方向盤角度下的滑胎車速以及轉(zhuǎn)彎半徑數(shù)據(jù)。

對(duì)轉(zhuǎn)彎工況油底殼中的機(jī)油進(jìn)行受力分析，如前面圖1所示，其中F合對(duì)應(yīng)機(jī)油受到的向心力，則有：

?將表1數(shù)據(jù)代入公式（7）可計(jì)算得到該發(fā)動(dòng)機(jī)最大左、右傾角度如表2。

從表2可知，該發(fā)動(dòng)機(jī)最大左、右傾角度的設(shè)計(jì)要求均約為40°。

1.4 小結(jié)

綜上可得該發(fā)動(dòng)機(jī)各方向最大油面傾角設(shè)計(jì)要求如表3。

2 ?通過NX的內(nèi)空間分析模塊進(jìn)行分析校核

2.1 分析思路

搭建發(fā)動(dòng)機(jī)油道模型，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的安裝傾角，創(chuàng)建油面各方向最大傾角對(duì)應(yīng)的平面，再逐一分析在油底殼存油量最少條件下，機(jī)油按各個(gè)方向最大傾角傾斜后，油面能否都能完全覆蓋機(jī)油泵吸油口。

2.1.1 搭建發(fā)動(dòng)機(jī)油道分析模型

為了簡化分析，我們選取油面傾斜后可能接觸到的油道部分進(jìn)行建模即可，該發(fā)動(dòng)機(jī)油道分析模型如圖3所示。

2.1.2 計(jì)算油底殼最小存油量

我們?cè)诜治鰰r(shí)輸入的最小存油量等于油底殼靜態(tài)最小存油量減去發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)流量，如下面公式（8）所示：

Qmin=Q1-Q2（8）

式中Q1為油底殼靜態(tài)最小存油量，即發(fā)動(dòng)機(jī)熄火狀態(tài)下，機(jī)油液面處于機(jī)油尺下刻度時(shí)，油底殼中的機(jī)油量;Q2為動(dòng)態(tài)流量，即發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，運(yùn)行在油道、缸體、缸蓋等零件壁面上未能及時(shí)回流到油底殼的機(jī)油量，其可通過以下方式進(jìn)行測試預(yù)估，步驟如下：

①先通過放油螺栓把機(jī)油面調(diào)整到機(jī)油尺下刻度;

②啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，待發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定后，拔出機(jī)油尺，用直尺記錄油面下降的距離L;

③通過NX的內(nèi)空間分析模塊，模擬出Q1對(duì)應(yīng)的機(jī)油液面，再在此基礎(chǔ)上模擬出油位下降L后對(duì)應(yīng)的油量即為Q2。

通過上述方法，可計(jì)算得到該發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的最小存油量Qmin約為1.9L。

2.2 分析結(jié)果

以1.9L的最小存油量以及表3作為輸入，分析得到該發(fā)動(dòng)機(jī)目前的油面設(shè)計(jì)狀態(tài)如表4。

從分析結(jié)果我們可以看到，該發(fā)動(dòng)機(jī)在油面左傾，對(duì)應(yīng)右急轉(zhuǎn)彎工況時(shí)，最大油面不能滿足油泵的吸油要求，有吸不到油的風(fēng)險(xiǎn)。通過不斷調(diào)整分析模型的油面傾角，我們分析得到右急轉(zhuǎn)彎工況油泵吸油口剛好能被完全覆蓋的油面傾角最大只有24°。

3 ?對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行整車驗(yàn)證

為了驗(yàn)證前面的分析思路和結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們選取了油面左傾，也就是右急轉(zhuǎn)彎工況的分析結(jié)果進(jìn)行整車驗(yàn)證。

3.1 驗(yàn)證思路

①將整車的機(jī)油液面調(diào)整至油底殼下刻度。

②將方向盤打滿，車速逐漸增加，在這過程中通過電腦讀取發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力數(shù)據(jù)，直至從電腦上觀察到實(shí)際油壓明顯偏離目標(biāo)油壓，占空比急劇減小的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的車速即為右急轉(zhuǎn)彎工況油泵開始出現(xiàn)部分吸空的車速。

③根據(jù)表1我們可以知道方向盤打滿時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑為5.85m，再根據(jù)公式（6）、公式（7）即可算出整車實(shí)測時(shí)油泵出現(xiàn)吸空瞬間對(duì)應(yīng)的油面傾角。

④將整車實(shí)測得到的油泵出現(xiàn)吸空的油面傾角與NX分析得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，若兩者一致或接近，則可說明我們?cè)谇拔乃U述的分析思路和分析結(jié)果是準(zhǔn)確的。

3.2 驗(yàn)證數(shù)據(jù)

圖4是整車實(shí)測的油壓以及占空比隨車速變化的曲線，可以看到在黑色虛線框處開始出現(xiàn)油壓明顯偏離目標(biāo)油壓，占空比急劇下，此時(shí)對(duì)應(yīng)的車速是18km/h。

3.3 驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)公式（6）、公式（7），我們可以算出整車實(shí)測得到的油泵開始出現(xiàn)吸空時(shí)對(duì)應(yīng)的油面傾角？茲5為：

?該結(jié)果與前面NX分析得到的結(jié)果24°基本一致，由此說明前文的分析思路和結(jié)果是準(zhǔn)確的。

4 ?總結(jié)

通過理論計(jì)算，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行油面設(shè)計(jì)時(shí)所需要考慮的各種極限駕駛工況，并研究了各極限駕駛工況油面設(shè)計(jì)要求的計(jì)算思路和過程，為發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼的油面設(shè)計(jì)提供了一種分析、驗(yàn)證的思路，具有一定的參考價(jià)值。

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