李宇翔 鐘玉華 邱詠怡

摘要：本文對小型賽車發(fā)動機干式油底殼潤滑系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，內(nèi)容包括干式油底殼外形設(shè)計，機油罐結(jié)構(gòu)設(shè)計和油氣分離形式，干式機油泵的選型及各零件之間油管和AN接頭的選擇和布置。通過對賽車發(fā)動機干式油底殼潤滑系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，降低發(fā)動機安裝高度，保證發(fā)動機極限工況的潤滑效果，進而優(yōu)化整車重心分配，提高賽車操控性。

Abstract： This paper optimizes the design of dry sump lubrication system for small racing engines， including dry sump shape design， oil tank structure design and oil and gas separation form， dry oil pump selection and selection and arrangement of tubing and AN joints between parts. Through the optimized design of the racing engine dry sump lubrication system， the engine installation height is reduced， the lubrication effect of the engine limit working condition is ensured， and the center of gravity distribution of the vehicle is optimized to improve the handling of the car.

關(guān)鍵詞：干式油底殼;油氣分離;潤滑系統(tǒng)

Key words： dry oil sump;oil and gas separation;lubrication system

中圖分類號：U464.137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）08-0128-05

0 ?引言

潤滑系統(tǒng)又是發(fā)動機動力系統(tǒng)重要的組成部分，其主要功能是：在發(fā)動機工作時，將足量、溫度適宜、潔凈無雜質(zhì)的的機油送至發(fā)動機內(nèi)部各個零件的摩擦表面，在其表面形成一層薄薄的油膜，從而實現(xiàn)液體摩擦，降低摩擦阻力，減少發(fā)動機功率消耗，降低零件的磨損。同時，在保證良好潤滑效果的同時，機油還能對各零件進行冷卻散熱和碎屑清潔，進一步提高發(fā)動機工作的耐久性和可靠性。

1 ?現(xiàn)有潤滑技術(shù)在小型賽車的不足及解決方案

小型賽車幾乎都采用了摩托車發(fā)動機。摩托車在轉(zhuǎn)向時一般會有壓彎動作，機油依舊能在各力之間找到平衡，液面變化不大，集濾器依舊能吸到機油，所以原車濕式油底殼能保證發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。但當其安裝在小型賽車后，其劣勢主要有：

①由于原車濕式油底殼高度過高，安全結(jié)構(gòu)規(guī)則[1]限制潤滑系統(tǒng)不能低于車架最低包絡(luò)面，同時位于發(fā)動機上部的進氣系統(tǒng)也不得超出車架包絡(luò)面以外。如果直接將原機的濕式油底殼安裝在發(fā)動機上，發(fā)動機的安裝位置會大幅度抬高，勢必會影響到發(fā)動機其他系統(tǒng)的布置安全和合理性。同時過高的動力系統(tǒng)安裝位置也與賽車低重心的理念相悖，不利于賽車動態(tài)表現(xiàn)。

②小型賽車在賽道上行駛時，隨著賽車技術(shù)不斷發(fā)展，其性能表現(xiàn)也越來越極端。各方向的加速度會直接作用在機油上，沒有了原本摩托車的壓彎動作，機油的液面將產(chǎn)生較大晃動，會出現(xiàn)集濾器抽不到機油，潤滑系統(tǒng)工作暫時失效的情況。

為了解決以上兩個問題，不少車隊使用自制濕式油底殼來降低發(fā)動機安裝高度，在油底殼內(nèi)部增加阻浪結(jié)構(gòu)來減少機油液面波動。但受限于發(fā)動機曲軸箱輪廓，機油液面依舊會有較大波動，發(fā)動機潤滑系統(tǒng)依舊有工作失效的危險。原機潤滑系統(tǒng)機油的主要儲存位置是濕式油底殼，而干式油底殼潤滑系統(tǒng)機油主要儲存在機油罐內(nèi)，干式油底殼只存有少量機油。機油罐設(shè)計比較自由，不必受限于發(fā)動機曲軸箱的輪廓，能夠設(shè)計更優(yōu)秀的阻浪結(jié)構(gòu)，機油能夠穩(wěn)定地輸送至機油泵將其加壓，保證潤滑系統(tǒng)的正常工作。

小型賽車的特點有：小型輕量化、靈活性高、操控性好、動力性能優(yōu)異等。干式油底殼潤滑系統(tǒng)的優(yōu)點有[2]：

①防止機油液面產(chǎn)生較大波動，保證發(fā)動機潤滑系統(tǒng)在極端工況下的正常工作;

②減少發(fā)動機曲軸箱內(nèi)部的高溫氣體對機油的影響，防止?jié)櫥土踊冑|(zhì)，延長其使用期限;

③大幅縮小油底殼容積，降低發(fā)動機結(jié)構(gòu)高度，利于降低發(fā)動機安裝高度，從而降低整車重心，提升車輛操控性;

④減少了發(fā)動機曲軸的飛濺，同時機油泵不斷將曲軸箱內(nèi)的空氣和機油一同抽出，使曲軸箱內(nèi)部保持負壓，減少了工作阻力，提高發(fā)動機效率和功率。

⑤系統(tǒng)的布置較為靈活，理論上可以將機油罐布置在車輛的任何地方，利于整車配重。

干式油底殼潤滑系統(tǒng)的缺點有：需要增加額外的機油泵和儲存機油的機油罐，機構(gòu)較為復(fù)雜，增加了重量，提高了制造成本。

綜合來看，干式油底殼潤滑系統(tǒng)在小型賽車上依舊是非常值得使用的，主要的適配性工作有：

①減輕整套干式油底殼潤滑系統(tǒng)的重量，保證小型賽車的輕量化;

②機油泵會將曲軸箱內(nèi)部的空氣和機油一同抽出，期間機油容易和空氣混合，使機油泡沫化，故需要設(shè)計一些結(jié)構(gòu)如油氣分離和液面聯(lián)通結(jié)構(gòu)來保證潤滑系統(tǒng)功能;

③干式油底殼潤滑系統(tǒng)的布置應(yīng)結(jié)合小型賽車的結(jié)構(gòu)及安全規(guī)則，優(yōu)化賽車重心，提高賽車操控性。

2 ?干式油底殼潤滑系統(tǒng)設(shè)計

干式油底殼潤滑系統(tǒng)設(shè)計流程大致是：選擇干式油底殼潤滑系統(tǒng)內(nèi)外油路的兩種連接方式——選擇干式機油泵——設(shè)計油柄——設(shè)計干式油底殼——設(shè)計油氣分離機油罐——潤滑外油路布置。

2.1 干式油底殼潤滑系統(tǒng)內(nèi)外油路連接方式的確定

本文使用本田CBR600摩托車發(fā)動機為例進行小型賽車干式油底殼潤滑系統(tǒng)的適配性設(shè)計。原發(fā)動機潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。

圖中，發(fā)動機潤滑系統(tǒng)機油經(jīng)過各零件的順序為：濕式油底殼——集濾器——機油泵——泄壓閥——機油濾清器——機油冷卻器——主油路——各潤滑油路——回落至濕式油底殼。

干式油底殼潤滑系統(tǒng)會額外使用一個干式機油泵，一般安裝在發(fā)動機原機機械水泵的位置，所以干式油底殼潤滑系統(tǒng)會分為內(nèi)油路和外油路。對于CBR600發(fā)動機，內(nèi)外油路連接方法主要有兩種：①通過機油濾清器;②通過原機機油泵?？紤]到密封效果及改造復(fù)雜程度。故選擇通過機油濾清器來連接發(fā)動機內(nèi)外潤滑油路。

2.2 干式機油泵的選擇

干式油底殼存儲機油量較少，原車機油泵無法直接將機油抽入加壓，需要使用與干式油底殼潤滑系統(tǒng)匹配的機油泵。DAILEY ENGINEERING公司有適合各類小型賽車發(fā)動機的干式機油泵可供選擇，而且方案較為成熟，穩(wěn)定性高，成本相對較低，適合我們對干式油底殼潤滑系統(tǒng)進行進一步研究。CBR600發(fā)動機常用機油泵型號04-99-2295-2，圖紙如圖5所示。

2.3 油柄設(shè)計

油柄是連接外置油管和發(fā)動機內(nèi)部油路的轉(zhuǎn)接器，安裝在原車機油濾清器與發(fā)動機的連接處。油柄入口選用AN8接頭，在保證安裝接頭方便的同時減輕油柄質(zhì)量，采用可焊接鋁可滿足要求。油柄建模如圖6所示。

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2.4 干式油底殼設(shè)計

干式油底殼設(shè)計要求主要有：

①與發(fā)動機準確安裝，密封性良好，對于小型賽車而言可使用可焊接鋁。

②干式油底殼有2個出油口，考慮到賽車行駛時大部分時間都在加速，機油向后聚集，且為了讓機油均勻地進入2個出油口，出油口應(yīng)布置為一左一右較為合適。

③機油能自然回流到2個出油口，油底殼的形狀最好能向出油口傾斜。

考慮到干式油底殼需要與發(fā)動機準確安裝，其輪廓需要與曲軸箱的底面輪廓相合。但發(fā)動機體積龐大且重量較大，且其過程相當繁瑣，所以對原裝油底殼輪廓進行三維逆向掃描，并將掃描結(jié)果導(dǎo)入三維軟件，如圖7所示。

干式油底殼不是主要儲存機油的位置，所以可以做的盡可能薄且輕，從而達到賽車輕量化的目的。干式機油泵中的掃氣泵接頭為AN10，因此油底殼高度為接頭孔直徑加兩個壁厚，為27.26mm。出油口布置在一左一右并避開螺栓孔的安裝位置，按照發(fā)動機底部輪廓平均兩個出油口機油儲存的容積。為防止機油沖刷下來的碎屑損壞機油泵轉(zhuǎn)子，油底殼出油口前做一個臺階，并做一段平面承接機油減緩其流速，使碎屑沉積在出油口前，方便清理。最終確定側(cè)面形狀為梯形，最終建模及外觀參數(shù)如圖8所示。

2.5 機油罐設(shè)計

由于干式油底殼潤滑系統(tǒng)工作時，機油泵會把機油和空氣一同抽入再泵入機油罐內(nèi)，此時部分空氣會溶入機油當中，若不加分離會降低機油品質(zhì)，所以機油罐需要有油氣分離的功能。和干式油底殼相比，機油罐能在更為極限的狀況下穩(wěn)住機油液面，不會出現(xiàn)斷油現(xiàn)象，所以機油罐要求在賽事能達到的最大加速度時液面依舊高于出油口。為防止部分異物損害機油泵，出油口附近設(shè)置結(jié)構(gòu)以阻擋其進入。

2.5.1 機油罐油氣分離設(shè)計

油氣分離形式[3]有慣性分離，纖維過濾分離，旋流分離等。

氣液慣性分離應(yīng)用氣流急速轉(zhuǎn)向使氣液運動軌跡不同而分離，但其對于較小的液滴分離效果較差，且要求較高的入口流體速度才能達到較好效果，將這種分離方式作為機油罐入口與壁面的初分離可有效去除較大液滴。

過濾分離通過過濾介質(zhì)將氣體中的液滴分離出來，介質(zhì)主要用金屬絲網(wǎng)和玻璃纖維，適用于較小流速時的分離，可布置在機油罐頂部溢流口處有效分離小液滴。

氣液離心分離利用流體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力來分離氣流中的液滴，它有分離時間短，設(shè)備體積小等優(yōu)勢，十分適合完成機油罐的油氣分離功能，故選擇管柱式氣液旋流分離器（GLCC）[4]為主要分離形式。

按照賽車在直線加速5秒內(nèi)發(fā)動機的高轉(zhuǎn)速機油循環(huán)量，取機油罐容積3.4L。考慮輕量化和加工成本，選擇鋁作為機油罐加工材料。入口管和出口管均為干式機油泵同規(guī)格油管接頭AN10，采用PU透明管作為視油管方便觀察機油加注量和潤滑系統(tǒng)運行情況。

入口管向下傾斜能大幅改善氣液分離效果，最佳傾斜角為-27度[5]。將機油罐分為內(nèi)外兩腔，內(nèi)腔為管柱式氣液旋流分離器，外腔為機油主儲存位置。機油罐三維建模如圖9所示。

2.5.2 機油罐晃動分析

將機油填充至機油罐標準工作高度，至外腔高度一半（約1.7升），按照賽車的三種主要運行情況進行模擬：

①圓形繞環(huán)受到1G的側(cè)向加速度持續(xù)5秒;

②全力剎車受到2G的縱向加速度持續(xù)2秒;

③全力出彎加速同時加速和轉(zhuǎn)彎時受到2.5個G的加速度合力持續(xù)3秒。

晃動分析結(jié)果如圖10，可見設(shè)計的機油罐能夠滿足要求。

2.6 干式油底殼潤滑系統(tǒng)布置

小型賽車干式油底殼潤滑系統(tǒng)機油流動順序是：干式油底殼——干式三階機油泵的二階羅茨泵——機油罐——干式三階機油泵的轉(zhuǎn)子泵——油柄——機油濾清器——機油冷卻器——主油路——各潤滑油路——回落至干式油底殼。

按照該順序連接管路，干式油底殼潤滑系統(tǒng)布置裝配三維圖如圖11所示。

3 ?結(jié)束語

本文對小型賽車進行了干式油底殼潤滑系統(tǒng)的適配工作，充分發(fā)揮干式油底殼潤滑系統(tǒng)優(yōu)勢的同時，也將其在小型賽車上的劣勢做到最低。該系統(tǒng)保證了發(fā)動機在極端工況下的正常工作，能夠快速進行機油油氣分離，減輕各零件重量，降低系統(tǒng)制造成本，實現(xiàn)賽車輕量化，降低賽車重心，并提高發(fā)動機功率。

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