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)動機油底殼設(shè)計方法及應(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)動機已成迅猛之勢發(fā)展，發(fā)動機新技術(shù)新材料也越來越受歡迎。發(fā)動機油底殼設(shè)計也要求更加精準化和細致化。高度集成的塑料油底殼設(shè)計已經(jīng)成熟，亟待逐漸取代傳統(tǒng)沖壓油底殼和壓鑄鋁油底殼，這對降低燃油耗、CO2排放，以及降低發(fā)動機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驗證

0　前言

上漲的原油價格和公眾生態(tài)壓力不斷提高對現(xiàn)代車輛燃油耗和排放要求,發(fā)動機各零部件設(shè)計面臨著巨大挑戰(zhàn)和機遇。油底殼是發(fā)動機潤滑系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，位于曲軸箱下部封閉曲軸箱，并收集儲存發(fā)動機各運動表面機油，散失部分熱量，防止?jié)櫥脱趸Ｓ偷讱?nèi)部裝有擋油板，以避免發(fā)動機顛簸時造成的油面震蕩激濺導致機油乳化，還有利于潤滑油雜質(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)動機外部，工作條件比較苛刻，除滿足發(fā)動機結(jié)構(gòu)和功能需求外，受冷熱交變沖擊嚴重，還會遇到路面狀況的嚴峻考驗。

1　設(shè)計方法

1.1邊界條件設(shè)計

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

油底殼設(shè)計前提條件需要根據(jù)發(fā)動機結(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)部機油泵的安裝驅(qū)動和集濾器吸油口布置位置等。目前，應(yīng)用越來越廣泛的油底殼內(nèi)置平衡系統(tǒng)安裝驅(qū)動和機油溫度液面?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。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，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-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導致材料塑性變形不均勻，往往使某些部位剛性較差。對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候，密封表面由于硅膠粘結(jié)強度高，容易發(fā)生暴力拆卸，導致發(fā)生密封面不平整的問題，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性和良好的耐化學腐蝕性，耐高、低溫性能，持續(xù)使用溫度在-40℃～ 150℃之間，瞬時高溫可達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)計自由度高、樣件制作速度快，以及NVH性能優(yōu)良的特點。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油的功能外集成了密封圈、機油集濾器、機油分配管路、機油濾清器安裝支座和非解耦組合式襯套螺栓等結(jié)構(gòu)。集成的機油管路與縮短機油路程、降低壓降的措施相結(jié)合，可進一步降低能量損失。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結(jié)構(gòu)，如空調(diào)壓縮機安裝支座等。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估

對于早先提到的塑料油底殼耐久性、隔熱和支撐強度的問題已經(jīng)逐漸解決。耐久問題可以選用高性能的尼龍加玻纖材料來解決，需要發(fā)動機廠、零部件廠和原材料廠之間配合溝通，對原材料材質(zhì)和性能加強驗證。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時熱輻射的影響。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)有加強筋，內(nèi)部筋或集成結(jié)構(gòu)可增加油底殼剛度，對發(fā)動機底部噪聲和振動目標有積極作用。在汽車行駛方向，前保險杠投影仰視和俯視20°范圍內(nèi)，油底殼外部特設(shè)防撞筋可在沒有發(fā)動機底部護板額外保護的情況下，在遭遇路石撞擊時吸收石塊撞擊能量，保護油底殼本體免受沖擊破裂。出于聲學和流體力學的考慮，絕大多數(shù)整車廠都安裝了發(fā)動機底部護板，這樣原先石塊沖擊的問題也迎刃而解。

1.3油底殼儲油量和容積計算

油底殼儲油量是潤滑系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)之一，油底殼合理的儲油容積對完成發(fā)動機潤滑、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，儲油量必須滿足發(fā)動機換油周期用油，而且滿足發(fā)動機任意極限傾角和車輛加減速時吸油盤均覆蓋在最小機油量形成的機油“金字塔”內(nèi)。以熱力學和流體力學原理為依據(jù)給出潤滑系統(tǒng)循環(huán)油量計算公式，經(jīng)行車實驗驗證是可行的，為新設(shè)計機型機油循環(huán)量提供了參考。

對于機油冷卻活塞的現(xiàn)代內(nèi)燃機，熱力學計算方法循環(huán)油量Vc根據(jù)發(fā)動機機油散熱量Qc來確定：

Qc=(620～860)Ne(kJ/h)

(1)

式中，Ne為內(nèi)燃機功率(kW)。

則內(nèi)燃機需要的循環(huán)油量Vc：

(2)

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

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

Vp=KVc(L/h)

(3)

式中，K為儲備系數(shù)，一般取K=2～3。

為確保發(fā)動機在熱機狀態(tài)低速運轉(zhuǎn)時滿足所需機油壓力，根據(jù)流體力學基本原理，發(fā)動機各運動間隙漏掉的機油量總和應(yīng)小于或等于發(fā)動機循環(huán)油量，以確定實際循環(huán)油量。由于發(fā)動機各旋轉(zhuǎn)潤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)過程中，環(huán)形縫隙往往偏心的，如圖2流量計算模型所示。期間，機油泄漏量可按流體力學中的偏心環(huán)形縫隙的流量公式(4)計算。

(4)

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

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

依據(jù)發(fā)動機潤滑油路循環(huán)可知，上述間隙漏掉的油量總和就是理論循環(huán)機油量。所有發(fā)動機的總泄油量為：

Q=Q1+Q2+…+Qn

(5)

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

根據(jù)經(jīng)驗，油底殼儲油量計算可遵循以下2個原則：(1) 小排量發(fā)動機油底殼內(nèi)機油流經(jīng)機油泵的循環(huán)次數(shù)，即循環(huán)率小于9次/min，排量越大此數(shù)值可略減小；(2) 2.0～2.5倍發(fā)動機排量容積。往油底殼內(nèi)添加機油偶爾會發(fā)生誤操作，如加機油量過多時的機油(即過加油量)，機油液面與曲軸箱內(nèi)旋轉(zhuǎn)運動件間，主要是指曲柄連桿形成的包絡(luò)，要預留安全間隙，避免在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時因攪油而加速機油乳化和增加旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動阻力而造成的動力損失。

1.4靜態(tài)和動態(tài)油面檢查

油底殼靜態(tài)油面檢查是為標識出整車狀態(tài)下發(fā)動機運行停機靜置一段時間后正常加機油量范圍，最大和最小加油量液面位置分別對應(yīng)油底殼內(nèi)機油標尺上、下刻度線。對于中小型發(fā)動機，油底殼儲油量計算值設(shè)定為機油尺下刻度線位置，上、下刻度間油量波動為1L。這是在發(fā)動機機油換油周期內(nèi)，考慮機油損耗而設(shè)定的。動態(tài)機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)動機最大傾角和車輛加減速(一般設(shè)定0.8g和-0.8g加速度)時，始終保持機油集濾器口位于機油液面傾斜形成的最小油錐體內(nèi)，也就是確保機油濾清器在發(fā)動機任何極限狀況下都能吸到機油，以保證發(fā)動機各運動表面的油壓和潤滑。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導致硬墊片密封不嚴。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)勢又避免橡膠被壓跑而不易固定的缺點，適用于全彈性材料密封比較苛刻的場合，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。類似O型圈密封，多用于密封面開槽的塑料油底殼。墊片夾持在油底殼密封凹槽里，當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型斷面的聲學解耦密封條外，也可使用I型斷面密封條，在需要加強密封的T型連接區(qū)域采用華夫餅墊結(jié)構(gòu)密封。彈性密封可適當減少油底殼安裝螺栓數(shù)量，而且有利于降低振動和輻射噪聲耦合效果?，F(xiàn)在應(yīng)用越來越多的是液態(tài)硅樹脂密封，具有適應(yīng)性強，現(xiàn)場成型、密封可靠和成本低等優(yōu)點。硅膠密封在機械制造業(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，以保證重力作用下機油無殘留，當然采用抽油方式換機油的發(fā)動機另當別論。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。傳統(tǒng)磁性放油螺塞可吸附機油從發(fā)動機內(nèi)部攜帶下來的金屬碎屑，防止機油循環(huán)再次進入潤滑表面。輕量化的發(fā)動機采用鑄鋁缸體和氣缸蓋，具有嚴苛的清潔度要求，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)計有效性分析與試驗驗證

油底殼完成功能性結(jié)構(gòu)設(shè)計后，可利用有限元軟件進行結(jié)構(gòu)分析，密封性、耐路石撞擊分析，振動和聲學分析，流體力學優(yōu)化和模流分析等。機油循環(huán)計算流體力學(CFD)數(shù)值模擬方法，可解決一類無理論解的問題，尤其對集成機油管路和潤滑系統(tǒng)的塑料油底殼設(shè)計初期求出壓力損失，以確定最有利的機油流動路線，降低能量損失。模流分析技術(shù)可改進澆注系統(tǒng)設(shè)計，降低產(chǎn)品缺陷，提高產(chǎn)品合格率。通過油底殼噪聲模擬分析，可采取局部加筋和對薄弱底部形狀上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高NVH性能。設(shè)計優(yōu)化后的油底殼模型進行樣件試制后，還需進行密封性試驗、耐冷熱沖擊試驗、鹽霧實驗、承壓試驗、路石撞擊試驗和耐久性能試驗等。對國內(nèi)某發(fā)動機塑料油底殼的測試應(yīng)用表明，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的塑料油底殼與金屬油底殼相比，噪聲等級可在一定程度上降低0.5～2.0dB(A)，噪聲結(jié)果會因測試位置不同存在差異。國外供應(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。塑料油底殼以較大的優(yōu)勢在現(xiàn)代商用車和轎車發(fā)動機上應(yīng)用越來越廣泛。

3　結(jié)論

油底殼設(shè)計除滿足密封曲軸箱和儲油功能外，還需滿足發(fā)動機輕量化、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)用越來越迫切，降低設(shè)計研發(fā)和生產(chǎn)成本，設(shè)計精準的油底殼才能滿足市場發(fā)展。調(diào)研和試驗證明，塑料油底殼在NVH性能、高度集成功能，以及降低油耗和CO2排放方面具有絕對優(yōu)勢，在國內(nèi)發(fā)動機和變速箱上的應(yīng)用也亟待拓展。

[1]JessbergerT，RitterS，TeschnerM.轎車發(fā)動機的塑料油底殼 [J].國外內(nèi)燃機，2010，42(5)：43-45.

[2] 尹立雪.發(fā)動機塑料油底殼的實際應(yīng)用探討 [J].山東工業(yè)技術(shù)，2015，18 ：216-216.

[3] 江梅，王清國，李菁華，等.CA6DL發(fā)動機用SMC油底殼的研制 [J].汽車工藝與材料，2007，1:51-55.

[4] 張宗成，楊景玲，張燕，等.發(fā)動機油底殼的噪聲分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 [J].噪聲與振動控制，2013，33(6)：115-119.

[5] 安肇勇，黃志垣，萬里.油底殼壓鑄成形的缺陷分析及對策[C].特種鑄造及有色合金，2012：250-253.

[6] 張志香，高經(jīng)武，蘇鐵熊，等.468Q汽油機潤滑系統(tǒng)循環(huán)油量的計算及試驗研究 [J].潤滑與密封，2010，35(4)：112-115.

[7] 陸敏恂，李萬莉.流體力學與液壓傳動 [M].同濟大學出版社，上海，2006.

[8] 萬欣，林大淵.內(nèi)燃機設(shè)計 [M].天津大學出版社，天津，1989.