極限駕駛工況下的發動機油底殼油面設計要求研究

張學文 張振培 姚博煒 劉高領 朱盼 甘黎明 韋錦易

摘要：關于油底殼的油面設計，除了需要保證在正常行駛工況，曲軸不會打到機油液面，還需保證在各種極限駕駛工況下，機油泵都能吸到油，不會出現吸空的現象。本文基于某款發動機的油底殼油面設計過程，分析了油面設計所需要考慮的各種極限駕駛工況以及其所對應的油面傾角的計算過程。

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.

關鍵詞：油底殼;機油泵;油面設計;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：U464.132 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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，油底殼內的機油會隨著車子的加減速、上下坡、左右轉彎等，出現向前、后、左、右四個方向傾斜的情況[1]。如果油底殼的設計不合理，油面傾斜的角度過大，在油底殼存油量較少時可能會出現油面無法完全覆蓋機油泵吸油口的情況，進而導致機油泵出現部分吸空或者完全吸不到油的現象[2，3]。此時，機油中因為吸入空氣，含氣量大幅增加，導致發動機潤滑不足[4]，嚴重的會導致曲軸抱瓦，發動機損壞，進而引發嚴重交通事故。

因此在進行油底殼油面設計時，要結合發動機布置，整車設計狀態，對用戶在日常駕駛中可能出現的各種極限駕駛工況進行充分校核、驗證，確保在發動機油底殼存油量最少的工況下，機油泵吸油口都能被機油完全覆蓋，不會出現吸空和吸不到油的情況[5]。

基于該設計要求，本文以NX軟件的內空間分析模塊，對某款發動機的油面設計進行了校核分析，并通過整車實測進行對比驗證，結果與NX校核分析的結論一致。

本文分析了油底殼油面設計所應考慮的各種極限駕駛工況，并詳細描述了各極限駕駛工況所對應的油面傾角的計算過程，為油底殼油面設計的校核提供分析、驗證思路。

1 ?計算各方向的最大油面傾角設計要求

1.1 油面最大后傾角度計算

油面后傾對應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行校核，爬坡工況按整車設計的最大爬坡角度進行校核。

1.1.1 水平路面全油門百公里加速對應的油面后傾角度計算

采集整車在水平路面全油門百公里加速過程的速度、時間曲線，可以得到整車瞬時最大加速度a。圖1為某發動機全油門百公里加速實測的整車瞬時加速度曲線，從圖中可知該發動機的最大瞬時加速度約為0.58個g。

對最大加速度狀態下的機油進行受力分析，如圖2所示。

其中G為機油的重力，Fn是油底殼對機油的支撐力，F合是合力，？茲1為油面后傾角度，假設機油質量為m，則有：

?由于全油門百公里加速的瞬時加速度會隨著坡度的增加相應減少，所以我們在定義發動機最大后傾角度的時候，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應的后傾角兩者中較大的那個值作為設計校核要求即可，因此在這里我們選取30°作為該發動機油面最大后傾角度的設計要求。

1.2 油面最大前傾角度計算

油面前傾對應的是整車下坡、急減速工況，由于下坡時，整車對應的最大制動減速度會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計參考即可，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計的極限制動性能作為設計參考。該款發動機所搭載的整車制動性能要求是速度從100km/h降至0km/h的制動距離≤45m，根據下面公式可計算出急減速工況的最大減速度：

綜上，該發動機油面最大前傾角度的設計要求為41°。

1.3 最大左、右傾角度計算

油面左、右傾斜分別對應的是整車向右、向左急轉彎工況，其中最極限的轉彎工況可以通過測試不同方向盤角度下對應的最大車速（輪胎出現滑移時對應的車速，簡稱滑胎車速）進行模擬，表1是整車實測得到的該款發動機在不同方向盤角度下的滑胎車速以及轉彎半徑數據。

對轉彎工況油底殼中的機油進行受力分析，如前面圖1所示，其中F合對應機油受到的向心力，則有：

?將表1數據代入公式（7）可計算得到該發動機最大左、右傾角度如表2。

從表2可知，該發動機最大左、右傾角度的設計要求均約為40°。

1.4 小結

綜上可得該發動機各方向最大油面傾角設計要求如表3。

2 ?通過NX的內空間分析模塊進行分析校核

2.1 分析思路

搭建發動機油道模型，根據發動機在整車上的安裝傾角，創建油面各方向最大傾角對應的平面，再逐一分析在油底殼存油量最少條件下，機油按各個方向最大傾角傾斜后，油面能否都能完全覆蓋機油泵吸油口。

2.1.1 搭建發動機油道分析模型

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行建模即可，該發動機油道分析模型如圖3所示。

2.1.2 計算油底殼最小存油量

我們在分析時輸入的最小存油量等于油底殼靜態最小存油量減去發動機工作時的動態流量，如下面公式（8）所示：

Qmin=Q1-Q2（8）

式中Q1為油底殼靜態最小存油量，即發動機熄火狀態下，機油液面處于機油尺下刻度時，油底殼中的機油量;Q2為動態流量，即發動機工作時，運行在油道、缸體、缸蓋等零件壁面上未能及時回流到油底殼的機油量，其可通過以下方式進行測試預估，步驟如下：

①先通過放油螺栓把機油面調整到機油尺下刻度;

②啟動發動機，待發動機怠速穩定后，拔出機油尺，用直尺記錄油面下降的距離L;

③通過NX的內空間分析模塊，模擬出Q1對應的機油液面，再在此基礎上模擬出油位下降L后對應的油量即為Q2。

通過上述方法，可計算得到該發動機對應的最小存油量Qmin約為1.9L。

2.2 分析結果

以1.9L的最小存油量以及表3作為輸入，分析得到該發動機目前的油面設計狀態如表4。

從分析結果我們可以看到，該發動機在油面左傾，對應右急轉彎工況時，最大油面不能滿足油泵的吸油要求，有吸不到油的風險。通過不斷調整分析模型的油面傾角，我們分析得到右急轉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 ?對分析結果進行整車驗證

為了驗證前面的分析思路和結果的準確性，我們選取了油面左傾，也就是右急轉彎工況的分析結果進行整車驗證。

3.1 驗證思路

①將整車的機油液面調整至油底殼下刻度。

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動機的機油壓力數據，直至從電腦上觀察到實際油壓明顯偏離目標油壓，占空比急劇減小的時候，對應的車速即為右急轉彎工況油泵開始出現部分吸空的車速。

③根據表1我們可以知道方向盤打滿時，對應的轉彎半徑為5.85m，再根據公式（6）、公式（7）即可算出整車實測時油泵出現吸空瞬間對應的油面傾角。

④將整車實測得到的油泵出現吸空的油面傾角與NX分析得到的結果進行對比，若兩者一致或接近，則可說明我們在前文所闡述的分析思路和分析結果是準確的。

3.2 驗證數據

圖4是整車實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油壓明顯偏離目標油壓，占空比急劇下，此時對應的車速是18km/h。

3.3 驗證結果

根據公式（6）、公式（7），我們可以算出整車實測得到的油泵開始出現吸空時對應的油面傾角？茲5為：

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

4 ?總結

通過理論計算，分析了發動機進行油面設計時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計要求的計算思路和過程，為發動機油底殼的油面設計提供了一種分析、驗證的思路，具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]段昭.某車用發動機潤滑系統油位校核與驗證[J].汽車與新動力，2021：2-3.

[2]倪偉.發動機油底殼的設計探討[J].內燃機與動力裝置，2012（2）：52-53.

[3]姬小明.發動機潤滑系統設計新方法及應用[D].吉林大學，2006：24-27.

[4]曹旭，崔毅，鄧康耀.汽油機潤滑系統計算分析[J].車用發動機，2007（6）：23-26.

[5]汪德濤.潤滑技術手冊[M].機械工業出版社，1998：18-24.