FSAE赛车发动机干式油底壳设计

张春花，禤锐康，张文雅，余焯琳

（华南理工大学广州学院，广东 广州 510800）

FSAE赛车发动机干式油底壳设计

张春花，禤锐康，张文雅，余焯琳

（华南理工大学广州学院，广东 广州 510800）

该文对参加2014中国大学生方程式汽车大赛的赛车发动机油底壳进行优化设计，包括油底壳的类型确定，油底壳、机油罐以及油饼的实体建模，以及油管、接头、机油泵的布置与连接设计。通过对赛车发动机油底壳的优化设计，大大减低了发动机的重心，改善了发动机的润滑，提高了赛车的稳定性。

干式油底壳；FSAE；发动机

CLC NO.: U464.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-71-03

引言

FSAE(Formula SAE)大学生方程式系列赛事是由美国汽车工程师协会主办，目的是挑战世界各地大学生团队设计、制造小型方程式赛车能力。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。中国大学生方程式汽车大赛，是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事。

油底壳是赛车发动机的重要零部件，它的主要功能是贮存机油并封闭曲轴箱。油底壳设计的原则是保证发动机在不同工况下，都能保证发动机各部件有良好的润滑，同时也有利于提高整车的操纵性能。

1、油底壳的分类

润滑系统按照润滑油大量贮存的位置不同，可分为湿式和干式油底壳两类。

1.1 湿式油底壳

传统发动机使用的常为湿式油底壳，这一类发动机的油底壳主要作用是承装润滑系统的润滑油，与发动机安装成一体，构成发动机曲轴箱，同时起到密封、散热、防止润滑油氧化变质的作用。之所以称为湿式油底壳是因为在发动机运转时，曲轴运转一周，曲轴曲拐和连杆大头就会浸入油底壳的润滑油里面润滑一次，同时在发动机高速运转时，曲拐会溅起油雾以润滑曲轴和轴瓦等部件。然而这一类湿式油底壳有一个重要缺点，就是如果在发动机高速运转、汽车高速拐弯以及漂移等情况时，油底壳内的润滑油会因为重力集中而聚集在某一处而使得发动机部分零件润滑效果减弱。

1.2 干式油底壳

干式油底壳存有少量的机油，而大量的机油是存在机体外另设的1个专用油箱内。机体下部虽然有个小型的贮油室，但流回的机油即被吸油泵不断地送至油箱，再由机油泵加压后经机油滤清器、冷却器、主油道到达各运动件的摩擦表面，润滑后流回贮油室。因此，干式油底壳内的机油是通过2个油泵来循环流动的。这种润滑方式虽然结构复杂一些，但因机油不在贮油室久留，可避免缸体内高温高压燃气的侵袭与腐蚀，从而防止了机油的过早氧化变质。

干式油底壳的优势是：减低发动机重心，提高赛车行驶时稳定性和操控性，改善发动机润滑性能，提高润滑效果，发动机寿命有保障，有利于机油温度的下降，油品有保障，机油泵两路回油大于一路压油，把曲轴通风口可堵住，整个曲轴箱会出现负压，出现负压的好处是曲轴箱内的压力比活塞顶部小，从而增加密封减小漏气，进而提升功率。曲轴箱内的负压也使得旋转部件的运动更加快，因为活塞顶部的阻力更小，这就相当于减轻了旋转部件的重量，减少发动机功率的损失。所以本次参赛的赛车选用干式油底壳。

2、干式油底壳设计

2.1 原装油底壳

原装发动机油底壳采用的是湿式油底壳，如图1所示，高107mm，其高度太高，在比赛过程中不能很好的适应比赛，在一些弯道有抽不到油的现象，造成润滑不足，发动机温度过高，对发动机的损害非常大。

2.2 干式油底壳主要部件及设计

干式油底壳润滑系统的主要组成部分包括油饼、机油油泵、油盘（油底壳）、滤清器、机油罐以及油管等组成。

2.2.1 油盘（油底壳）设计

油盘的设计要考虑到与发动机的缸体配合无间隙，所以对油底壳重新设计与缸体的轮廓相吻合，对原装油底壳的轮廓进行三维逆向扫描，并利用CATIA建模，如图2所示。相对于原装油底壳大大减低高度，仅为35mm，考虑到赛车在比赛时路况，多为加速和过弯赛道，所以两个回油口靠后布置，加快回油速度，泄压阀位置开两条回油槽也有利于回油。油盘采用了优质铝通过数控铣加工完成。

2.2.2 机油罐设计

机油罐设计首先考虑到加工成本问题，采用铝板板金加工，大大减少了材料的成本和加工费，机油罐容积大小的确定考虑到赛车在直线加速6秒发动机高速转速下机油的循环量足够，取4L。机油回油到机油罐中，开口位置与机油罐圆柱体相切，机油沿着壁面流到罐内，这样比较有利于机油油气分离，减少高温机油垂直冲击产生的气泡。为了更好的观察油液的高度，设计成可视透明视油管。机油罐三维图如图3所示。

将油储存在一个独立的机油罐中好处。它保证了油泵持续无间断供油，不管赛车在行驶中受到多大侧加速度，机油都能够及时被加压保证润滑效果。干式油底壳系统的供给油罐可以容纳大容量润滑油，离发动机热源远，有利于机油温度冷却，而且提供稳定的压力。

2.2.3 油饼设计

机油饼设计主要考虑到没有利用原装机油泵，利用的外置三阶段机油泵，

油饼设计的优点避免了集滤器口定位难度大和减少加工工序， 油饼与机油滤清器连接使用。油饼的三维图如图4所示。

2.2.4 油底壳整体装配

利用CATIA零件设计中的装配设计模块导入全部零件，在发动机模型上进行装配，考虑到发动机和车架的位置，优化了油管的布置，最终装配如图5所示。整个油底壳的油路如图5中箭头所示，油底壳中的机油由红色箭头的油管→干式泵→黄色箭头油管回机油罐；机油罐中机油由绿色箭头油管→干式泵→蓝色箭头油管→机油柄→机油滤清器→机油冷却器→发动机内部润滑主油道。

FSAE race engine dry sump design

Zhang Chunhua, Ta Ruikang, Zhang Wenya, Yu Chaolin
（Guangzhou Institute of South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510800）

This paper participate in the 2014 China Formula Student racing car engine oil pan contest to optimize the design, including the determination of the type of oil pan, oil pan, cake machine tank and solid modeling, as well as tubing, fittings, oil pump layout and connection design. By optimizing the design of the car engine oil pan, greatly reducing the engine's center of gravity, improved engine lubrication, improve the stability of the car.

Dry sump；FSAE；Engine

U464.2

A

1671-7988(2015)02-71-03

张春花，讲师，就职于华南理工大学广州学院汽车工程学院，研究方向车辆工程专业汽车电子。

学生研究计划项目“FSAE赛车发动机（honda cbr 600）干式油底壳设计（JY140609）。