崔恩勝，馬文舉，張東雨，張 馳

（吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，長春 130022）

干式機(jī)油泵的設(shè)計思路

崔恩勝，馬文舉，張東雨，張 馳

（吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，長春 130022）

干式機(jī)油泵又稱發(fā)動機(jī)外置機(jī)油泵，是汽車發(fā)動機(jī)干式油底殼系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)回收落到油底殼的機(jī)油并給發(fā)動機(jī)油道提供具有一定油壓的機(jī)油。其本質(zhì)是利用依靠通過軸傳動或皮帶傳動而得到的部分發(fā)動機(jī)動力工作的多段同軸泵，由1個齒輪泵與1個或以上的羅茨泵組成。本文通過總結(jié)現(xiàn)已較為完善的齒輪泵和羅茨泵的設(shè)計思路，并參考國外一些干式油底殼品牌的成品泵，給讀者提供一個干式機(jī)油泵國產(chǎn)化的思路。

干式油底殼系統(tǒng)；汽車改裝；機(jī)油泵

0 引言

干式油底殼系統(tǒng)作為一種發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的優(yōu)化方案，近年來常見于汽車改裝領(lǐng)域和一些如FSC一樣的汽車賽事。然而，作為其核心配件的機(jī)油泵卻一直被如Moroso、Dailey Engineering等歐美品牌壟斷，其售價普遍達(dá)到1000美金以上。

1 干式油底殼系統(tǒng)

圖1為一個典型的干式潤滑系統(tǒng)簡圖，與傳統(tǒng)油底殼相比，最直觀的差異在于用不具備容積的油盤（干式油底殼）取代了傳統(tǒng)油底殼，并利用一個獨(dú)立的機(jī)油罐去承擔(dān)貯存機(jī)油的功能。這種布置直接帶來了降低發(fā)動機(jī)重心、改善供油泵的吸油、使曲軸箱真空化的優(yōu)勢，進(jìn)而改善了發(fā)動機(jī)的壽命、功率與整車的操控性。

1.2 干式油泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由干式潤滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以看出，泵承擔(dān)著兩個任務(wù)：1.供油泵給油道提供具有一定壓力的機(jī)油；2.回油泵把落至油底殼的機(jī)油抽回機(jī)油罐中。回油泵在抽出油底殼內(nèi)的機(jī)油時會將曲軸箱竄氣一同排出，故回油泵的工作介質(zhì)是高粘度的機(jī)油與空氣的混合物。因常用作發(fā)動機(jī)機(jī)油泵的齒輪泵與擺線轉(zhuǎn)子泵均無法以空氣為介質(zhì)，所以在抽油泵的選擇上，在石油輸送和抽真空領(lǐng)域都被廣泛使用的羅茨泵無疑是最佳的選擇。為了更好地與羅茨泵匹配，供油泵也就要選擇同樣是對稱雙軸結(jié)構(gòu)的外齒輪泵。需要注意的是，在整個多段泵中，供油泵并不是必須的。它的功能依然可以依靠原機(jī)油泵來完成，只需把機(jī)油罐的出口管路通過油底殼連至原機(jī)泵的上游。但其缺點(diǎn)在于會增加油底殼的設(shè)計、加工成本與后期的維護(hù)成本。系統(tǒng)設(shè)計者可以根據(jù)實(shí)際的情況對兩種方案進(jìn)行取舍。

2 供油泵的設(shè)計

2.1 供油泵的流量

如上文所述，供油泵應(yīng)選用外齒輪泵。在發(fā)動機(jī)機(jī)油泵的正向開發(fā)中，機(jī)油泵的流量qvp由潤滑系統(tǒng)的循環(huán)機(jī)油量qvc決定，而qvc是根據(jù)必須被機(jī)油帶走的發(fā)動機(jī)散熱量Φc來決定的，其公式如下：

式中， P為內(nèi)燃機(jī)有效功率；α0為機(jī)油散熱量占發(fā)熱量的百分比，可取0.015至0.02；ηe為有效效率，汽油機(jī)約等于0.25～0.33；ρ為機(jī)油的密度，一般取ρ=0.85kg/L；c為機(jī)油的比熱容，約等于1.7～2.1kJ/ （kg·℃）；Δ t為機(jī)油進(jìn)出口溫差，一般取8～15℃。

然而，除了諸如蘭博基尼、奧迪R8等少部分量產(chǎn)車采用了原機(jī)干式油底殼系統(tǒng)以外，干式系統(tǒng)更多地見于一些汽車賽事與改裝車領(lǐng)域。故對于汽車改裝用的干式油泵，確定供油泵流量最直接的方法就是參照發(fā)動機(jī)原機(jī)泵的流量。

2.2 增一齒法確定齒輪參數(shù)

齒輪泵須滿足機(jī)油的流量要求是齒輪泵設(shè)計中的基本。對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪，我們假設(shè)其齒間槽的容積等于輪齒的體積，其流量公式如下：

式中，m為齒輪模數(shù)；z為齒數(shù)；b為齒寬，一般取b=（6～10）m，過大不僅會導(dǎo)致軸的負(fù)荷過高，也會增加齒輪的加工難度；np為油泵轉(zhuǎn)速，一般與曲軸轉(zhuǎn)速為1∶2的關(guān)系；ηp為齒輪泵的容積效率，可取0.7～0.8，也可以取試驗(yàn)值。

從公式（2-3）可得，油泵的流量qvc∝m2zb，在流量一定的情況下，m越大，齒輪外圓直徑Dr=m（z+2）便可以越小。Dr過大不僅會增加齒輪泵的體積與質(zhì)量，更關(guān)鍵的是會增加齒輪輪緣速度vr。當(dāng)vr過大時，因?yàn)殡x心力的作用，會極大影響油泵的容積效率。故為了控制Dr的尺寸，發(fā)動機(jī)外齒輪機(jī)油泵通常會選擇較大的模數(shù)m與較少的齒數(shù)z（一般取z=6～14）。因?yàn)閦小于齒輪最小根切 齒數(shù)，故要做變位調(diào)整。為了計算與加工的方便，通常會采用增一齒法進(jìn)行變位。所謂增一齒法，便是在齒輪實(shí)際中心距的設(shè)定中，假定齒數(shù)為（z+1），即中心距a=m（z+1），并以此中心距去做齒輪的變位調(diào)整。這一方法不僅簡化了設(shè)計過程和加工過程中對尺寸的處理，一個更重要的意義在于：與其同軸的羅茨泵傳動齒輪因此得以使用標(biāo)準(zhǔn)齒輪。

2.3 卸荷槽

卸荷槽的設(shè)計在齒輪泵設(shè)計中是一個專門的研究方向，在此不做深入的討論，如下為一種經(jīng)驗(yàn)公式可在卸荷槽設(shè)計中進(jìn)行參考：

兩卸荷槽間距a=2.78m，半距離b=a/2（雙向齒輪泵），b=0.8m（單向齒輪泵），槽寬c＞2.5m，槽深h＞0.8m

2.4 限壓閥

因在干式油底殼系統(tǒng)中，機(jī)油進(jìn)入油道的入口在原機(jī)限壓閥的下游，干式機(jī)油泵便需要自帶一個限壓閥來達(dá)到齒輪泵內(nèi)泄壓的目的。對于潤滑系統(tǒng)的主油道油壓值，可大致參考如下：汽油機(jī)為0.2～0.3MPa；柴油機(jī)為0.3～0.6MPa；高速強(qiáng)化（增壓）發(fā)動機(jī)為0.6～0.9MPa。

還有一種確定主油道壓力值的方法是查閱相關(guān)發(fā)動機(jī)的維修手冊，其中會有對于主油道壓力值的要求。

在閥芯的選擇上，機(jī)油泵的限壓閥一般有球閥式和滑閥式兩種。相較之下，前者在開啟瞬間會有油壓驟降現(xiàn)象，而滑閥式則可以使油壓更為穩(wěn)定。

3 回油泵的設(shè)計

3.1 流量與結(jié)構(gòu)

回流泵的任務(wù)不僅是要把落至油底殼的機(jī)油抽回到油管中，還有及其重要的一點(diǎn)是把曲軸箱竄氣給一同排出去，使曲軸箱半真空化。半真空狀態(tài)的曲軸箱有利于運(yùn)動件的減阻，進(jìn)而可使發(fā)動機(jī)的功率在一定程度上得到提升。為了達(dá)到這一目的，回油泵的總流量須遠(yuǎn)大于供油泵，通常需要達(dá)到供油泵流量的2～3倍。

羅茨泵與齒輪泵不同，兩個轉(zhuǎn)子之間并不接觸，更無法自行解決傳動問題。這樣一來便需要相應(yīng)的齒輪去承擔(dān)它們的傳動。但另一方面，對材料的要求也就不高，大可以使用低密度的鋁來加工。輕量化對于會選擇干式油底殼系統(tǒng)并追求極限的車輛來說是極其重要的一點(diǎn)，所以在干式機(jī)油泵的設(shè)計中，輕量化的需求尤為關(guān)鍵。

3.2 羅茨轉(zhuǎn)子

回油泵中使用的羅茨轉(zhuǎn)子類型按葉數(shù)可分為雙葉轉(zhuǎn)子和三葉轉(zhuǎn)子；按形狀可分為直面式和螺旋式。三葉轉(zhuǎn)子相較于二葉轉(zhuǎn)子，其面積利用系數(shù)、容積效率與供油脈動都較好，但缺點(diǎn)是其對介質(zhì)的要求較高，機(jī)油中的雜質(zhì)顆粒會對其有較大的磨損；螺旋式相較于直面式的優(yōu)點(diǎn)是較好的供油脈動，在降噪、降空化方面具有優(yōu)勢，缺點(diǎn)在于設(shè)計難度和加工難度都比直面式大，以數(shù)控銑加工為例，螺旋式需要五軸機(jī)床而直面式僅需三軸機(jī)床便能加工。觀察歐美干式油底殼品牌近年來的研發(fā)規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，其進(jìn)程也經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從雙葉到三葉、從直面式到螺旋式的過程。所以對初次嘗試的設(shè)計者來說，建議采用雙葉直面式的羅茨轉(zhuǎn)子。

對于采用在多段泵的羅茨轉(zhuǎn)子，需要注意的是，因?yàn)槎喽伪玫妮S會有較大的軸徑，加之轉(zhuǎn)子的材料為鋁，所以轉(zhuǎn)子的腰部不宜過細(xì)。以圖3為例，為了保證這一點(diǎn)，采用了圓弧-漸開線-圓弧的轉(zhuǎn)子型線。

4 接頭與出入口

4.1 接頭

AN接頭用于軟管或是金屬硬管的連接，它源自二戰(zhàn)時期的美國陸軍（Army）與海軍（Navy）的軍用標(biāo)準(zhǔn)，故稱AN。如今，AN接頭已成為汽車潤滑油路與燃油供給油路改裝的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在國內(nèi)常見于汽車油冷器的改裝。對于AN接頭公頭的加裝方式，有以下幾種：1.焊接接頭；2.法蘭面轉(zhuǎn)接接頭；3.公制轉(zhuǎn)AN接頭；4.美制轉(zhuǎn)AN接頭。焊接接頭出于焊接熱變形的考慮，無法在油泵上使用；法蘭面轉(zhuǎn)接接頭因?yàn)閲鴥?nèi)難以買到成品，加之自行加工的成本較高，也不予考慮。

4.2 出入口

觀察圖2的油泵可以發(fā)現(xiàn)，其出口的數(shù)量少于油泵的段數(shù)。干式機(jī)油泵的回油段往往采用貫通多個羅茨段的壓力腔的方式來減少回油段出口的數(shù)量。這不僅減少了回油管路的數(shù)量，達(dá)到了輕量化和降低成本的目的，還使得回油管路中油氣混合物的流速變高，這對于在機(jī)油罐中的油氣分離過程是有利的。

5 總結(jié)

對于汽車改裝，隨著人民生活水平的提高，相信在可預(yù)見的未來我們可以看到政策的開放和隨之而來的龐大的市場。在我國，對于干式油底殼系統(tǒng)的探索也在FSC等賽事中進(jìn)行著。對于外嚙合齒輪泵和羅茨泵，其本身的技術(shù)已較為完善。故在干式機(jī)油泵的設(shè)計中，需要的便是對這些技術(shù)的整合與對發(fā)動機(jī)和干式油底殼系統(tǒng)較為深刻的認(rèn)識。

［1］Ehsan Farkhondeh，Design of a Dry Sump Lubrication System for a Honda CBR600 F4i engine for Formula SAE applications，Massachusetts Institute of Technology，2006

［2］吳偉蔚，馬富銀.汽車發(fā)動機(jī)機(jī)油泵的綜合性能評價［J］.中國公路學(xué)報，2012，25（02）：134-142

［3］程紹桐，李子玲等.柴油機(jī)機(jī)油泵限壓閥的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)，2000（05）：23-25

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.20.261

吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃。

崔恩勝（1994-），男，吉林延吉人，本科，吉林大學(xué)吉速車隊(duì)干式油底殼系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。