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1、1关于 FSAE 赛车的认识及干式油底壳的设计李翔车辆 161内容摘要：浅谈队 FSAE 赛车的设计、制造及赛事的认识；比较湿式油底壳和干式油底壳的区别和优劣，结合有关文献整理有关干式油底壳的设计思路。关键词:FSAE 赛车设计、制造及赛事；干式油底壳0 引 言初次接触 FSAE 赛车,就自身了解结合文献资料谈谈 FSAE 赛车的设计、制造及赛事；现在 FSAE 赛车上沿用的基本都是湿式油底壳，但是湿式油底壳相对于干式油底壳不仅高出了差不多 3 倍多，导致赛车在急加速或者是急转弯都会导致零部件润滑效果不均匀，而且应用湿式油底壳机油容易受热氧化变质，不利于润滑，加剧零部件的磨损。总之，干式油底壳
2、在更多的方面都比湿式油底壳好。所以了设计出适合 FSAE 赛车的干式油底壳，在借助其他资料文献的帮助下，大致谈谈其设计思路。1 FSAE 赛车1.1 设计FSAE 赛车是个由多个系统组合而成的整体，对其的设计制造必须是由多个部门分工玩单独设计再一起整合。对于参赛的赛车来说，必须由到比赛时毕业不超过 7 个月的迎接毕业生和本科院校注册在校本科生和全日制研究生独立设计制造，且每队不能超过三名研究生。对于 FSAE 赛车的设计，首先应该明确其功能及用途。FSAE 赛车设计制造的目的是为了参加比赛，取得成绩，因此对于动力性、操控性应当优先考虑，乘坐舒适性、成本控制、零部件通用化等要求次之；由于比赛是在
3、封闭的赛道内进行，赛车离地间隙较小，悬架行程较小、刚度较大。其次是整车设想。方程式赛车的规格在比赛规则中有详细的限定，驱动形式为发动机中置后轮驱动，四轮独立悬架，车身较低，单人驾驶。总体方案初步确定之后，就是绘制总布置草图和车身设计。之后，进行详细的技术设计，绘制汽车总装备图。最后是试制、实验、修改和定型。1.2 制造设计完成后，就要开始制造以及实验。在计算机上运用软件计算模拟之后，还需要实物的进一步检验。各部门应该各自做出相应的部件单独检验，再装配之后整车检验。这一切都要以 FSAE 赛事规则为硬性要求，规则是不可逾越的，毕竟制造赛车的最终目的是去参赛。其次要再保证性能的前提下进行成本控制，
4、当有无法自己制造而必须选购的部件，比如发动机，多多参考市场行情以及之前的经验，挑选性价比高的产品。对于自己制造的一些部件，请金工技术好的队员进行操作，避免出现过多的材料浪费情况。同时也要在平时多锻炼队员的2金工技术。对于购置来的发动机等设备，要进行调试，使之处于良好的状态。并且直到赛事开始前，要保持对其的保养，避免锈蚀等情况的发生。在发现有损坏的时候应及时维修或更换；在发现有超出规则限制的情况出现时，应仔细分析，从设计入手，逐步修正。1.3 FSAE 赛事大学生方程式赛车大赛（FSAE）自 1979 年创办以来，规模不断壮大。目前，全世界每年有 9 个国家举办 11 场赛事，FSAE 已发展成
5、为有数百只全球顶级高校参与的青年工程师盛会。有意 FSAE 项目对于培养高素质综合人才的明显作用，在欧美等发达国家，大学生 FSAE 项目是每个理工类学校都非常重视的一个项目，每个学校都有自己的 FSAE 车队，车队参加所在的区域的 FSAE 系列赛，得到学校、企业、社会的支持和普遍认可。中国 FSAE 大赛于 2008 年 7 月在哈尔滨举办的车辆工程教学指导委员会年会上，同济大学李理光受到教学直到委员会的委托，专门就在中国开展 FSAE 的意义、国际国内开展情况、项目费用和介绍、拟在国内开展此赛事的设想，进行了大会主题报告，引起多所学校的积极兴趣和反响。2009 年 10 月 11 日发布
6、的中汽学展【2009】56 号文件“关于开展中国大学生方程式汽车大赛的通知”，标志着中国主办的首届“中国大学生方程式大赛”正式启动。目前，中国汽车工业已处于大国地位，但还不是强国。从制造业大国迈向产业强国已成为中国汽车人的首要目标，而人才的培养是实现产业强国目标的基础保障之一。大学生方程式赛车活动将以院校为单位组织学生参与，赛事组织的目的主要有：一是重点培养学生的设计、制造能力、成本控制能力和团队沟通协作能力，使学生能够尽快适应企业需求，为企业挑选优秀适用人才提供平台；二是通过活动创造学术竞争氛围，为院校间提供交流平台，进而推动学科建设的提升；大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车
7、工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。毫无疑问，对于对汽车的了解仅限于书本和个人驾乘体验的大学生而言，组成一个团队设计一辆纯粹而高性能的赛车并将它制造出来，是一段极具挑战，同时也受益颇丰的过程。在天马行空的幻想、大脑一片空白的开始、兴奋的初步设计、激烈的争执、毫无方向的采购和加工、无可奈何的妥协、令人抓狂的一次次返工、绞尽脑汁的解决难题之后，参与者能获得的不仅仅是 CATIA UG ANSYS 以及焊接、定位、机加工技能,更有汽车工程师的基本素养和丰富实践经验。 与此同时，管理和运营整个团队让未来的企业管理者接受了一次难度十足的锻炼。F
8、SAE 赛事也给了汽车厂商发现优秀人才和创意想法的机会。2 干式油底壳简介首先我们先了解一下什么是油底壳，汽车，发动机里凡是有相互接触并且有相互运动的部件之间都需要润滑油，而贮存润滑油的地方就是油底壳，普通的发动机油底壳位于发动机的底部，是一个类似于盆型的大容器，下面有个孔，平时用放油螺栓密封，整个油底壳容积大约为 3L 多，上图白框内部分就是普通的湿式油底壳。3油底壳的主要功能是存储机油并封闭曲轴箱，一般采用薄钢板冲压而成，其形状决定于发动机的总体布置和机油的容量。为了更够让油底壳内的机油更好散热，有些发动机采用了铝合金铸造材质的油底壳，并且底部还铸有相应的散热片。为了保证在发动机纵向倾斜时
9、机油泵能正常吸到机油，油底壳后部一般做得较深。另外，内部还设有挡油板，防止汽车行驶时油面波动过大，有的放油塞是带有磁性的，能吸集机油中的金属屑，以减少发动机零件磨损。现今，大多数汽车所装配的都是湿式油底壳。之所以叫湿式油底壳，是因为发动机曲轴、曲拐和连杆大头在曲轴每旋转一周都会浸入油底壳润滑油内一次，以达到润滑作用，同时由于曲轴的高速运转，曲拐每次高速浸入油池内都会激起一定的油花和油雾，对曲轴和轴瓦进行润滑，被称之为“飞溅润滑”。这就对润滑油的液面高度提出了一定的要求，如果太低，曲轴、曲拐和连杆大头则不能浸入润滑油内，导致缺少润滑；如果润滑油液面太高又会导致轴承整个浸入，使曲轴的旋转阻力增大，
10、最终导致发动机性能下降，同时润滑油容易进入气缸燃烧室内，导致发动机烧机油，火花塞积炭等问题。然而，湿式油底壳存有一个比较大的问题，就是当车辆在极限行驶状态下时，例如高速过弯或者极限越野中，发动机内的润滑油由于离心力或者重力而聚集于发动机油底壳的一个局部，导致部分曲拐不能浸入油内，润滑不良而使发动机损坏。面对如此严重的问题，一些设计者找到了解决办法，那就是干脆取消在发动机底部安装容器，而是在外部独立安装一个机油箱，采用机油泵对曲轴和连杆系统进行压力润滑，这就是所谓的干式油底壳。其实这项技术在湿式油底壳中也有应用，配气机构中的凸轮轴润滑采用的就是这种压力润滑。干式油底壳虽然解决了机油窜动问题，但却
11、同时存在着另一个问题，那就是需要额外的动力来驱动机油泵，尽管湿式油底壳也需要机油泵，但相比起来动力相差很大，驱动机油泵的动力来自发动机，对于大排量高性能发动机来说这点动力损失并不算什么，但是对于那些排量在 2.0L 以下的引擎来说其所占比例就变得不容忽视了。另外，由于干式油底壳的储油箱是独立的，并不是位于发动机最底部，这就使得引擎重心得到降低，从而将车辆的整体操控性得到一定程度提升。3 干式油底壳和湿式油底壳的比较3.1 相同点与不同点3.1.1 相同点（1）都有专门用于储存机油的地方（湿式油底壳在发动机最下端有个储油罐，可以储存润滑发动机所需的全部机油；干式油底壳在发动机外设置一个机油储存箱
12、，而在发动机下端只有一个较浅的接油盘子。）（2）机油泵负责维系整个润滑系统的运转；（3）都会涉及到压力润滑。3.1.2 不同点（1）湿式油底壳本身就是一个储油装置，而干式油底壳则有专门的储油罐；（2）机泵的尺寸及成本；（由于干式油底壳需要额外的机油泵和储存机油的邮箱，机构较之湿式油底壳较为复杂，成本也相应的更为高昂。）4（3）湿式油底壳润滑结构包含有飞溅润滑以及压力润滑，而采用干式油底壳润滑结构则仅有压力润滑。3.2 干式油底壳的优势与劣势3.2.1 优势（1）其下端的油底壳比较小，所以发动机主体的位置可以放得更低，这有助于降低发动机的重心，而且更加符合车辆空气动力学的设计，增强行驶稳定性。（
13、2）储存机油的油箱可以设计安装在汽车的任何位置，车辆在转弯、制动、加速时都不用担心机油会聚到发动机的一侧而使润滑系统暂时“断油”。（3）在湿式润滑系统中，多余的机油可能会附着在曲轴上增加曲轴运转的阻力，因而会降低发动机的动力输出。而改用干式油底壳后，可以避免这种情况的发生。3.2.2 劣势与湿式油底壳相比，干式油底壳润滑系统需要增加额外的机油泵和储存机油的油箱，所以在结构上变得复杂，同时也增加了重量，并且制造成本也会相对较高。4 干式油底壳的设计4.1 油盘和回游泵传统的湿式油底壳深度很深，能够贮存大量的机油。干式油底壳技术使油底壳的深度大为降低，其只能贮存发动机停止运转后小部分滴落的机油，大
14、部分机油贮存在一个外置 的机油箱内。由于这样的设计，发动机的高度大为降低，使整车的重心降低，可以提高车辆行驶的稳定性和操控性。油盘的设计首先必须保证能与发动机正确安装，密封性良好其材料可使用与原油底壳相同或强度相当的材料。由于干式油底壳没有集滤器 ，而是靠多个分布在不同位置的回油口抽油 ， 因此油盘侧部或底部应有相应的接口。为了确保回油泵能在汽车的各种行驶状况下 (匀速 、加速 、 左转 、右转 、制动、。上坡和下坡 )抽出足够的油，除了需要在油盘内设置挡油板外 ，回油口的位置也需要仔细布置。考虑到发动机的曲轴轴承是机油主要润滑的部分，大部分机油会从该处滴落 ，因此抽出轴承附件的机油是首先需要
15、满足的。由于赛车行驶时大 部分隋况下处于加速状态 ，机油在油盘内有向后聚集的趋势 ，而且往往加速时还伴随向左或向右转弯 ，因此 ，如果只有 2 个回油口，则一般布置在油盘后方一左一右；如果有 3 个回油口，则常在油盘前部再放置一个 ，以提高制动时的回油量。油盘与回油口的设计还应考虑到气门组件和溢流阀的位置。对于非顶置式凸轮轴发动机 ， 回油凹槽中将聚集很多从气门组件落回的机油，且其中掺杂着一些污染性废气 ，及时抽出这部分机油及废气对于发动机的润滑和机油的使用寿命都是有好处的。对于直列。四缸发动机 ，当其高速运转时，会有相当一5部分机油通过溢流阀流回油盘，油盘应把这些机油尽量导向回油口位置，以提
16、高回油速度。另外，由于回油泵不能保证每一时刻都抽出机油，其中常掺杂一些空气，因此，回油泵的流量应大于机油滴落的流量以及高压油泵的送油量。经验计算得出，回油量至少应为泵油量的 23 倍。4.2 机油冷却器干式油底壳通常需要使用大尺寸机油冷却器。当发动机高负荷运转时，机油温度升高，黏度 下降，难以形成足够厚度的油膜，严重时甚至会损坏发动机。机油冷却器的介入可以使油温保持在一个合理的水平，通常在 8090之间。但是，在发动机冷启动时，机油黏度较高，磨损大，泵油压力大，进而增加泵油所需功率，导致发动机功率下降，不利于启动。因此 ，可以选择加装节温器控制机油温度虑。另外，机油冷却器的尺寸需要具体考，通常应比实际所需略大。但如果过大，将增加机油的压力损失，并带来额外的重量，不利于发动机性能的提高。4.3 机油箱和通风箱机油箱是干式油底壳系统中一个非常重要的部件。一个好的机油箱应满足以下要求 ：(1)容 量大于原湿式油底壳内的机油容量；(2)能够在一定程度上分离机油中包含的空气；(3)具有良好的密封性，可以保持箱内压强恒定；(4)能够在一定程度
