王靖元,楊新明,張勇

(奇瑞汽車股份有限公司鄂爾多斯分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙關(guān)鍵零部件的布置研究

王靖元,楊新明,張勇

(奇瑞汽車股份有限公司鄂爾多斯分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置了整車的心臟-動(dòng)力總成，以及進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、蓄電池、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)以及各系統(tǒng)相關(guān)的管路附件等。在前艙有限的空間里不僅要擺放下這些部件，還要考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫給周圍部件所帶來的影響，以及運(yùn)動(dòng)部件之間可能發(fā)生的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)干涉，還要滿足相關(guān)法律法規(guī)的要求，所以各系統(tǒng)部件在前艙中的合理布置就顯得尤為重要和關(guān)鍵。主要闡述了動(dòng)力總成及主要系統(tǒng)在布置中應(yīng)考慮的因素。

乘用車； 發(fā)動(dòng)機(jī)艙； 動(dòng)力總成； 布置

Abstract:In passenger car’s engine bay, there was packaged the vehicle’s heart-engine assembly, and air intake system, exhaust system, cooling system, fueling system, engine mounting brackets, battery, steering system, brake system, air-conditioning system, and all kinds of pipelines etc. In such limited space, not only all of these parts should be packaged, but also the effect of engine’s high temperature, basic dynamic and static clearance should be considered, and law requirements should be met. So, it is very important for logical package. It was mainly described which factors should be considered in engine bay package .

Keywords:Passenger car; Engine-bay; Engine assembly; Package and layout

0 前言

在乘用車的總布置設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置是最復(fù)雜的總布置區(qū)域，因?yàn)檫@里容納了最多的零部件總成和系統(tǒng)，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及連接各個(gè)零部件之間的管路和線束等。在乘用車開發(fā)設(shè)計(jì)或改型設(shè)計(jì)時(shí)，最基礎(chǔ)的工作就是確定動(dòng)力總成在前艙中的位置，而其核心問題就是確認(rèn)動(dòng)力總成及附件與各大系統(tǒng)部件之間的合理間隙，這就需要了解哪些因素會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的總體布置產(chǎn)生影響。

因此，對(duì)布置動(dòng)力總成時(shí)應(yīng)該考慮的各項(xiàng)因素進(jìn)行分析，確認(rèn)各間隙的具體數(shù)值，具有普遍的理論意義和迫切的實(shí)際意義。

1 動(dòng)力總成的布置

動(dòng)力總成為發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱(含離合器)的合稱，它主要用于給整車提供動(dòng)力，俗稱汽車的"心臟"。動(dòng)力總成的基本性能在很大程度上決定了整車的基本性能。為了使動(dòng)力總成能與其周邊件和諧共存于整車有限的空間里，從而保證整車部件，包括動(dòng)力總成本身能最好地發(fā)揮它們的性能為整車服務(wù)，所以動(dòng)力總成的布置是前艙布置的關(guān)鍵。

1.1 動(dòng)力總成常見的布置型式

(1)動(dòng)力總成橫置式

動(dòng)力總成布置在前艙，橫置，發(fā)動(dòng)機(jī)在右，變速箱在左。這種形式是目前轎車最常見的形式，見圖1。

(2)動(dòng)力總成縱置式

動(dòng)力總成布置在前艙，縱置，發(fā)動(dòng)機(jī)在前，變速箱在后面。此種形式是由于動(dòng)力總成軸向尺寸比較大，如果橫置的話，由于車身寬度有限將布置不下，見圖2。

(3)動(dòng)力總成中置式

動(dòng)力總成布置在車中部，一般多為平頭車用，因?yàn)樗鼛缀鯖]有前艙空間。如奇瑞H11的布置形式，動(dòng)力總成中置，位于前排座椅正下方，見圖3。

(4)動(dòng)力總成后置式

如奔馳Smart車型，由于前艙和中部均沒有空間，動(dòng)力總成只能布置在后部(見圖4)。

1.2 動(dòng)力總成布置型式的選擇

就一款新車型而言，對(duì)于布置形式?jīng)]有特殊要求，主要從兩方面來選擇：

(1)參考同類車型，可以考慮借鑒其布置形式；

(2)要考慮所選擇的布置形式是否能滿足布置要求，詳見下一節(jié)。

1.3 動(dòng)力總成的布置要求

1.3.1 動(dòng)力總成本身的性能要求

動(dòng)力總成布置在整車坐標(biāo)系中，涉及到其姿態(tài)的確定，這個(gè)姿態(tài)會(huì)影響動(dòng)力總成整體性能的發(fā)揮：

α角為發(fā)動(dòng)機(jī)繞y軸的轉(zhuǎn)角，見圖5；β角為發(fā)動(dòng)機(jī)繞x軸的轉(zhuǎn)角，見圖6；γ角為發(fā)動(dòng)機(jī)繞z軸的轉(zhuǎn)角，見圖7。

圖5α角

圖6β角

圖7γ角

通常，對(duì)這3個(gè)角度的要求為：α≤5°，β≤3°，γ≤3°。

1.3.2 傳動(dòng)軸的工作角度要求

傳動(dòng)軸的工作角度跟動(dòng)力總成在整車中的位置密切相關(guān)。通常，傳動(dòng)軸的工作角度要求為：設(shè)計(jì)狀態(tài)(常為半載)A≤7°；其他狀態(tài)A≤22°。布置動(dòng)力總成的時(shí)候，可以通過不斷調(diào)整動(dòng)力總成的位置和姿態(tài)角來校核傳動(dòng)軸的工作角度是否滿足要求，直到滿足為止，這是一個(gè)反復(fù)的過程。

1.3.3 動(dòng)力總成與周邊件的間隙要求

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零件之間的距離通常有3種，即兩個(gè)靜止零件之間的距離、靜止零件和運(yùn)動(dòng)零件之間的距離、兩個(gè)運(yùn)動(dòng)零件之間的距離[1]。對(duì)于第一種情況，兩者之間的(靜態(tài))距離最好大于10 mm，否則需要對(duì)它們之間的尺寸鏈進(jìn)行計(jì)算核查，5 mm是最小的間隙；對(duì)于第二種情況，二者之間的最小靜態(tài)距離為25 mm，最小動(dòng)態(tài)距離為15 mm；對(duì)于第三種情況，二者之間的最小靜態(tài)距離為30 mm，最小動(dòng)態(tài)距離為15 mm。動(dòng)態(tài)距離的計(jì)算通常采用動(dòng)態(tài)包絡(luò)法進(jìn)行檢查。

動(dòng)力總成各部分與周邊件的間隙沒有硬性規(guī)定，都只是經(jīng)驗(yàn)值，具體見表1。

表1 動(dòng)力總成與周邊件間隙經(jīng)驗(yàn)值列表

1.3.4 相關(guān)部件的維修、更換方便性的要求

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)有一些易損件如大燈燈泡、保險(xiǎn)絲等，還有一些零部件需要定期拆卸更換，如空濾濾芯、機(jī)油濾清器等。在做布置的時(shí)候，需要認(rèn)真分析這些零部件的維修方便性，以節(jié)約更換這些部件的作業(yè)時(shí)間，減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)需要考慮維修方便性的主要零部件及其布置要求見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)需要考慮維修方便性的主要零部件及其布置要求

續(xù)表2

1.3.5 零部件工作環(huán)境溫度要求

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，并通過發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣流對(duì)流的方式或者直接輻射的方式傳遞給周圍的零件，使它們的溫度也隨著升高。而無論是金屬材料還是其他非金屬材料對(duì)溫度均有不同的反應(yīng)，尤其是非金屬材料，超過一定的溫度會(huì)表現(xiàn)出較常溫下較大的性能變化。

1.3.5.1 橡膠管

橡膠管需要布置在遠(yuǎn)離熱源、通風(fēng)良好的區(qū)域，以降低橡膠管因溫度過高導(dǎo)致的溶化、快速老化等可能導(dǎo)致重大破壞事故的風(fēng)險(xiǎn)。一般冷卻系統(tǒng)橡膠管工作溫度不能超過120 ℃，真空助力器軟管工作溫度不能超過100 ℃，真空管工作溫度不能超過120 ℃。

一般橡膠管與三元、排氣歧管裝飾罩之間的最小間隙應(yīng)不小于60 mm。

1.3.5.2 引氣口

進(jìn)氣溫度高，氣體密度小，進(jìn)氣量會(huì)變小，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和整車動(dòng)力性。因此，進(jìn)氣溫度應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)，一般要求引氣口處溫度在40 ℃以下(理想值25 ℃)。汽車長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)平均溫度會(huì)達(dá)到80 ℃以上，因此，應(yīng)盡可能將引氣口布置到發(fā)動(dòng)機(jī)艙外，如發(fā)蓋與前保之間和發(fā)動(dòng)機(jī)艙縱梁外側(cè)，這樣可以保證引氣口的進(jìn)氣溫度是環(huán)境溫度。

1.3.5.3 ABS/ESP+制動(dòng)管路

制動(dòng)系統(tǒng)工作環(huán)境溫度應(yīng)不高于120 ℃。雖然制動(dòng)液沸點(diǎn)在180 ℃，但是制動(dòng)液溫度高于120 ℃后對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的橡膠件有影響，也容易引起制動(dòng)氣阻。因此，ABS/ESP及制動(dòng)管路應(yīng)布置在遠(yuǎn)離熱源的位置，制動(dòng)管路周邊通風(fēng)性要好。

1.3.5.4 燃油管

燃油尼龍管和橡膠管分別能承受150 ℃和120 ℃的高溫，但是燃油溫度不能超過60 ℃(燃油溫度過高汽油揮發(fā)大，容易形成氣阻)，因此燃油管工作環(huán)境溫度一般不能超過 90 ℃。同時(shí)，燃油管要盡最大可能遠(yuǎn)離排氣系統(tǒng)，防止燃油過熱。

1.3.5.5 換擋拉線

換擋拉線工作環(huán)境溫度應(yīng)不高于 120 ℃，換擋拉線長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下工作會(huì)導(dǎo)致拉線潤滑脂燒結(jié)，換擋拉線被卡死，出現(xiàn)換擋操縱困難或無法換擋的問題。換擋拉線與排氣三元催化反應(yīng)器、排氣管最小間隙應(yīng)不小于60 mm，周邊要保證通風(fēng)。

1.3.5.6 蓄電池

蓄電池的正常工作溫度是在-30 ℃～80 ℃，最佳工作溫度在53 ℃以下，蓄電池工作溫度過高會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的壽命，所以在布置蓄電池時(shí)需要考慮蓄電池所處位置的溫度，或做適當(dāng)?shù)母魺崽幚?。目前某公司部分車型采用蓄電池護(hù)套進(jìn)行隔熱，以保證蓄電池在正常溫度環(huán)境下工作。

1.3.5.7 電器盒

電器盒中主要包含保險(xiǎn)絲和繼電器兩種電子器件，兩種電器件在工作過程中都會(huì)散熱，所以在進(jìn)行電器盒布置時(shí)，同樣需要考慮電器盒的散熱，以防止盒內(nèi)電子器件過熱燒壞。 電器盒工作環(huán)境溫度范圍為-40 ℃～80 ℃，故要求電器盒布置盡可能遠(yuǎn)離排氣系統(tǒng)。

1.3.5.8 轉(zhuǎn)向機(jī)

一般轎車用轉(zhuǎn)向器的工作溫度范圍是：-35～120 ℃，若長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下工作，機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)潤滑脂會(huì)變質(zhì)，轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)橡膠件會(huì)快速老化，影響轉(zhuǎn)向機(jī)品質(zhì)和壽命；液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)液壓油溫度過高，導(dǎo)致橡膠件快速老化，油路產(chǎn)生氣阻，并可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)向機(jī)異響、噪聲過大等問題。一般要求轉(zhuǎn)向機(jī)與排氣部件最小間隙不小于 60 mm，為加裝隔熱罩預(yù)留足夠布置空間。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向管路允許工作溫度為-40 ℃～100 ℃ ，瞬時(shí)耐熱120 ℃。

1.3.5.9 傳動(dòng)軸

傳動(dòng)軸護(hù)套工作環(huán)境溫度應(yīng)不高于100 ℃，長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下工作，傳動(dòng)軸護(hù)套易老化，破裂，失去對(duì)傳動(dòng)軸移動(dòng)節(jié)的保護(hù)作用，導(dǎo)致移動(dòng)節(jié)異常磨損，嚴(yán)重影響傳動(dòng)軸工作壽命。傳動(dòng)軸與排氣部件的最小間隙應(yīng)不小于50 mm，以給排氣部件預(yù)留加裝隔熱罩的空間。

1.3.5.10 線束及插接頭

工作溫度：在-40～130 ℃中的不同溫度能正常工作。

1.3.6 法律法規(guī)要求[2]

隨著NCAP在各個(gè)國家的傳播和應(yīng)用，汽車對(duì)行人的保護(hù)成為新產(chǎn)品開發(fā)的重要研究?jī)?nèi)容之一。按照目前較為流行的ENCAP安全條約，需要考察車輛前端對(duì)行人小腿、大腿、軀干和頭部等部分的傷害指數(shù)。最有效的方法就是引導(dǎo)行人的碰撞傾倒路徑，同時(shí)提供必要的緩沖距離，減小各個(gè)部分的傷害指數(shù)。根據(jù)ENCAP第二階段的條約，保險(xiǎn)杠下端應(yīng)和保險(xiǎn)杠中部最突出的地方保持平齊，保險(xiǎn)杠前端應(yīng)有大于70 mm的泡沫緩沖大腿(圖9)，在離地面沿前包絡(luò)線為1 000 mm(在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上為一條曲線)的下方要求發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的剛性零件的距離大于85 mm(不同的車型有不同的要求)，在大于1 500 mm曲線的上方需要提供 94 mm的空間以滿足頭部碰撞的要求。

1.3.7 滿足總裝裝配工藝的要求[2]。

動(dòng)力總成通常是和副車架裝配在一起，然后安裝到車身上的，因此必須保證這個(gè)總成和發(fā)動(dòng)機(jī)艙周邊的裝配間隙，保證不會(huì)出現(xiàn)安裝臺(tái)架和人為操作與周邊零件的干涉，必須留出30～35 mm的間隙。除此之外，實(shí)際上還有很多零件也需要做相關(guān)的考慮，比如發(fā)動(dòng)機(jī)裝配完后，需要考慮前端冷卻模塊的安裝、蓄電池的安裝以及保險(xiǎn)絲盒等零件的安裝。通常這個(gè)動(dòng)態(tài)裝配工藝的間隙要求為20～30 mm，零件質(zhì)量越小、越易控制的，靜態(tài)間隙可以適當(dāng)縮小。如安裝蓄電池和保險(xiǎn)絲盒時(shí)，兩者之間的間隙應(yīng)當(dāng)不小于20 mm。

1.3.8 保證乘客艙乘員安全的要求[2]

在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙時(shí)要考慮各種安全碰撞的要求，如56 km/h的正碰和64 km/h的偏置碰撞。發(fā)動(dòng)機(jī)布置是否合理，直接的表現(xiàn)就是前圍板變形和車內(nèi)零件對(duì)乘員的傷害。前端碰撞與前保險(xiǎn)杠防撞梁和前縱梁的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。同時(shí)也需要考慮功能件的布置，如真空助力器、ABS、蓄電池、ECU模塊等都是結(jié)構(gòu)比較強(qiáng)、在CAE仿真分析時(shí)均視為剛體的零件，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合理的碰撞能量傳遞路徑，不能設(shè)計(jì)在碰撞路徑上，使能量直接傳遞給乘客。

2 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置既要整齊美觀，又要滿足法規(guī)、溫度場(chǎng)、工藝性等各項(xiàng)要求，其中某些要求是相互矛盾、相互制約的，這就需要發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置工程師針對(duì)不同的車型、不同的市場(chǎng)定位、不同的理念進(jìn)行合理的平衡，得出最優(yōu)的布置方案。在具體的項(xiàng)目中，需要進(jìn)行大量的交流和協(xié)調(diào)工作，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、空調(diào)、電器等各個(gè)零件在有限的空間內(nèi)找到合適的位置。文中所述的布置原則來自于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，需要在今后的工作中不斷地驗(yàn)證、調(diào)整和優(yōu)化。同時(shí)，還需要在大原則指導(dǎo)下，不斷地總結(jié)，從大處著手，細(xì)化其他小零件的布置。在實(shí)際中，每一款車，匹配不同的動(dòng)力總成，發(fā)動(dòng)機(jī)艙的布置情況往往差異萬千，這就需要布置工程師針對(duì)不同的情況提供不同的優(yōu)化布置方案，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證合格后方可最終確認(rèn)。

【1】 賈糧棉,任杰,王瑞玲.轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)各部件主要間隙確定[J].現(xiàn)代機(jī)械，2003(4):31-32.

【2】 彭岳華.高衛(wèi)民.徐康聰.轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙關(guān)鍵零部件的布置研究[J].汽車技術(shù)，2010(5):27-30.

ResearchonKeyComponentsPackageandLayoutinPassengerCar’sEngineBay

WANG Jingyuan，YANG Xinming, ZHANG Yong

(Chery Automobile Co.,Ltd.,Ordos Inner Mongolia 017000,China)

2014-06-19

王靖元(1984—)，學(xué)士，主要從事乘用車整車集成、質(zhì)量提升方面的工作。E-mail:wangjingyuan3@mychery.com。