王建秋 趙金強(qiáng) 劉相喜 盧振東 李強(qiáng)

寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江省寧波市 315336

1 前言

動(dòng)力總成作為汽車的“心臟”，在整車的設(shè)計(jì)與研發(fā)中起著舉足輕重的作用。近年來隨著市場需求的變化以及產(chǎn)品競爭的加劇，動(dòng)力總成更新?lián)Q代的頻次越來越高。為減少研發(fā)費(fèi)用投入及產(chǎn)品差異化布局的需求，汽車制造商通常采用同一款發(fā)動(dòng)機(jī)匹配不同的變速器或同一款變速器匹配不同的發(fā)動(dòng)機(jī)，形成不同的動(dòng)力總成系列產(chǎn)品，進(jìn)而在嚴(yán)峻的市場中贏得先機(jī)。

本文將從布置搭載維度對發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的匹配設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，希望能夠?qū)π袠I(yè)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的布置匹配設(shè)計(jì)提供借鑒及參考。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器布置匹配要求

2.1 端面匹配設(shè)計(jì)

端面匹配設(shè)計(jì)受發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器在機(jī)艙內(nèi)的位置及姿態(tài)影響。因此在端面設(shè)計(jì)前首先要確定發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器在機(jī)艙內(nèi)的位置及傾角。發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器在機(jī)艙的位置主要由機(jī)艙空間、傳動(dòng)軸夾角、周邊零件間隙決定[1]。總布置工程師通常采用調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器布置傾角的方式來實(shí)現(xiàn)對傳動(dòng)軸夾角的改善以及空間的充分利用。綜上因素，能夠確定最終的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的傾角與位置。

因?yàn)椴贾脙A角對產(chǎn)品自身的冷卻回油、除氣有影響，所以對成熟產(chǎn)品的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的重新匹配，要盡量沿用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)傾角。當(dāng)然在充分評(píng)估產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及影響后，在一定范圍內(nèi)的角度調(diào)整也是可以的。如圖1所示，為某橫置發(fā)動(dòng)機(jī)傾角示意圖。

動(dòng)力總成位置及布置傾角確定后就可以進(jìn)行端面設(shè)計(jì)了。對于成熟產(chǎn)品的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的匹配常見有兩種方案。方案一是發(fā)動(dòng)機(jī)端面不更改，變速器的離合器殼體重新開發(fā)；方案二是變速器的端面不更改，發(fā)動(dòng)機(jī)的端面重新開發(fā)。第二種方案市場上應(yīng)用較少，常見于發(fā)動(dòng)機(jī)端面與缸體采用分體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。通過這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配不同類型的變速器，最大限度的實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的通用化布置，在一些正時(shí)系統(tǒng)后置的機(jī)型中應(yīng)用較多。

圖2 某發(fā)動(dòng)機(jī)端面與缸體分體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.2 螺栓選型匹配與設(shè)計(jì)檢查

在完成端面的匹配設(shè)計(jì)后，需要確定緊固螺栓的跨距與分布，如圖3 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器螺栓的跨距分布一般參照10～15D。螺栓的分布與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、螺栓規(guī)格、螺栓力矩有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，在滿足動(dòng)總模態(tài)、端面密封、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等要求后，跨距可適當(dāng)?shù)姆糯?。在端面設(shè)計(jì)的時(shí)候也可以采用預(yù)留螺栓孔的方式以兼容匹配更多的產(chǎn)品。

螺栓規(guī)格的選擇要結(jié)合跨距分布、抗拉強(qiáng)度以及旋合長度等綜合評(píng)估，需通過專項(xiàng)的滑移、強(qiáng)度仿真計(jì)算最終確定。在滿足相關(guān)要求的前提下，需保證選用螺栓的規(guī)格盡量一致。通常要求發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器螺栓的有效旋合長度要大于2D。

螺栓設(shè)計(jì)檢查除了要考慮螺栓、擰緊工具與周邊零件的靜態(tài)間隙外，還需要考慮螺栓及擰緊工具在裝配和維修拆卸過程中的操作空間，即螺栓和擰緊工具在行進(jìn)或退出方向與周邊零件的動(dòng)態(tài)間隙，如圖4 所示[2]。在螺栓開始預(yù)裝到螺栓完成緊固整個(gè)操作過程一般要求螺栓及工具扳手與周邊保持3mm 以上的間隙。遇到工具操作空間不滿足的情況，通?？梢圆捎卯a(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提前預(yù)裝螺栓、工具增加加長桿、使用特殊定制工具、做沉孔減少旋合空間或者更改螺栓旋入方向等等方法。但是需要保證的是要在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器裝配操作過程中盡量少的更換擰緊工具或套筒。

圖4 螺栓裝配過程示意圖

在以往的失效案例中發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的螺栓孔位對中度檢查是設(shè)計(jì)時(shí)比較容易忽略的一項(xiàng)檢查內(nèi)容。尤其是在非topdown 設(shè)計(jì)思路下，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器按照自身的坐標(biāo)設(shè)計(jì)，再轉(zhuǎn)化整車坐標(biāo)并圓整后存在一定坐標(biāo)偏差。而不同的3D 設(shè)計(jì)軟件數(shù)模轉(zhuǎn)化也存在誤差，二者累計(jì)疊加造成孔位偏差，影響實(shí)際裝配的精度。因此需在螺栓匹配設(shè)計(jì)中增加“孔位對中”的專項(xiàng)檢查，要求3D 數(shù)模中發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器兩側(cè)孔位軸線偏差小于0.001mm。

此外還需保證緊固螺栓法蘭面與安裝平面貼合，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有拔模斜度的，需保證拔模角度不大于1°，避免螺栓壓偏，造成失效。

2.3 殼體間隙設(shè)計(jì)與檢查

發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器處于工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪或驅(qū)動(dòng)盤（下述僅以飛輪描述）會(huì)伸入到變速器殼體內(nèi)部工作，因此需要保證飛輪與變速器殼體的軸向及徑向間隙滿足設(shè)計(jì)要求，如圖5 所示。由于飛輪在汽車行駛過程中是不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的，為更準(zhǔn)確的評(píng)估飛輪與殼體的間隙，工程師通常會(huì)采用飛輪的包絡(luò)來校核與殼體的間隙。如兩者之間的間隙不滿足要求，需對飛輪或殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)無法優(yōu)化或者優(yōu)化代價(jià)太大時(shí)，需通過尺寸鏈計(jì)算評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，以便最終決策。

圖5 飛輪軸向、徑向檢查示意圖

除發(fā)動(dòng)機(jī)在變速器殼體內(nèi)部的間隙要求外，還需保證發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的外圍零件之間的間隙。一般要求不小于10mm，在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的裝配過程中也要保證此間隙要求。

2.4 花鍵匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器有三種配合結(jié)構(gòu)：光軸類、花鍵類、齒盤類。其中光軸類結(jié)構(gòu)簡單，花鍵類與齒盤類結(jié)構(gòu)類似，精度要求高。下述將以花鍵匹配為例做描述，齒盤類、光軸類結(jié)構(gòu)不做贅述。

對于飛輪與變速器輸入軸的花鍵匹配最為關(guān)鍵的就是軸、孔對中。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與變速器輸入軸同軸才可以滿足高質(zhì)量動(dòng)力輸出的目標(biāo)，同時(shí)也能避免不同軸造成的異響或內(nèi)部零件損壞等不良后果。

飛輪與變速器輸入軸的對中要求可以分為兩種情況，一種是裝配過程中的飛輪花鍵孔與變速器輸入軸的對中要求。此項(xiàng)要求主要受限于雙質(zhì)量飛輪初級(jí)慣量與次級(jí)慣量的結(jié)構(gòu)與尺寸，一旦在裝配過程中軸與孔的對中度偏差超過飛輪的承受范圍，飛輪內(nèi)部的彈簧膜片就會(huì)產(chǎn)生變形，進(jìn)而在工作中發(fā)出異響。這導(dǎo)致花鍵類配合的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器在裝配過程中需要有較高精度的尺寸控制。通常需要根據(jù)產(chǎn)品的自身結(jié)構(gòu)及工裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某叽珂溣?jì)算、分配公差才可以實(shí)現(xiàn)。近年來越來越多的汽車制造商通過采用工作臺(tái)的形式來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的高精度對中裝配，它能夠在有效提高裝配精度的同時(shí)大大提高產(chǎn)品的裝配效率，是未來發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器裝配工藝的趨勢[3]，如圖6 所示。另一種是發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器合裝完成后，動(dòng)力總成工作中曲軸與變速器輸入軸的對中要求。在這種情況下，一旦曲軸與變速器輸入軸的對中精度不滿足要求，軸瓦、曲軸軸頸就會(huì)發(fā)生偏磨，動(dòng)力總成的NVH 及耐久都會(huì)受到影響。一般在雙質(zhì)量飛輪的圖紙中有明確的初級(jí)慣量與次級(jí)慣量的偏心量要求，此項(xiàng)要求即為動(dòng)力總成運(yùn)轉(zhuǎn)中曲軸與變速器的對中要求。而一旦超出雙質(zhì)量飛輪的偏心量要求后，將會(huì)造成旋轉(zhuǎn)的不平衡，影響動(dòng)力總成的正常工作。合裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與變速器輸入軸的對中精度通常由發(fā)動(dòng)機(jī)缸體后端的定位銷來保證，如圖7 所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器裝配工作臺(tái)

圖7 缸體后端定位銷

此外花鍵軸與花鍵孔的有效嚙合長度是花鍵匹配中的另一項(xiàng)重要參數(shù)?；ㄦI軸廠商會(huì)根據(jù)負(fù)載、花鍵齒數(shù)等參數(shù)仿真計(jì)算出最小的有效嚙合長度，并提供相應(yīng)的推薦值。然后飛輪廠商根據(jù)推薦值設(shè)計(jì)花鍵孔的尺寸。在相應(yīng)結(jié)構(gòu)及尺寸確定后，還需要再結(jié)合曲軸的軸向竄動(dòng)量進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算以保證動(dòng)力總成的有效嚙合長度不小于推薦值。

與其他齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一樣，齒形、齒向參數(shù)，側(cè)隙等是影響NVH 的關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行專項(xiàng)的仿真及試驗(yàn)確定，以確保齒輪間的傳遞誤差滿足NVH 要求。

2.5 防水、防塵設(shè)計(jì)

受車輛用途及使用環(huán)境等因素影響，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間不可避免的會(huì)有灰塵或水漬浸入，而一旦異物進(jìn)入過多或停留時(shí)間過長就會(huì)對飛輪造成損壞，輕則引發(fā)異響，重則影響產(chǎn)品的使用壽命。因此發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間密封及排水設(shè)計(jì)就顯的尤為重要。

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間的密封，部分廠商采用了增加金屬擋板的方案，但是目前市場上主流的方案仍是依靠端面密封。一般端面密封要求單密封帶不小于2mm，雙密封帶不小于1mm。在端面無法滿足密封的時(shí)候，需要設(shè)計(jì)單獨(dú)的防塵蓋板以保證密封。需要注意的是防塵蓋板以及端面減重孔設(shè)計(jì)時(shí)要避免形成積水結(jié)構(gòu)。

發(fā)動(dòng)機(jī)或變速器的最底部還會(huì)設(shè)計(jì)排水孔，一般采用迷宮式結(jié)構(gòu)，可以將水排空的同時(shí)避免灰塵、雜物進(jìn)入。

2.6 底部支撐設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的底部支撐需要進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，尤其是采用工作臺(tái)的裝配工藝。如2.4 中所述工作臺(tái)的裝配方式需要較高精度的尺寸控制，因此一般采用機(jī)加平面作為支撐面。同時(shí)為保證支撐牢靠，推薦采用兩面兩銷的固定方式支撐。

3 結(jié)語

（1）本文從端面匹配設(shè)計(jì)，螺栓選型匹配與設(shè)計(jì)檢查，殼體間隙設(shè)計(jì)與檢查，花鍵匹配，防水、防塵設(shè)計(jì)，底部支撐設(shè)計(jì)等6 個(gè)維度詳細(xì)闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的布置匹配設(shè)計(jì)原則及要求，為發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的布置匹配設(shè)計(jì)提供借鑒與參考，進(jìn)而縮短發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的布置匹配設(shè)計(jì)周期，提升動(dòng)力總成產(chǎn)品的開發(fā)質(zhì)量。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器的布置匹配不是簡單的數(shù)模匹配設(shè)計(jì)，而是結(jié)合各類失效案例及應(yīng)用要求不斷從布置搭載維度完善的系統(tǒng)性學(xué)科。隨著科技的發(fā)展和產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器柔性化布置和模塊化匹配將是未來發(fā)展的趨勢。