某平臺(tái)車型機(jī)艙布置研究

崔文賓 鄒鵬

摘 要：文章對(duì)某平臺(tái)車型的機(jī)艙布置設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，系統(tǒng)性地總結(jié)、提出了一種機(jī)艙布置設(shè)計(jì)的方法及流程。布置設(shè)計(jì)過程中，主要考慮動(dòng)力總成定位、驅(qū)動(dòng)軸角度分析、整車熱管理、碰撞安全、平臺(tái)衍生及機(jī)艙布置分塊等，充分考慮影響整車性能及機(jī)艙布置的關(guān)鍵因素。通過此方案完成了某平臺(tái)車型的機(jī)艙布置，達(dá)到了項(xiàng)目開發(fā)目標(biāo)，證明了此方法對(duì)于機(jī)艙平臺(tái)布置具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，能夠縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，同時(shí)能夠保證達(dá)成整車性能目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)艙平臺(tái)布置;動(dòng)力總成定位;驅(qū)動(dòng)軸角度分析;碰撞安全

中圖分類號(hào)：U462.2+2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）22-139-03

Abstract： In this paper， the engine room layout design of a platform vehicle is studied， a systematic summary is made， and a method and process of engine room layout design is proposed. In the process of layout design， the positioning of power assembly， angle analysis of drive shaft， vehicle thermal management， collision safety， platform derivation and the key factors affecting vehicle performance engine room layout are mainly considered. Through this scheme， the engine room layout of a platform model is completed， and the project development goal is achieved. It is proved that this method has strong guiding significance for the engine room platform layout， which can shorten the development cycle， reduce the development cost， and ensure the achievement of the vehicle performance goal.

Keywords： Engine room platform layout; Powertrain positioning; Drive shaft angle analysis; Collision safety

CLC NO.： U462.2+2? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-139-03

1 前言

整車總布置設(shè)計(jì)又稱整車總體設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)的角度大致可以分為機(jī)艙布置、底盤布置、車身布置及人機(jī)工程學(xué)布置等。而發(fā)動(dòng)機(jī)艙由于其中容納的零部件數(shù)量多、空間緊湊、動(dòng)力傳遞過程中存在運(yùn)動(dòng)、管線路走向等，一直是整車總布置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和用戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提升的要求，機(jī)艙布置已經(jīng)不能僅僅滿足于基本的功能性需求，而是向著提升整車性能、實(shí)現(xiàn)緊湊布置、機(jī)艙布置模塊化、美觀大方的方向發(fā)展。

通過對(duì)多款車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行研究并結(jié)合理論分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)艙布置對(duì)整車碰撞性能、熱管理、平臺(tái)車型演化、機(jī)艙美觀性方面等均具有重要影響。本文從機(jī)艙布置入手，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)布置對(duì)碰撞安全性能、熱管理、傳動(dòng)軸角度影響、平臺(tái)車型通用化布置等方面的影響，并提出了機(jī)艙布置美觀化布置的方向，從全局的角度提出了機(jī)艙布置應(yīng)該考慮的因素及限制約束條件。并且通過某一平臺(tái)車型進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了本文提出的方法是正確、有效的，對(duì)于實(shí)際工作具有非常強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

2 動(dòng)力總成初步位置的確定

機(jī)艙布置的實(shí)質(zhì)是確定機(jī)艙內(nèi)零部件的位置。只有動(dòng)力總成的位置初步確定了才能夠開展其他零部件的位置，否則只能是舍本逐末抓不住重點(diǎn)。

動(dòng)力總成Z向位置確定時(shí)，首先應(yīng)該最小離地間隙的要求，考慮到機(jī)艙下方可能會(huì)安裝發(fā)動(dòng)機(jī)護(hù)板可以預(yù)留10-15mm的距離，在滿足上述條件的基礎(chǔ)上，動(dòng)力總成應(yīng)該布置的盡可能低。這樣可以降低車輛的重心，提高操縱性、穩(wěn)定性、減小傳動(dòng)軸角度并且為造型提供了更大的操作空間?？紤]到行人保護(hù)法規(guī)要求，動(dòng)力總成堅(jiān)硬部分到發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板應(yīng)至少76mm。

動(dòng)力總成X向布置時(shí)，通常是將變速器差速器輸出中心布置在輪心前上方位置，并保證隨著載荷的增加差速器中心始終在輪心上方，以保證傳動(dòng)軸角度始終處于較小的范圍。傳動(dòng)軸角度角度過大會(huì)縮短傳動(dòng)軸外向節(jié)的使用壽命、產(chǎn)生振動(dòng)。一般對(duì)于MT車型保證傳動(dòng)軸角度內(nèi)節(jié)角度小于7度，AT車型小于6度。

動(dòng)力總成Y向布置主要受車身縱梁寬度限制，而縱梁寬度與輪距有著重要關(guān)系。動(dòng)力總成Y相定位時(shí)，在滿足傳動(dòng)軸角度要求的前提下，應(yīng)該保證左右半軸長度盡量相同，否則可能出現(xiàn)加速跑偏的問題?？紤]到動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)要求，與左右側(cè)縱梁應(yīng)該保持至少20mm以上。

3 動(dòng)力總成位置對(duì)整車性能影響

某一平臺(tái)車型（前置前驅(qū)）機(jī)艙縱向結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。從前至后依次為保險(xiǎn)杠吸能塊、防撞梁、散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)、前圍并且將上述尺寸標(biāo)注字母。上述各個(gè)尺寸的確定不僅對(duì)于空間布置影響重大，同時(shí)對(duì)于整車性能、模塊化策略均有重大影響。

3.1? 動(dòng)力總成布置對(duì)于高速碰撞的影響

整車產(chǎn)品策劃階段會(huì)確定汽車的碰撞安全目標(biāo)。安全法規(guī)規(guī)定C-NCAP規(guī)定有50km/h正面剛性墻碰撞（18分），64km/h可變形正面偏置碰（18分）和50km/h側(cè)向壁碰撞（18分），鞭打試驗(yàn)（4分）及安全加分項(xiàng)（4分），總計(jì)62分。其中正面碰撞所占比重非常大，若想達(dá)到C-NCAP五星標(biāo)準(zhǔn)具有更高的產(chǎn)品競(jìng)爭力就必須在機(jī)艙布置時(shí)充分考慮高速碰撞吸能區(qū)問題。

高速吸能區(qū)主要為鈑金件的X向長度，其中動(dòng)力總成作為剛性體不吸能。因此車身吸能區(qū)實(shí)質(zhì)為L=B+C+D+E+F，而尺寸F又與動(dòng)力總成侵入駕駛艙的程度有直接關(guān)系，從而影響駕駛員的腿部和胸部傷害值。

某平臺(tái)車型前期定義為C-NCAP碰撞安全五星標(biāo)準(zhǔn)。被動(dòng)安全經(jīng)過計(jì)算推薦尺寸F不小于80mm，總吸能區(qū)長度不小于540mm（B+C+D+E>460）。

3.2? 動(dòng)力總成布置對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)布置影響

傳動(dòng)軸在主減速器與車輪輪轂之間鏈接并傳遞扭矩，輪轂端采用固定萬向節(jié)，主減速器端采用移動(dòng)節(jié)。車輪在跳動(dòng)時(shí)萬向節(jié)的角度不僅時(shí)刻發(fā)生變化而且傳動(dòng)軸的角度也在時(shí)刻變化。傳動(dòng)軸角度直接影響振動(dòng)噪聲和耐久性能;傳動(dòng)軸長度直接影響運(yùn)動(dòng)過程中是否發(fā)生干涉與傳動(dòng)軸能否被拉出。發(fā)動(dòng)機(jī)詳細(xì)布置階段需要精確確定各個(gè)工況下傳動(dòng)軸角度和長度的變化，并是在極限工況下也能滿足要求。

傳動(dòng)軸角度初步布置時(shí)一般要求半軸內(nèi)節(jié)角度在6度（AT車型）以內(nèi)。精確布置時(shí)需要建立前懸架的運(yùn)動(dòng)模型精確模擬各個(gè)工況下傳動(dòng)軸位移擺角曲線，以使各個(gè)工況下的傳動(dòng)軸位移、角度均落于圖2要求的區(qū)間內(nèi)，并預(yù)留一定的安全系數(shù)。

以某平臺(tái)車型前懸架（麥弗遜懸架）為例，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。其輪胎上跳極限為90mm，下調(diào)極限為80mm，齒條總行程為136mm。運(yùn)動(dòng)模型中包括輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)、下控制臂、橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向拉桿、驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)節(jié)、半軸及穩(wěn)定桿拉桿。

應(yīng)用上述模型模擬車輪跳動(dòng)的各個(gè)工況，并輸出每一個(gè)工況下各個(gè)時(shí)刻固定節(jié)中心點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)中心點(diǎn)的坐標(biāo)。在MATLAB軟件中繪制出工況下移動(dòng)節(jié)的位移、轉(zhuǎn)角曲線。通過調(diào)整動(dòng)力總成輸出點(diǎn)（移動(dòng)節(jié)中心點(diǎn)）及傳動(dòng)軸長度，可以優(yōu)化出移動(dòng)節(jié)位移、擺角曲線完全落于圖2要求的范圍內(nèi)。

3.3? 動(dòng)力總成布置與機(jī)艙熱管理要求

發(fā)動(dòng)機(jī)艙集成了動(dòng)力總成、供油、進(jìn)氣、散熱、制動(dòng)、電控等關(guān)鍵系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，高負(fù)荷下排氣歧管、催化轉(zhuǎn)換器表面溫度達(dá)到600度以上，配有渦輪增壓器的設(shè)置可以達(dá)到800度。熱敏感元件（ECU、ABS、風(fēng)扇電機(jī)及其他橡膠件）布置時(shí)，應(yīng)該充分機(jī)艙熱管理要求，保持合適的間隙，同時(shí)應(yīng)用CFD仿真分析進(jìn)行校驗(yàn)。

3.4 動(dòng)力總成布置與平臺(tái)車型衍生

發(fā)動(dòng)機(jī)艙作為平臺(tái)化衍生最重要的一個(gè)位置，在前期布置階段就要充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)艙的通用化。前期總體設(shè)計(jì)階段主要通過市場(chǎng)及策劃部門的輸入及充分考慮現(xiàn)有平臺(tái)動(dòng)力總成資源，在滿足整車總體性能目標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行布置分析。對(duì)于動(dòng)力總成平臺(tái)布置平臺(tái)車型衍生，主要是考慮不同排量、不同尺寸的動(dòng)力總成均能夠滿足上述提供的動(dòng)力總成定位、安全碰撞、傳動(dòng)軸夾角設(shè)計(jì)及熱管理等性能要求，并預(yù)留一定的尺寸帶寬。滿足在同平臺(tái)上衍生出不同性能的車型，提升產(chǎn)品豐富性、降低成本、縮短開發(fā)周期。

3.5 機(jī)艙布置分塊研究

機(jī)艙作為整車內(nèi)部最復(fù)雜、容納零部件最多的位置，還有很多的水管、線束、制動(dòng)管等。在動(dòng)力總成基本定位完成滿足主要性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，還要對(duì)機(jī)艙分塊進(jìn)行規(guī)劃。機(jī)艙分塊規(guī)劃主要考慮以下幾個(gè)方面：（1）低壓蓄電池及保險(xiǎn)絲盒布置時(shí)應(yīng)考慮避開高速碰撞潰縮區(qū)域，以便在碰撞過后能夠滿足低壓供電的要求;（2）空氣濾清器應(yīng)具有足夠的空間，滿足平臺(tái)不同動(dòng)力總成進(jìn)去需求;（3）應(yīng)便于水管、線束、制動(dòng)管路、冷卻管路等走線及固定，滿足美觀性要求。在充分考慮上述要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)充分對(duì)標(biāo)市場(chǎng)生成熟產(chǎn)品的布置方案，不斷優(yōu)化。

4 案例應(yīng)用分析

某乘用車產(chǎn)品主要尺寸參數(shù)如下，該車型為一款全新的平臺(tái)首款車型，共匹配三款動(dòng)力總成，分別為1.0L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)、1.2L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和1.5L渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，搭載6速手動(dòng)變速器和7速雙離合自動(dòng)變速器。滿足整車熱管理開發(fā)目標(biāo)，整車安全目標(biāo)為2018版C-NCAP五星要求。

應(yīng)用上文提出的方法進(jìn)行機(jī)艙布置設(shè)計(jì)和主要性能分析后，傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)軸動(dòng)態(tài)夾角小于5.2°。高速碰撞區(qū)域吸能空間合理且實(shí)現(xiàn)了緊湊化的布置，CAE仿真及OTS樣車摸底測(cè)試實(shí)現(xiàn)了五星目標(biāo)。能夠同時(shí)兼容多款動(dòng)力總成，平臺(tái)兼容性好。降低了開發(fā)成本、縮短了開發(fā)周期，綜合取得了良好的效果。

5 結(jié)論

從整車性能及平臺(tái)建立的角度，系統(tǒng)、全面地提出一種機(jī)艙布置設(shè)計(jì)的方法，明確了平臺(tái)化機(jī)艙布置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)及主要流程。設(shè)計(jì)過程中充分考慮動(dòng)力總成定位、驅(qū)動(dòng)軸角度分析、整車熱管理、整車碰撞安全及行人保護(hù)、平臺(tái)衍生及機(jī)艙布置分塊等，對(duì)于機(jī)艙布置設(shè)計(jì)及平臺(tái)分析具有較好的指導(dǎo)意義。目前該方法已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際車型開發(fā)過程中，取得了很好的效果。

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