汽車發(fā)動機的布局及性能影響

王 謙

(河南安鋼物流有限公司，河南 安陽 455000)

0 引言

汽車發(fā)動機的發(fā)展已有超過100年的歷史，但是為了滿足現(xiàn)代化發(fā)展的需要，發(fā)動機的設計、制造、布置以及性能等方面的技術水平需要不斷提高，其中發(fā)動機的布置形式受到大眾廣泛的關注[1]。本文主要研究的是前置發(fā)動機橫置和縱置布局對汽車性能的影響，全文將以對比的形式展開分析。

1 發(fā)動機的前橫置和前縱置

發(fā)動機是一輛汽車的動力源，是汽車上不可缺少的部件，除去發(fā)動機自身的參數(shù)，其布局方式也影響著汽車的性能。當今社會最常見的家用轎車大多采用的是前置發(fā)動機，發(fā)動機前置即將發(fā)動機布置在汽車前軸之上或之前。發(fā)動機的前置大大簡化了動力的傳遞過程，直接將動力傳輸給前驅(qū)動輪，不但增加了動力的傳動效率，也大大降低了汽車的整備質(zhì)量。除此之外，汽車發(fā)動機以及其他部件安裝在駕駛員的前面，當汽車正面發(fā)生碰撞時，發(fā)動機等其他的機艙零件可以吸收大部分的沖擊力，從而減少對駕駛員和前排乘客的傷害，提高汽車的行駛安全性。常見的發(fā)動機前置主要是前橫置和前縱置。圖1所示為發(fā)動機前縱置的示意圖。

圖1 發(fā)動機前縱置示意圖

1.1 汽車發(fā)動機的前橫置

汽車前置發(fā)動機的橫置是指發(fā)動機的汽缸排列方向與汽車的前車軸平行。前橫置的發(fā)動機側(cè)向安置于發(fā)動機艙內(nèi)，這種布置形式將變速器和差速器合為一體，安裝在一個緊湊的變速驅(qū)動橋殼體中，變速驅(qū)動橋殼體固定在發(fā)動機上。發(fā)動機橫置可以減小發(fā)動機艙的容積和汽車的總質(zhì)量。前置發(fā)動機橫向布置有利于減少汽車尺寸，降低汽車重心和減輕汽車質(zhì)量，由于汽車的大部分質(zhì)量在前部，為增大驅(qū)動車輪的牽引力提供了條件，也對前懸架和制動器施加了較大載荷。

發(fā)動機橫置前輪驅(qū)動的轎車，發(fā)動機的曲軸、變速箱的輸入輸出軸、前輪半軸的軸線雖然在幾何位置不重合，但是動力傳遞的方向并沒有發(fā)生太大變化，并且動力可以通過錐齒輪直接傳遞到半軸，效率相對發(fā)動機縱置(無論是前驅(qū)還是后驅(qū))的汽車來說較高。另外橫向布置的發(fā)動機、變速器、差速器等結(jié)構(gòu)安裝精確緊湊，所占用的發(fā)動機室空間較小。另一方面，因為發(fā)動機橫向布置，發(fā)動機艙所占的縱向空間縮減，駕駛室內(nèi)的空間就有所提升，特別是前排的乘坐空間，這對那些本身尺寸不大又要求有一定乘坐空間的緊湊型車至關重要。

1.2 汽車發(fā)動機的前縱置

發(fā)動機縱置是指發(fā)動機縱向放置在發(fā)動機艙內(nèi)，發(fā)動機的曲軸平行于汽車的縱軸。發(fā)動機縱置的布局形式大都被用于大排量、大級別的車型，而且這些車一般采用的是后驅(qū)或四驅(qū)的驅(qū)動方式。

當汽車采用發(fā)動機前縱置布局形式時，汽車前部的空間就被發(fā)動機、變速箱、前懸架結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向等裝置占據(jù)，而汽車后部的空間就被差速器和后懸架結(jié)構(gòu)占據(jù)。這種布置形式的優(yōu)勢就是汽車的前后輪可以均攤汽車的總質(zhì)量，這樣可使汽車的轉(zhuǎn)向力得到減輕，另外制動載荷的受力狀態(tài)也更加均衡。除此之外，這種布置結(jié)構(gòu)可以使汽車的發(fā)動機、懸架、差速器以及傳動軸相互獨立安裝和拆卸，檢測和維修比較方便[2]。發(fā)動機前縱置的汽車需要比較多的空間來安置縱向布置的發(fā)動機，而且乘員的空間也會因為傳動軸和差速器的裝配而減少。

2 發(fā)動機的橫置與縱置對汽車性能的影響

發(fā)動機的布局形式既然有橫置和縱置之分，對汽車幾個主要性能的影響也各有優(yōu)劣，但優(yōu)勢和劣勢不是絕對的，下面詳細介紹汽車的有效牽引力、傳動效率、空間布置、懸架結(jié)構(gòu)等性能與發(fā)動機布局形式的影響關系。

2.1 汽車有效牽引力

發(fā)動機的有效牽引力是指發(fā)動機輸出的總動力中被用來真正驅(qū)動汽車前行的那部分牽引力。其實無論是哪種布局形式的汽車在加速狀態(tài)下由于慣性作用汽車的重心都會向后方轉(zhuǎn)移，這就會使汽車前輪的地面法向反作用力Fz1減小，而后輪的地面法向反作用力Fz2增大。驅(qū)動汽車行駛的地面切向反作用力公式[3]為

Fx=Fz×φ

式中Fx—驅(qū)動汽車行駛的地面切向反作用力；

Fz—車輪的地面法向反作用力，N；

φ—附著系數(shù)。

Fx1為前輪的地面切向反作用力，單位N；Fx2為后輪的地面切向反作用力，單位N。則汽車在加速時Fx2增大Fx1減小。而地面的靜摩擦力與車輪的地面切向反作用力是相等的，靜摩擦力越大車輪越不容易打滑，有效牽引力就更大。但對于前置發(fā)動機前驅(qū)的汽車來說，無論發(fā)動機是縱置還是橫置，發(fā)動機的重心都在汽車前面，慣性作用產(chǎn)生的影響區(qū)別不大。

很多車型的發(fā)動機艙都能橫放一臺V6發(fā)動機，但對于功率大一些的V8發(fā)動機，沒有哪一個車型能夠很隨意地做到將其橫置在發(fā)動機艙內(nèi)。對于更大功率的V10、V12、W16發(fā)動機來說，只能采用縱置的布置方式。因此如果一輛車追求的是大功率、大排量并擁有較大的牽引力時，那么其所采用的發(fā)動機缸數(shù)肯定比較多，其發(fā)動機的布局形式也就趨向于縱置。

通過上面的分析可知，發(fā)動機橫置時因為傳動效率的升高將會有更多的牽引力用來驅(qū)動汽車。

2.2 傳動效率

發(fā)動機前置的汽車在設計時，無論發(fā)動機是橫向布置還是縱向布置，都會盡量減少傳動距離和傳動機械零件。發(fā)動機與汽車驅(qū)動輪之間的距離越近，相對的傳動距離也就越小，傳動效率就越高。發(fā)動機與驅(qū)動輪之間用于傳動的或者改變方向的裝置越少，傳動過程中的損耗就少，傳動效率就高。

2.3 汽車空間性能及懸架結(jié)構(gòu)

汽車發(fā)動機的大小以及布置方式會對發(fā)動機艙的空間布置有很大的影響，發(fā)動機占據(jù)空間的大小會影響到懸架的結(jié)構(gòu)與性能。汽車懸架的作用是吸收汽車在道路上行駛時所產(chǎn)生的各種振動或者沖擊，在確保乘坐舒適感和行車安全的同時保護車身。懸架主要由負責緩沖的彈簧，衰減、調(diào)節(jié)彈簧振動的減震器，以及轉(zhuǎn)向時減少汽車側(cè)滑、側(cè)傾的導向裝置組成。懸架的結(jié)構(gòu)越復雜，所需要的空間就越大，如搭配有可調(diào)剛度及高度的空氣彈簧和可調(diào)阻尼減振器的雙橫臂、多連桿的懸架結(jié)構(gòu)就會占據(jù)更多的空間。

3 結(jié)語

就像每個事物都有他的兩面性一樣，發(fā)動機縱置或者橫置都有各自的優(yōu)點和缺點。無論發(fā)動機縱置還是橫置，都沒有絕對的好壞之分，“尺有所短，寸有所長”，沒有好壞，只有適不適合，因此，無論哪款發(fā)動機在不同的車型上都有不同的表現(xiàn)。

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