動(dòng)力總成成車數(shù)模搭載之研究

孫華連 黃治民 林澤湖

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動(dòng)力總成成車數(shù)模搭載之研究

孫華連 黃治民 林澤湖

東南（福建）汽車工業(yè)有限公司

動(dòng)力總成數(shù)模搭載匹配工作的目的在于確實(shí)掌握動(dòng)力總成與已有車體的匹配性與匹配問(wèn)題點(diǎn)。本文針對(duì)動(dòng)力總成與車體數(shù)模搭載匹配過(guò)程進(jìn)行研究，以作為后續(xù)整車動(dòng)力總成改型、新車型開(kāi)發(fā)動(dòng)力總成搭載匹配工作的參考。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，充分利用3D CAD 進(jìn)行布置確認(rèn)可事先掌握與有效地減少實(shí)際動(dòng)力總成搭載時(shí)的問(wèn)題點(diǎn)。

動(dòng)力總成；搭載；數(shù)模

一個(gè)全新車型的開(kāi)發(fā)，需要大量的資金及時(shí)間，因此，一款車型的生命周期一般都比較長(zhǎng)，在其生命周期內(nèi)，盡管為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展進(jìn)行一些變更，但總體結(jié)構(gòu)（車體①、底盤等）不會(huì)發(fā)生太大變化。而作為車輛的心臟，動(dòng)力總成②在科技、成本、排放能耗法規(guī)、客戶群體等因素的要求下，變更的概率比較大。本文主要為研究現(xiàn)有已存在車型變更動(dòng)力總成搭載匹配發(fā)展過(guò)程，為后續(xù)新車型開(kāi)發(fā)或其它已有車型動(dòng)力總成搭載匹配工作提供參考。

1 研究?jī)?nèi)容與方法

動(dòng)力總成成車搭載匹配的發(fā)展工作實(shí)際上與車型開(kāi)發(fā)一樣，包含了方案策劃階段、概念設(shè)計(jì)階段、工程設(shè)計(jì)階段、樣車試驗(yàn)階段、投產(chǎn)啟動(dòng)階段。現(xiàn)研究的是概念設(shè)計(jì)階段，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，為概念設(shè)計(jì)工作提供極好的便捷方式。

概念設(shè)計(jì)階段工作的目的在于確實(shí)掌握動(dòng)力總成與車體的匹配狀況與問(wèn)題點(diǎn)，包括確認(rèn)動(dòng)、靜態(tài)空間間隙、動(dòng)力總成生產(chǎn)線的裝配性、維修性、安全性、動(dòng)力總成周邊件布置設(shè)計(jì)成立性、日常檢查作業(yè)便利性等，并將所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題點(diǎn)回饋到工程設(shè)計(jì)階段，以利后續(xù)零部件細(xì)部設(shè)計(jì)定型。

因車體變更設(shè)計(jì)費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，成車動(dòng)力總成搭載匹配工作以盡量不變更車體原有部件為原則，但對(duì)應(yīng)新動(dòng)力總成要求，與總成匹配的相關(guān)系統(tǒng)，如進(jìn)排氣、空調(diào)系、燃油供給系、操縱控制系、動(dòng)力總成懸置等，因需確保機(jī)能滿足，仍需變更。

動(dòng)力總成成車搭載匹配工作流程詳述如下：

2.1 進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)想討論，確定動(dòng)力總成與車體共用部分及需變更部分。

2.2 建立成車3D數(shù)模，主要包含：發(fā)動(dòng)機(jī)室數(shù)模，安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)的各系統(tǒng)及懸吊、傳動(dòng)系統(tǒng)部件數(shù)模。對(duì)于早期車型，由于當(dāng)初的設(shè)計(jì)均為2D，建立3D數(shù)模較為困難，可以采用逆向方式取得。

2.3建立動(dòng)力總成3D數(shù)模——現(xiàn)在設(shè)計(jì)的動(dòng)力總成，已經(jīng)全部3D化，此部分3D可直接由動(dòng)力總成供應(yīng)商提供。

2.4 在計(jì)算機(jī)上利用CAD軟件（汽車業(yè)常用CATIA）整合動(dòng)力總成并進(jìn)行校核，校核詳細(xì)內(nèi)容如下：

(1) 傳動(dòng)系布置的合理性：傳動(dòng)軸角度、傳動(dòng)軸布置空間校核。

(2) 靜、動(dòng)態(tài)空間間隙確認(rèn)：檢查動(dòng)力總成與車體既匹配相關(guān)系統(tǒng)，以及各系統(tǒng)之間在靜、動(dòng)態(tài)條件下是否存在干涉，間隙是否有足夠的安全距離。需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)以及惡路走行時(shí)的動(dòng)力總成晃動(dòng)等種種狀況。此為，還要考慮到其它系統(tǒng)機(jī)構(gòu)作動(dòng)時(shí)是否會(huì)與動(dòng)力總成發(fā)生干涉。

(3) 裝配作業(yè)性評(píng)估：模擬整車裝配程序中動(dòng)力總成與整車結(jié)合的過(guò)程，檢查過(guò)程中有無(wú)干涉可能,模擬動(dòng)力總成與整車結(jié)合后,各匹配系統(tǒng)的裝配作業(yè)性,記錄潛在的干涉點(diǎn)、難作業(yè)點(diǎn)。

(4) 維修作業(yè)性：整對(duì)售后定期保養(yǎng)項(xiàng)目（如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油及機(jī)油濾清器更換、火花塞更換、發(fā)動(dòng)機(jī)附件皮帶拆裝、傳感器、線束接插件拆裝、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架拆裝），確認(rèn)有無(wú)不易操作處。

(5) 安全性確認(rèn)：確認(rèn)動(dòng)力總成與涉及安全的部件（如制動(dòng)管路、燃油管路等對(duì)運(yùn)動(dòng)部件、熱源有特別要求的保安件）的距離。

(6)動(dòng)力總成周邊相關(guān)部件的布置成立性：確認(rèn)進(jìn)排氣系、冷卻系、供油系、發(fā)動(dòng)機(jī)控制線束、空調(diào)系等在機(jī)能滿足的條件下，布置的順暢性、美觀性。

(7)日常檢查的便利性：確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油尺、變速器潤(rùn)滑油尺等的拔插，機(jī)油添加的便利性，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)碼對(duì)應(yīng)國(guó)家法規(guī)檢查、拓印之便利性。

2.5 設(shè)計(jì)討論：針對(duì)計(jì)算機(jī)CAD模擬校核所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行討論，并擬定對(duì)策。

2.6 修正數(shù)模：根據(jù)設(shè)計(jì)檢查討論后的對(duì)策方案修正數(shù)模，然后再進(jìn)行第2.3、2.4項(xiàng)工作。

2.7 制作樣件：制作修正后之動(dòng)力總成及其與車體匹配各系統(tǒng)之樣件（為驗(yàn)證搭載性，初期部件可使用快速成型件，或采用NC件，可縮減開(kāi)發(fā)時(shí)間及降低模具失敗風(fēng)險(xiǎn)）。

2.8 實(shí)車匹配試裝與確認(rèn)：為了更好的進(jìn)行設(shè)計(jì)工作驗(yàn)證，除了3D數(shù)模校核，還可以進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證（靜態(tài)配線配管，按照嚴(yán)苛的試驗(yàn)規(guī)范實(shí)車走行）等。

2.9 問(wèn)題點(diǎn)確認(rèn)與討論：針對(duì)實(shí)車匹配試裝所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行討論，擬定對(duì)策。

2.10修正設(shè)計(jì)：依據(jù)2.9討論確定之對(duì)策修正設(shè)計(jì)。若僅局部設(shè)計(jì)修正，則該修或重新試作有問(wèn)題之零件，然后再進(jìn)行2.7、2.8項(xiàng)工作；若修正涉及的范圍比較大，需要重新布置相關(guān)匹配系統(tǒng)或動(dòng)力總成本體變更，則需要再進(jìn)行第2.3至第2.9項(xiàng)工作。

2.11最終結(jié)果確認(rèn)：動(dòng)力總成數(shù)模定案，匯整匹配過(guò)程中的問(wèn)題點(diǎn)及對(duì)策履歷以作為下階段工作參考。

2 應(yīng)用實(shí)例

以云內(nèi)動(dòng)力D19 1.9 L高壓共軌柴油搭載于某款輕客車為研究對(duì)象，進(jìn)行上述匹配工作流程。云內(nèi)D19柴油機(jī)是應(yīng)對(duì)國(guó)家能源環(huán)保政策推出的面向乘用車市場(chǎng)的高性能、低能耗、環(huán)保的新一代柴油動(dòng)力總成，某輕型客車為已量產(chǎn)車型，早期曾使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，但控制方式為機(jī)械式，與現(xiàn)在的電子控制差異太大，且目前使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，故對(duì)動(dòng)力總成的搭載造成很大限制，而動(dòng)力總成相關(guān)匹配系統(tǒng)與動(dòng)力總成在設(shè)計(jì)上的相互影響程度亦很高。

本次動(dòng)力總成搭載匹配工作前提：底盤不變，車體大鈑金件原則上不變。

車體及動(dòng)力總成3D數(shù)模如圖1、圖2，其中，車體側(cè)3D為逆向后之模擬邊界，經(jīng)過(guò)初步CAD 3D數(shù)模模擬搭載后（圖3）發(fā)現(xiàn)之重要問(wèn)題有：

(1) EGR閥與右側(cè)鈑金干涉，且阻礙進(jìn)氣管路布置。

(2) 增壓器出口角度不佳，導(dǎo)致進(jìn)氣管布置空間狹小，與車體左縱大梁（車架）干涉。

(3) 機(jī)油尺無(wú)法與中置物盒支架干涉，日常作業(yè)無(wú)法拔出。

(4) 發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼與發(fā)動(dòng)機(jī)托架橫梁（非動(dòng)力總成部件，車體側(cè)，可變更）干涉。

(5) 空調(diào)壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)托架干涉與發(fā)動(dòng)機(jī)廠討論后,對(duì)策為:

① EGR位置變更，且由橫式布置變更為縱向布置。

②增壓器殼體旋轉(zhuǎn)60度（無(wú)需更改模具）。

③機(jī)油尺形狀、朝向變更，改為朝右向。

④發(fā)動(dòng)機(jī)托架設(shè)計(jì)變更（經(jīng)過(guò)評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)變更技術(shù)可行性很小）。

⑤空調(diào)壓縮機(jī)支架變更，壓縮機(jī)高度提升，發(fā)動(dòng)機(jī)托架變更。

圖1 車體邊界圖

圖2 D19TCI動(dòng)力總成

圖3、車體、動(dòng)力總成整合圖

為確認(rèn)動(dòng)態(tài)間隙，可使用ADAMS CAE軟件進(jìn)行動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定各工況下（起步、換檔、轉(zhuǎn)彎、剎車）發(fā)動(dòng)機(jī)的各向運(yùn)動(dòng)量（圖4、圖5）

圖4 動(dòng)力總成-車體整合各工況轉(zhuǎn)動(dòng)最大角度（無(wú)限制狀態(tài)）

圖5 動(dòng)力總成-車體整合各工況轉(zhuǎn)動(dòng)最大平移距離（無(wú)限制狀態(tài)）

動(dòng)力總成按圖6方向組裝，與車體無(wú)干涉發(fā)生，且空間充裕，無(wú)需變更發(fā)動(dòng)機(jī)及車體部件。模擬生產(chǎn)裝配過(guò)程，按圖7流程，生產(chǎn)作業(yè)性無(wú)問(wèn)題，裝配過(guò)程順暢，生產(chǎn)線無(wú)需太大改變。

圖6 動(dòng)力總成/車體組裝過(guò)程

圖7 動(dòng)力總成/車體組裝流程

經(jīng)過(guò)2次數(shù)模修正，動(dòng)力總成及車體配合系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案基本定案，再根據(jù)最終方案試作樣件，然后進(jìn)行實(shí)車匹配試裝。

經(jīng)過(guò)實(shí)車搭載試裝確認(rèn)，發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：

（1）油底殼離地間隙較小，客戶使用有磕碰地面凸起物隱患。

（2）機(jī)油濾清器維護(hù)作業(yè)空間小，需拆卸進(jìn)氣管路方可更換。

上述兩問(wèn)題在3D 數(shù)模模擬搭載時(shí)即經(jīng)發(fā)現(xiàn)，但為了節(jié)省成本，發(fā)動(dòng)機(jī)本體、車體不做變更，考慮目前國(guó)內(nèi)道路的改善，問(wèn)題1對(duì)策為油底殼增加鋼板保護(hù)罩，問(wèn)題點(diǎn)2經(jīng)與服務(wù)單位討論予以接受。

總結(jié)本次動(dòng)力總成搭載匹配工作可以發(fā)現(xiàn)：

（1）與以前本公司其他項(xiàng)目搭載動(dòng)力總成試裝比較，本次試裝工作問(wèn)題明顯減少。

（2）為讓動(dòng)力總成搭載更完善，車體件作出適當(dāng)?shù)淖尣绞潜仨毜模杀拘枰C合考慮。

（3）新車型車體之開(kāi)發(fā)，應(yīng)充分考慮未來(lái)動(dòng)力總成變更之可能，預(yù)留足夠之空間以對(duì)應(yīng)同排量柴油動(dòng)力、或高一排量級(jí)的汽油動(dòng)力（筆者總結(jié)分級(jí)如下：1.0 L以下，1.0~1.3 L, 1.3~1.6 L，1.6~1.8 L, 1.8~2.0 L……）。

4 結(jié)論

(1) 利用3D CAD（如CATIA）數(shù)模進(jìn)行動(dòng)力總成搭載匹配模擬工作可以縮短概念設(shè)計(jì)周期，且在設(shè)計(jì)初期即可清楚了解邊界條件，無(wú)須制作實(shí)體即可多次進(jìn)行搭載優(yōu)化，尋找最佳搭載方案，減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用。因此，建立完整的準(zhǔn)確的3D數(shù)模是首要工作。

(2) 為讓車輛能夠匹配不同型式的動(dòng)力總成，車輛相關(guān)匹配系統(tǒng)得設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的更為周全，更有計(jì)劃性，留足后續(xù)修改所需的余裕量及彈性。反過(guò)來(lái)，為了使動(dòng)力總成能夠較為彈性的匹配不同目標(biāo)車型，動(dòng)力總成本體尺寸應(yīng)該盡量緊湊，發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)布置方案更靈活。

(3) 除了確認(rèn)空間搭載的成立性，搭載匹配模擬亦可以延伸到分析模擬的領(lǐng)域，尤其是動(dòng)力總成性能分析、NVH分析等，使實(shí)車匹配發(fā)展后才顯現(xiàn)的問(wèn)題盡量降到最少，減少投資，縮短時(shí)間。

[1] Ronald Jaklisch Digital Mock up of Yunnei Diesel D19 Engine into Delica & Freeca Vehicle AVL List GMBH 2007

[2] 張小虞,等.汽車工程手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3] 林慶銘.汽車工程學(xué)[M],臺(tái)灣全華科技出版f社,2002.

① 車體：本文特指除開(kāi)動(dòng)力總成之底盤、車身（承載式車身含車架）相關(guān)部件。

② 動(dòng)力總成：本文特指發(fā)動(dòng)機(jī)及傳統(tǒng)系統(tǒng)。

Research of Integrating Powertrain System with Vehicle by Digital Mockup

Sun Hualian，Huang Zhimin, Lin Zehu

(Research and Development Center, Southeast (Fujian) Motor Company，F(xiàn)uzhou 350119, China )

To determine the matching condition and difficulties is essential to integrating powertrain system with vehicle by digital mockup. The process of integrating powertrain system with vehicle by digital mockup is researched to provide data for the integration of new powertrain system or new vehicle model development. It is indicated that installing the powertrain system in the vehicle by using 3D digital mockup can effectively reduce problems that may occur in the actual integration.

powertrain integration; embarking; digital mockup