某平臺車型機艙布置研究

崔文賓 鄒鵬

摘 要：文章對某平臺車型的機艙布置設計進行了研究，系統性地總結、提出了一種機艙布置設計的方法及流程。布置設計過程中，主要考慮動力總成定位、驅動軸角度分析、整車熱管理、碰撞安全、平臺衍生及機艙布置分塊等，充分考慮影響整車性能及機艙布置的關鍵因素。通過此方案完成了某平臺車型的機艙布置，達到了項目開發目標，證明了此方法對于機艙平臺布置具有較強的指導意義，能夠縮短開發周期、降低開發成本，同時能夠保證達成整車性能目標。

關鍵詞：機艙平臺布置;動力總成定位;驅動軸角度分析;碰撞安全

中圖分類號：U462.2+2? 文獻標識碼：A? 文章編號：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

整車總布置設計又稱整車總體設計，從設計的角度大致可以分為機艙布置、底盤布置、車身布置及人機工程學布置等。而發動機艙由于其中容納的零部件數量多、空間緊湊、動力傳遞過程中存在運動、管線路走向等，一直是整車總布置設計的難點。隨著我國汽車產業的升級和用戶對產品質量提升的要求，機艙布置已經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、實現緊湊布置、機艙布置模塊化、美觀大方的方向發展。

通過對多款車型的發動機艙進行研究并結合理論分析，發現機艙布置對整車碰撞性能、熱管理、平臺車型演化、機艙美觀性方面等均具有重要影響。本文從機艙布置入手，分析了發動機布置對碰撞安全性能、熱管理、傳動軸角度影響、平臺車型通用化布置等方面的影響，并提出了機艙布置美觀化布置的方向，從全局的角度提出了機艙布置應該考慮的因素及限制約束條件。并且通過某一平臺車型進行了驗證，證明了本文提出的方法是正確、有效的，對于實際工作具有非常強的指導意義。

2 動力總成初步位置的確定

機艙布置的實質是確定機艙內零部件的位置。只有動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。

動力總成Z向位置確定時，首先應該最小離地間隙的要求，考慮到機艙下方可能會安裝發動機護板可以預留10-15mm的距離，在滿足上述條件的基礎上，動力總成應該布置的盡可能低。這樣可以降低車輛的重心，提高操縱性、穩定性、減小傳動軸角度并且為造型提供了更大的操作空間。考慮到行人保護法規要求，動力總成堅硬部分到發動機罩外板應至少76mm。

動力總成X向布置時，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，以保證傳動軸角度始終處于較小的范圍。傳動軸角度角度過大會縮短傳動軸外向節的使用壽命、產生振動。一般對于MT車型保證傳動軸角度內節角度小于7度，AT車型小于6度。

動力總成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系。動力總成Y相定位時，在滿足傳動軸角度要求的前提下，應該保證左右半軸長度盡量相同，否則可能出現加速跑偏的問題。考慮到動力總成運動要求，與左右側縱梁應該保持至少20mm以上。

3 動力總成位置對整車性能影響

某一平臺車型（前置前驅）機艙縱向結構示意如圖1所示。從前至后依次為保險杠吸能塊、防撞梁、散熱器、發動機、前圍并且將上述尺寸標注字母。上述各個尺寸的確定不僅對于空間布置影響重大，同時對于整車性能、模塊化策略均有重大影響。

3.1? 動力總成布置對于高速碰撞的影響

整車產品策劃階段會確定汽車的碰撞安全目標。安全法規規定C-NCAP規定有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側向壁碰撞（18分），鞭打試驗（4分）及安全加分項（4分），總計62分。其中正面碰撞所占比重非常大，若想達到C-NCAP五星標準具有更高的產品競爭力就必須在機艙布置時充分考慮高速碰撞吸能區問題。

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

某平臺車型前期定義為C-NCAP碰撞安全五星標準。被動安全經過計算推薦尺寸F不小于80mm，總吸能區長度不小于540mm（B+C+D+E>460）。

3.2? 動力總成布置對于傳動系統布置影響

傳動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，主減速器端采用移動節。車輪在跳動時萬向節的角度不僅時刻發生變化而且傳動軸的角度也在時刻變化。傳動軸角度直接影響振動噪聲和耐久性能;傳動軸長度直接影響運動過程中是否發生干涉與傳動軸能否被拉出。發動機詳細布置階段需要精確確定各個工況下傳動軸角度和長度的變化，并是在極限工況下也能滿足要求。

傳動軸角度初步布置時一般要求半軸內節角度在6度（AT車型）以內。精確布置時需要建立前懸架的運動模型精確模擬各個工況下傳動軸位移擺角曲線，以使各個工況下的傳動軸位移、角度均落于圖2要求的區間內，并預留一定的安全系數。

以某平臺車型前懸架（麥弗遜懸架）為例，建立運動學模型。其輪胎上跳極限為90mm，下調極限為80mm，齒條總行程為136mm。運動模型中包括輪轂、轉向節、下控制臂、橫向穩定桿、轉向拉桿、驅動軸移動節、半軸及穩定桿拉桿。

應用上述模型模擬車輪跳動的各個工況，并輸出每一個工況下各個時刻固定節中心點和移動節中心點的坐標。在MATLAB軟件中繪制出工況下移動節的位移、轉角曲線。通過調整動力總成輸出點（移動節中心點）及傳動軸長度，可以優化出移動節位移、擺角曲線完全落于圖2要求的范圍內。

3.3? 動力總成布置與機艙熱管理要求

發動機艙集成了動力總成、供油、進氣、散熱、制動、電控等關鍵系統，發動機工作時產生大量的熱，高負荷下排氣歧管、催化轉換器表面溫度達到600度以上，配有渦輪增壓器的設置可以達到800度。熱敏感元件（ECU、ABS、風扇電機及其他橡膠件）布置時，應該充分機艙熱管理要求，保持合適的間隙，同時應用CFD仿真分析進行校驗。

3.4 動力總成布置與平臺車型衍生

發動機艙作為平臺化衍生最重要的一個位置，在前期布置階段就要充分考慮發動機艙的通用化。前期總體設計階段主要通過市場及策劃部門的輸入及充分考慮現有平臺動力總成資源，在滿足整車總體性能目標的基礎上進行布置分析。對于動力總成平臺布置平臺車型衍生，主要是考慮不同排量、不同尺寸的動力總成均能夠滿足上述提供的動力總成定位、安全碰撞、傳動軸夾角設計及熱管理等性能要求，并預留一定的尺寸帶寬。滿足在同平臺上衍生出不同性能的車型，提升產品豐富性、降低成本、縮短開發周期。

3.5 機艙布置分塊研究

機艙作為整車內部最復雜、容納零部件最多的位置，還有很多的水管、線束、制動管等。在動力總成基本定位完成滿足主要性能指標的基礎上，還要對機艙分塊進行規劃。機艙分塊規劃主要考慮以下幾個方面：（1）低壓蓄電池及保險絲盒布置時應考慮避開高速碰撞潰縮區域，以便在碰撞過后能夠滿足低壓供電的要求;（2）空氣濾清器應具有足夠的空間，滿足平臺不同動力總成進去需求;（3）應便于水管、線束、制動管路、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上，還應充分對標市場生成熟產品的布置方案，不斷優化。

4 案例應用分析

某乘用車產品主要尺寸參數如下，該車型為一款全新的平臺首款車型，共匹配三款動力總成，分別為1.0L渦輪增壓發動機、1.2L渦輪增壓發動機和1.5L渦輪增壓發動機，搭載6速手動變速器和7速雙離合自動變速器。滿足整車熱管理開發目標，整車安全目標為2018版C-NCAP五星要求。

應用上文提出的方法進行機艙布置設計和主要性能分析后，傳動軸驅動軸動態夾角小于5.2°。高速碰撞區域吸能空間合理且實現了緊湊化的布置，CAE仿真及OTS樣車摸底測試實現了五星目標。能夠同時兼容多款動力總成，平臺兼容性好。降低了開發成本、縮短了開發周期，綜合取得了良好的效果。

5 結論

從整車性能及平臺建立的角度，系統、全面地提出一種機艙布置設計的方法，明確了平臺化機艙布置設計的重點及主要流程。設計過程中充分考慮動力總成定位、驅動軸角度分析、整車熱管理、整車碰撞安全及行人保護、平臺衍生及機艙布置分塊等，對于機艙布置設計及平臺分析具有較好的指導意義。目前該方法已經應用到實際車型開發過程中，取得了很好的效果。

參考文獻

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