浅析确定汽车动力总成基准点及姿态角的布置方法

作者:奇瑞汽车股份有限公司 谢为国 汪建安 谷印 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2021-06-15
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汽车动力总成基准点和姿态角选择和确定,对整车设计阶段具有重要的意义,是保证整车项目开发周期的重要一环,是机舱内零部件设计过程的重要边界,也是校核动力总成与机舱内零部件的间隙、法规及功能的基础。采用“动总布置方法”可有效规避设计质量问题。

汽车是一个庞大产业群体,是由多个零部件组装而成,每个零部件的相互关系,直接影响到汽车的质量。本文研究的动力总成布置方法,就是为了让相关零部件在发动机舱内上拥有相应布置位置,规避零部件之间的干涉、磨损及功能上的质量问题。

汽车动力总成包括汽车发动机和变速器(本文仅针对传统燃油车前舱横置动力总成布置)。汽车研发过程中,汽车动力总成对汽车开发具有重要意义,因此,汽车动力总成基准点坐标和姿态角准确与否,直接影响到汽车项目的开发进度和汽车质量。例如在装车验证阶段,因动力总成与机舱左右纵梁干涉,严重影响汽车的功能要求,导致动力总成基准点坐标和姿态角重新调整,对整车项目开发周期和人力成本带来不可估量的损失。本文重点介绍汽车动力总成的布置定义、方法及应用。


整车三维坐标系

指车辆制造厂在最初设计阶段确定的三个正交平面组成的坐标系统( 图1)。Y 基准平面:车辆纵向对称平面;X 基准平面:垂直于Y 基准平面的铅垂平面;Z 基准平面: 垂直于Y 和X 基准平面的水平面。

动力总成基准点及姿态角

整车横置动力总成布置如图2 所示,动力总成基准点及姿态角如图3 所示。动力总成基准点,发动机曲轴中心线和发动机与变速器结合端面的交点O 点 ( 本论文主要以前置前驱横置动力总成为例)。

动力总成姿态角,表示动力总成基准点和动力总成坐标轴围绕整车X 、Y 和Z 坐标轴旋转后所形成的夹角,即α 角、β 角和γ 角。动力总成基准点及姿态角记作方法:(±X、±Y、±Z)(±α °、±β °、±γ °)。


动力总成布置方法及应用

汽车动力总成布置时,需要满足动力总成与周边零部件的间隙要求和性能要求,根据在汽车布置过程中,总结出“动总布置方法”确定汽车动力总成的基准点坐标和姿态角,下面主要介绍“动总布置方法”的考虑维度。根据汽车的产品定义,确定动力总成形式,汽车的前后轮心位置和汽车的地面线(空载、满载和半载)。

1.-X 向布置方法

确定动力总成与车身前挡板空间,主要考虑动态间隙、前舱温度场及碰撞安全(L1、L3)等。如确定汽车+X 方向间隙,如动力总成到前端风扇最小间隙应≥ a mm,避免动力总成在运动过程中干涉(如前排气发动机,应考虑发动机预催高温区的CFD温度场分析);应适当考虑碰撞溃缩空间;如有四点悬置,应预留前悬置的设计空间(图4) 。

2.+X 向布置方法

确定动力总成与汽车前端模块的空间,主要考虑动态间隙、前悬的定义、碰撞安全(L1)等。如确定汽车+X 方向间隙,如动力总成到前挡板隔热垫最小间隙应≥ c mm,此处主要考虑排气预催温度场问题,具体还需CFD流场分析;应适当考虑碰撞溃缩空间。

3.+Y 向布置方法

确定动力总成与前舱右纵梁的空间,主要考虑左侧附件及右纵梁的动态间隙、动力总成上线空间等。如确定汽车+Y 方向间隙,如动力总成到右纵梁最小间隙应≥ b mm,且应预留右悬置、膨胀水箱等布置空间。

4.-Y 向布置方法

确定动力总成与前舱左纵梁的空间,主要考虑右侧附件及左的动态间隙,动力总成上线空间等。如确定汽车-Y 方向间隙,如动力总成到左纵梁最小间隙应≥ d mm,且应预留左悬置、蓄电池和线束搭铁等布置空间。

5.+Z 向布置方法

确定动力总成与发盖之间的空间,主要考虑动态间隙、汽车行人保护、前方下视野等。如确定汽车+Z 方向间隙,如动力总成到发盖外板应≥ i mm 的行人保护要求;且发盖外板高度应满足前方下视野的法规要求和设计目标(图5)。

6.-Z 向布置方法

确定动力总成与汽车地面线的高度,主要考虑最小离地间隙、接近角及台阶保护等。如确定汽车-Z 方向间隙,如动力总成到副车架最小间隙应≥ e mm,且需预留后悬置的设计空间; 如动力总成到满载地面线最小间隙应≥ j mm,考虑台阶保护,如超出轮胎区域,动力总成到满载地面线最小间隙应≥ h mm ;根据销售区域,应按当地道路情况进行调整。

7.α 角布置方法

确定动力总成后倾角,需考虑传动轴夹角的大小,并符合发动机自身允许倾角范围,防止发动机倾角过大,导致发动机自润滑不良或机油更换困难等现象。以上动力总成在发动机舱的各个位置均满足要求后,调整动力总成的姿态角。

收集发动机的在X /Y /Z 三个方向的倾角范围,防止因动力总成侧倾角过大,导致整机润滑不良;收集汽车传动轴的固定节中心、移动节中心参数。

根据以上确定后的动力总成基准点位置,求出变速器的差速器上移动节距点的位置;移动节距点和固定点节距点的连线与变速器差速器轴线形成的夹角,即为传动轴夹角。传动轴夹角一般要求为:设计状态(半载)≤n °,具体需根据设计部门的需求进行调整。

根据以上传动轴设计要求,可对动力总成的α 角、β 角和γ 角进行调整,来满足传动轴夹角的设计要求。

传动轴夹角调整满足后,应绘制出传动轴的包络,用以校核传动轴在运动过程中与周边零部件的间隙是否满足要求(副车架、后悬置、动力总成本体、车身纵梁、稳定杆等)一般要求传动轴包络到周边件间隙应。

校核动力总成的可维修性和日常操作方便性,如机油滤清器更换、机油加注和排放、机油标尺检查空间等。

根据以上步骤反复进行调整动力总成基准点和姿态角,使之满足各项技术要求,最终确定动力总成基准点坐标和姿态角。

8. β 角布置方法

如按照以上方案调整后,传动轴角度无法满足要求时,可适当调整β 角,使传动轴夹角满足要求。(三段式传动轴不适宜β 角调整)

9. γ 角布置方法

如调整α 角和β 角均不满足传动角夹角要求,可尝试调整γ 角。(不建议调整γ 角, 如上述布置空间均满足要求,建议按照以上步骤微调,使传动轴夹角满足要求。)

上述动力总成六个方向和三个角度均满足要求后,动力总成基准点和姿态角布置完成。

10. 动力总成边界输出

根据确定后的动力总成基准点和姿态角,输出布置报告和布置边界,驱动下游部门开展整车零部件设计分析,工艺和性能介入评估动力总成方案影响。如动力总成基准点及姿态角记作方法:(-194、-57、66)(6.3°、0.5 °、0 °)。


结束语

通过“动总布置方法”,可有效确定提高动力总成基准点坐标及姿态角,并全面考虑了动力总成在前舱布置位置应该注意的事项,设计前期确认动力总成的周边间隙、碰撞安全、行人保护、台阶保护、前方视野及动力总成上线装配等问题,本文可有效规避以上等问题,为汽车开发周期和产品质量打下坚实的基础。本文根据前人文献和教材,并通过自己总结和思考,提出一套汽车动力总成确定位置分析的方法,规避汽车设计中出现质量问题,提升产品质量。


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