乘用車發動機艙關鍵零部件的布置研究

王靖元,楊新明,張勇

(奇瑞汽車股份有限公司鄂爾多斯分公司，內蒙古鄂爾多斯 017000)

乘用車發動機艙關鍵零部件的布置研究

王靖元,楊新明,張勇

(奇瑞汽車股份有限公司鄂爾多斯分公司，內蒙古鄂爾多斯 017000)

乘用車發動機艙布置了整車的心臟-動力總成，以及進氣系統、排氣系統、冷卻系統、燃油系統、懸置系統、蓄電池、轉向系統、制動系統、空調系統以及各系統相關的管路附件等。在前艙有限的空間里不僅要擺放下這些部件，還要考慮到發動機的高溫給周圍部件所帶來的影響，以及運動部件之間可能發生的靜態或動態干涉，還要滿足相關法律法規的要求，所以各系統部件在前艙中的合理布置就顯得尤為重要和關鍵。主要闡述了動力總成及主要系統在布置中應考慮的因素。

乘用車； 發動機艙； 動力總成； 布置

Abstract:In passenger car’s engine bay, there was packaged the vehicle’s heart-engine assembly, and air intake system, exhaust system, cooling system, fueling system, engine mounting brackets, battery, steering system, brake system, air-conditioning system, and all kinds of pipelines etc. In such limited space, not only all of these parts should be packaged, but also the effect of engine’s high temperature, basic dynamic and static clearance should be considered, and law requirements should be met. So, it is very important for logical package. It was mainly described which factors should be considered in engine bay package .

Keywords:Passenger car; Engine-bay; Engine assembly; Package and layout

0 前言

在乘用車的總布置設計中，發動機艙的布置是最復雜的總布置區域，因為這里容納了最多的零部件總成和系統，如發動機、變速箱、傳動系、發動機進排氣系統、冷卻系統、電氣系統、制動系統、轉向系統以及連接各個零部件之間的管路和線束等。在乘用車開發設計或改型設計時，最基礎的工作就是確定動力總成在前艙中的位置，而其核心問題就是確認動力總成及附件與各大系統部件之間的合理間隙，這就需要了解哪些因素會對發動機艙的總體布置產生影響。

因此，對布置動力總成時應該考慮的各項因素進行分析，確認各間隙的具體數值，具有普遍的理論意義和迫切的實際意義。

1 動力總成的布置

動力總成為發動機和變速箱(含離合器)的合稱，它主要用于給整車提供動力，俗稱汽車的"心臟"。動力總成的基本性能在很大程度上決定了整車的基本性能。為了使動力總成能與其周邊件和諧共存于整車有限的空間里，從而保證整車部件，包括動力總成本身能最好地發揮它們的性能為整車服務，所以動力總成的布置是前艙布置的關鍵。

1.1 動力總成常見的布置型式

(1)動力總成橫置式

動力總成布置在前艙，橫置，發動機在右，變速箱在左。這種形式是目前轎車最常見的形式，見圖1。

(2)動力總成縱置式

動力總成布置在前艙，縱置，發動機在前，變速箱在后面。此種形式是由于動力總成軸向尺寸比較大，如果橫置的話，由于車身寬度有限將布置不下，見圖2。

(3)動力總成中置式

動力總成布置在車中部，一般多為平頭車用，因為它幾乎沒有前艙空間。如奇瑞H11的布置形式，動力總成中置，位于前排座椅正下方，見圖3。

(4)動力總成后置式

如奔馳Smart車型，由于前艙和中部均沒有空間，動力總成只能布置在后部(見圖4)。

1.2 動力總成布置型式的選擇

就一款新車型而言，對于布置形式沒有特殊要求，主要從兩方面來選擇：

(1)參考同類車型，可以考慮借鑒其布置形式；

(2)要考慮所選擇的布置形式是否能滿足布置要求，詳見下一節。

1.3 動力總成的布置要求

1.3.1 動力總成本身的性能要求

動力總成布置在整車坐標系中，涉及到其姿態的確定，這個姿態會影響動力總成整體性能的發揮：

α角為發動機繞y軸的轉角，見圖5；β角為發動機繞x軸的轉角，見圖6；γ角為發動機繞z軸的轉角，見圖7。

圖5α角

圖6β角

圖7γ角

通常，對這3個角度的要求為：α≤5°，β≤3°，γ≤3°。

1.3.2 傳動軸的工作角度要求

傳動軸的工作角度跟動力總成在整車中的位置密切相關。通常，傳動軸的工作角度要求為：設計狀態(常為半載)A≤7°；其他狀態A≤22°。布置動力總成的時候，可以通過不斷調整動力總成的位置和姿態角來校核傳動軸的工作角度是否滿足要求，直到滿足為止，這是一個反復的過程。

1.3.3 動力總成與周邊件的間隙要求

發動機艙內零件之間的距離通常有3種，即兩個靜止零件之間的距離、靜止零件和運動零件之間的距離、兩個運動零件之間的距離[1]。對于第一種情況，兩者之間的(靜態)距離最好大于10 mm，否則需要對它們之間的尺寸鏈進行計算核查，5 mm是最小的間隙；對于第二種情況，二者之間的最小靜態距離為25 mm，最小動態距離為15 mm；對于第三種情況，二者之間的最小靜態距離為30 mm，最小動態距離為15 mm。動態距離的計算通常采用動態包絡法進行檢查。

動力總成各部分與周邊件的間隙沒有硬性規定，都只是經驗值，具體見表1。

表1 動力總成與周邊件間隙經驗值列表

1.3.4 相關部件的維修、更換方便性的要求

發動機艙內有一些易損件如大燈燈泡、保險絲等，還有一些零部件需要定期拆卸更換，如空濾濾芯、機油濾清器等。在做布置的時候，需要認真分析這些零部件的維修方便性，以節約更換這些部件的作業時間，減輕作業人員的勞動強度。

發動機艙內需要考慮維修方便性的主要零部件及其布置要求見表2。

表2 發動機艙內需要考慮維修方便性的主要零部件及其布置要求

續表2

1.3.5 零部件工作環境溫度要求

由于發動機在運轉過程中會產生大量的熱，并通過發動機艙內氣流對流的方式或者直接輻射的方式傳遞給周圍的零件，使它們的溫度也隨著升高。而無論是金屬材料還是其他非金屬材料對溫度均有不同的反應，尤其是非金屬材料，超過一定的溫度會表現出較常溫下較大的性能變化。

1.3.5.1 橡膠管

橡膠管需要布置在遠離熱源、通風良好的區域，以降低橡膠管因溫度過高導致的溶化、快速老化等可能導致重大破壞事故的風險。一般冷卻系統橡膠管工作溫度不能超過120 ℃，真空助力器軟管工作溫度不能超過100 ℃，真空管工作溫度不能超過120 ℃。

一般橡膠管與三元、排氣歧管裝飾罩之間的最小間隙應不小于60 mm。

1.3.5.2 引氣口

進氣溫度高，氣體密度小，進氣量會變小，直接影響發動機的燃油經濟性和整車動力性。因此，進氣溫度應控制在合適的范圍內，一般要求引氣口處溫度在40 ℃以下(理想值25 ℃)。汽車長時間工作時，發動機艙內平均溫度會達到80 ℃以上，因此，應盡可能將引氣口布置到發動機艙外，如發蓋與前保之間和發動機艙縱梁外側，這樣可以保證引氣口的進氣溫度是環境溫度。

1.3.5.3 ABS/ESP+制動管路

制動系統工作環境溫度應不高于120 ℃。雖然制動液沸點在180 ℃，但是制動液溫度高于120 ℃后對制動系統內的橡膠件有影響，也容易引起制動氣阻。因此，ABS/ESP及制動管路應布置在遠離熱源的位置，制動管路周邊通風性要好。

1.3.5.4 燃油管

燃油尼龍管和橡膠管分別能承受150 ℃和120 ℃的高溫，但是燃油溫度不能超過60 ℃(燃油溫度過高汽油揮發大，容易形成氣阻)，因此燃油管工作環境溫度一般不能超過 90 ℃。同時，燃油管要盡最大可能遠離排氣系統，防止燃油過熱。

1.3.5.5 換擋拉線

換擋拉線工作環境溫度應不高于 120 ℃，換擋拉線長時間在高溫環境下工作會導致拉線潤滑脂燒結，換擋拉線被卡死，出現換擋操縱困難或無法換擋的問題。換擋拉線與排氣三元催化反應器、排氣管最小間隙應不小于60 mm，周邊要保證通風。

1.3.5.6 蓄電池

蓄電池的正常工作溫度是在-30 ℃～80 ℃，最佳工作溫度在53 ℃以下，蓄電池工作溫度過高會嚴重影響蓄電池的壽命，所以在布置蓄電池時需要考慮蓄電池所處位置的溫度，或做適當的隔熱處理。目前某公司部分車型采用蓄電池護套進行隔熱，以保證蓄電池在正常溫度環境下工作。

1.3.5.7 電器盒

電器盒中主要包含保險絲和繼電器兩種電子器件，兩種電器件在工作過程中都會散熱，所以在進行電器盒布置時，同樣需要考慮電器盒的散熱，以防止盒內電子器件過熱燒壞。 電器盒工作環境溫度范圍為-40 ℃～80 ℃，故要求電器盒布置盡可能遠離排氣系統。

1.3.5.8 轉向機

一般轎車用轉向器的工作溫度范圍是：-35～120 ℃，若長時間在高溫環境下工作，機械轉向機內潤滑脂會變質，轉向機內橡膠件會快速老化，影響轉向機品質和壽命；液壓助力轉向機內液壓油溫度過高，導致橡膠件快速老化，油路產生氣阻，并可能產生轉向機異響、噪聲過大等問題。一般要求轉向機與排氣部件最小間隙不小于 60 mm，為加裝隔熱罩預留足夠布置空間。液壓助力轉向系統轉向管路允許工作溫度為-40 ℃～100 ℃ ，瞬時耐熱120 ℃。

1.3.5.9 傳動軸

傳動軸護套工作環境溫度應不高于100 ℃，長時間在高溫環境下工作，傳動軸護套易老化，破裂，失去對傳動軸移動節的保護作用，導致移動節異常磨損，嚴重影響傳動軸工作壽命。傳動軸與排氣部件的最小間隙應不小于50 mm，以給排氣部件預留加裝隔熱罩的空間。

1.3.5.10 線束及插接頭

工作溫度：在-40～130 ℃中的不同溫度能正常工作。

1.3.6 法律法規要求[2]

隨著NCAP在各個國家的傳播和應用，汽車對行人的保護成為新產品開發的重要研究內容之一。按照目前較為流行的ENCAP安全條約，需要考察車輛前端對行人小腿、大腿、軀干和頭部等部分的傷害指數。最有效的方法就是引導行人的碰撞傾倒路徑，同時提供必要的緩沖距離，減小各個部分的傷害指數。根據ENCAP第二階段的條約，保險杠下端應和保險杠中部最突出的地方保持平齊，保險杠前端應有大于70 mm的泡沫緩沖大腿(圖9)，在離地面沿前包絡線為1 000 mm(在發動機蓋上為一條曲線)的下方要求發動機蓋和發動機艙內的剛性零件的距離大于85 mm(不同的車型有不同的要求)，在大于1 500 mm曲線的上方需要提供 94 mm的空間以滿足頭部碰撞的要求。

1.3.7 滿足總裝裝配工藝的要求[2]。

動力總成通常是和副車架裝配在一起，然后安裝到車身上的，因此必須保證這個總成和發動機艙周邊的裝配間隙，保證不會出現安裝臺架和人為操作與周邊零件的干涉，必須留出30～35 mm的間隙。除此之外，實際上還有很多零件也需要做相關的考慮，比如發動機裝配完后，需要考慮前端冷卻模塊的安裝、蓄電池的安裝以及保險絲盒等零件的安裝。通常這個動態裝配工藝的間隙要求為20～30 mm，零件質量越小、越易控制的，靜態間隙可以適當縮小。如安裝蓄電池和保險絲盒時，兩者之間的間隙應當不小于20 mm。

1.3.8 保證乘客艙乘員安全的要求[2]

在設計發動機艙時要考慮各種安全碰撞的要求，如56 km/h的正碰和64 km/h的偏置碰撞。發動機布置是否合理，直接的表現就是前圍板變形和車內零件對乘員的傷害。前端碰撞與前保險杠防撞梁和前縱梁的結構密切相關。同時也需要考慮功能件的布置，如真空助力器、ABS、蓄電池、ECU模塊等都是結構比較強、在CAE仿真分析時均視為剛體的零件，應當設置合理的碰撞能量傳遞路徑，不能設計在碰撞路徑上，使能量直接傳遞給乘客。

2 結束語

發動機艙布置既要整齊美觀，又要滿足法規、溫度場、工藝性等各項要求，其中某些要求是相互矛盾、相互制約的，這就需要發動機艙布置工程師針對不同的車型、不同的市場定位、不同的理念進行合理的平衡，得出最優的布置方案。在具體的項目中，需要進行大量的交流和協調工作，以保證發動機、底盤、空調、電器等各個零件在有限的空間內找到合適的位置。文中所述的布置原則來自于設計經驗，需要在今后的工作中不斷地驗證、調整和優化。同時，還需要在大原則指導下，不斷地總結，從大處著手，細化其他小零件的布置。在實際中，每一款車，匹配不同的動力總成，發動機艙的布置情況往往差異萬千，這就需要布置工程師針對不同的情況提供不同的優化布置方案，經過試驗驗證合格后方可最終確認。

【1】 賈糧棉,任杰,王瑞玲.轎車發動機艙內各部件主要間隙確定[J].現代機械，2003(4):31-32.

【2】 彭岳華.高衛民.徐康聰.轎車發動機艙關鍵零部件的布置研究[J].汽車技術，2010(5):27-30.

ResearchonKeyComponentsPackageandLayoutinPassengerCar’sEngineBay

WANG Jingyuan，YANG Xinming, ZHANG Yong

(Chery Automobile Co.,Ltd.,Ordos Inner Mongolia 017000,China)

2014-06-19

王靖元(1984—)，學士，主要從事乘用車整車集成、質量提升方面的工作。E-mail:wangjingyuan3@mychery.com。