1、AUTO TIME 121 AUTOMOBILE DESIGN|汽车设计浅谈发动机与变速器布置匹配设计王建秋赵金强刘相喜卢振东李强宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江省宁波市 315336摘 要：随着市场需求的变化以及产品竞争的加剧，动力总成更新换代的频次越来越高。为减少研发费用投入及产品差异化布局的需求，汽车制造商通常采用同一款发动机匹配不同的变速器或同一款变速器匹配不同的发动机，形成不同的动力总成系列产品，进而在严峻的市场中赢得先机。本文将从布置搭载维度对发动机与变速器的匹配设计进行阐述，希望能够对行业内发动机与变速器的布置匹配设计提供借鉴及参考。关键词：动力总成发动机变速器布置匹配1前
2、言动力总成作为汽车的“心脏”，在整车的设计与研发中起着举足轻重的作用。近年来随着市场需求的变化以及产品竞争的加剧，动力总成更新换代的频次越来越高。为减少研发费用投入及产品差异化布局的需求，汽车制造商通常采用同一款发动机匹配不同的变速器或同一款变速器匹配不同的发动机，形成不同的动力总成系列产品，进而在严峻的市场中赢得先机。本文将从布置搭载维度对发动机与变速器的匹配设计进行阐述，希望能够对行业内发动机与变速器的布置匹配设计提供借鉴及参考。2发动机与变速器布置匹配要求2.1端面匹配设计端面匹配设计受发动机与变速器在机舱内的位置及姿态影响。因此在端面设计前首先要确定发动机与变速器在机舱内的位置及倾角。
3、发动机与变速器在机舱的位置主要由机舱空间、传动轴夹角、周边零件间隙决定1。总布置工程师通常采用调整发动机与变速器布置倾角的方式来实现对传动轴夹角的改善以及空间的充分利用。综上因素，能够确定最终的发动机与变速器的倾角与位置。因为布置倾角对产品自身的冷却回油、除气有影响，所以对成熟产品的发动机与变速器的重新匹配，要尽量沿用产品的设计倾角。当然在充分评估产品结构及影响后，在一定范围内的角度调整也是可以的。如图 1所示，为某横置发动机倾角示意图。动力总成位置及布置倾角确定后就可以进行端面设计了。对于成熟产品的发动机与变速器的匹配常见有两种方案。方案一是发动机端面不更改，变速器的离合器壳体重新开发；方案
4、二是变速器的端面不更改，发动机的端面重新开发。第二种方案市场上应用较少，常见于发动机端面与缸体采用分体设计的结构，如图 2 所示。通过这种结构可以实现发动机匹配不同类型的变速器，最大限度的实现发动机的通用化布置，在一些正时Discussion on engine and transmission layout matching Wang JianqiuZhao JinqiangLiu XiangxiLu ZhendongLi QiangAbstract：With the change of market demand and the intensification of product com
5、petition,the frequency of powertrain replacement is higher and higher.In order to reduce research and development investment and the need for product diferentiation layout,Automobile manufacturers usually use the same engine to match diferent transmissions or the same transmission to match diferent
6、engines to form diferent powertrain series products,so as to win the advantage in the severe market.This paper will elaborate the design of engine and transmission from the layout matching.I hope that it can provide some reference for the layout matching of engine and transmission in the industry.Ke
7、y words：Powertrain,Engine,Transmission,Layout matching图 1某横置发动机倾角示意图XZ1X1Y1O1（X1，Y1，Z1）122 AUTO TIMEAUTOMOBILE DESIGN|汽车设计系统后置的机型中应用较多。图 2某发动机端面与缸体分体设计结构2.2螺栓选型匹配与设计检查在完成端面的匹配设计后，需要确定紧固螺栓的跨距与分布，如图 3 所示。发动机与变速器螺栓的跨距分布一般参照 10 15D。螺栓的分布与产品结构、螺栓规格、螺栓力矩有强关联性，在满足动总模态、端面密封、结构强度等要求后，跨距可适当的放大。在端面设计的时候也可以采用预留
8、螺栓孔的方式以兼容匹配更多的产品。图 3某动力总成螺栓跨距分布螺栓规格的选择要结合跨距分布、抗拉强度以及旋合长度等综合评估，需通过专项的滑移、强度仿真计算最终确定。在满足相关要求的前提下，需保证选用螺栓的规格尽量一致。通常要求发动机与变速器螺栓的有效旋合长度要大于 2D。螺栓设计检查除了要考虑螺栓、拧紧工具与周边零件的静态间隙外，还需要考虑螺栓及拧紧工具在装配和维修拆卸过程中的操作空间，即螺栓和拧紧工具在行进或退出方向与周边零件的动态间隙，如图 4 所示2。在螺栓开始预装到螺栓完成紧固整个操作过程一般要求螺栓及工具扳手与周边保持3mm 以上的间隙。遇到工具操作空间不满足的情况，通常可以采用产品
9、结构优化、提前预装螺栓、工具增加加长杆、使用特殊定制工具、做沉孔减少旋合空间或者更改螺栓旋入方向等等方法。但是需要保证的是要在整个发动机与变速器装配操作过程中尽量少的更换拧紧工具或套筒。图 4螺栓装配过程示意图在以往的失效案例中发现发动机与变速器的螺栓孔位对中度检查是设计时比较容易忽略的一项检查内容。尤其是在非 top-down 设计思路下，发动机和变速器按照自身的坐标设计，再转化整车坐标并圆整后存在一定坐标偏差。而不同的 3D 设计软件数模转化也存在误差，二者累计叠加造成孔位偏差，影响实际装配的精度。因此需在螺栓匹配设计中增加“孔位对中”的专项检查，要求 3D 数模中发动机与变速器两侧孔位轴
10、线偏差小于 0.001mm。此外还需保证紧固螺栓法兰面与安装平面贴合，如产品结构有拔模斜度的，需保证拔模角度不大于 1，避免螺栓压偏，造成失效。2.3壳体间隙设计与检查发动机与变速器处于工作状态时，发动机的飞轮或驱动盘（下述仅以飞轮描述）会伸入到变速器壳体内部工作，因此需要保证飞轮与变速器壳体的轴向及径向间隙满足设计要求，如图 5 所示。由于飞轮在汽车行驶过程中是不断转动的，为更准确的评估飞轮与壳体的间隙，工程师通常会采用飞轮的包络来校核与壳体的间隙。如两者之间的间隙不满足要求，需对飞轮或壳体进行设计优化。当产品结构无法优化或者优化代价太大时，需通过尺寸链计算评估风险，以便最终决策。除发动机在
11、变速器壳体内部的间隙要求外，还需保证发动机与变速器的外围零件之间的间隙。一般要求不小于 10mm，在发动机与变速器的装配过程中也要保证此间隙要求。图 5飞轮轴向、径向检查示意图2.4花键匹配发动机与变速器有三种配合结构：光轴类、花键类、齿盘类。其中光轴类结构简单，花键类与齿盘类结构类似，精度要求高。下述将以花键匹配为例做描述，齿盘类、光轴类结构不做赘述。对于飞轮与变速器输入轴的花键匹配最AUTO TIME 123 AUTOMOBILE DESIGN|汽车设计为关键的就是轴、孔对中。发动机曲轴与变速器输入轴同轴才可以满足高质量动力输出的目标，同时也能避免不同轴造成的异响或内部零件损坏等不良后果。
12、飞轮与变速器输入轴的对中要求可以分为两种情况，一种是装配过程中的飞轮花键孔与变速器输入轴的对中要求。此项要求主要受限于双质量飞轮初级惯量与次级惯量的结构与尺寸，一旦在装配过程中轴与孔的对中度偏差超过飞轮的承受范围，飞轮内部的弹簧膜片就会产生变形，进而在工作中发出异响。这导致花键类配合的发动机与变速器在装配过程中需要有较高精度的尺寸控制。通常需要根据产品的自身结构及工装结构进行严谨的尺寸链计算、分配公差才可以实现。近年来越来越多的汽车制造商通过采用工作台的形式来实现发动机与变速器的高精度对中装配，它能够在有效提高装配精度的同时大大提高产品的装配效率，是未来发动机与变速器装配工艺的趋势3，如图 6
13、 所示。另一种是发动机与变速器合装完成后，动力总成工作中曲轴与变速器输入轴的对中要求。在这种情况下，一旦曲轴与变速器输入轴的对中精度不满足要求，轴瓦、曲轴轴颈就会发生偏磨，动力总成的 NVH 及耐久都会受到影响。一般在双质量飞轮的图纸中有明确的初级惯量与次级惯量的偏心量要求，此项要求即为动力总成运转中曲轴与变速器的对中要求。而一旦超出双质量飞轮的偏心量要求后，将会造成旋转的不平衡，影响动力总成的正常工作。合装后的发动机曲轴与变速器输入轴的对中精度通常由发动机缸体后端的定位销来保证，如图 7 所示。图 6发动机与变速器装配工作台发动机变速器此外花键轴与花键孔的有效啮合长度是花键匹配中的另一项重要
14、参数。花键轴厂商会根据负载、花键齿数等参数仿真计算出最小的有效啮合长度，并提供相应的推荐值。然后飞轮厂商根据推荐值设计花键孔的尺寸。在相应结构及尺寸确定后，还需要再结合曲轴的轴向窜动量进行尺寸链计算以保证动力总成的有效啮合长度不小于推荐值。与其他齿轮传动机构一样，齿形、齿向参数，侧隙等是影响 NVH 的关键参数。这些参数的设计需要进行专项的仿真及试验确定，以确保齿轮间的传递误差满足NVH 要求。2.5防水、防尘设计受车辆用途及使用环境等因素影响，发动机与变速器之间不可避免的会有灰尘或水渍浸入，而一旦异物进入过多或停留时间过长就会对飞轮造成损坏，轻则引发异响，重则影响产品的使用寿命。因此发动机与
15、变速器之间密封及排水设计就显的尤为重要。为保证发动机与变速器之间的密封，部分厂商采用了增加金属挡板的方案，但是目前市场上主流的方案仍是依靠端面密封。一般端面密封要求单密封带不小于 2mm，双密封带不小于 1mm。在端面无法满足密封的时候，需要设计单独的防尘盖板以保证密封。需要注意的是防尘盖板以及端面减重孔设计时要避免形成积水结构。发动机或变速器的最底部还会设计排水孔，一般采用迷宫式结构，可以将水排空的同时避免灰尘、杂物进入。2.6底部支撑设计发动机与变速器的底部支撑需要进行专项设计，尤其是采用工作台的装配工艺。如2.4 中所述工作台的装配方式需要较高精度的尺寸控制，因此一般采用机加平面作为支撑
16、面。同时为保证支撑牢靠，推荐采用两面两销的固定方式支撑。3结语（1）本文从端面匹配设计，螺栓选型匹配与设计检查，壳体间隙设计与检查，花键匹配，防水、防尘设计，底部支撑设计等6 个维度详细阐述了发动机与变速器的布置匹配设计原则及要求，为发动机与变速器的布置匹配设计提供借鉴与参考，进而缩短发动机与变速器的布置匹配设计周期，提升动力总成产品的开发质量。（2）发动机与变速器的布置匹配不是简单的数模匹配设计，而是结合各类失效案例及应用要求不断从布置搭载维度完善的系统性学科。随着科技的发展和产品开发的进步，发动机与变速器柔性化布置和模块化匹配将是未来发展的趋势。参考文献:1 房微.不同车型平台匹配同一套动力总成的模块化布置方法 J.汽车工业研究，2019（01）：29-332 韦光.变速器与整车的布置匹配研究 J.上海汽车，2017（03）：35-393 王建秋.发动机与变速器装配工作台的设计 J.机械制造，2021（05）：22-24图 7缸体后端定位销 作者简介王建秋：（1991），男，汉族，吉林榆树人，工科学士，就职于宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，主要从事动力总成集成开发工作。
