轿车发动机舱系统设计研究

作者：上汽通用五菱汽车股份有限公司 彭斌

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 发动机舱系统（也称“前舱系统”）是整车架构中最为重要的部分之一，对整车的性能至关重要。鉴于它对安全、室内噪声和耐久性的重要影响，我们对它的整体要求是在尽可能提升结构性能的前提下，质量最轻、质量利用率最高和布置上的最大包容性。 发动机舱系统是指位于汽车前部，为整车的动力系统及其相关子系统提供安装空间的舱室，同时具有吸收和传递碰撞能量的功能。发动机舱系统由主大梁系统、前轮罩系统、水箱框架系统、进气格栅支撑系统、发动机舱隔板总成和铰链柱内板总成组成（见图1）。 发动机舱系统最基本的功能是实现整车的布置功能和完成整车的性能要求。具体来讲，布置功能是指为汽车主要总成或分总成提供定位和安装空间（如发动机、变速器、水箱和电瓶等），整车性能要求是指发动机舱系统与车身结构的其他系统共同组成完整的笼型车身骨架，为实现整车的碰撞要求，结构刚度和模态提供结构支撑。发动机舱系统与周边系统关系界定是开发发动机舱系统的基础。 发动机舱系统开发策略和设计要求 发动机舱系统是车身结构最重要的组成部分，一个成功的前舱架构应是在满足安全、结构性能的前提下尽可能通用不同发动机的安装点并保持良好的安装和拆卸空间。发动机舱系统中主要模块的布置情况见图3。 1．主大梁系统几何尺寸和布置要求 （1）前纵梁的直线段最好采用多边形断面，多边形断面较方形断面而言，有助于提高断面的静态碰撞性能（见图4）。 （2）在小型车和紧凑型车上，考虑到总布置条件，往往不能采用八边形断面。四边形断面在这类车中被大量使用。但是，在条件许可的情况下，建议在纵梁的前端采用六边形断面，并逐步过渡到四边形断面。 （3）对于前纵梁直线段断面的高宽比，建议不超过1.5（H/W<1.5）。 （4）前纵梁Kick Down角度（见图5）。Kick Down角度越大越好，因为角度越大，前纵梁本体到地板下纵梁的过渡越平滑，在碰撞时，在Kick Down区域越不容易发生弯折。 （5）Kick Down断面（如图6所示）。W/H<1.5，H在不与底盘传动轴和控制臂干涉的情况下，尽可能地大，G值小一点比较好。前纵梁本体与地板下纵梁的偏移量要求B/A<3。 2. 前舱碰撞空间 副车架到前纵梁安装点尽可能布置在前纵梁/地板下纵梁本体或与本体有很好搭接的结构上，有利于耐久性和NVH性能的提高（见图8）。 电瓶支架最好直接连接到纵梁上，这样有利于达到局部模态大于30Hz的要求。在布置条件许可的情况下，电瓶的重心应该尽可能靠近前纵梁（Y方向和Z方向）。在条件许可的情况下，电瓶支架尽可能地向后布置，有利于碰撞时前纵梁变形充分和增大前纵梁所吸收的碰撞能量。 水箱框架系统 具体车型的水箱框架组成会因为布置和结构的不同而有所差别，布置允许的话一般形成一个闭口的框架结构并与前纵梁保持有效的连接形成一个整体。水箱框架的设计策略可从以下几个方面考虑： （1）水箱框架断面形式 水箱框架的断面视具体结构和性能的要求而定，如果单根冲压出来的开口水箱上横梁不能满足结构要求则需要采用如图推荐/可接受的闭口的结构，采用闭口结构时需要考虑排气及漏夜等油漆工艺。同时带斜坡的断面可以有效地将电泳液从凹孔处排出。 水箱下横梁一般采用开口的U形结构，便于安装水箱散热器，同时水箱下横梁对于提高整个前端的框架的刚度也很重要，一方面要在满足整车总布置的要求下，通过优化本身的断面结构来提高刚度；另一方面就是要提高横梁与立梁之间接头的连接刚度。增加接头处的连接面积、形成有效的闭口结构是较常用的方法。 （2）水箱框架接头设计 水箱上横梁可以采用一根整体式横梁，直接与发动机盖上横梁连接，也可以是分段式，即中间横梁加两侧的延伸梁，具体采用哪种方式需要集中考虑制造、成型、布置及性能等方面的综合因素。 水箱上横梁与前舱通常有两种连接方式——螺栓连接和焊接。另外如果整个前端包括水箱上横梁做成模块化的话（这一策略在北美应用不多），通常也会采用螺栓连接的方式与车身相连，但连接点会更加靠后，通常会与发动机盖两侧的上横梁前端相连接。 采用螺栓连接方式，对前舱零件安装时人机界面比较友好，但如果制造工程师不同意在油漆车间喷漆的话（车身螺栓连接好先过油漆到总装时再卸下来），上横梁可能需要供应商额外的喷漆，会大大增加零件的成本，不太可取。 螺栓连接接头相对较弱，可能会降低前端的模态、刚度及移动性，对于发动机盖锁的安装点处的刚度会有潜在风险，需要尽早模拟分析来明确方向。 采用焊接方式，由于人机工程的原因会增加该处的接头焊接难度，需要同制造工程师讨论并得到认可，但从设计上来改进该接头的焊接接近性较难实现，焊接方式接头相对较强，对前端的模态,刚度及移动性会有一定帮助。 （3）水箱框架上横梁开发 水箱框架上横梁在前部碰撞中不是主要的承载和吸能件，部分力会通过上横梁的两侧传递给上纵梁。从目前的趋势看，上横梁的结构有被弱化的倾向，而下部诸如前纵梁等则被加强以承担更多的传递和吸收能量的作用，这在日系车上比较明显，具体设计时需要视项目平台的构架策略来定。虽如此，但上横梁对于整个前端框架的刚度及模态的实现非常重要。一个比较规则的平行四边形的水箱框架结构在受到侧向力时比较容易失稳，所以需要增加框架接头的有效连接面积，同时避免过于规则的形状。 水箱框架上横梁的开发主要考虑上横梁的连接形式、行人保护的要求、水箱散热器的上安装、发动机盖锁安装、主辅缓冲块安装、前照灯的内上侧安装及可能的转向液壶安装等。 水箱框架上横梁本身结构设计及与周边板金接头连接的好坏直接影响到整个前部刚度和模态，进而影响到NVH和其他的整车性能，焊接、成形等问题也会直接影响到上横梁的分块，如整体式横梁还是三段式，进而给性能带来影响。 空调进气隔栅支撑板总成设计 空调进气格栅支撑板总成结构形式有封闭断面式、开口断面式和螺接式，图10为典型的空调进气格栅支撑板总成结构。 对于左驾车辆通常在空调进气格栅支撑板总成的左边布置空调的进风口，中间和右边布置刮水器电动机及传动臂，考虑到空调进气格栅支撑板总成还具有导水功能，所以除刮水器电动机以外的电子元件不应布置其中。 空调进风口一般应设计在空调进气上支撑板的垂直面上，一般离地面的最小距离是70mm。空调进风口的翻边宽度为12mm，进风口边缘距最近的雨刮机构应大于12mm。空调进风口的角度为A（见图10）。当60°＜A≤100°，设计最优；当45°＜A≤60°或100°＜A≤120°，更改空调箱密封设计；当0°＜A≤45°或A＞120°，更改支撑板设计。 前舱隔板总成设计 前舱隔板总成主要是物理分隔开发动机舱和乘员舱，通过结构设计有效阻止发动机的振动噪声，发动机舱内的热气和水分进入乘员舱，同时为踏板和内饰板提供支撑平台。 整体式结构比较传统和通用，适用于零件成形容易，前撞安全要求不高的设计中。分片式结构由于中央通道部分单独成型，所以发动机舱隔板结构可以较为复杂以适应NVH、结构强度和刚度的高要求。由于中央通道部分可以采用高强钢板设计，所以可以有效提升前撞安全性能以满足较高的法规要求。 为了减少结构噪声，发动机舱隔板的频率一般要求大于75Hz。提高固有频率的有效方法是加强筋的设计和加强板的应用，而这些方法又可有效防止前撞发生前舱质量块侵入乘员舱。 发动机舱系统技术展望 发动机舱系统对整车的性能至关重要，由于支撑着整车许多关键的总成零件，所以它的重量也是白车身各大分总成中最重的，一般占白车身重量的30%左右。鉴于它对安全、车内噪声和耐久的重要影响，我们对它的整体要求是在尽可能提升结构性能的前提下，质量最轻，质量利用率最高和布置上的最大包容性。 随着节能、环保意识的提高，针对降低整车重量、提升整车性能的迫切要求，各大钢铁厂加大了对高强钢的研发和应用力度，例如CR340、DP600、DP800和MS1000等高强钢的推广使用。这些高强钢的广泛使用，推动了高效率前舱结构的创新。(end)

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