某皮卡的通過性驗證及前艙布置設(shè)計

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 引言

整車總布置工作是一項貫穿整個車輛開發(fā)項目的工作。與開發(fā)過程中的前期預(yù)研、工程設(shè)計、試制生產(chǎn)、試驗驗證及售后問題反饋等各個階段均有著密切聯(lián)系。總布置工作關(guān)鍵在于前期預(yù)研及工程設(shè)計兩個階段，前期預(yù)研要制定整車開發(fā)參數(shù)目標(biāo)，工程設(shè)計要考慮在實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)的前提下如何在各方面做到最優(yōu)。

由于總布置工作周期較長，涉及面較廣，本文主要從前期預(yù)研階段通過性指標(biāo)的制定及工程設(shè)計階段前艙布置兩個方面來介紹。

1 通過性指標(biāo)的制定

車輛通過性(越野性)是指車輛能以足夠高的平均車速通過各種路況、無路地帶及爬越各種障礙的能力[1]。通過性設(shè)計目的是保證車輛通過各種不同道路時主要功能件沒有損壞，是衡量車輛設(shè)計是否合格的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。汽車的通過性主要取決于地面的物理性質(zhì)及汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)和幾何參數(shù)，影響車輛通過性的幾何參數(shù)指標(biāo)包括最小離地間隙、接近角、離去角、縱向通過角及最小轉(zhuǎn)彎半徑等。

圖1 通過性幾何參數(shù)示意圖[2]

1.1 最小離地間隙

本次研究的車型為皮卡，需重點考慮非標(biāo)準(zhǔn)路面的通過性，需要設(shè)計一條符合最小離地間隙的地平線。為了滿足這項要求，需要考慮車輛的俯沖姿態(tài)、最低壓縮位置姿態(tài)及加速姿態(tài)。俯沖姿態(tài)(車輛抗點頭能力)時車輛重心前移，前懸架處于最低壓縮位置，后車輪處于回彈位置，結(jié)合輪胎壓縮量及回彈量做出俯沖姿態(tài)限制邊界。在最低壓縮位置姿態(tài)時，前后懸架處于最低壓縮位置，同時要考慮前后輪胎負(fù)荷導(dǎo)致輪胎的半徑要比靜態(tài)負(fù)荷半徑小，通過理論計算最終得出處于該姿態(tài)時的限制邊界。在加速姿態(tài)時，后懸架壓縮到極限位置，前車輪處于回彈位置，通過質(zhì)心偏移計算出輪胎壓縮量，從而得出該姿態(tài)的限制邊界，如圖2所示。由于非標(biāo)準(zhǔn)路面在中國的道路占比很高，經(jīng)過長期的實踐總結(jié)并通過皮卡市場對標(biāo)研究，最終確定了該車型的最小離地間隙。

圖2 某皮卡最小離地間隙

圖3 競品車型最小離地間隙

1.2 接近角、離去角、縱向通過角和最小轉(zhuǎn)彎半徑

在符合最小離地間隙的基礎(chǔ)上，通過競品車輛對比及路試，采集非標(biāo)準(zhǔn)路面信息，制定接近角、離去角及縱向通過角設(shè)計目標(biāo)，見圖3～圖5。

圖4 通過性設(shè)計

圖5 通過性參數(shù)對比

經(jīng)大量同類車型對比并結(jié)合該車型懸架參數(shù)及尺寸定義，最終鎖定了該車型軸距及最小轉(zhuǎn)彎半徑。

2 前艙布置

2.1 確定前艙空間

前艙是指前圍板到前防撞橫梁之間的空間，根據(jù)發(fā)動機的長度及碰撞對前艙潰縮空間的要求來決定前艙大小。

碰撞吸能要求在碰撞力傳遞路徑中應(yīng)盡量縮短硬質(zhì)零件疊加尺寸，以免前艙零件沖擊到駕駛室導(dǎo)致乘員受傷。整車在車速50 km/h正面剛性強碰撞[3]工況中，車身加速度是造成碰撞傷害的關(guān)鍵因素，碰撞傷害程度與有效加速度大小呈正比。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，按照新車評價規(guī)程(NCAP)開發(fā)過程中，整車在車速50 km/h時，正面剛性強碰撞工況需要達到90%性能要求才能達到五星安全要求，對應(yīng)有效加速度指標(biāo)要小于25 g。根據(jù)勻減速公式，并考慮實際整車開發(fā)過程中有效加速度效率可實現(xiàn)的上限為85%，實際實現(xiàn)NCAP五星需要的運動空間為460 mm。整車碰撞過程的運動空間包含前艙潰縮空間和乘員艙傾入量。對于NCAP五星級車體結(jié)構(gòu)允許的乘員艙傾入量為50 mm，車身前艙需要的潰縮空間為410 mm。

冷卻模塊的布置對碰撞潰縮空間存在一定影響，通過理論計算及模擬分析，最終確定該車型采用電子風(fēng)扇，并且采用中冷器、冷凝器和散熱器(冷卻模塊)逐次排布方案。根據(jù)冷卻模塊自身結(jié)構(gòu)強度受力潰縮特性得出冷卻模塊本身厚度的70%作為可潰縮區(qū)域，散熱風(fēng)扇電機部分作為不可潰縮區(qū)，故整個前艙至少所需要的橫向長度為410 mm。

結(jié)合該車型選擇冷卻模塊尺寸及發(fā)動機長度，綜合考慮各項誤差，潰縮空間加大10%，最終得出整個前艙在橫向上所需要的最小尺寸。

2.2 動力總成布置

經(jīng)過多種動力總成組合方式的布置分析，該車型動力總成選定為1款柴油機匹配6AT、6MT及5MT變速器，后驅(qū)及四驅(qū)同步開發(fā)，覆蓋中低端到中高端皮卡細(xì)分市場。

動力總成的布置是整個發(fā)動機艙布置的核心內(nèi)容，動力總成的布置方式和位置基本上確定了其他主要系統(tǒng)的布置位置。只有合適地布置了動力總成，才能對其他的系統(tǒng)進行布置，否則會造成其他系統(tǒng)布置工作的重復(fù)。

在布置動力總成前，需要考慮安全、熱管理、噪聲-振動-平順性(NVH)、售后維修及布置空間等影響動力總成的主要因素。該車型開發(fā)時已經(jīng)考慮行人主動保護[4]，經(jīng)過競品車輛對比、模擬計算并結(jié)合工程開發(fā)經(jīng)驗，要求發(fā)動機艙蓋外表面在兒童頭部碰撞區(qū)域內(nèi)與機艙里高硬度零件間距不得小于110 mm(頭部碰撞方向)，在成人頭部碰撞區(qū)域內(nèi)不小于100 mm，這就要求發(fā)動機高度盡可能低。而通過性要求限制了前橋高度下部邊界位置，從而限制了發(fā)動機底部高度。

為提升傳動平順性，降低傳動系統(tǒng)對NVH性能影響，需減小各傳動軸間的夾角以及傳動當(dāng)量夾角，結(jié)合前、后橋位置、動力傳動鏈長度及分動器允許傾斜角度范圍，建立整個傳動系統(tǒng)模型。同時，考慮發(fā)動機自身的工作姿態(tài)要求，即發(fā)動機布置時滿足傾斜角及整車爬坡性能要求，經(jīng)過多次反復(fù)優(yōu)化調(diào)整，最終鎖定發(fā)動機側(cè)傾角，如圖6所示。

圖6 傳動系統(tǒng)模型示意圖

為了既滿足行人保護要求又保證通過性需要，并兼顧NVH性能要求，經(jīng)過多次反復(fù)優(yōu)化調(diào)整，最后鎖定發(fā)動機位置并確定在不影響駕駛員下，視野的前提下部分抬高機艙蓋造型，如圖7所示。

圖7 前艙關(guān)鍵截面示意

2.3 確定前懸長度

前保險杠外蒙皮到前輪心橫向尺寸為前懸。針對該款皮卡而言，駕駛室空間越大，舒適性越高，貨箱尺寸越大則運載能力越強。在滿足運載能力前提下，控制前懸長度與加大駕駛室空間成為汽車設(shè)計的矛盾點。根據(jù)前艙空間及接近角限制要求，確定前圍板橫向位置成了關(guān)鍵控制因素。

主要競品車型中，不符合五星安全碰撞要求車輛前懸一般在900 mm左右。該皮卡前期定義必須滿足五星安全碰撞要求，且符合行人保護要求，前期制定前懸長度目標(biāo)為930 mm。根據(jù)該車輛碰撞受力傳遞及法規(guī)要求，在前保險杠距離地面470～510 mm之間，限定了前保險杠外蒙皮到前圍板的長度，根據(jù)關(guān)鍵斷面，通過儀表盤(IP)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整，最終確定了前圍板橫向控制位置，最終鎖定了前懸長度。

圖8 前懸長度參數(shù)對比

3 總結(jié)

本文主要通過車輛通過性參數(shù)的設(shè)定和前艙布置兩個方面來介紹總布置設(shè)計工作。

通過性參數(shù)設(shè)定時要根據(jù)所開發(fā)車輛的使用工況、懸架參數(shù)及競品車輛狀況來制定合理的各項參數(shù)。考慮碰撞安全性需求，前艙布置時需預(yù)留出足夠的潰縮空間來吸收碰撞時對人體傷害的沖擊。為提升NVH性能，盡可能減小傳動軸之間的夾角，結(jié)合駕駛空間需求確定前圍板位置，從而設(shè)定前懸尺寸。前艙布置時還需兼顧熱管理、裝配工藝、售后維修等一系列要求。

本文所闡述的內(nèi)容為整車總布置設(shè)計中的重要組成部分，總結(jié)的設(shè)計方法可為相關(guān)研究提供理論依據(jù)。