淺談發動機與變速器布置匹配設計

王建秋 趙金強 劉相喜 盧振東 李強

寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江省寧波市 315336

1 前言

動力總成作為汽車的“心臟”，在整車的設計與研發中起著舉足輕重的作用。近年來隨著市場需求的變化以及產品競爭的加劇，動力總成更新換代的頻次越來越高。為減少研發費用投入及產品差異化布局的需求，汽車制造商通常采用同一款發動機匹配不同的變速器或同一款變速器匹配不同的發動機，形成不同的動力總成系列產品，進而在嚴峻的市場中贏得先機。

本文將從布置搭載維度對發動機與變速器的匹配設計進行闡述，希望能夠對行業內發動機與變速器的布置匹配設計提供借鑒及參考。

2 發動機與變速器布置匹配要求

2.1 端面匹配設計

端面匹配設計受發動機與變速器在機艙內的位置及姿態影響。因此在端面設計前首先要確定發動機與變速器在機艙內的位置及傾角。發動機與變速器在機艙的位置主要由機艙空間、傳動軸夾角、周邊零件間隙決定[1]。總布置工程師通常采用調整發動機與變速器布置傾角的方式來實現對傳動軸夾角的改善以及空間的充分利用。綜上因素，能夠確定最終的發動機與變速器的傾角與位置。

因為布置傾角對產品自身的冷卻回油、除氣有影響，所以對成熟產品的發動機與變速器的重新匹配，要盡量沿用產品的設計傾角。當然在充分評估產品結構及影響后，在一定范圍內的角度調整也是可以的。如圖1所示，為某橫置發動機傾角示意圖。

動力總成位置及布置傾角確定后就可以進行端面設計了。對于成熟產品的發動機與變速器的匹配常見有兩種方案。方案一是發動機端面不更改，變速器的離合器殼體重新開發；方案二是變速器的端面不更改，發動機的端面重新開發。第二種方案市場上應用較少，常見于發動機端面與缸體采用分體設計的結構，如圖2 所示。通過這種結構可以實現發動機匹配不同類型的變速器，最大限度的實現發動機的通用化布置，在一些正時系統后置的機型中應用較多。

圖2 某發動機端面與缸體分體設計結構

2.2 螺栓選型匹配與設計檢查

在完成端面的匹配設計后，需要確定緊固螺栓的跨距與分布，如圖3 所示。發動機與變速器螺栓的跨距分布一般參照10～15D。螺栓的分布與產品結構、螺栓規格、螺栓力矩有強關聯性，在滿足動總模態、端面密封、結構強度等要求后，跨距可適當的放大。在端面設計的時候也可以采用預留螺栓孔的方式以兼容匹配更多的產品。

螺栓規格的選擇要結合跨距分布、抗拉強度以及旋合長度等綜合評估，需通過專項的滑移、強度仿真計算最終確定。在滿足相關要求的前提下，需保證選用螺栓的規格盡量一致。通常要求發動機與變速器螺栓的有效旋合長度要大于2D。

螺栓設計檢查除了要考慮螺栓、擰緊工具與周邊零件的靜態間隙外，還需要考慮螺栓及擰緊工具在裝配和維修拆卸過程中的操作空間，即螺栓和擰緊工具在行進或退出方向與周邊零件的動態間隙，如圖4 所示[2]。在螺栓開始預裝到螺栓完成緊固整個操作過程一般要求螺栓及工具扳手與周邊保持3mm 以上的間隙。遇到工具操作空間不滿足的情況，通常可以采用產品結構優化、提前預裝螺栓、工具增加加長桿、使用特殊定制工具、做沉孔減少旋合空間或者更改螺栓旋入方向等等方法。但是需要保證的是要在整個發動機與變速器裝配操作過程中盡量少的更換擰緊工具或套筒。

圖4 螺栓裝配過程示意圖

在以往的失效案例中發現發動機與變速器的螺栓孔位對中度檢查是設計時比較容易忽略的一項檢查內容。尤其是在非topdown 設計思路下，發動機和變速器按照自身的坐標設計，再轉化整車坐標并圓整后存在一定坐標偏差。而不同的3D 設計軟件數模轉化也存在誤差，二者累計疊加造成孔位偏差，影響實際裝配的精度。因此需在螺栓匹配設計中增加“孔位對中”的專項檢查，要求3D 數模中發動機與變速器兩側孔位軸線偏差小于0.001mm。

此外還需保證緊固螺栓法蘭面與安裝平面貼合，如產品結構有拔模斜度的，需保證拔模角度不大于1°，避免螺栓壓偏，造成失效。

2.3 殼體間隙設計與檢查

發動機與變速器處于工作狀態時，發動機的飛輪或驅動盤（下述僅以飛輪描述）會伸入到變速器殼體內部工作，因此需要保證飛輪與變速器殼體的軸向及徑向間隙滿足設計要求，如圖5 所示。由于飛輪在汽車行駛過程中是不斷轉動的，為更準確的評估飛輪與殼體的間隙，工程師通常會采用飛輪的包絡來校核與殼體的間隙。如兩者之間的間隙不滿足要求，需對飛輪或殼體進行設計優化。當產品結構無法優化或者優化代價太大時，需通過尺寸鏈計算評估風險，以便最終決策。

圖5 飛輪軸向、徑向檢查示意圖

除發動機在變速器殼體內部的間隙要求外，還需保證發動機與變速器的外圍零件之間的間隙。一般要求不小于10mm，在發動機與變速器的裝配過程中也要保證此間隙要求。

2.4 花鍵匹配

發動機與變速器有三種配合結構：光軸類、花鍵類、齒盤類。其中光軸類結構簡單，花鍵類與齒盤類結構類似，精度要求高。下述將以花鍵匹配為例做描述，齒盤類、光軸類結構不做贅述。

對于飛輪與變速器輸入軸的花鍵匹配最為關鍵的就是軸、孔對中。發動機曲軸與變速器輸入軸同軸才可以滿足高質量動力輸出的目標，同時也能避免不同軸造成的異響或內部零件損壞等不良后果。

飛輪與變速器輸入軸的對中要求可以分為兩種情況，一種是裝配過程中的飛輪花鍵孔與變速器輸入軸的對中要求。此項要求主要受限于雙質量飛輪初級慣量與次級慣量的結構與尺寸，一旦在裝配過程中軸與孔的對中度偏差超過飛輪的承受范圍，飛輪內部的彈簧膜片就會產生變形，進而在工作中發出異響。這導致花鍵類配合的發動機與變速器在裝配過程中需要有較高精度的尺寸控制。通常需要根據產品的自身結構及工裝結構進行嚴謹的尺寸鏈計算、分配公差才可以實現。近年來越來越多的汽車制造商通過采用工作臺的形式來實現發動機與變速器的高精度對中裝配，它能夠在有效提高裝配精度的同時大大提高產品的裝配效率，是未來發動機與變速器裝配工藝的趨勢[3]，如圖6 所示。另一種是發動機與變速器合裝完成后，動力總成工作中曲軸與變速器輸入軸的對中要求。在這種情況下，一旦曲軸與變速器輸入軸的對中精度不滿足要求，軸瓦、曲軸軸頸就會發生偏磨，動力總成的NVH 及耐久都會受到影響。一般在雙質量飛輪的圖紙中有明確的初級慣量與次級慣量的偏心量要求，此項要求即為動力總成運轉中曲軸與變速器的對中要求。而一旦超出雙質量飛輪的偏心量要求后，將會造成旋轉的不平衡，影響動力總成的正常工作。合裝后的發動機曲軸與變速器輸入軸的對中精度通常由發動機缸體后端的定位銷來保證，如圖7 所示。

圖6 發動機與變速器裝配工作臺

圖7 缸體后端定位銷

此外花鍵軸與花鍵孔的有效嚙合長度是花鍵匹配中的另一項重要參數。花鍵軸廠商會根據負載、花鍵齒數等參數仿真計算出最小的有效嚙合長度，并提供相應的推薦值。然后飛輪廠商根據推薦值設計花鍵孔的尺寸。在相應結構及尺寸確定后，還需要再結合曲軸的軸向竄動量進行尺寸鏈計算以保證動力總成的有效嚙合長度不小于推薦值。

與其他齒輪傳動機構一樣，齒形、齒向參數，側隙等是影響NVH 的關鍵參數。這些參數的設計需要進行專項的仿真及試驗確定，以確保齒輪間的傳遞誤差滿足NVH 要求。

2.5 防水、防塵設計

受車輛用途及使用環境等因素影響，發動機與變速器之間不可避免的會有灰塵或水漬浸入，而一旦異物進入過多或停留時間過長就會對飛輪造成損壞，輕則引發異響，重則影響產品的使用壽命。因此發動機與變速器之間密封及排水設計就顯的尤為重要。

為保證發動機與變速器之間的密封，部分廠商采用了增加金屬擋板的方案，但是目前市場上主流的方案仍是依靠端面密封。一般端面密封要求單密封帶不小于2mm，雙密封帶不小于1mm。在端面無法滿足密封的時候，需要設計單獨的防塵蓋板以保證密封。需要注意的是防塵蓋板以及端面減重孔設計時要避免形成積水結構。

發動機或變速器的最底部還會設計排水孔，一般采用迷宮式結構，可以將水排空的同時避免灰塵、雜物進入。

2.6 底部支撐設計

發動機與變速器的底部支撐需要進行專項設計，尤其是采用工作臺的裝配工藝。如2.4 中所述工作臺的裝配方式需要較高精度的尺寸控制，因此一般采用機加平面作為支撐面。同時為保證支撐牢靠，推薦采用兩面兩銷的固定方式支撐。

3 結語

（1）本文從端面匹配設計，螺栓選型匹配與設計檢查，殼體間隙設計與檢查，花鍵匹配，防水、防塵設計，底部支撐設計等6 個維度詳細闡述了發動機與變速器的布置匹配設計原則及要求，為發動機與變速器的布置匹配設計提供借鑒與參考，進而縮短發動機與變速器的布置匹配設計周期，提升動力總成產品的開發質量。

（2）發動機與變速器的布置匹配不是簡單的數模匹配設計，而是結合各類失效案例及應用要求不斷從布置搭載維度完善的系統性學科。隨著科技的發展和產品開發的進步，發動機與變速器柔性化布置和模塊化匹配將是未來發展的趨勢。