欧特克Autodesk:看本田如何实现发动机曲轴轻量化设计

国际金属加工网 2020年05月12日

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▲图 本田技术研究院利用衍生式设计和增材制造工艺,制作了一个发动机曲轴原型,成功地将传统设计的重量减轻约一半。

眼看时下各界齐心协力一起投入减碳大作战,若想提高汽车燃料效率,设计则至关重要。国际能源署指出,交通运输业(包括道路、铁路、航空和海上运输)的二氧化碳排放量约占全球总量的 24%,其中罪魁祸首就是汽车。而据欧盟报道,其交通运输业的二氧化碳排放量占欧盟总量的 30%,其中道路运输占了 72%。显然,唯有减轻汽车零部件的重量,才能提高汽车燃料效率、减少汽车碳排放量。

本田正在日本进行一些研究项目,旨在减轻汽车零部的重量。从车身骨架到发动机,再到螺栓,这些都在轻量化的研究范围内。为达到简约设计的目的,车辆每个零部件的结构和所用材料都需要经过仔细审查,而本田的研发部门,即本田技术研究院(Honda R&D)最近关注的轻量化部件是发动机曲轴。

作为发动机中最重要的功能部件之一,曲轴的作用在于将气缸活塞的振动力转换成旋转力,因此发动机曲轴必须非常结实耐用。

本田技术研究院先进技术实验室的机械与流体机械设计师 Hirosumi Todaka 说:“曲轴需要满足多项功能要求,例如,其形状必须能够承受燃烧压力,同时必须保持转动平衡,这些因素决定了曲轴当今的形状。在发动机发展的漫长历史中,曲轴的设计已定型。尽管如此,我们定下了具挑战性的目标,决定设计一个比现有模型轻三成的曲轴。”

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▲图 本田技术研究院先进技术研究所(Innovative Research Excellence)材料与工艺流程研究部的 Hirosumi Todaka。

本田技术研究院自创立以来一直密切关注增材制造技术,在寻求拓扑优化等设计技术时发现衍生式设计(即生成多种设计方案并进行迭代设计)可以极大改变传统的设计规范。

衍生式设计已经帮助汽车行业重新设计了多种零部件,如安全带支架、发动机控制单元、摩托车车架等,每次都能大幅减轻零部件的重量。Todaka 说:“我们需要采用一种利用衍生式设计、增材制造等技术的新方法,为此我们必须抛开先入为主的观念,以崭新的视角看待事情。”

本田技术研究院与欧特克合作开展这一前所未有的项目,期间专注于培养灵活的设计思维。在本田技术研究院从事设计生产流程和新材料方面研究的 Hisao Uozumi 说:“在设计过程中,我们务必摒弃所有的成见,纯粹思考部件的必要功能。为打好这方面的基础,大家一起进行了一场批判性思维研讨会。”

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▲图 本田技术研究院在日本埼玉县和光市进行了一场研讨会。

打造更好的发动机曲轴

欧特克采用 Netfabb 和 Fusion 360 制备了首批满足本田要求的曲轴模型。Todaka 说:“我们与欧特克的团队分享本田的专业知识,提供了重量和各种运行限制方面的数据,然后在模型形成后与他们进行深入探讨。”

以往在设计两轮和四轮车辆发动机部件时,Todaka 都是先依据自身经验进行设计,再来分析修正。第一次看到结果后,他简直是震撼极了。他说:“那部件具有有机形状,就像人的骨头一样,这超出了我最大的想象力。”

本田技术研究院的项目团队成员远赴英国伦敦接受衍生式设计方面的培训、参观英格兰伯明翰市的欧特克技术中心,并与欧特克人员一起讨论增材制造技术等设计领域外的议题。Todaka 表示,在欧特克技术中心,“我们可以很快地根据设计制作出原型,我觉得那是一个很理想的工作环境,任何反馈都可以快速地落实到设计中。”

各种原型的数据使本田重新考虑对布局和强度的要求,为曲轴创造了一组新型边界条件。该团队继续研究,并设计了第二批模型。Uozumi 说:“欧特克的团队成员来自各种背景,甚至包括航天领域人员。他们看到我们的设计,就能一眼看出设计的方向,而我们也可以在相对较短的时间内实践我们的想法。”

▲图 衍生式设计的曲轴模型构思图,本田技术研究院供图

传统的拓扑优化设计只能产生一种方案,还需要花费大量的时间进行手工修正。反观 Fusion 360 的衍生式设计,Todaka 表示,这促使他想到了“一种他在以往设计工作中从未考虑过的配置”。新款曲轴设计超出预期目标,重量出乎意料地减轻了五成,不过其刚度和强度是否能够达到一般曲轴的刚度和强度仍是未知数。

团队成员将该原型安装到一个发动机上进行性能测试,获得了大量数据后将之与欧特克团队共享,欧特克团队则采用本田的数据对其衍生式设计流程进行优化。Todaka 说:“针对像曲轴这样的转动部件采用衍生式设计,不管是对本田还是欧特克而言,都是非常宝贵的经验积累。”

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▲图 本田技术研究院和光市制造技术与管理部助理总工程师 Hisao Uozumi 博士。

将制造工艺整合到设计过程中,经实践证明是非常宝贵的。Todaka 说:“形成模型之时,可以将各种设计限制因素,如因采用增材制造、模具型制造、五轴加工等工艺而产生的限制纳入考量。”

对本田而言,该项目揭示了增材制造技术的潜能。Todaka 说:“尽管有些人仍对新款曲轴的形状有所保留,但因此而引来大家对这一技术的关注,算是值得了。在减轻零部件重量方面,确实还有很大的进步空间,但现在,我们看到了达成目标的希望。展望未来,我预计采用衍生式设计制造创新产品将成为常态。我认为,作为工作的一部分,我们有职责研究该技术的进一步应用。”

作者:YASUO MATSUNAKA

注:文章来自由欧特克支持创立的 Redshift China

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(欧特克Autodesk)

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