马石油 —— 马来西亚石油公司,大部分东谈主应该听都没听过。
我以为这样的马石油,动作一家真金不怕火油的国企,也曾进展的很热血很有逸想了,没猜测最近发现他们也曾还撇开那些驰名的整车厂,拉着车圈供应商,我方造过原厂车参加比赛,这嗅觉也就略逊于当前红牛这个饮料厂啊!
本文主要内容 ——
1此款赛用发动机曲轴矫正的标的与内容
2此款赛用发动机曲轴研发过程中的弃取
3正向商讨款式中必不可少的 —— 仿真分析(CAE)
4此款赛用发动机曲轴CAE分析
5赛用与量产有什么互异?到底什么车才气称为性能车?
Author / Zme梦儿
今天的主角,便是马石油2003年运转参加WSBK寰球超等摩托车锦标赛的一款赛用三缸发动机。
注WSBK和Moto GP两者都是机车界的主流赛事,两者区别粗造泼辣的解释 —— MotoGP荒谬于汽车赛中的方程式赛车,而WSBK荒谬于汽车赛中的房车赛,有量产车数目要求
马石油这款赛车叫FP1,搭载了0.9升的三缸发动机。
那时更新的赛事轨范允许整个的发动机擢升到1升的排量,不外为了免去再行赛事认证的本钱,马石油决定不改排量,也便是不改变缸径和冲程这些基本参数,而是通过擢升最高转速来提高最终的输出功率。
最大的变嫌便是旋转往返系统(整个作念旋转往返洞开的零件,主要活塞、连杆、曲轴还有均衡轴)的减重来减小洞开件的惯量、提高转速,那时匡助马石油通盘作念研发的,亦然车圈驰名的供应商:里卡多(Ricardo)。
而咱们研发故事的揭秘,就从这款赛用发动机轻量化曲轴的转变联想脱手,来望望只是四个字:减小惯量(减重),研发中需要作念些许事情。
马石油那时赛用发动机的额定转速是14000转,提高后需要到16000转,已有发动机将动作基础版,与矫正版进行数据对比。
此款赛用发动机曲轴与走量发动机曲轴对比践诺的区别,是其对材料力学性能的高要求,也便是这个曲轴要够硬、够强、够耐磨以支吾赛场上马力全开、不断劈弯的恶劣工况。
此曲轴岂论是基础款照旧矫正款,制造工艺都疏导,用一种叫双真空再熔的钢胚进行机加工,双真空再熔,听着就很不“东谈主话”,内行无须搞清是什么,只消知谈这种熔真金不怕火本领一般是航空航天工业用的,不言而喻其对材料性能要求之高和闲雅的价钱。
在阿谁内行发动机曲轴都是用铸铁的年代,这个才是其独到之处。
1减重、减小动掸惯量并保证合适的均衡率
领先需要改变功率流,也便是功率若何传递给变速箱。
汽车发动机我想内行都比较老到,能源口角轴通过飞轮聚散器一直线传到变速箱,不外摩托车的空间更小,是以这款发动机和变速箱是平行的,通过齿轮传递能源,基础版发动机的功率流如下所示:
能源通过第三个曲柄臂上的驱动齿轮传递到均衡轴上,再穿过均衡轴,通过均衡轴上的齿轮传到变速箱上,更新的联想便是把曲轴上的驱动齿轮从第三个曲柄臂出动到第五个,幸免功率流经过整个均衡轴,为了更好地减少均衡轴的惯量,如下所示:
我在V6篇中说过加了均衡轴的三缸机可以全都均衡掉一阶不服衡往返力矩,在VR6篇中说过,曲轴本人的均衡块也会参与均衡部分往返力矩。
是以连结起来,要均衡一阶不服衡力矩,需要曲轴均衡块和均衡轴的共同作用,那这里减重例必要减少均衡块的分量,就会影响到均衡率了,这时,就要作念弃取了。
从上头两个版块的曲轴对比可见,矫正版曲轴的曲柄臂和均衡块的减重相称显著。
基础版这个三缸机的曲轴跟咱们正常量产车的三缸机曲轴看起来差未几,是一阶不服衡力矩全均衡的曲轴,是以均衡块比较壮实,绝顶是一、六曲柄臂的均衡块。
依旧是之前讲过的点,这里再次考据了:性能向的发动机,当NVH与性能结巴时,NVH就会被符合摈弃。那基础版这样大的均衡块,必须忍不了,减!
天然,引起不服衡的质地也一样要减,这样,放心均衡率的影响才会更小,也便是活塞总成和连杆都是要减重的,数据如下:
减重减惯量还要保捏一定的均衡智商,是以削掉均衡块厚度、连杆颈上开孔,但会在均衡块上钻孔去填入一些密度更高的重金属,反向补均衡质地,如下图所示:
经过这一系列的操作,终末均衡情况是若何的?
表格对比了基础版去掉均衡轴和曲轴均衡块、基础版带均衡轴均衡块和矫正版三者的残余不服衡力矩。
可以看出,基础版全均衡只剩比较小的二阶不服衡力矩,矫正版因为莫得全均衡,是以pitch和yaw力矩都还有残留(pitch和yaw力矩代表什么请点击→ ),而因为旋转件都进行了相应的减重,是以二阶力矩比拟基础版要小一些。
终末,整个改完后,比拟基础款,矫正款曲轴减少了约30%的质地、35%的惯量:
2减小阻力
矫正款的减阻主要聚焦在减小旋转件洞开时的风阻上,我想内行传说过的减风阻一般都是车身,而此款赛用高转摩托车用发动机,也在旋转件上动了点戒备想,天然这个亦然一般家用量产车不会情感的点。
在曲轴均衡块边际修形,使其变刀刃状,用来减少旋转时的风阻,绝顶在高转时。
均衡轴的均衡块用如塑料件这种轻质简直不影响均衡质地的材料补都成为一个圆,亦然为了旋转时减少风阻。
联想上作念完转变之后,若何才气讲授联想转变是有用的、又不会因为转变而导致原有其他方面的性能变化呢?
我想内行会猜测试验,但如果在试验失败,再行再找问题,再试验,这当中不断的制造零件耗尽的本钱可不是一星半点,这时,仿真分析,就能派上大用处了。
在联想迭代的过程中尽量多用电脑仿真去减少试验带来的本钱耗尽,亦然当前正向研发款式中必不可少的一部分,一般会认为这块是有限元分析 —— FEA(Finite Element Analysis)。
除了查验联想和考据零件,发动机的仿真分析中还有诡计流膂力学(CFD),来匡助整机中的气、油、水,还有缸内摈弃等联系性能的联想。
还有,一维热力学,在前期倡导阶段匡助性能选型等,整机能源学方面,孳生到整机NVH的智商评估等,可以膨胀出几百条分析条件,都是发动机仿真分析的内容,其中还频繁需要进行多物理场耦合分析。
总之,整个发动机仿真相称的复杂,天然变速箱、电板包、电机等的分析也包含在这些范畴中。
但如果要深耕发动机,真实是会让东谈主头秃的节律,至于以后?可能便是:恩静(engine)去无踪,秀发更出众。
天然除了能源总成,整车还有许多其他方面也会诈欺仿真分析,比如爱赛车的你们听到更多的是空气能源学这块。
还有车身表里饰啊、底盘、整车安全等等。除了汽车、仿真分析长远整个工业体系,一般把它称之为诡计机补助工程CAE(Computer Aided Engineering)。
当前的小排量发动机输出可以失色四、五十年前的大排量发动机,是因为CAE本领的发展;当前实干派车迷们发现改装发动机不再能无末端刷ECU、或者改装涡轮敷衍增大增压值了,因为发动机越来越承受不住了。
这相似亦然CAE的功劳,为了减少“过联想”,在自豪性能标的的同期限度本钱。
1主轴承油膜
曲轴高速旋转,通过主轴颈的轴瓦与缸体安设在通盘,主轴颈和轴瓦间要有符合的纰谬合作并需要有一层合适的油膜厚度才气保证曲轴正常责任和幸免过多的摩擦功逝世。此款发动机用的马石油5W40的机油。
CAE诡计得出矫正版与基础版的效果,在常用恶劣工况的高转区间,峰值受载有一定的裁减;然而高转区间的油膜最小厚度有眇小的减小,而况跟随眇小的温度升高,瞻望摩擦功逝世会有眇小的加多。但都在可袭取的范围内,主轴承处的润滑智商莫得显著的问题。
2曲轴扭振
在V6篇中提到过,然而莫得伸开讲。
发动机里面气体压力和惯性力会引起多种周期性的力矩,力矩的频率如果跟曲轴的扭振自振频率在一个区间,就很可能引起“共振”,轻则引起NVH问题,加重零件磨损,重则会使曲轴断裂,是以曲轴扭转振动的分析是发动机研发过程中不可空泛的一环。
底下是通过CAE软件开采的此款发动机轴系的多体能源学模子:
一般看轴系角位移的大小来评判是否有共振的风险:
由于惯量的减少,矫正版曲轴在12000转以下的齿轮角位移比基础版要大一些。
矫正版曲轴的扭转幅值比基础版有显赫的增大,而矫正版的曲轴固有频率为971赫兹也比基础版的1317赫兹有着显著裁减。
从扭振效果的分析来看,曲轴本人的减重和减惯量对曲轴扭振是不利的,然而经他们工程师评估还不到有大风险的地步。
3曲轴疲困强度分析
天然,减重对曲轴强度和疲困也笃定是有影响的,疲困分析捕快的便是零件长久的情况。
这个CAE分析需要建轴系能源学模子和有限元的三维模子,整个诡计是要捕快曲轴在全转速、无缺缸压载荷下的强度和疲困是否自豪需求。
基础版曲轴FEA模子
矫正版曲轴FEA模子
缸体FEA模子
一般来说曲轴上薄弱易坏的地苟简口角柄臂双方主轴颈的倒角处,是以会情感主轴颈倒角的应力和疲困安全所有,底下的图展示了6个主轴颈倒角的疲困安全所有:
咱们可以看玄色的线,一缸第一个曲柄臂侧主轴颈倒角在14000转傍边的安全所有最低,从基础版运转便是这个趋势。
底下是这个最薄弱主轴颈各版块的数据对比,除了基础版和最终矫正版,还有一个中间版,凭据我之前说的,联想阶段一般会有几轮迭代,这个中间版便是这个神态中的一轮迭代:
图中红圈圈出来的两个点是最终版联想应力和疲困进展最差的点,跟上头曲轴扭振图中标出的4.5阶反应幅值的峰值点对应,在13500转区域。
而中间版的数据最差,最大应力基本都逾越其他两个版块,疲困安全所有也都小于另两个版块,最差的区域是上头这个彩色的有限元强度诡计效果中红色最多的场所,在赛谈工况实测中也考据了这个联想是不行的,中间版的这个区域在未几的轮回后就断裂了:
咱们来看下中间版的这个区域的联想是什么样的:
因为有连杆限位的需要,有两个凸出来的限位区域,箭头指出的这个倒角便是最薄弱的场所,中间版这个场所的联想与基础版一样莫得改变。
但因为减重的联想,使得这个区域受载抗弯智商变差导致了试验失效,终末,联想工程师把连杆限位区域移到了小头处,把这个任务交给了活塞,于是在最终矫正版的曲轴联想中,此倒角就转变变大了:
以上是此轻量化曲轴的整个联想转变和CAE考据内容。按理来说联想中应该还有曲轴本人的动均衡校核,不外本文府上中并莫得此内容,就不伸开了。
府上中也并莫得看到有台架试验的内容,而是在赛谈路试和凯旋比赛中的追踪。
车手试车体验后,很可爱提高输出转速后的高动掸力反应,而况能袭取因此带来的过剩的振动。
此款赛用发动机的曲轴比较耐用,岂论是基础版照旧矫正版在路试和比赛中都莫得失效,一般曲轴逾越四百万轮回就会被替换,但一些基础版曲轴可以责任到七百万轮回、一些矫正版曲轴可以责任到六百万轮回。
情感一些赛事的小伙伴可能都会有这种认识:赛用发动机的寿命要远低于量产发动机。
毕竟在赛场上,使用环境很暴戾,而输出性能高于一切,一些最新本领的应用还有厂队资金的高插足使得更换发动机也不难,许多时刻赛场上比赛亦然测试,对长久天然有要求,场场坏笃定亦然影响收货的,但比拟量产车来说照旧低了许多的。
这里要更新下内行的信息,至少关于头部的传统整车厂,绝顶是有点历史的车企,历史除了情愫,对研发来说更是数据累积,一般不会需要通过用户使用去匡助会聚或者测试。
关于量产发动机是有与整车分开的单独整机和其中要津零部件的长久试验的,只消通过了才气上市,一般灭亡了整个咱们平时能遇到的内行谈路工况,而况会更暴戾。
而岂论是对应什么机型,几缸,长久试验的标准都不会有变化,这里就再来当一次坏话闭幕者:三缸是否比四缸更容易抖坏?
如果按照我说的研发历程,我想这就构不成疑问了。
不外,针对国内商场量产车的一些长久试验,就真的是万能了吗?有哪个用户可能遇到的工况是当前咱们国内主流研发历程还莫得灭亡到的?
我想,便是赛谈工况。
车型的分类有许多种,两厢车、三厢轿车、SUV等等。
而车子的玩法也有许多种,有东谈主可爱公路旅行,旅行车或者一些城市SUV适应他们;
有东谈主可爱越野,那毫无疑问硬派越野车才是他们的菜;
当前还有被特斯拉带出来的科技党,以为汽车便是大号手机;那还有一些东谈主,青睐赛谈,这个时刻,针对赛谈研发的性能车,便是他们的爱了。
我想大部分可爱车的东谈主,都没法拒却性能车,而能得回赛用本领下放的车,更是键盘值爆表。
诚然莫得一个斡旋的说法,但我认为从两厢钢炮到超跑,只如果针对赛谈研发的,都能被分歧到性能车范围,只是他们擅长的赛谈不同资料。
领先我以为,赛谈是老师一辆车软硬件匹配、整车动态性能的最高、最客不雅的标准,即使加上圈套前很火的某些“科技建设”、以至从油换电,这个不雅点依然适用。
咱们来看下外洋车企对此的认识,就用典型的纽北路试图:
越野派代表:路虎卫士
豪华派代表:劳斯莱斯古斯特
电车代表:疾驰EQS
还有MPV代表:切弯的各人迈特威…
纽北可不单是只消那些整天刷圈速的性能车,欧洲车企靠山吃山老是可爱啥车都奉上去跑。
除了纽北,外洋主流车企的试车场里面都会有赛谈,有些还非常模拟纽北作念出上下跌差,大宗性能车诚然都会送到纽北测试然后被拍,但初期都是在车企们我方试车场内的赛谈进行研发。
那家用走量车如果在路试时包含赛谈,而况终末真实有可以的操控性能,是否便是针对赛谈研发?就能成为性能车了呢?我想,谜底应该照旧含糊的。
针对赛谈,我认为需要包含这两个方面:刷圈和圈速。
圈速是轮廓性能标的。我想内行都知谈,极致的性能和得住持用就如鱼和熊掌,不可兼得,是以性能车一定是在举座联想标的上更偏向性能而铁心一些家用的目的,比如NVH,国内改装件头牌之一的排气,就能让你家里东谈主坐你车时眉头紧皱。
是以,操控可以的家用车,要点照旧“家用”。
而刷圈便是锻练赛谈工况的长久智商(对动作刷圈基础的单圈赛谈长度有要求,推断一般在5公里傍边;或者对总的流畅赛谈公里数有要求)。
这两者都需要在研发中接头进去,才气说这是一辆针对赛谈研发的性能车。操控可以的家用车,可能粗造换个胎圈速就会还可以,然而没法自豪流畅刷圈的需求,基本能源系统和刹车的散热都跟不上。
那这些操控性能可以的家用车可以若何去样貌呢?我以为,可以称之为洞开车型:
至于有些国内品牌的某些外不雅看似炫酷、排气声很响但与赛谈关系不大、圈速也不可看的车,照旧达不到洞开车的门槛的,更别说能跟性能车有什么关系了。
是以,凭据今天前边讲的赛用发动机中这个轻量化曲轴的研发内容,可见,发动机性能的擢升是紧要的,而况终末保证一定的赛谈长久智商亦然必须自豪的。
其他发动机有些什么本领是为了既保证性能又保证赛谈长久的联想吗?我想最驰名的便是干式油底壳,如果以为本钱太高,湿式油底壳也可以为了赛谈工况作念一些矫正联想,比如底下本田S660这款三缸的油底壳联想:
咱们正在为下一代电车电板包的赛谈工况与外洋通盘作念连合开发责任,也曾因为法例末端没法为国内带来咱们品牌正真的性能车型一直是缺憾,而面向电动期间,粗略补都这个缺憾让我以为值得期待,也因此有了这些想考。
空间诚珍惜,舒服价更高,若为性能故,两者皆可抛,而况自豪一定量流畅赛谈圈数的这种长久工况,是性能版车型与正常车型最大的区别。
内行以为呢?
备注本文所用材料均源头于网上公开信息,包括马石油赛用发动机曲轴解析部分
https://pdfs.semanticscholar.org/9b12/e9400b1bc5bdd307512629ec599273564e49.pdf
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