「心动系列3」赛用发动机研发的背后，什么才是真正的性能车？ P1

Author / Zme梦儿

马石油 —— 马来西亚石油公司，大部分人应该听都没听过。

不过，如果你关注F1，或者是Moto GP，一定对这个名字不陌生，毕竟作为这两个车界顶级赛事各自冠军车队的赞助商，曝光率不是一般的高。

我以为这样的马石油，作为一家炼油的国企，已经表现的很热血很有梦想了，没想到最近发现他们曾经还撇开那些有名的整车厂，拉着车圈供应商，自己造过原厂车参加比赛，这感觉也就略逊于现在红牛这个饮料厂啊！

本文分为上下两篇 ——

 上篇（本文）主要内容 

 1  此款赛用发动机曲轴改进的目标与内容

 2  此款赛用发动机曲轴研发过程中的取舍

 3  正向研究环节中必不可少的 —— 仿真分析（CAE）

 下篇主要内容 

 1  此款赛用发动机曲轴CAE分析

 2  赛用与量产有什么差异？到底什么车才能称为性能车？

 正文 

今天的主角，就是马石油2003年开始参加WSBK世界超级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，两者区别简单粗暴的解释 —— Moto GP相当于汽车赛中的方程式赛车，而WSBK相当于汽车赛中的房车赛，有量产车数量要求

马石油这款赛车叫FP1，搭载了0.9升的三缸发动机。

当时更新的赛事规则允许所有的发动机提升到1升的排量，不过为了免去重新赛事认证的成本，马石油决定不改排量，也就是不改变缸径和冲程这些基本参数，而是通过提升最高转速来提高最终的输出功率。

最大的改动就是旋转往复系统（所有做旋转往复运动的零件，主要活塞、连杆、曲轴还有平衡轴）的减重来减小运动件的惯量、提高转速，当时帮助马石油一起做研发的，也是车圈有名的供应商：里卡多(Ricardo)。

而我们研发故事的揭秘，就从这款赛用发动机轻量化曲轴的更改设计入手，来看看只是四个字：减小惯量（减重），研发中需要做多少事情。

马石油当时赛用发动机的额定转速是14000转，提高后需要到16000转，已有发动机将作为基础版，与改进版进行数据对比。

此款赛用发动机曲轴与走量发动机曲轴对比本质的区别，是其对材料力学性能的高要求，也就是这个曲轴要够硬、够强、够耐磨以应对赛场上马力全开、不断劈弯的恶劣工况。

此曲轴无论是基础款还是改进款，制造工艺都相同，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“人话”，大家不用搞清是什么，只要知道这种熔炼技术一般是航空航天工业用的，可想而知其对材料性能要求之高和不菲的价格。

在那个大家发动机曲轴都是用铸铁的年代，这个才是其独特之处。

 一，设计更改 

 1  减重、减小转动惯量并保证合适的平衡率

首先需要改变功率流，也就是功率怎么传递给变速箱。

汽车发动机我想大家都比较熟悉，动力是曲轴通过飞轮离合器一直线传到变速箱，不过摩托车的空间更小，所以这款发动机和变速箱是平行的，通过齿轮传递动力，基础版发动机的功率流如下所示：

动力通过第三个曲柄臂上的驱动齿轮传递到平衡轴上，再穿过平衡轴，通过平衡轴上的齿轮传到变速箱上，更新的设计就是把曲轴上的驱动齿轮从第三个曲柄臂移动到第五个，避免功率流经过整个平衡轴，为了更好地减少平衡轴的惯量，如下所示：

我在V6篇中说过加了平衡轴的三缸机可以完全平衡掉一阶不平衡往复力矩，在VR6篇中说过，曲轴本身的平衡块也会参与平衡部分往复力矩。

所以结合起来，要平衡一阶不平衡力矩，需要曲轴平衡块和平衡轴的共同作用，那这里减重势必要减少平衡块的重量，就会影响到平衡率了，这时，就要做取舍了。

从上面两个版本的曲轴对比可见，改进版曲轴的曲柄臂和平衡块的减重非常明显。

基础版这个三缸机的曲轴跟我们普通量产车的三缸机曲轴看起来差不多，是一阶不平衡力矩全平衡的曲轴，所以平衡块比较壮实，特别是一、六曲柄臂的平衡块。

依旧是之前讲过的点，这里再次验证了：性能向的发动机，当NVH与性能冲突时，NVH就会被适当放弃。那基础版这么大的平衡块，必须忍不了，减！

当然，引起不平衡的质量也一样要减，这样，削弱平衡率的影响才会更小，也就是活塞总成和连杆都是要减重的，数据如下：

减重减惯量还要保持一定的平衡能力，所以削掉平衡块厚度、连杆颈上开孔，但会在平衡块上钻孔去填入一些密度更高的重金属，反向补平衡质量，如下图所示：

经过这一系列的操作，最后平衡情况是怎样的？

表格对比了基础版去掉平衡轴和曲轴平衡块、基础版带平衡轴平衡块和改进版三者的残余不平衡力矩。

可以看出，基础版全平衡只剩比较小的二阶不平衡力矩，改进版因为没有全平衡，所以pitch和yaw力矩都还有残留（pitch和yaw力矩代表什么请点击 → 「心动系列2」爱必深爱：大众VR机型深度解析@Zme梦儿 ），而因为旋转件都进行了相应的减重，所以二阶力矩相比基础版要小一些。

最后，整个改完后，相比基础款，改进款曲轴减少了约30%的质量、35%的惯量：

 2  减小阻力

改进款的减阻主要聚焦在减小旋转件运动时的风阻上，我想大家听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小心思，当然这个也是一般家用量产车不会关注的点。

在曲轴平衡块边缘修形，使其变刀刃状，用来减少旋转时的风阻，特别在高转时。

平衡轴的平衡块用如塑料件这种轻质几乎不影响平衡质量的材料补齐成为一个圆，也是为了旋转时减少风阻。

 二，仿真分析 

设计上做完更改之后，怎么才能证明设计更改是有效的、又不会因为更改而导致原有其他方面的性能变化呢？

我想大家会想到试验，但如果在试验失败，重新再找问题，再试验，这当中不断的制造零件消耗的成本可不是一星半点，这时，仿真分析，就能派上大用处了。

在设计迭代的过程中尽量多用电脑仿真去减少试验带来的成本消耗，也是现在正向研发环节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）。

除了检查设计和验证零件，发动机的仿真分析中还有计算流体力学(CFD)，来帮助整机中的气、油、水，还有缸内燃烧等相关性能的设计。

还有，一维热力学，在前期概念阶段帮助性能选型等，整机动力学方面，衍生到整机NVH的能力评估等，可以扩展出几百条分析条目，都是发动机仿真分析的内容，其中还经常需要进行多物理场耦合分析。

总之，整个发动机仿真非常的复杂，当然变速箱、电池包、电机等的分析也包含在这些领域中。

但如果要深耕发动机，的确是会让人头秃的节奏，至于以后？可能就是：恩静(engine)去无踪，秀发更出众。

当然除了动力总成，整车还有很多其他方面也会运用仿真分析，比如爱赛车的你们听到更多的是空气动力学这块。

还有车身内外饰啊、底盘、整车安全等等。除了汽车、仿真分析深入整个工业体系，一般把它称之为计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）。

现在的小排量发动机输出可以媲美四、五十年前的大排量发动机，是因为CAE技术的发展；现在实干派车迷们发现改装发动机不再能无限制刷ECU、或者改装涡轮随便增大增压值了，因为发动机越来越承受不住了。

这同样也是CAE的功劳，为了减少“过设计”，在满足性能目标的同时控制成本。

To Be Continued......

更多内容点击下图阅读

 More 

今日日签

赞 (0)

相关推荐