Конструкция коленчатого вала: то, что делает двигатель двигателем

В Японии Honda реализует несколько текущих проектов по облегчению своих компонентов, от рам кузова и двигателей до болтов. Чтобы добиться упрощенного дизайна, структура и материалы, используемые в каждой части, должны быть тщательно изучены. Последней целью Honda R&D — отдела исследований и разработок автопроизводителя — является коленчатый вал.

Что делает коленчатый вал?

Коленчатый вал является одной из важнейших функциональных частей двигателя. Он преобразует колебания поршней во вращательную силу. Это круговое движение приводит в действие двигатели внутреннего сгорания, необходимые для транспортировки. Для этого он должен быть очень прочным и долговечным.

«Коленчатые валы должны удовлетворять множеству функциональных критериев, — говорит Хиросуми Тодака, разработчик механического и гидравлического оборудования в лаборатории передовых технологий Honda R&D. «Например, его форма должна выдерживать давление сгорания, и должен поддерживаться вращательный баланс. Эти факторы и по сей день определяют форму коленчатого вала. За долгую историю развития двигателей конструкция коленчатого вала стала предрешенной. Несмотря на это, мы поставили перед собой непростую цель разработать коленчатый вал на 30% легче, чем существующие модели».

Использование генеративного проектирования для изменения норм проектирования

Подразделение исследований и разработок Honda с самого начала внимательно изучало аддитивное производство. При поиске технологий проектирования, таких как оптимизация топологии, компания нашла генеративный дизайн (где создается и повторяется несколько проектов) и поняла, что он может значительно изменить традиционные нормы проектирования.

Генеративный дизайн уже помог отрасли перепроектировать такие компоненты, как кронштейны ремней безопасности, блоки управления двигателем и рамы мотоциклов; в каждом случае наблюдалось значительное снижение веса. «Требовался новый подход, использующий такие методы, как генеративный дизайн и аддитивное производство», — говорит Тодака. «Нам пришлось отбросить предвзятые представления и посмотреть на вещи в новом свете».

Компания Honda R&D начала свой первый в своем роде проект в сотрудничестве с Autodesk, направленный на развитие гибкого подхода. «Крайне важно, чтобы в нашем дизайне мы отказались от предубеждений, чтобы думать о чисто основных функциях детали», — говорит Хисао Уозуми, который исследует производственные процессы проектирования и новые материалы в Honda R&D. «Чтобы заложить основы этого подхода, мы вместе провели семинар по критическому мышлению».

Компания Autodesk подготовила первую партию модели, отвечающую требованиям Honda к этой детали, используя Netfabb и Fusion 360. команда Autodesk по мере того, как модель обретала форму», — говорит Тодака.

В своей работе над деталями двигателей для двух- и четырехколесных транспортных средств Тодака полагался на свой прошлый опыт, чтобы придумать конструкции для последующего анализа и уточнения. Когда он впервые увидел результат, он был поражен. «Эта часть имела органическую форму, похожую на человеческую кость», — говорит он. «Это было нечто за пределами моего самого смелого воображения».

Члены проектной группы Honda R&D отправились в Лондон, где прошли обучение генеративному проектированию; посетил Технологический центр Autodesk в Бирмингеме, Англия; и обсуждали темы, выходящие за рамки дизайна, такие как аддитивное производство. На объекте Тодака говорит: «Прототипы можно было быстро сделать из проектов. Я чувствовал, что это идеальная среда, в которой можно быстро применить обратную связь к своей работе».

Данные прототипов заставили Honda переосмыслить компоновку и критерии прочности, что привело к новому набору граничных условий для деталей. Команда продолжила свою работу и разработала модель второй партии.

Обычная оптимизация топологии предоставляет только одно решение и требует трудоемких ручных исправлений. Генеративный дизайн Fusion 360 предлагал то, что, по словам Тодаки, было «конфигурацией, которую я даже не рассматривал как дизайнер». Новая конструкция коленчатого вала превзошла цели благодаря неожиданному уменьшению веса на 50%, но остались сомнения относительно того, выдержит ли жесткость и прочность детали типичные коленчатые валы.

Члены группы установили прототип на двигатель для тестирования производительности и получили много данных. Они поделились результатами с командой Autodesk, которая использует данные Honda для усовершенствования процессов генеративного проектирования. «Применение генеративного проектирования к вращающимся деталям, таким как коленчатый вал, стало чрезвычайно ценным опытом как для Honda, так и для Autodesk, — говорит Тодака.

Интеграция производства в процесс проектирования оказалась бесценной. «Он предоставляет нам модели, которые могут учитывать конструктивные ограничения, например, возникающие при использовании аддитивного производства, производства на основе пресс-форм или 5-осевой обработки», — говорит Тодака.

Для Honda этот проект открыл возможности аддитивного производства. «Хотя некоторые все еще сомневаются в этой новой форме, внимание, которое она привлекла к технологии, стоило затраченных усилий», — говорит Тодака. «Хотя еще многое можно сделать для облегчения деталей, теперь мы видим путь вперед для достижения наших целей. В будущем я ожидаю, что инновационные продукты, созданные с использованием генеративного дизайна, станут нормой. Я думаю, что мы должны исследовать дальнейшие применения этой технологии в рамках нашей работы».

Эта статья была обновлена. Первоначально он был опубликован в марте 2020 года.

Об авторе

Ясуо Мацунака — клавишник, поклонник космических фильмов, редактор Redshift Japan и международный контент-менеджер Autodesk для Азиатско-Тихоокеанского региона и Японии.

Больше контента от Ясуо Мацунака

Новый поворот в разработке коленчатых валов. Индустрия спортивных гонок

Конструкция коленчатого вала становится все более всеобъемлющей.

«Все хотят чего-то немного другого, — заметил Ник Боэс из Shaftech, Фостория, Огайо. «Получился клиент с драгботом. У него большая кривошипная рукоятка Ford с шатунными шейками Hemi и нос от Chevrolet. У нас появляется все больше и больше таких чудиков, где все понемногу. Каждый хочет, чтобы его собственное маленькое вращение сделало его уникальным. Но мы не можем хранить такие вещи, потому что мы никогда не избавимся от следующего».

Боэс не производит коленчатые валы, а скорее ремонтирует, модифицирует и наносит покрытие, поэтому он видит широкий выбор коленчатых валов, которые сейчас наводняют рынок, особенно потому, что эти избирательные гонщики могут не иметь возможности получить дубликат коленчатого вала в течение некоторого времени.

«Они все переходят на одноразовые детали. Когда у парня что-то подобное болит и он хочет заказать рукоятку сейчас, они могут сказать, что через 16 недель, но ему повезет, если он действительно получит ее именно тогда», — сказал Боэс.

Как и большинство других секторов гоночной индустрии, производители коленчатых валов оставались занятыми во время пандемии и часто боролись с одними и теми же проблемами нехватки рабочей силы и запчастей.

«Просто получаю грузовики», — добавил Мэтт Полена из K1 Technologies, Ментор, Огайо. «Не хватает грузовых автомобилей, чтобы доставить груз из пункта А в пункт Б».

«Я разговаривал с клиентом, у которого было 32 мотора на полу, и он не мог достать достаточно деталей, чтобы закончить хотя бы один из них», — согласился Джон Партридж из Bullet Cams, Олив Бранч, Миссисипи.

Горячие тенденции

Несмотря на некоторые неудачи, новые продукты появляются в магазинах по мере того, как все больше приложений становятся популярными или производители кривошипов расширяют свои каталоги.

«Компания Howard выпустила как LS, так и крупноблочные шатуны Chevy в нашей серии Reaper незадолго до того, как пандемия остановила все», — отметил Кирк Питерс из Howards Cams, Ошкош, Висконсин. «Мы считаем, что эти два потребительских рынка имели и в настоящее время имеют самый большой потенциал для роста рынка. Кроме того, LS — это волна будущего, и Ховардс планирует решить эти проблемы с помощью более качественного продукта, такого как зазоры противовеса в центре машины, чтобы наши шатуны можно было использовать как в стандартных, так и в послепродажных блоках. Добавление центральных противовесов на шатуны LS и BBC увеличило срок службы коленчатых валов с большим ходом».

Коленчатые валы с центральным или восемью противовесами, безусловно, сейчас являются одной из самых горячих тем в отрасли.

Одной из самых популярных тенденций этого года является конструкция с восемью или центральным противовесом.

«Мы выпускаем новый коленчатый вал LS из заготовки с восемью противовесами», — сказал Том Молнар из Molnar Technologies, Кентвуд, Мичиган.

«Мы предлагаем больше коленчатых валов с центральным противовесом, чем когда-либо прежде. Первыми выкатились Chevy big block, а за ними последовал LS», — повторил Алан Дэвис из Eagle Specialty Products, Саутхейвен, штат Миссисипи. По его словам, шатуны традиционной конструкции также будут на переднем крае усилий компании. «Мы прилагаем большие усилия для разработки специального коленчатого вала для использования в серии спринтерских автомобилей RaceSaver. Мы хотим предложить больше, чем просто модифицированную версию стандартного коленчатого вала. Мы хотим не только снизить затраты, но и повысить производительность и долговечность, оставаясь при этом в рамках правил RaceSaver».

Дебаты о выборе коленчатого вала V8 с шестью или восемью противовесами, кажется, сосредоточены на весе и нежелательной вибрации.

«Центральные противовесы используются для уменьшения изгиба коленчатого вала при экстремальных уровнях мощности и оборотов», — пояснил Дэвис. «Это также повысит долговечность и усталостную прочность. Гонщики развивают больше мощности, чем когда-либо».

«Многим людям не нравится лишний вес», — возразил Молнар, отметив, что есть определенные рынки, которые действительно нуждаются в конструкциях с полным противовесом. «Чем длиннее ход, тем больше потребность в восьми противовесах. Более короткие штрихи в них не так сильно нуждаются».

Молнар отметил, что «противовесы не обязательно улучшат производительность, но продлят срок службы. У вас есть силы, тянущие все штифты стержней. Вам нужен противовес, противоположный этим силам, чтобы уменьшить изгиб. Речь идет не о балансировке, а об уменьшении изгиба».

Инженеры компании Lunati в Олив-Бранч, штат Миссисипи, согласны с преимуществами конструкции с восемью противовесами, но планируют добавить еще одну особенность. «Спрос на восьмиконтурный противовес исходит от хардкорных гонщиков, — сказал Уилл Вэнс. «Это тот же сценарий, который мы прошли с большим блоком Chevy. Все поняли, что шесть противовесов — это хорошо для уличного применения, но если вы создаете реальную мощность, вы можете получить слишком много кривошипа. Теперь мы видим двигатели LS объемом 450 кубических дюймов, развивающие скорость более 7500 об/мин. Кривошипный хлыст может стать для них проблемой».

Чтобы выделить свой коленчатый вал среди конкурентов, Lunati планирует использовать запатентованную технологию отделки Black Magic, которая в настоящее время используется в премиальной линейке распределительных валов LS. Внутреннее покрытие добавляет твердости и сглаживает поверхность, оставляя на металле уникальный вид черного хрома.

«Покрытие действительно улучшает показатель RA», — добавил Вэнс. «Он заполняет любые дефекты, оставшиеся после обработки. Мы собираемся сделать то же самое с коленчатыми валами. Это не увеличит мощность, но может увеличить срок службы подшипника. Если мы сможем запустить эту рукоятку с восемью противовесами, она, вероятно, будет представлена ​​с игрой на бренде Black Magic».

Еще одним популярным рынком для производителей являются большие дизельные двигатели, используемые для буксировки тракторов. Компания Callies, базирующаяся в Фостории, штат Огайо, выпустила кривошип, разработанный для двигателя International DT466, после того, как пара местных гонщиков привезла кривошип вторичного рынка для проверки. Инженеры внесли несколько изменений в конструкцию, чтобы усилить предложение заготовок Callies, и теперь обсуждают с гонщиками необходимость дополнительного хода. Этот проект открывает дополнительные возможности на рынке, где коленчатые валы могут весить до 250 фунтов.

«Вероятно, John Deere — это то, что мы сделаем очень скоро», — сказал Брук Пайпер. «Мы собираемся преследовать больших чудаков на рынке тракторов».

Если говорить более традиционно, Callies разрабатывает кривошип специально для блока заготовок, изготовленного компанией Bullet Race Engineering в Австралии, по образцу платформы Nissan RB30.

«Они нацелены на рынок Toyota 2JZ», — добавила Пайпер.

Грязные поздние модели с блоками цилиндров с центральным отверстием 4500 дюймов составляют еще один популярный сегмент в индустрии кривошипов.

«Мы производим много коленчатых валов для них», — объяснил Питер Харрис из Crower Cams, Сан-Диего, Калифорния. «Эти поздние модели очень требовательны к деталям. Гармоники, происходящие в этих двигателях, могут быть очень плохими. Нам нужно было усилить шатуны».

Что касается производителей комплектного оборудования, новые стандарты экономии топлива и выбросов стимулируют развитие поставщика уровня 1 Pankl, который базируется в Австрии, но также имеет операции в США.

«Наши клиенты начали работать над двигателями внутреннего сгорания с более высоким КПД, такими как VCR [переменная степень сжатия] и концепции с оппозитными поршнями, которые требуют особой конструкции коленчатого вала», — сказал Кристоф Вахманн.

Новые направления

Большая часть производства коленчатых валов перешла на удобный темп. У каждого производителя есть своя любимая сталь, и хотя могут быть разные взгляды на термообработку, кривошипы долговечнее, чем когда-либо. Производители двигателей часто имеют стандартные заказы и не отклоняются от своих любимых весов или размеров цапф. Они экспериментировали в прошлом, но теперь знают, что работает. и они довольны результатами.

Это не значит, что нельзя рисковать. Одно из самых оживленных направлений на рынке — плоский коленчатый вал. Помимо Формулы 1, коленчатые валы с плоской плоскостью были испытаны, но не были хорошо приняты в других гоночных объектах. Среди приведенных причин было то, что производители двигателей устали гоняться за амортизаторами по всему стенду, потому что плоские кривошипы могут быть печально известны проблемами с вибрацией.

Несмотря на трудности, интерес есть. Ford разработал плоский коленчатый вал для своего 5,2-литрового двигателя Voodoo, используемого в программах Mustang GT350 и GT350R.

«Мы производим больше плоских коленчатых валов из заготовок», — сказал Том Либ из Scat Crankshafts в Редондо-Бич, Калифорния. «Мы делаем их для двигателей, отличных от Ford. Создатели двигателей наконец-то поняли, что такое кривошип с плоской плоскостью. А кривошип с плоской плоскостью — это использование выхлопной системы для настройки».

Либ сказал, что существуют неправильные представления о коллекторах равной длины при использовании обычного 90-градусного коленчатого вала в двигателе V8. Но с кривошипом на 180 градусов коллекторы одинаковой длины будут использовать динамику выхлопа, создаваемую при открытии цилиндров на 180 градусов.

«Вы можете отрегулировать длину коллектора, но все четыре одновременно, и теперь вы можете использовать выхлоп для настройки впуска», — предложил Либ, добавив, что Форд решил многие проблемы с вибрацией, используя конфигурация вверх-вниз-вверх-вниз для расположения штифтов стержня вместо конфигурации вверх-вниз-вниз-вверх, часто используемой в других плоскостных приложениях.

«Это изменило баланс порядка стрельбы из стороны в сторону», — добавил Либ. «Таким образом, он движется вперед-назад, вперед-назад, чтобы выровнять нагрузку на кривошип и снизить вибрацию».

Тем не менее, дебаты продолжаются.

«Есть вещи, которые происходят в кривошипе с плоской плоскостью, которые невозможно исправить», — предупредил Молнар. «Вы не можете зафиксировать некоторые силы, даже если кривошип сбалансирован правильно. Эти двигатели трясутся. Они могут получить более высокие характеристики, как в болиде Формулы-1. Но в основном они говорят водителям: «Если вам не нравится, как вибрирует руль, мы найдем кого-нибудь другого».0003

Несомненно, производители двигателей предъявляют высокие требования к своим коленчатым валам. Боэс сказал, что сбор данных об одном из двигателей, тянущих за собой трактор, показал, что турбонаддув достиг пика в 425 фунтов за одно тяговое усилие.

«Если подумать, это ошеломляющая цифра», — сказал он. «К нам поступило гораздо больше запросов на ремонт шатунов. Я думаю, что это двояко. Затраты продолжают расти, поэтому ремонт становится более осуществимым. Кроме того, доступность становится проблемой».

«Большие турбо, настоящие мощные приложения для дрэг-рейсинга, кажется, являются волной будущего», — отметил Харрис. «Гонки вне закона и без подготовки. Некоторые из этих парней развивают мощность в две, три и четыре тысячи лошадиных сил. Попытка удержать коленчатый вал там, пока он пытается вытолкнуться из нижней части блока, довольно сложна».

Повышение прочности коленчатого вала часто возрождает споры о заготовке и ковке.

«Есть место для обоих, — сказал Питерс. «Если нет доступной поковки, лучше всего построить коленчатый вал из цельного круглого куска материала. Все сводится к изготовлению цельного коленчатого вала, когда ничего другого нет».

«На самом деле никаких споров нет, только неверное толкование замысла дизайна и жизнеспособности производства», — подтвердил Дэвис. «Кованая деталь будет прочнее заготовки, если нет других различий в размерах, материалах или иных параметрах. Я действительно думаю, что интересно, что автомобильная промышленность — единственная отрасль, которая, кажется, запуталась в этом. Идите куда-нибудь еще в любой отрасли, связанной с машинами, и это даже не тема, о которой кто-то говорит. Почему, например, у нас нет ручных инструментов для заготовок?

«Я думаю, что все это началось потому, что в те времена все, что у кого-либо было, были оригинальными деталями, а поковки на вторичном рынке еще не были рентабельными», — продолжил Дэвис. «Тем не менее, высококачественный гоночный шатун всегда будет цельным. Поковки OE были лишь немного лучше, потому что используемые материалы все еще были не очень прочными по сравнению с хромомолибденовыми сталями. Я думаю, что высокая репутация просто сохранилась на протяжении многих лет».

Что дальше

Заглядывая вперед, некоторые поставщики кривошипов обновляют свои производственные мощности, а другие используют передовые технологии, такие как 3D-печать. Callies и ее дочерняя компания Energy Manufacturing в ближайшем будущем введут в эксплуатацию три новых многооперационных станка WFL.

«Мы усердно работаем над повышением производительности и гибкости за счет технологии обработки», — сказал Пайпер. «Один из WFL — монстр. Он также мог иметь коленчатый вал диаметром 40 дюймов и длиной 20 футов. Это дает нам возможность для более длительных приложений».

«Аддитивное производство уже возможно, но затраты высоки», — сказал Вахманн. «Преимуществом будет меньший вес с лучшими системами жесткости и смазки».

Консолидация рынка станет одним из факторов будущих планов развития. K1 недавно выпустила коленчатый вал для Hemi Gen III, а дочерняя компания Dart Machinery разрабатывает блок Hemi.

«Вместе с другими нашими брендами мы работали над деталями Hemi Gen III, чтобы дополнить блок Dart», — сказала Полена, отметив, что согласованные вращающиеся узлы с кривошипом и шатунами K1 и поршнями Wiseco продуктивны для производителей двигателей. «У нас есть пара вращающихся узлов K1 только для платформы LS, но мы работаем и над другими приложениями, чтобы убедиться, что все подходит. Это требует больших догадок по сравнению с попыткой собрать вместе детали разных брендов по отдельности».

Платформа Ford Godzilla также привлекает внимание в K1; в противном случае действующей директивой является контроль качества.

«Мы стремимся сохранить более жесткие допуски на коленчатый вал, чем те, которые мы используем в настоящее время», — добавила Полена. «У нас еще нет кривошипа для Годзиллы, но у нас есть шатуны и изготовлены специальные поршни».

На пользовательской стороне Bullet продолжает модифицировать поковки, чтобы сделать их легальными для гонок Super Stock. Одной из ключевых корректировок является добавление хода поршня 0,015 дюйма, что является законным в соответствии с правилами NHRA.

«Обычно мы вставляем только 0,013 дюйма, чтобы дать покупателю некоторую амортизацию», — сказал Партридж. «Тогда мы делаем их максимально легкими в рамках правил, а это значит, что противовесы нельзя подрезать. Их тоже нельзя обрезать ножом, но передние кромки перекатываем. И мы можем запустить любой диаметр подшипника. Обычно это Chevy 283 для сети и Honda для удилищ, но мы можем сделать любой размер, который они захотят. Когда мы заканчиваем с ними, они обычно весят от 40 до 42 фунтов».

Получение необработанных поковок является приоритетом Bullet. Сначала компания пытается найти поковки в США, а затем выходит на зарубежные рынки.

«Мы делаем всю работу своими силами, чтобы сделать их такими, как мы хотим, вместо того, чтобы покупать что-то уже готовое и пытаться его перенастроить», — добавил Партридж. «Это специальный чудик, и не так много людей делают это. Громкость настолько мала, что большинство других не хотят с этим возиться. Двое моих работников в основном этим и занимаются».

Удовлетворение спроса будет главным приоритетом для поставщиков коленчатых валов, даже когда сезон гонок подходит к концу. Зимние месяцы всегда напряжены для производителей двигателей, и они по понятным причинам беспокоятся о доставке запчастей.

«Некоторые клиенты в основном говорят мне: «Просто не позволяйте мне исчерпать коленчатые валы», и я стараюсь всегда иметь в магазине не менее 20», — отметил Харрис. — Значит, там хороший бизнес.

Демпфер Вопрос

—

Запускать демпфер или нет. Иногда это викторина недели в гоночных гаражах.

Амортизаторы, также называемые балансиром гармоник, предназначены для уменьшения нежелательных гармоник, возникающих при изгибе и скручивании коленчатого вала при больших нагрузках. Рынок послепродажного обслуживания автомобилей предлагает гонщикам четыре типа: вязкие, маятниковые, фрикционные и эластомерные. У производителей каждого типа есть свои постоянные клиенты, поскольку у каждой конструкции есть свои плюсы и минусы, которые производители двигателей взвешивают, прежде чем выбрать ее для конкретного применения.

Но есть гоночные классы, где амортизаторы не используются, и это не всегда хорошая идея.

«У нас был импортный гонщик, у которого действительно были проблемы с изгибом кривошипа», — вспоминает Джей Си Битти-младший из ATI Performance Products, Балтимор, Мэриленд, производителя эластомерных амортизаторов. «В то время у него не было демпфера. Когда он ездил на двухступенчатой, машина не сидела на месте».

ATI предложила пакет демпферов, который работал. «Оказывается, кривошип изгибался так сильно, что задняя часть кривошипа изгибалась и немного зацепляла сцепление, когда оно изгибалось, заставляя машину ползти вперед», — объяснил Битти.

Кажется, что производители демпферов постоянно рассказывают клиентам о преимуществах своей продукции, в том числе тем гонщикам, которые отказываются их использовать. Они указывают на меньший износ подшипников и меньший риск выхода из строя коленчатого вала, что снижает затраты.

Хотя некоторые производители двигателей сомневаются в необходимости использования демпферов гармоник, производители говорят, что просто увеличение срока службы и надежности, которые они обеспечивают, является достаточной причиной для их использования.

«Автомобили Sprint и Formula 1 — по слухам, оба возражают против интеграции амортизаторов — в настоящее время используют амортизаторы или использовали их», — сказал Брайан ЛеБаррон из Fluidampr, Спрингвилл, Нью-Йорк, производителя демпфера вязкостного типа. «Fluidampr недавно добился большого успеха с вязкостным демпфером малого диаметра на вдохновленном Формулой 1, 1000 л.с., 10 500 об/мин, 39OEM-двигатель V12 объемом 6 кубических дюймов. Разработчик двигателя поместил демпфер в корпус ГРМ и использовал активное масляное охлаждение, чтобы не требовать обслуживания демпфера. В дополнение к закрытому демпферу коленчатого вала использовались четыре вязкостных демпфера распределительных валов, чтобы уменьшить эффекты крутильных колебаний в самом клапанном механизме».

Производители двигателей автомобилей Sprint всегда беспокоились о весе и упаковке, когда пытались установить демпфер на одной линии с водяным насосом. Тем не менее, есть преимущества.

«Они отказываются от лошадиных сил, более высоких оборотов и долговечности своего двигателя и/или его компонентов», — добавил Битти.