▲圖 本田技術(shù)研究院利用衍生式設(shè)計和增材制造工藝，制作了一個發(fā)動機曲軸原型，成功地將傳統(tǒng)設(shè)計的重量減輕約一半。

眼看時下各界齊心協(xié)力一起投入減碳大作戰(zhàn)搓茬，若想提高汽車燃料效率犹赖，設(shè)計則至關(guān)重要队他。國際能源署指出，交通運輸業(yè)（包括道路、鐵路麸折、航空和海上運輸）的二氧化碳排放量約占全球總量的 24%锡凝，其中罪魁禍?zhǔn)拙褪瞧嚒６鴵?jù)歐盟報道垢啼，其交通運輸業(yè)的二氧化碳排放量占?xì)W盟總量的 30%窜锯，其中道路運輸占了 72%。顯然芭析，唯有減輕汽車零部件的重量悄贴，才能提高汽車燃料效率、減少汽車碳排放量傀掘。

本田正在日本進(jìn)行一些研究項目诈绷，旨在減輕汽車零部件的重量。從車身骨架到發(fā)動機圃星，再到螺栓怒央，這些都在輕量化的研究范圍內(nèi)。為達(dá)到簡約設(shè)計的目的丘苗，車輛每個零部件的結(jié)構(gòu)和所用材料都需要經(jīng)過仔細(xì)審查项请，而本田的研發(fā)部門，即本田技術(shù)研究院（Honda R&D）最近關(guān)注的輕量化部件是發(fā)動機曲軸梦迂。

作為發(fā)動機中最重要的功能部件之一肚轴，曲軸的作用在于將氣缸活塞的振動力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)力，因此發(fā)動機曲軸必須非常結(jié)實耐用豫阻。

本田技術(shù)研究院先進(jìn)技術(shù)實驗室的機械與流體機械設(shè)計師 Hirosumi Todaka 說：“曲軸需要滿足多項功能要求诽昨，例如，其形狀必須能夠承受燃燒壓力不从，同時必須保持轉(zhuǎn)動平衡惜姐，這些因素決定了曲軸當(dāng)今的形狀。在發(fā)動機發(fā)展的漫長歷史中椿息，曲軸的設(shè)計已定型歹袁。盡管如此，我們定下了具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)寝优，決定設(shè)計一個比現(xiàn)有模型輕三成的曲軸条舔。”

▲圖 本田技術(shù)研究院先進(jìn)技術(shù)研究所（Innovative Research Excellence）材料與工藝流程研究部的 Hirosumi Todaka乏矾。

本田技術(shù)研究院自創(chuàng)立以來一直密切關(guān)注增材制造技術(shù)孟抗，在尋求拓?fù)鋬?yōu)化等設(shè)計技術(shù)時發(fā)現(xiàn)衍生式設(shè)計（即生成多種設(shè)計方案并進(jìn)行迭代設(shè)計）可以極大改變傳統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范。

衍生式設(shè)計已經(jīng)幫助汽車行業(yè)重新設(shè)計了多種零部件钻心，如安全帶支架凄硼、發(fā)動機控制單元、摩托車車架等，每次都能大幅減輕零部件的重量摊沉。Todaka 說：“我們需要采用一種利用衍生式設(shè)計狐史、增材制造等技術(shù)的新方法，為此我們必須拋開先入為主的觀念用六，以嶄新的視角看待事情近振。”

本田技術(shù)研究院與歐特克合作開展這一前所未有的項目烂锤，期間專注于培養(yǎng)靈活的設(shè)計思維暴遂。在本田技術(shù)研究院從事設(shè)計生產(chǎn)流程和新材料方面研究的 Hisao Uozumi 說：“在設(shè)計過程中，我們務(wù)必摒棄所有的成見架暗，純粹思考部件的必要功能篙协。為打好這方面的基礎(chǔ)，大家一起進(jìn)行了一場批判性思維研討會墓趋∷诙洌”

▲圖 本田技術(shù)研究院在日本埼玉縣和光市進(jìn)行了一場研討會。

打造更好的發(fā)動機曲軸

歐特克采用 Netfabb 和 Fusion 360 制備了首批滿足本田要求的曲軸模型奈兢。Todaka 說：“我們與歐特克的團隊分享本田的專業(yè)知識喻秩，提供了重量和各種運行限制方面的數(shù)據(jù)，然后在模型形成后與他們進(jìn)行深入探討啼插⊥匏啵”

以往在設(shè)計兩輪和四輪車輛發(fā)動機部件時，Todaka 都是先依據(jù)自身經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計粱锐，再來分析修正疙挺。第一次看到結(jié)果后，他簡直是震撼極了怜浅。他說：“那部件具有有機形狀铐然，就像人的骨頭一樣，這超出了我最大的想象力恶座〔笫睿”

本田技術(shù)研究院的項目團隊成員遠(yuǎn)赴英國倫敦接受衍生式設(shè)計方面的培訓(xùn)、參觀英格蘭伯明翰市的歐特克技術(shù)中心跨琳，并與歐特克人員一起討論增材制造技術(shù)等設(shè)計領(lǐng)域外的議題自点。Todaka 表示，在歐特克技術(shù)中心脉让，“我們可以很快地根據(jù)設(shè)計制作出原型桂敛，我覺得那是一個很理想的工作環(huán)境，任何反饋都可以快速地落實到設(shè)計中溅潜∈趸＃”

各種原型的數(shù)據(jù)使本田重新考慮對布局和強度的要求薪伏，為曲軸創(chuàng)造了一組新型邊界條件。該團隊繼續(xù)研究吮蒜，并設(shè)計了第二批模型跷碰。Uozumi 說：“歐特克的團隊成員來自各種背景壁歧，甚至包括航天領(lǐng)域人員催岔。他們看到我們的設(shè)計，就能一眼看出設(shè)計的方向段扛，而我們也可以在相對較短的時間內(nèi)實踐我們的想法惑叶。”

▲圖 衍生式設(shè)計的曲軸模型構(gòu)思圖袁虽，本田技術(shù)研究院供圖

傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計只能產(chǎn)生一種方案旭绝，還需要花費大量的時間進(jìn)行手工修正。反觀 Fusion 360 的衍生式設(shè)計坠髓，Todaka 表示桨皂，這促使他想到了“一種他在以往設(shè)計工作中從未考慮過的配置”。新款曲軸設(shè)計超出預(yù)期目標(biāo)都敛，重量出乎意料地減輕了五成衰屡，不過其剛度和強度是否能夠達(dá)到一般曲軸的剛度和強度仍是未知數(shù)。

團隊成員將該原型安裝到一個發(fā)動機上進(jìn)行性能測試周蹭，獲得了大量數(shù)據(jù)后將之與歐特克團隊共享趋艘，歐特克團隊則采用本田的數(shù)據(jù)對其衍生式設(shè)計流程進(jìn)行優(yōu)化。Todaka 說：“針對像曲軸這樣的轉(zhuǎn)動部件采用衍生式設(shè)計凶朗，不管是對本田還是歐特克而言瓷胧，都是非常寶貴的經(jīng)驗積累∨锓撸”

▲圖 本田技術(shù)研究院和光市制造技術(shù)與管理部助理總工程師 Hisao Uozumi 博士搓萧。

將制造工藝整合到設(shè)計過程中，經(jīng)實踐證明是非常寶貴的宛畦。Todaka 說：“形成模型之時矛绘，可以將各種設(shè)計限制因素，如因采用增材制造刃永、模具型制造货矮、五軸加工等工藝而產(chǎn)生的限制納入考量∷构唬”

對本田而言囚玫，該項目揭示了增材制造技術(shù)的潛能。Todaka 說：“盡管有些人仍對新款曲軸的形狀有所保留榕华，但因此而引來大家對這一技術(shù)的關(guān)注方较，算是值得了窗项。在減輕零部件重量方面，確實還有很大的進(jìn)步空間衷求，但現(xiàn)在帮声，我們看到了達(dá)成目標(biāo)的希望。展望未來搞督，我預(yù)計采用衍生式設(shè)計制造創(chuàng)新產(chǎn)品將成為常態(tài)专散。我認(rèn)為，作為工作的一部分胚搂，我們有職責(zé)研究該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用喉隙。”

作者：YASUO MATSUNAKA

注：文章來自由歐特克支持創(chuàng)立的 Redshift China

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（歐特克Autodesk）

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