本田技術研究所 (HONDA R&D CO.)

透過衍生式設計開發未來的汽車引擎

未來智造

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研究人員提供了一種衍生式設計的曲軸原型,其重量僅為傳統設計的一半

在減少溫室氣體排放的全球鬥爭中,汽車製造商已經圍繞改善燃油經濟性和減少汽車 CO2 排放量設定了主要目標。設計在提高車輛燃油效率方面發揮著至關重要的作用,而實現這一目標的一種極其有效的方法就是減輕重量。為了實現輕量化設計,必須詳細檢查從車身框架和引擎到螺栓的汽車各零件所使用的結構和材料。本田技術研究所 (Honda R&D) (汽車製造商本田的研發部門) 的最新研發目標是內燃機最基本的零件之一:曲軸。

設計創新記錄

本田在日本的研發部門自成立以來就一直認真研究先進的製造技術 (例如,增材製造)。搜尋諸如拓樸優化之類的設計技術時,他們發現了衍生式設計 (產生並迭代多個設計),並且意識到它可以極大地改變傳統的設計規範。

衍生式設計已助力汽車產業重新設計安全帶支架、引擎控制單元和摩托車框架等元件。在每種情況下,重量都顯著減少。

曲軸對輕量化提出了一系列獨特的設計挑戰。曲軸是引擎最重要的功能零件之一,可將活塞的振動轉換成旋轉力。為此,它必須非常結實耐用。

Hirosumi Todaka (就職於本田技術研究所 (Honda R&D) 的「創新研究卓越材料和流程」部門) 展示曲軸原型。

本田技術研究所 (Honda R&D) 先進技術實驗室的機械和流體機械設計師 Hirosumi Todaka 表示:「曲軸需要滿足多種功能標準。例如,其造型必須能夠承受燃燒壓力,並且必須保持旋轉平衡。直到現在,這些因素還決定著曲軸的外形。在引擎發展的悠久歷史中,曲軸設計已成定局。儘管如此,我們設定的挑戰目標是設計出重量比現有模型輕 30% 的曲軸。」

學會改變思維

本田技術研究所 (Honda R&D) 史無前例地開始與 Autodesk 對專案進行協同合作,專注於精心研究靈活的方法。Hisao Uozumi 在本田技術研究所 (Honda R&D) 研究設計生產流程和新材料,他表示:「對於我們的設計而言,至關重要的是,我們必須摒棄偏見,以考慮零件的純粹必要功能,我們共同舉辦了一次批判性思維研討會來為這種方法奠定基礎。」

Todaka 表示:「需要一種使用衍生式設計和增材製造等方法的新方式,我們必須摒棄先入為主的觀念,以嶄新的眼光看待事物。」

本田和 Autodesk 一同參加了在日本琦玉縣和光市本田技術研究所 (Honda R&D) 舉辦的設計研討會。

打造更好的曲軸

為滿足本田的零件要求,Autodesk 使用 Netfabb 和 Fusion 360 準備了首批模型。Todaka 表示:「我們分享了本田的專業知識,以提供有關重量和各種操作限制的資料,然後在模型形成時與 Autodesk 團隊進行了深入探討。」

Todaka 在從事兩輪和四輪汽車引擎零件的工作時,曾依靠他過去的經驗來提出設計方案,然後進行分析和完善。當他第一次看到結果時被震撼了。他表示:「該零件具有有機造型,就像人的骨頭。這在很大程度上超出了我的想像。」

本田技術研究所 (Honda R&D) 專案團隊成員前往倫敦,在倫敦接受了衍生式設計方面的培訓;參觀了位於英國伯明翰的 Autodesk 技術中心;並討論了設計之外的主題 (例如,增材製造)。在工廠,Todaka 表示:「可以從設計中快速製造出原型。我認為這是一個理想的環境,可以將反饋快速套用於您的工作。」

完善原型

本田根據衍生式設計曲軸原型的資料重新考慮了其配置和強度準則,從而為零件設定了一組全新的邊界條件。團隊繼續工作並設計了第二批模型。Uozumi 表示:「Autodesk 團隊有許多具有不同背景的成員,包括航太。他們可以看到我們要進行設計的方向,並且可以在相對較短的時間內將構想付諸實踐。」

衍生式設計曲軸模型彩現。由本田技術研究所 (Honda R&D) 授權使用。

傳統的拓樸優化僅提供一種解決方案,並且需要執行耗時的手動更正操作,而衍生式設計可提供一系列設計選項。Fusion 360 的衍生式設計提供了 Todaka 所說的「我作為設計師甚至沒有考慮過的規劃。」新的曲軸設計使重量驚人地減少了 50%,從而超出了預期,但人們仍然懷疑零件的剛性和強度是否能與傳統的曲軸抗衡。

團隊成員將曲軸原型安裝到引擎上進行效能測試,並獲得了大量資料。他們與 Autodesk 團隊分享了測試結果,該團隊正在使用本田提供的資料來完善其衍生式設計程序。Todaka 表示:「將衍生式設計套用至曲軸等旋轉零件,對於本田和 Autodesk 來說都是非常寶貴的經驗」。

用於衍生式設計曲軸模型的金屬列印原型。

整合製造和設計的新模型

事實證明,將製造整合到設計程序中極其重要。Todaka 稱:「它為我們提供了可以考慮設計限制的模型,例如使用增材製造、基於模具的製造或五軸加工引入的模型。」

對於本田而言,該專案揭示了增材製造的可能性。Todaka 表示:「儘管有些人對這種新造型仍然持保留態度,但值得一提的是它引起了人們對這項技術的關注。儘管仍可以從很多方面減輕零件重量,但我們現在看到了實現目標的前進之路。將來,我希望使用衍生式設計建立的創新產品成為產業規範。我認為,作為我們工作的一部分,我們需要研究該技術的進一步應用範圍。」

Hisao Uozumi (就職於本田技術研究所 (Honda R&D) 的「未來製造的創新研究卓越創造」部門) 討論原型開發。

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