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？ P2

Author / Zme梦儿

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今天，我们就来看看这款改进曲轴做了那些CAE分析：

二，仿真分析

1 主轴承油膜

曲轴高速旋转，通过主轴颈的轴瓦与缸体安装在一起，主轴颈和轴瓦间要有适当的间隙配合并需要有一层合适的油膜厚度才能保证曲轴正常工作和避免过多的摩擦功损失此款发动机用的马石油5W40的机油

CAE计算得出改进版与基础版的结果，在常用恶劣工况的高转区间，峰值受载有一定的降低；但是高转区间的油膜最小厚度有轻微的减小，并且伴随轻微的温度升高，预计摩擦功损失会有轻微的增加但都在可接受的范围内，主轴承处的润滑能力没有明显的问题

2 曲轴扭振

在V6篇中提到过，但是没有展开讲

发动机内部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，加剧零件磨损，重则会使曲轴断裂，所以曲轴扭转振动的分析是发动机研发过程中不可缺少的一环

下面是通过CAE软件建立的此款发动机轴系的多体动力学模型：

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，改进版曲轴在12000转以下的齿轮角位移比基础版要大一些

改进版曲轴的扭转幅值比基础版有显著的增大，而改进版的曲轴固有频率为971赫兹也比基础版的1317赫兹有着明显降低

从扭振结果的分析来看，曲轴本身的减重和减惯量对曲轴扭振是不利的，但是经他们工程师评估还不到有大风险的地步

3 曲轴疲劳强度分析

当然，减重对曲轴强度和疲劳也肯定是有影响的，疲劳分析考核的就是零件耐久的情况

这个CAE分析需要建轴系动力学模型和有限元的三维模型，整个计算是要考核曲轴在全转速完整缸压载荷下的强度和疲劳是否满足需求

基础版曲轴FEA模型

改进版曲轴FEA模型

缸体FEA模型

一般来说曲轴上薄弱易坏的地方就是曲柄臂两边主轴颈的倒角处，所以会关注主轴颈倒角的应力和疲劳安全系数，下面的图展示了6个主轴颈倒角的疲劳安全系数：

我们可以看黑色的线，一缸第一个曲柄臂侧主轴颈倒角在14000转左右的安全系数最低，从基础版开始就是这个趋势

下面是这个最薄弱主轴颈各版本的数据对比，除了基础版和最终改进版，还有一个中间版，根据我之前说的，设计阶段一般会有几轮迭代，这个中间版就是这个项目中的一轮迭代：

图中红圈圈出来的两个点是最终版设计应力和疲劳表现最差的点，跟上面曲轴扭振图中标出的4.5阶响应幅值的峰值点对应，在13500转区域

而中间版的数据最差，最大应力基本都超过其他两个版本，疲劳安全系数也都小于另两个版本，最差的区域是上面这个彩色的有限元强度计算结果中红色最多的地方，在赛道工况实测中也验证了这个设计是不行的，中间版的这个区域在不多的循环后就断裂了：

我们来看下中间版的这个区域的设计是什么样的：

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就是最薄弱的地方，中间版这个地方的设计与基础版一样没有改变

但因为减重的设计，使得这个区域受载抗弯能力变差导致了试验失效，最后，设计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，于是在最终改进版的曲轴设计中，此倒角就更改变大了：

以上是此轻量化曲轴的所有设计更改和CAE验证内容按理来说设计中应该还有曲轴本身的动平衡校核，不过本文资料中并没有此内容，就不展开了

三，路试实测

资料中也并没有看到有台架试验的内容，而是在赛道路试和直接比赛中的跟踪

车手试车体验后，很喜欢提高输出转速后的高转动力响应，并且能接受因此带来的多余的振动

此款赛用发动机的曲轴比较耐用，无论是基础版还是改进版在路试和比赛中都没有失效，一般曲轴超过四百万循环就会被替换，但一些基础版曲轴可以工作到七百万循环一些改进版曲轴可以工作到六百万循环

关注一些赛事的小伙伴可能都会有这种认知：赛用发动机的寿命要远低于量产发动机

毕竟在赛场上，使用环境很苛刻，而输出性能高于一切，一些最新技术的应用还有厂队资金的高投入使得更换发动机也不难，很多时候赛场上比赛也是测试，对耐久当然有要求，场场坏肯定也是影响成绩的，但相比量产车来说还是低了很多的

这里要更新下大家的信息，至少对于头部的传统整车厂，特别是有点历史的车企，历史除了情怀，对研发来说更是数据积累，一般不会需要通过用户使用去帮助收集或者测试

对于量产发动机是有与整车分开的单独整机和其中关键零部件的耐久试验的，只有通过了才能上市，一般覆盖了所有我们平时能碰到的公共道路工况，并且会更苛刻

而无论是对应什么机型，几缸，耐久试验的标准都不会有变化，这里就再来当一次流言终结者：三缸是否比四缸更容易抖坏？

如果按照我说的研发流程，我想这就构不成疑问了

不过，针对国内市场量产车的一些耐久试验，就真的是全能了吗？有哪个用户可能碰到的工况是目前我们国内主流研发流程还没有覆盖到的？

我想，就是赛道工况

四，探讨

到底怎样的车才能被称为性能车？

车型的分类有很多种，两厢车三厢轿车SUV等等

而车子的玩法也有很多种，有人喜欢公路旅行，旅行车或者一些城市SUV适合他们；

有人喜欢越野，那毫无疑问硬派越野车才是他们的菜；

现在还有被特斯拉带出来的科技党，觉得汽车就是大号手机；那还有一些人，热爱赛道，这个时候，针对赛道研发的性能车，就是他们的爱了

我想大部分喜欢车的人，都没法拒绝性能车，而能得到赛用技术下放的车，更是键盘值爆表

虽然没有一个统一的说法，但我认为从两厢钢炮到超跑，只要是针对赛道研发的，都能被划分到性能车范围，只是他们擅长的赛道不同而已

首先我觉得，赛道是检验一辆车软硬件匹配整车动态性能的最高最客观的标准，即使加上现在很火的某些科技配置甚至从油换电，这个观点依然适用

我们来看下国外车企对此的认知，就用典型的纽伯格林北环（以下简称纽北）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：奔驰EQS

还有MPV代表：切弯的大众迈特威

纽北可不仅仅只有那些整天刷圈速的性能车，欧洲车企近水楼台总是喜欢啥车都送上去跑

除了纽北，国外主流车企的试车场里面都会有赛道，有些还特意模拟纽北做出高低落差，多数性能车虽然都会送到纽北测试然后被拍，但初期都是在车企们自己试车场内的赛道进行研发

那家用走量车如果在路试时包含赛道，并且最后的确有不错的操控性能，是否就是针对赛道研发？就能成为性能车了呢？我想，答案应该还是否定的

针对赛道，我认为需要包含这两个方面：刷圈和圈速

圈速是综合性能目标我想大家都知道，极致的性能和适合家用就如鱼和熊掌，不可兼得，所以性能车一定是在整体设计目标上更偏向性能而舍弃一些家用的指标，比如NVH，国内改装件头牌之一的排气，就能让你家里人坐你车时眉头紧皱

所以，操控不错的家用车，重点还是家用

而刷圈就是考验赛道工况的耐久能力（对作为刷圈基础的单圈赛道长度有要求，估计一般在5公里左右；或者对总的连续赛道公里数有要求）

这两者都需要在研发中考虑进去，才能说这是一辆针对赛道研发的性能车操控不错的家用车，可能简单换个胎圈速就会还不错，但是没法满足连续刷圈的需求，基本动力系统和刹车的散热都跟不上

那这些操控性能不错的家用车可以怎么去描述呢？我觉得，可以称之为运动车型：

至于有些国内品牌的某些外观看似炫酷排气声很响但与赛道关系不大圈速也不能看的车，还是够不上运动车的门槛的，更别说能跟性能车有什么关系了

所以，根据今天前面讲的赛用发动机中这个轻量化曲轴的研发内容，可见，发动机性能的提升是首要的，并且最后保证一定的赛道耐久能力也是必须满足的

其他发动机有些什么技术是为了既保证性能又保证赛道耐久的设计吗？我想最有名的就是干式油底壳，如果觉得成本太高，湿式油底壳也可以为了赛道工况做一些改进设计，比如下面本田S660这款三缸的油底壳设计：

而最近，我们在为下一代电车电池包的赛道工况与国外一起做联合开发工作，曾经因为法规限制没法为国内带来我们品牌正真的性能车型一直是遗憾，而面向电动时代，能够补齐这个遗憾让我觉得值得期待，也因此有了这些思考

空间诚可贵，舒适价更高，若为性能故，两者皆可抛，并且满足一定量连续赛道圈数的这种耐久工况，是性能版车型与普通车型最大的区别

大家觉得呢？

备注 本文所用材料均来源于网上公开信息，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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