ISUZU решает проблему бесшумности дизельных двигателей с помощью генеративного дизайна
Центральный научно-исследовательский институт ISUZU продвигает использование генеративного проектирования в Autodesk Fusion для оптимизации конструкции шестерён дизельных двигателей, стремясь снизить шум зацепления и…
Центральный научно-исследовательский институт ISUZU продвигает использование генеративного проектирования в Autodesk Fusion для оптимизации конструкции шестерён дизельных двигателей, стремясь снизить шум зацепления и одновременно повысить топливную эффективность.
Ожидается, что к 2050 году численность населения Земли достигнет 9,7 миллиарда человек, причём две трети будут проживать в городах. По мере расширения городов поддержание комфортной городской среды будет зависеть от безопасного, устойчивого и экологически ответственного развития — за счёт улучшения инфраструктуры и ужесточения нормативных требований.
В ответ на этот вызов Центральная исследовательская лаборатория ISUZU проводит передовые исследования в области коммерческих автомобилей и технологий дизельных двигателей, формируя основу для будущих продуктов ISUZU Motors.
В декабре 2024 года лаборатория опубликовала статью под названием «Оптимизация конструкции шестерён дизельных двигателей с использованием генеративного проектирования», представив инновационное решение проблемы шума зацепления (характерного «цоканья» зубьев), возникающего при колебаниях и реверсе крутящего момента в двигателе лёгкого грузовика ELF. Их подход основан на разработке новой, значительно более лёгкой шестерни.
«Автомобиль состоит из множества компонентов, и теперь необходимо учитывать дополнительные факторы, такие как использование переработанных материалов для достижения целей циркулярной экономики», — объясняет Сэйя Ямагиси, главный исследователь Центральной лаборатории ISUZU. — «Чтобы отвечать разнообразным общественным требованиям и нормативам, нужны инструменты, позволяющие исследовать широкий спектр вариантов — и мы стремимся идти в ногу с этим с помощью автоматизации проектирования».
В двигателе ELF ряд шестерён передаёт мощность от коленчатого вала к распределительному валу. Среди них — пружинная (scissor) шестерня, состоящая из двух наложенных друг на друга шестерён, соединённых пружинами.
Такая конструкция снижает шум зацепления, но одновременно увеличивает количество деталей и трудоёмкость сборки, что приводит к росту производственных затрат, увеличению трения, снижению топливной эффективности и ускоренному износу.
Стремясь устранить эти компромиссы и избежать потери эффективности, команда провела моделирование и обнаружила, что снижение массы шестерни может стать решением.
«Однако, чтобы достичь эффективности пружинной шестерни, нам нужно было уменьшить массу примерно на 30–40 %», — отмечает Ямагиси. — «Мы уже пробовали облегчать шестерни сверлением отверстий, поэтому опасались, что удалять больше материала уже нельзя».
Генеративное проектирование в Autodesk Fusion использует искусственный интеллект и облачные вычисления для быстрого создания множества вариантов конструкции на основе ключевых параметров — материалов, технологий производства и эксплуатационных требований, предлагая решения, которые человек мог бы и не придумать.
«Ранее не существовало примеров применения генеративного проектирования к шестерням, но после консультации с Autodesk мы узнали, что это возможно при задании нагрузок на поверхности», — вспоминает Ямагиси.
После двух месяцев доработки выбранный прототип обеспечил впечатляющее снижение массы на 43 %. «Мы смогли создать форму, подходящую для механической обработки. Так как шестерня не видна снаружи, эстетика не имела значения, что позволило ускорить изготовление прототипа», — продолжает он.
«К марту 2022 года разрешение на испытания двигателя с воспламенением ещё не было получено, поэтому начальные оценки проводились при прокрутке без сгорания топлива». После подтверждения отсутствия проблем прототип прошёл дополнительные проверки и в ноябре того же года был внедрён в реальную эксплуатацию.
«Замена двух шестерён на прототипы дала такой же уровень снижения шума, как у пружинных шестерён, а также улучшение топливной экономичности на 0,5 %», — сообщает Ямагиси.
«Мы провели ускорённое исследование, но смогли перейти от анализа к созданию формы за очень короткое время. Возможность учитывать технологичность уже на стадии прототипа также стала значительным преимуществом», — добавляет он. В настоящее время Ямагиси готовится к серийному производству.
«Коммерческие автомобили эксплуатируются очень долго, и для подтверждения надёжности требуются масштабные ресурсные испытания, поэтому мы хотим включить новые шестерни в такие тесты. Сейчас мы рассматриваем не только поверхностные элементы, но и более сложные геометрические формы». Эти технологии также вызывают большой интерес у нового поколения инженеров.
По словам Ямагиси, когда он был студентом и работал в лаборатории, достаточно было глубоко специализироваться в одной области. Сейчас, с появлением искусственного интеллекта и инструментов вроде ChatGPT, информация стала мгновенно доступной, что облегчает исследовательскую работу.
Однако это означает, что молодым специалистам необходимо обладать более широкими знаниями. Генеративное проектирование требует принципиально иного, более ориентированного на моделирование мышления по сравнению с традиционным черчением. Главное — практиковаться и работать с этими инструментами напрямую.
В CAD.kz вы найдёте всё необходимое для воплощения своих инженерных идей в реальность — от современного программного обеспечения, включая Autodesk Fusion, до передовых технологий, таких как 3D-сканеры и программы для реинжиниринга.
Всё это доступно прямо в Казахстане, чтобы вы могли разрабатывать, тестировать и совершенствовать свои изобретения, не выходя за пределы страны.