马石油 —— 马来西亚石油公司，大部分人应该听都没听过。
不过，如果你关注F1，或者是Moto GP，一定对这个名字不陌生，毕竟作为这两个车界顶级赛事各自冠军车队的赞助商，曝光率不是一般的高。
我以为这样的马石油，作为一家炼油的国企，已经表现的很热血很有梦想了，没想到最近发现他们曾经还撇开那些有名的整车厂，拉着车圈供应商，自己造过原厂车参加比赛，这感觉也就略逊于现在红牛这个饮料厂啊！
本文主要内容 ——
1 此款赛用发动机曲轴改进的目标与内容
2 此款赛用发动机曲轴研发过程中的取舍
3 正向研究环节中必不可少的 —— 仿真分析（CAE）
4 此款赛用发动机曲轴CAE分析
5 赛用与量产有什么差异？到底什么车才能称为性能车？
Author / Zme梦儿
今天的主角，就是马石油2003年开始参加WSBK世界超级摩托车锦标赛的一款赛用三缸发动机。
注 WSBK和Moto GP两者都是机车界的主流赛事，两者区别简单粗暴的解释 —— Moto GP相当于汽车赛中的方程式赛车，而WSBK相当于汽车赛中的房车赛，有量产车数量要求
马石油这款赛车叫FP1，搭载了0.9升的三缸发动机。
当时更新的赛事规则允许所有的发动机提升到1升的排量，不过为了免去重新赛事认证的成本，马石油决定不改排量，也就是不改变缸径和冲程这些基本参数，而是通过提升最高转速来提高最终的输出功率。
最大的改动就是旋转往复系统（所有做旋转往复运动的零件，主要活塞、连杆、曲轴还有平衡轴）的减重来减小运动件的惯量、提高转速，当时帮助马石油一起做研发的，也是车圈有名的供应商：里卡多(Ricardo)。
而我们研发故事的揭秘，就从这款赛用发动机轻量化曲轴的更改设计入手，来看看只是四个字：减小惯量（减重），研发中需要做多少事情。
马石油当时赛用发动机的额定转速是14000转，提高后需要到16000转，已有发动机将作为基础版，与改进版进行数据对比。
此款赛用发动机曲轴与走量发动机曲轴对比本质的区别，是其对材料力学性能的高要求，也就是这个曲轴要够硬、够强、够耐磨以应对赛场上马力全开、不断劈弯的恶劣工况。
此曲轴无论是基础款还是改进款，制造工艺都相同，用一种叫双真空再熔的钢胚进行机加工，双真空再熔，听着就很不“人话”，大家不用搞清是什么，只要知道这种熔炼技术一般是航空航天工业用的，可想而知其对材料性能要求之高和不菲的价格。
在那个大家发动机曲轴都是用铸铁的年代，这个才是其独特之处。
1 减重、减小转动惯量并保证合适的平衡率
首先需要改变功率流，也就是功率怎么传递给变速箱。
汽车发动机我想大家都比较熟悉，动力是曲轴通过飞轮离合器一直线传到变速箱，不过摩托车的空间更小，所以这款发动机和变速箱是平行的，通过齿轮传递动力，基础版发动机的功率流如下所示：
动力通过第三个曲柄臂上的驱动齿轮传递到平衡轴上，再穿过平衡轴，通过平衡轴上的齿轮传到变速箱上，更新的设计就是把曲轴上的驱动齿轮从第三个曲柄臂移动到第五个，避免功率流经过整个平衡轴，为了更好地减少平衡轴的惯量，如下所示：
我在V6篇中说过加了平衡轴的三缸机可以完全平衡掉一阶不平衡往复力矩，在VR6篇中说过，曲轴本身的平衡块也会参与平衡部分往复力矩。
所以结合起来，要平衡一阶不平衡力矩，需要曲轴平衡块和平衡轴的共同作用，那这里减重势必要减少平衡块的重量，就会影响到平衡率了，这时，就要做取舍了。
从上面两个版本的曲轴对比可见，改进版曲轴的曲柄臂和平衡块的减重非常明显。
基础版这个三缸机的曲轴跟我们普通量产车的三缸机曲轴看起来差不多，是一阶不平衡力矩全平衡的曲轴，所以平衡块比较壮实，特别是一、六曲柄臂的平衡块。
依旧是之前讲过的点，这里再次验证了：性能向的发动机，当NVH与性能冲突时，NVH就会被适当放弃。那基础版这么大的平衡块，必须忍不了，减！
当然，引起不平衡的质量也一样要减，这样，削弱平衡率的影响才会更小，也就是活塞总成和连杆都是要减重的，数据如下：
减重减惯量还要保持一定的平衡能力，所以削掉平衡块厚度、连杆颈上开孔，但会在平衡块上钻孔去填入一些密度更高的重金属，反向补平衡质量，如下图所示：
经过这一系列的操作，最后平衡情况是怎样的？
表格对比了基础版去掉平衡轴和曲轴平衡块、基础版带平衡轴平衡块和改进版三者的残余不平衡力矩。
可以看出，基础版全平衡只剩比较小的二阶不平衡力矩，改进版因为没有全平衡，所以pitch和yaw力矩都还有残留（pitch和yaw力矩代表什么请点击 → 「心动系列2」爱必深爱：大众VR机型深度解析@Zme梦儿 ），而因为旋转件都进行了相应的减重，所以二阶力矩相比基础版要小一些。
最后，整个改完后，相比基础款，改进款曲轴减少了约30%的质量、35%的惯量：
2 减小阻力
改进款的减阻主要聚焦在减小旋转件运动时的风阻上，我想大家听说过的减风阻一般都是车身，而此款赛用高转摩托车用发动机，也在旋转件上动了点小心思，当然这个也是一般家用量产车不会关注的点。
在曲轴平衡块边缘修形，使其变刀刃状，用来减少旋转时的风阻，特别在高转时。
平衡轴的平衡块用如塑料件这种轻质几乎不影响平衡质量的材料补齐成为一个圆，也是为了旋转时减少风阻。
设计上做完更改之后，怎么才能证明设计更改是有效的、又不会因为更改而导致原有其他方面的性能变化呢？
我想大家会想到试验，但如果在试验失败，重新再找问题，再试验，这当中不断的制造零件消耗的成本可不是一星半点，这时，仿真分析，就能派上大用处了。
在设计迭代的过程中尽量多用电脑仿真去减少试验带来的成本消耗，也是现在正向研发环节中必不可少的一部分，一般会认为这块是有限元分析 —— FEA（Finite Element Analysis）。
除了检查设计和验证零件，发动机的仿真分析中还有计算流体力学(CFD)，来帮助整机中的气、油、水，还有缸内燃烧等相关性能的设计。
还有，一维热力学，在前期概念阶段帮助性能选型等，整机动力学方面，衍生到整机NVH的能力评估等，可以扩展出几百条分析条目，都是发动机仿真分析的内容，其中还经常需要进行多物理场耦合分析。
总之，整个发动机仿真非常的复杂，当然变速箱、电池包、电机等的分析也包含在这些领域中。
但如果要深耕发动机，的确是会让人头秃的节奏，至于以后？可能就是：恩静(engine)去无踪，秀发更出众。
当然除了动力总成，整车还有很多其他方面也会运用仿真分析，比如爱赛车的你们听到更多的是空气动力学这块。
还有车身内外饰啊、底盘、整车安全等等。除了汽车、仿真分析深入整个工业体系，一般把它称之为计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）。
现在的小排量发动机输出可以媲美四、五十年前的大排量发动机，是因为CAE技术的发展；现在实干派车迷们发现改装发动机不再能无限制刷ECU、或者改装涡轮随便增大增压值了，因为发动机越来越承受不住了。
这同样也是CAE的功劳，为了减少“过设计”，在满足性能目标的同时控制成本。
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。
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。
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：
我们正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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