タイミングよくチャレンジ

Aug 20, 2023

GM-Fiat のパワートレイン ベンチャーから独立したパンチ トリノは、内燃エンジンと推進システムの主要な R&D エンジニアリング施設です。 現在、ベルギーのパンチグループの一員となった同社は、ガソリン、ディーゼル、水素エンジンを含む多様な技術プロジェクトにおいて、GMをはじめ、増え続けるメーカーや新興企業を引き続き支援している。

パンチ トリノは、クライアント向けにさまざまなプロトタイプ エンジンを構築し、既存のエンジン設計用の新しいコンポーネントを開発およびテストします。 構築プロセス中に、エンジニアはエンジンのクランクシャフトを一対のカムシャフトに接続するタイミング チェーンを取り付ける必要があります。 回転すると、その長さに沿ったローブが各シリンダーのバルブを開閉し、適切なタイミングで燃料と空気をシリンダー内に送り込みます。

タイミング チェーンのスプロケットを締めるときは、エンジンの作動時にタイミング システムの完全な同期を保証するために、カムシャフトを所定の位置に完全に静止させておく必要があります。 カムシャフトが所定の位置にロックされていない場合、バルブが誤ったタイミングで開閉し、エンジンが損傷または破壊される可能性があります。

カムシャフトの移動を防ぐために、パンチ トリノのエンジニアは繊維強化された Markforged Onyx フィラメントを使用して構築されたフォークのようなカムシャフト ロック ツールを設計しました。 カムシャフト ロック ツールは現在、カーボン ファイバーで強化された Onyx を使用した Markforged X7 を使用して構築されています。

締め付けプロセス中、工具は最大 120 ニュートン メートルのトルクに耐える必要があり、いかなる角度でも回転させてはなりません。 Punch の上級プリプロダクション エンジニアである Valerio Ametrano 氏は、それぞれの印刷に約 18 時間かかると見積もっています。

この重要な締め付けプロセス中にロックツールが破損すると、カムシャフトにかかるトルクによってカムシャフトが所定の位置から回転してしまいます。 その後、チームはタイミングチェーンを緩めるか取り外し、カムシャフトを再固定し、締めるプロセスを再度開始する必要があります。

3D プリントによって元のプロセスはスピードアップしましたが、新しいロック ツールが 3D プリントされるのを待っていると、特に新しいエンジンの構築期間を逃した場合、チームが 1 日以上遅れる可能性があります。

エンジン設計プロセス中、特にエンジン開発の初期段階では、エンジニアはエンジン コンポーネントに頻繁に小さな設計変更を加えることがよくあります。 そのたびに、チームはカムシャフト ロック ツールの設計を微調整し、新しいツールを印刷する必要があります。 多くの場合、エンジニアリング チームは複数のカムシャフト設計を同時にテストすることがあります。 それぞれにわずかに異なるツール設計が必要です。

以前は、カムシャフト ロック ツールを設計するプロセスでは、多くの試行錯誤が必要でした。ツールにかかるトルク負荷に耐えられるほどの剛性と強度があるかどうかを正確に予測する方法はありませんでした。 エンジニアには、ロック ツールの設計変更がその構造的完全性を損なう可能性があるかどうかを知る方法がありませんでしたが、FEA 解析は 3D プリント部品用に設計されていないため、チームは多くの仮定と近似を行って、すべての条件を満たす治具を設計する必要がありました。要件。

パンチ トリノのチームは、Markforged のシミュレーションを使用することでこの問題を克服できたと述べています。 新しいカムシャフト構成を使用する前に、構成を正しくするために最大 8 つのジグ設計を印刷してテストする必要がある可能性があるとアメトラノ氏は思い出します。

たとえば、カムシャフトの形状や寸法 (ローブ、長さ、直径など) が変更された場合、カムシャフトを所定の位置に保持するためにフォークの形状を若干変更する必要が生じる場合があります。 しかし、改良されたロックツールの設計はシャフトの形状に完全に適合しておらず、カムシャフトの回転が過剰になってしまいました。 これにより、機能する構成に到達するまで、ツールを複数回繰り返して出力することになる可能性があります。

Simulation for Markforged の使用を開始した後、少なくとも最初は、ロック ツール設計の平均反復回数を 8 回から 3 回に減らすことができました。 Ametrano 氏によると、チームが最初に新しいシミュレーション ツールの使い方を学んでいたとき、境界条件、力係数、ロック ツールが受ける変形を正確に特徴付けるために試行錯誤を繰り返しました。 このデータをダイヤルインしたので、通常は 1 回の反復で典型的なロック ツールをシミュレートして印刷できると彼は指摘します。