小而强悍的DENSO发动机控制单元

全球汽车行业正在努力适应一系列重大变化：各国政府以及《巴黎气候协议》强制执行的法规越来越多；技术突破令人眼花缭乱（其中一些突破使汽车行业与谷歌等科技巨头形成直接竞争）；消费者要求提高效率、降低碳排放。

为此，汽车制造商正在寻找提高发动机性能、减轻车辆重量的方法。他们重新检查超过三万个汽车零件，从方向盘、踏板、座椅、发动机、刹车到一个小到可握在手掌中的关键部件：发动机控制单元（ECU）。

ECU是一种电子燃油喷射控制系统，用来确定发动机需要的燃油供应量，你可以把它想象成发动机的“大脑”。该系统通过优化喷射的燃油量和时间，以提高驾驶性能并减少有害气体的排放量，因此至关重要。

2019年，领先的汽车零部件制造商日本DENSO公司以其重新设计的ECU摘桂iF设计专业概念奖。已有70年历史的DENSO公司如今开发自动和电动汽车、人工智能（AI）、移动即服务（MaaS），甚至量子计算技术。为了优化ECU，DENSO的产品设计项目助理经理Akira Okamoto使用衍生设计来实现两个关键目标：减轻零件重量、提高其热性能。

Okamoto在开发建筑和农业机械中使用的小型柴油发动机上的ECU，将衍生设计融入工作流程中，以创建高级概念模型。Okamoto说：“我从一开始设计就考虑到了轻巧性。我意识到使用衍生设计可以减轻更多的重量。”

Okamoto说：“我根据以前的经验，可以想象出一个能够很好地分散热量的形状。但是，轻量化设计中用于散热的路径较少，因而降低了传热效率。我想，我可以使用衍生设计，使用更轻但仍保持散热性能的新形状来创建零件。”

解决传热困境

Okamoto在研究中使用了欧特克Fusion 360的衍生设计功能，不过它不提供与热量相关的参数。他说：“为了计算热量，我假设我需要将热量作为载荷处理，因此通过向需要散热的区域增加载荷，就可以找到最佳形状。”在此过程中，DENSO与日南集团的合作伙伴以及设计师Satoshi Yanagisawa、Yujiro Kaida进行了合作。

在衍生设计中，AI根据设计者提供的参数来创建丰富的设计变体。通过筛选选择，即排除不合适的设计、接受合适的设计，从而达到最佳设计。Okamoto说：“我们设计这个ECU的工作是一个反复试验的过程，产生过许多无法使用的设计。不过，那些可以使用的不同设计具有相似的形状。”

他接着说，“这个过程令我喜欢的一点是，我可以对模型进行3D打印，以更好地了解热量如何在该部件的周围流动。很多模型初看显得难看，但已经可以看出这些设计的美感所在。经过我们的修改，最终的设计版本有一个漂亮的外观，也便于使用传统方法制造。”

为生产而设计

如果没有3D打印，以衍生设计创建的产品很难制造出来，这样的情况并不适合大规模生产。Okamoto说：“当你需要数以万计的零件时，成本和生产时间就成了不大不小的问题。”对于这个项目，该团队将衍生设计过程的元素融入到可以采用传统压铸成型进行制造的一个部件中。

为此，他们制作了一块几何形状的电路板盖，将其与通过衍生设计创建的框架集成在一起。欧特克Alias SpeedForm和Fusion 360用于使整个部件逐渐变窄，使其形状平滑，并通过传统制造方法进行调整，以便生产。Okamoto说：“我们结合了每个组件的基本要素来创建整体系统的形状。”

设计结果做成的金属切削实体模型被称为“直接安装ECU概念”。Okamoto说：“我们实现了12％的整体减重目标，同时还可以保持原先的散热能力。虽然重量减轻意味着热量散发的路径减少，但由于性能相同，我们可以说，跟最初的部件相比该部件的散热能力提高了。”

Okamoto以前尝试过用其他方法降低重量，例如拓扑优化，不过这是他第一次尝试衍生设计。这个项目完成耗时约三个月。Okamoto说：“虽然说我们过了一段时间才加快进度，但我们在相对较快的时间内取得了成果。如果做更大的ECU我们认为会实现更大的收益，而且我们已经找到了可以在下一轮设计工作中进一步完善的领域。”

Okamoto说：“如果我们可以将每个部件逐个减轻，即使减轻一点，整体结果将是一辆轻得多的汽车。我们可以将这些研究结果应用于ECU之外的其他部件。如果我们能够定期应用这些方法，从整体上减少汽车的重量，那将是理想的情形。虽说这个模型只是为了向我们的客户提出建议，但我们接下来将着眼于电子部件，并对其性能进行测试，来看看我们工作的实际结果。”