一位从事汽修20年的老师傅说:在国内拆开日本发动机,组装回去寿命减一半;就算把日本的设备、流程、技术人员都请到国内,让他们组装也恢复不到原有的水平,但回到日本,就是一个简单的“搭积木游戏”。
很多人说:我们缺少日本的匠人精神,实际上国内的老工匠也不少。真正原因:在于发动机产业的上下游布局,这么说吧:一个日本发动机,背后有成千上万的小螺帽企业在支撑,关键这些小企业在国内很难找到。
老师傅说:遇到一台老款雷克萨斯,发动机有异响,就是检测不出来,最后几个师傅跟车主一合计准备拆开发动机,因为大家都没经验,每一步都谨小慎微,拍照、录像、记笔记等,生怕拆了不好还原,最后打开发现是一个小齿轮磨损异常,于是联系了海外原装齿轮厂发货,准备逆向组装回去。
老师傅不得不佩服,但就是搞不清楚是怎么装上去的,因为这是核心机密。
不得不说,日本的发动机,技术牛,师傅更牛。
日本的发动机技术,经过多年的发展逐步形成技术壁垒,它们有专门的设备、流程、体系、技术人员、材料配方和上下游配套产业链,就是一个完善的闭环链,哪怕是国内财大气粗的企业,买设备、学流程、建体系、挖人员、弄材料配方等,但发动机的上下游产业链怎么复制?
日本发动机之所以有恃无恐,不怕技术泄露,主要有4个因素:历史底蕴、加工精度、材料科学和核心保密。
日本曾经也是靠模仿起家的,想想我们盛唐时期的唐刀,就被日本偷师学艺演变成武士刀。他们的文化是崇拜强者,然后学习、模仿、改进最后打败强者,在模仿的过程中会精益求精,用最小的代价达到最大的效果,这点在发动机上尤为明显。
曾经他们学习欧美的先进发动机技术,发现大功率的确好用,放在车上如虎添翼,可随着石油危机爆发,加上自身国土资源有限,如果再研究大功率发动机就是自掘坟墓,于是他们开始另辟蹊径,转向节油增效的方面发展。
评判发动机好坏就两个点:稳定性和经济性。
因为老百姓不懂发动机,一辆日系车开到报废,都不用修发动机,关键还省油,这就是好车;而欧美发动机,刚开始动力杠杠滴,可几年后小问题不断,耗油、漏机油、烧机油等,你是老百姓怎么选?
因此日本把发动机的稳定性放在首位,而发动机本质就是金属间的相互咬合,缝隙越紧,各部件运作起来内耗就少,自然能将更多的热能更多转换成动能。日本发动机的各部件经过上百年的磨合、调教、升级,再由一代代工人精密装配,在不断试错的过程中自成一派,就算给你发动机的尺寸、图纸,你也做不来。
就拿故宫的地板砖来说,按现在的工艺生产一模一样的砖块,用精密的红外线定位仪,来安装到原来的位置,会发现就算装进去缝隙也会很大,尽管砖块一样,但安装的先后顺序不一样,咬合的精密度就不一样。
任何零部件都会有公差,哪怕是精密机床,也不可能生产完全一样的零部件,±0.001毫米也是差异,而一台发动机有大大小小上千个的零部件,如果都是正公差或者负公差,那么零部件组合在一起就会比标准尺寸大或者小。
日本的发动机之所以牛,是让零部件之间相互咬合,正负公差相互抵消,在公差允许范围内,达到最佳“公差配合”。说简单一点,哪个零件先装,哪个零件后装,都有要求,这就是正向研发,如果颠倒或者插队安装,紧密效果就不能达到最佳。
把日本的发动机买回来拆开研究,可以把每一个零部件的尺寸都记录下来,照着模子生产,可惜没有这么精密的机床生产,就算生产出来,组装顺序怎么排?
就像汽修的老师傅,还是按着拍照录像进行逆向安装,结果有一个铆件就装不上去,说明逆向研发本身就有缺陷。
例如A零件,标准是40毫米,允许误差是±0.002毫米,可以生产39.998毫米~40.002毫米,实际生产39.999毫米就是有章可循,因为有正向研发的标准。
如果逆向测量,真实尺寸也是39.999毫米,在没标准的前提下,到底是正偏差还是负偏差?就算蒙对了,上千个零配件都能蒙对吗?这种组合很多,可只有一种天衣无缝的组合尺寸,但是人家不会告诉你,难道靠一个个去试?
《发动机制造精度与性能关系研究》指出:零件差异每下降±0.06毫米,发动机就能提升机0.7%的动力,降低0.5%的油耗,而日本发动机就是用上百年的试错,不断提升最佳零配件组合。
试问一句:作为模仿者,谁有耐心去试错呢?等试出来,恐怕发动机又改款升级了。
很多人会说:我们都研究出来空间站、北斗、氢弹等全球顶尖科技,难道还搞不定一个小小的发动机吗?
还真搞不定!
另外我们的材料跟不上,很多高科技,图纸都设计出来了,但一直没有合适的材料与之匹配。比如说航空发动机,不是我们造不出来,而是目前没有更好的材料,性能就不能发挥到最佳。越尖端的科技装备,对材料的依赖性越大,可有个怪现象,我们在哪方面发力,国外就在这个领域上涨价。
发动机看似是一块金属,实际上金属的组成、配比,应力处理、耐温处理等工艺复杂着呢,喷涂涂层的材质和固化工艺,这些东西就算能模仿,材料跟不上也是白搭。
发动机产业发展上百年,已经形成工业壁垒,日本发动机和欧美发动机各自成为一个流派,而中国作为学生,学哪一个都要从头开始,问题是等你学成归来,人家不跟你玩了,发动机再一次升级,之前的都是浪费。
反倒是新能源汽车跟国外处在同一起跑线,大家也是半斤八两,所以才看到比亚迪、小鹏等地迅速崛起,因为大家都是闭卷考试,只能拼内功。而发动机是开卷考试,你再怎么抄袭,也只是模仿人家的脸,里子模仿不来。
比如材料标准、原始参数、公差范围、制造工艺、装配工艺等哪一项都是技术专利,哪怕合资建厂,核心机密也不会让国人参与,国内最多干一些基础的组装、生产,而发动机作为汽车的心脏,想渗入日本发动机内部,基本没可能。
综上所述,日本的发动机压根不怕别的国家模仿,只要中国没有模仿能力,全球也没有哪个国家能做到,就不存在技术泄露一说了。
不过日本发动机最牛的一点:还是他们的资源整合优势,上下游产业群是不怕技术泄露和模仿的!
市值30000亿美元的苹果,相当于第5大经济体,这么牛X的企业,自主独特创新的技术很少,你信吗?
苹果背后实际是整个国家尖端创新科研成果的载体,本质是无数中小企业成就了苹果,甚至国内企业也有助力,它并不是一个独立的公司,反而是一种高端的资源整合效应。
国内很多手机企业靠模仿起家,苹果刚火的时候,市面就出了“山寨苹果”,从外形看完全以假乱真,但昙花一现,后来很多手机企业相继模仿,鲜有活得好的。
手机做不到1:1等比例还原,哪怕拆开,每个零部件用3D测绘逆向研发,也做不到原版的性能。
因为手机是由无数小组件组成,而小组件又是分散到不同的公司,每个公司在“专而精”的生产,默默得支持苹果,这种发展是自下而上的,底层规模决定上层建筑的高度和质量。
特斯拉的发展也是这样,主要靠全球资源整合,目前市值10000亿美元,成就了马斯克3042亿美元的身价,但作为新能源车的领头羊,特斯拉的很多核心零部件都不是自主生产的,除了自动驾驶、超级快充,BMS电池管理系统自主研发外。
新能源车核心三大件的电机,电池,电控,核心零部件都不能自产,全靠供应链提供。
永磁同步电机由中科三环等企业提供零部件
电池由宁德时代/lg能源/松下化学提供
电控芯片由意法半导体提供IGBT芯片,松下提供主电控吸收电容器等零部件后自产。
另外动力总成系统、电驱系统、充电、底盘、车身、其他构件、中控系统、内饰和外饰等。涉及直接、间接供应商130多家,而中国企业占据半壁江山。
豪华如特斯拉,不过是一个尖端品牌的组装厂,说无数的企业成就了特斯拉不为过,但特斯拉的品牌资源整合能力,别的企业模仿不来,一方面是影响力不够,另一方面是背后支持的力量达不到。
支撑苹果、特斯拉背后的力量是资本,而日本发动机独领风骚数百年,也离不开资本和国家的支持,别小看一个发动机,它背后是整个材料科学、制造工艺、组装工艺、喷涂工艺等整个上下游产业链在支撑,加上日本的匠人精神,成就了经久不衰的发动机。
汽车发动机目前只是商业行为,在国家不介入的前提下,依靠国内企业自主研发或者模仿,再给100年也赶不上日本的发动机水平,这个不是崇洋媚外,因为历史底蕴摆在面前。
日本的发动机,压根不怕别人模仿,因为强大如中国的模仿巨兽,都拿它没办法,何况别的国家。发动机之路任重道远,车企还需努力!
反观新能源汽车才是车企要抓住的,别到下个世纪,后人说:同样起步的电动机、电控、电池,又被日本甩一条街。
工业制品不是单纯的零件组装、如同堆积木那般容易,国外的先进发动机即便咱们给买来、进行全面3D建模后,也仅仅是能做到对发动机的机械结构有了基本的理解、也就是说机器各个零部件的形状都清楚了,也可理解成可以按照测绘出的参数进行高仿零部件的生产了,但生产出的高仿零件再次组合成发动机、可能根本没办法运行!
生产任何零部件(无论金属、塑料)都会存在公差,公差不可避免、但却可以被控制在一个范围;一台发动机上所有的零部件都存在可控范围的公差,而这些零部件组成到一起、这些公差可进行相互抵消,从而让机器达到良好的状态,这就叫公差配合;只有正向研发才能清楚的知道零部件设计尺寸、公差所允许的最大范围(一步步修改、调整得出的结论),而通过3D建模是没办法知道这些的!
举一个简单的例子某原型机上一个零件的设计长度为20毫米、公差范围±0.015,那么只要生产出的这个零件长度在19.985-20.015毫米之间就都属于合格产品;当我们测绘这个零部件时、得到19.987的结果,这当然是包含误差的结果、该如何逆推这个零件的设计长度?只能预估、并根据预估值再预估一个误差,要知道发动机拥有几百个零件、通过测绘每个零件我们都拿不到原始设计参数而只能靠推测、预估,这样一来再生产出的仿制零部件组成到一起则不会产生公差配合以及抵消,而是非常严重的公差积累!
这样一来机器性能上不去、寿命不长,而且转速稍微高些就会出现各种异响;说句题外话各位都知道乐高积木吧?对、就是挺贵那玩意,甭看贵、确实有贵的道理;曾经鄙人嫌贵、买了套高仿的(逆向研发),组装起来发现有的零件松、而有的紧,数量少时组合到一起看不出问题,等几十个部件都组合上之后、就发现偏斜严重有些部件已经根本安不上了,这就是严重的公差积累、每个部件都有问题而很遗憾的完成了叠加!对于玩具都如此,那么对于发动机这种高精密的制品而言、弄不清公差是致命的!
即便攻克了设计参数、公差范围的难题,可依然面临着材料未知的窘境,谁知道国外采购来的发动机是什么成分的金属打造的?化学成分是什么、如何配比?即便通过一些非常规手段知道了成分、配比也不代表可以生产出来;即便粗胚可以生产出来,还要面临应力处理、表面处理的难题;如上图所示日产VQ37HR的气门顶桶处采用了DLC涂层、具备钻石般的硬度,这DLC特层什么成分、又采用了什么样的工艺喷上去的、喷上之后采用什么样的工艺固化?
这些都不清楚、那么还有仿制的意义么?人家VQ37HR能拉到7600转,因为有这些涂层所以耐磨,高仿一台没DLC涂层的、可能几千转就冒烟了,与原型机的性能差异太大也就没必要去仿制了,同理国外的主机厂也不怕咱们仿制、因为仿不了;同理丰田仿制不了奔驰、奔驰也仿制不了丰田!知道工业领域的一门学科叫材料学么?3D测绘是不可能拿到一台机器的原始设计参数的,更不用谈每个零部件的公差范围,其次各个零部件的材料成分、金相都不清楚,所以根本仿制不出来!即便仿制出来,性能、寿命都不可能达标!
首先要说一点咱们很多自主车企研发的机器已经突飞猛进、远比过去要强很多、取得了辉煌的成就,但依然存在一些企业没有摆脱老的思路;现在几乎没有做逆向的了、最多就是做对标,首先选择一款国外的机器进行对标,然后从美国的SwRI、奥地利的AVL以及德国的FEV、英国的里卡多寻求技术上的支持,上述这4家企业就是世界上4大内燃机设计咨询公司,它们卖技术、卖设备、卖研发体系等等,很多著名车企都会从这四家寻求技术支持,比如布加迪的双离合变速器就是英国里卡多给设计的!
日系发动机十分先进,这是毫无疑问的,毕竟衡量发动机性能的重要标准就是热效率,而日系发动机的热效率可以说是达到了顶峰,丰田开发出热效率高达42%的发动机,马自达则开发出了热效率高达50%以上的压燃式发动机,但日系车也害怕自己发动机出现技术外泄情况,不仅日系车如此,德系车、美系车、韩系车、法系车,任何一家车企都害怕技术外泄。
其实就丰田汽车来说,它对发动机技术的保护是非常重视的,丰田在中国有两个汽车合资公司,一汽丰田和广汽丰田,但这两家合资公司都只是负责装配制造,并不涉及到产品研发,而丰田真正的研发中心是在常熟,丰田汽车研发中心(中国)有限公司,于2010年成立,一汽丰田和广汽丰田只是单纯的制造,其目的昭然若揭,就是避免自己的技术外泄。
发动机的制造技术
很多人会说,如果我们买一款丰田车辆,对其发动机进行拆解分析,各个零部件一比一还原,是不是就实现了对其精准的模仿?零部件模仿是非常简单的,但零部件模仿之后,还涉及到材料的选择,零部件的加工制造,各个零部件批量生产时精度的制定,组装时关键核心零部件的组装工艺方法,试问一下,国产车能够100%模仿吗?
发动机的电控技术
发动机作为汽车核心零部件之一,是众多车企无法跨越的大山。发动机除了简单的机械零部件制造生产、组装之外,还涉及发动机的电控单元,这是发动机的核心,发动机的电控系统我们又该如何模仿?电控系统涉及到发动机的进气量、喷油量、点火正时控制,发动机保护逻辑设定,废气再循环控制,OBD诊断等等,如果把发动机的电控系统逻辑图用word的形式表示,估计要上万页,这又该如何模仿?
丰田发动机的电控系统由电装公司负责开发,电装公司为丰田旗下的零部件供应商,电装关于发动机控制系统的技术研发人员,全部都是日本人,研发部门全部都在日本,绝密程度堪称是100%,这才是发动机领域的核心。只要发动机的电控系统不泄漏,即便是我们能够完成发动机的制造、装配工作,也无法攻破其控制系统。
专利保护
日本发动机这么先进,却敢向任何一国出售?
为什么不怕技术泄漏?
事情的真相是,就算把发动机全套图纸公开,其他人也做不出来,符合这句话的不仅只有日本发动机,德国、美国等一些发达国家的先进发动机都是这样。
不过话又说回来,日本发动机确实有自傲的资本,例如丰田凯美瑞燃油版的2.5L自吸发动机,它的压缩比达到14:1,热效率达到41%,简直就是艳冠群芳,当然雅阁等发动机也很不错。
以2020年全球汽车销量数据来看,日系车销量高达952.48万辆,超越德系,再次拿下Top.1,下面就全面来讲讲,日本发动机为什么不担心技术泄漏。
但日本有个弊端,那就是地理位置四面环海,本身是个岛国,各种资源十分匮乏,没法像欧洲、美国一样大搞特搞,这就导致日本要想发展工业颇有难度,但也不是没办法,在这样艰难条件下,日本不得不走上“精细”道路。
1932年,日本在严重依赖资源进口的背景下,依旧推出了“扶桑”系列客车,就这样日本发动机一直慢慢发展着,况且之后全球也一直战火纷飞,要说发动机,那也是军方考虑的事,咱老百姓还是优先吃饱饭即可。
第二次世界大战结束后,各国都进入了平稳发展期,日本发动机的市场份额依旧很小,但事情的转机就在于第四次中东战争。
富产石油的阿拉伯国家跟以色列爆发了战争,本来这么多阿拉伯国家征服以色列没多大难度,可以色列的背后是西方阵营,为了表达抗议,阿拉伯国家报团对西方发动了“石油战争”。
这就导致国际石油价格一路高涨,甚至在1973年底,一桶石油的单价从3.01美元涨到了11.65美元,全球大量企业被迫停产,而对全球老百姓影响较为明显的就是“汽油价格很贵”。
大量消费者开始想着如何省油,所以他们的选车目光,从大油耗的肌肉车,转向了省油的日系车,在这样的背景下,日系车成功抢占了大量市场份额。
有人说,就算一头母猪站在风口,它也能飞起来,但我更倾向于用“厚积薄发,乘势而起”来形容。
二战结束后,日本大量军工单位便开始转为民用生产领域,例如空调等等,而汽车发动机也是其中之一,这就导致日系车发动机家底很坚厚。
虽然一开始日系车发动机远落后于世界水平,但后来在“精细”改革创新,再加上努力研发那股劲,日系发动机真的走出了另外一条极具日本特色的道路。
就像打游戏一样,全球绝大多数国家点的“科技树”都往大排量动力方向去,但日本却的科技树却点的是“精细”,就算日本发动机摆在其他国家眼前,他们基本也造不出来,当然其中缘由远不止于此。
客观的说,日本在某些领域都位列全球前茅,比如精密机床,就算什么都告诉其他国家,其他国家在精密机床领域水平不够,那也是造不出来的。
别看一个零件只相差0.001毫米,数百上千个零件合起来,最终成品的性能就会差很多,而且还有一个就是误差问题。
这就很头疼,比如一个零件的长度为30毫米,公差范围是±0.02,那么这个零件的长度范围就是29.98~30.02毫米,期间到底是多少毫米?对不起,人家不告诉你。
一个零件可以不断试出来,但几百个、几千个零件都有公差,这就有数不清的可能,靠单纯的一个个去试,不知要试到猴年马月。
在论文《发动机制造精度与性能关系研究》中指出,零价差异从正负0.24下降到正负0.18,实验发动机就能提升机0.7%的动力,降低0.5%的油耗,所以差之毫厘谬以千里,一点也不夸张。
这就好比同样是一堆积木,价格昂贵的乐高积木,搭出来的桥梁十分牢固,甚至人都能踩在上面,而山寨的积木,虽然价格便宜,但搭出来的桥梁本身就有缝隙,放个10kg物体就塌了。
买方想要逆向开发日本发动机,这种难度,可以用“蜀道之难,难于上青天”来形容,买方在完全没有参与设计、研发和制造的情况下,基本没戏,那么模仿行不行?
举个例子,张三学习成绩好,李四差,但是需要完成作业,于是李四开始抄张三的作业,把ABCD选项都填完了,正确率高的吓人。
即便李四可以100%模拟张三的字迹,在外人面前,张三和李四是一样的,但李四根本就不懂里面的解题思路,山寨发动机也是如此。
而且很多日本最先进的发动机,采用的是无缝衔接精细技术,虽然能从外面拆开来,但却无法复原,甚至还会让整个发动机报废掉。
虽然很多日系车在国内都有合资厂,发动机的制造、汽车组装等等,都由国人来完成,但日本对核心技术的保护性很强,真正涉及到核心部件的组装、参数等等,都是由日本工作人员掌控的。
就像很多发动机坏了,中国师傅不是不会修,而是不知道里面的参数,修不了,最后只能返厂到日本去修,举个例子,日本人不告诉某零件需要在-50.8℃完成组装,谁能知道。
对于这些先进的核心发动机技术,日本早就申请了专利保护,根据《世贸组织与贸易有关的知识产权协定》,一般专利保护期为20年。
一个发动机这么多零件,谁要是真能破解,那也算是本事,但就算研发出来,想要“复制抄袭”,专利保护来了,你还得交一大笔钱。
举个例子,回老家过年,你觉得上高速要过路费,于是想抄小道回家,结果快开到村口了,突然来了个收费站,要么倒车回去,要么交一大笔钱过去,大概就是这么个意思。
而且一个国家想要研究透日本先进发动机,假设花个15年,最终攻破了,可以量产了,结果发现人家日本新一代发动机更先进,你就算生产以前的老款发动机,也没什么竞争力,而且之前投入的人力物力大概率是泡汤了。
结合以上种种,即便发动机摆在你眼前,想要山寨也没那么容易,也不是说日本发动机这样,全球先进的发动机或者说先进的技术,都会有很严密的保护措施。