【马自达技报】人车合一,新款Roadster的驾驶感受

2016-11-040阅读0

  摘要

  驾驶感受是展现“人车合一”动态性能的一个要素,是踩下油门时汽车的加速度和声音反馈,以及对于操作和汽车实际动作人的感受的一种指标。

  作为问世25周年纪念而推出的第4代产品,新款Roadster继续发扬“人车合一”与“Fun to Drive”的Roadster传统,追求让驾驶者“开起来很愉悦”的驾驶感受实现更大的进化。本文将围绕驾驶感受的核心——加速度,结合定量数据,介绍新款Roadster所实现的性能。

  Summary

  Performance feel is one of the elements of the dynamic performance that embodies “Jimba Ittai” and the indicator of human perception to acceleration/sound response and car operation/movement.

  In the 4th generation Roadster, we worked on further evolution of performance feel that provides our cus- tomers with driving pleasure and Jimba Ittai. This paper introduces the acceleration performance and the core of performance feel achieved by new Roadster with qualitative data.

  1. 前言

  为了让使驾驶员感受到从初代Roadster一脉相承而来的轻快灵动,新款Roadster通过设定理想的发动机特性,构建加速轻快的发动机性能和轻量化车身,实现了超越上一代的驾乘喜悦与乐趣。

  驾驶感受与加速感、踏板操作感、发动机声音刺激感等各种特性相互交织,本文将介绍驾驶感受的核心——加速度特性的相关技术和性能。

  2. 新款Roadster的目标

  2.1 新款Roadster的志向

  Roadster一直以实现轻快灵活的行驶为目标,从初代的1.6L,到第1代的1.8L、第2代的2.0L,排量不断增加,驾驶性能不断进化,以获得更轻快的表现以及支撑强大加速能力的安心感。

  新款Roadster既保留了在第3代得到进化、使驾驶更加放心的轻快感,也实现了初代营造出的人与汽车完全融为一体的轻快感。比如说,人在踩下油门发动汽车的一瞬间,潜意识里会有“轻”或“重”的感觉,这与我们从车上下来,推车时所感觉到的轻或重是一样的。指的是那种在推车的时候,不费力就能轻松推动汽车的感觉,而不是必须用力才能推动。在新款Roadster中,我们希望回归原点,让驾驶员感受到在操作油门和方向盘之后,指令及时传达到车辆并作出反应的畅快感觉。为了实现这一点,新款配备了专为Roadster全新开发的SKYACTIV-G 1.5发动机,减轻了重量,在大幅度提高环保性能的同时,实现了超越现行款的轻快灵动的驾驶感受。

  2.2 什么是轻快灵动的驾驶感受

  新款希望实现的轻快灵动,是指踩下油门后,发动机无延迟,及时反应传达给车辆,从起步开始就感觉不到惯性,汽车完全按照驾驶员的意愿行驶的状态,而且在持续踩油门的过程中,发动机转动轻盈,能轻松畅快地爬升到最高转速。

  Fig.1是驾驶员对于加速度的期望,其中有3个要点:与踩油门几乎同步的响应时间、及时且符合预想的强劲加速度、反应后的加速度可以顺畅地按照驾驶员的想法掌控。要想实现感觉不到惯性的响应目标,就要在日常的油门操作中做到最佳最快反应,在作出最快反应的同时,还要能够自由控制加速度反应的强度。

  

Fig.1 Basic Concept of Driver’s Expectation and Reaction

  Fig.2示意图展示了一直踩油门时发动机轻快转动,让发动机转速直到最后都一直被充分利用的状态。其重点在于驾驶员踩下油门后,要能够瞬间产生加速度,使发动机转速迅速上升,直到最高转速,而不出现加速度大幅下降。

  

Fig.2 Acceleration and High Engine Speed Use up

  2.3 实现轻快灵动的车辆性能目标

  要想让车辆作出最佳最快反应,自由自在地操控汽车,就必须实现让驾驶员可以灵敏感觉到的加速度响应。Fig.3在横轴上配置了以最快速度踩踏油门踏板时响应强度的最大值和响应强度峰值的发生时间。响应的强度使用加速度的导数表示,即加加速度(m/s3)。

  

Fig.3 Vehicle Response Target of New Roadster

  新款Roadster实现了达到最大加加速度的响应时间及最大加加速度这一目标,在达到最大加加速度之前,通过配合油门踏板操作实施线性控制,实现了轻快的响应。

  对于可以轻松畅快达到最高转速的加速性能(延伸性),从驾驶员踩下油门到达到高转速的加速度变化的方式非常重要。在踩下油门,感觉到前面所说的响应后,汽车要以稳定的加速度,流畅地加速至高转速区域,将驾驶员的身体推压在椅背上,让驾驶员感受到与汽车融为一体,还要能够让驾驶员在速度进入红区后也可放心驾驶。

  Fig.4是驾驶员踩下油门,在感觉到前面所说的响应后,控制加速度变化的方式。驾驶员一边查看周围的交通环境,一边留意加大油门,通过使踩油门期间的加加速度维持在相同水平,就能维持将身体推压在座椅上的感觉。

  

Fig.4 Developmnt Taregt of Vehicle Jerk Duration

  之后,改变相对于车速的加速度,使驾驶员感觉到转速从最大扭矩转速平稳上升到最大马力发生点(Fig.5),营造出直到车速计红区都可以充分利用的感觉。而且,将到达最高转速时用满的主要档位最高车速设置在2档90km/h以上、3档140km/h以上,还实现了在高速公路,乃至环型赛道上都可以尽情驾驶的变速比。

  

Fig.5 Vehicle Acceleration Curvature

  3. 实现轻快灵动的举措

  下面介绍为使新款Roadster的车辆性能达到目标值,在车辆特性、传动系统特性等多个方面所采取的措施。

  3.1 感觉不到车辆惯性的响应性能

  (1)车辆的轻量化

  驾驶员在踩油门时感到车辆沉重的主要是因为从踩下油门到汽车做出反应的时间与加速度的发生波形、声音和肌肉负荷等多种必要条件同时存在的结果。其中最主要的因素是车重的轻量化。Fig.6通过跑车的重量分布,展示了Roadster从初代开始的车重变化。如果新款Roadster的重量能够减轻到与初代相当的1000kg以下,驾驶员在操作油门、方向盘和刹车时,操作与汽车的动作将达到一致,可以在短时间内完成必要的操作,营造出人与汽车完全融为一体的感觉。新款Roadster实施了深入部件层级的轻量化措施,车辆重量可以媲美同等级的顶尖水平。

  

Fig.6 Curb Weight and Vehicle Resistance

  (2)改善动力传动系统的刚性

  为了使响应时间达到目标,就必须降低车辆惯性,使发动机的扭矩变化完全转化为车辆行为,同时还要提高PT传动系统的刚性。

  支撑马自达跑车DNA的Power Plant Frame(PPF,Fig.7),是实现轻量化、缩短响应时间的重要部件,在新款Roadster中也得到了延续。另外,为了更直接地输出动力,对于连接差动单元和轮胎的驱动轴的刚性,以及连接传动单元与车体的发动机支架、差速器支架,新款也与历代Roadster一样,通过努力,实现了必要的抗扭刚性。

  

Fig.7 Powertrain Unit (Power Plant Frame, Driveshaft, and Mount)

  Fig.8预测了对于驱动轴抗扭刚性的响应时间和对于振动收敛性的感官评价点。新款Roadster兼顾了特性要求和驱动轴采用中空结构等轻量化措施,性能上的差异通过亲身体验就能感觉出来。

  

Fig.8 Torsion Rigidity of Driveshaft Contribution Rate

  从Fig.9中新款与第3代Roadster的比较数据也可以看出,在响应性和收敛性方面,二者的性能相当。

  

Fig.9 Vehcle Acceleration of Previous and New Roadster

  (3)优化发动机惯性

  作为实现响应时间的一个要素,新款为了降低惯性,还减轻了飞轮的重量(Fig.10)。使转动惯量减少17%、重量减轻9%,从踩油门到加速度作出反应的响应时间比第3代Roadster缩短了5%。

  

Fig.10 Flywheel Comparison between Axela and New Roadster

  Fig.11标出了降低飞轮惯性时的加速数据。从图中可以看出,在降低飞轮惯性后,从踩油门到加速度达到0.1G,响应时间缩短了10msec。

  

Fig.11 Effect of Flywheel Inertia Reduction on Vehicle Acceleration and Jerk

  (4)改善车辆性能

  虽然一个部件对改善性能只起到了很小的作用,但通过一点一滴的积累,新款最终实现了使驾驶员能够感受到性能变化的理想性能。

  Fig.12是新款Roadster踩油门时响应性能的时间轴图表。

  

Fig.12 Vehicle Acceleration and Jerk

  3.2 畅快的加速性能

  (1)将身体推压到座椅上的加速度

  新款Roadster瞄准的目标,是将身体柔和推压到座椅上的加加速度,以及使这种感觉一直延续到最大扭矩转速的加速特性。

  Fig.13是踩下油门后加速度与加加速度的时间轴图表。

  

Fig.13 Development Result of Jerk Duration

  为了实现推压后背紧贴座椅的强大加速度,新款通过在指定时间内维持一定的加加速度、持续产生令驾驶员维持加速印象的加加速度,实现了Fig.4中的目标特性。

  

Fig.14 Engine Torque Curvature

  (2)连速度红区都能充分利用的加速性能

  要想实现从最大扭矩转速到速度红区都能顺畅利用的加速性能,重要的是发动机在高转速区域的最大扭矩特性。

  新款Roadster采用专为FR设计的SKYACTIV-G 1.5,执着追求曲轴及相关部件的高刚性化、高平衡化,对进排气系统等细节进行精雕细琢,实现了可流畅爬升至7500rpm的扭矩特性。

  (3)达成的车辆性能

  Fig.15从横轴车速(km/h)、纵轴加速度(G)两个方面,展示了2档的加速特性。新款Roadster在进入红区之前,可用车速比旧款高5km/h以上,在驶入高速公路时也能达到2档95km/h。随着车速加快,加速度会缓慢下降,但是,通过到高转速区依然轻快的发动机声音、延缓加速度的下降,驾驶员可以感受到转速向最大极限平滑飙升的畅快。

  

Fig.15 Acceleration Comparison in 2nd Gear

  4. 结语

  新款Roadster为实现轻快灵动的“Fun to Drive”,融入了许多新的研究成果。本文以加速度特性为中心,介绍了部分开发内容,例如与驾驶感受密切相关的声音和操作感受等,加速度与感受的相互作用等,连同这些诉诸人的感性领域在内,新款Roadster在各个方面均实现了新快灵动。(作者:兼为正义 八木淳 佐佐木贵洋)