【马自达技报】新款Roadster的轻量化传动系统

2016-10-180阅读0

  摘要

  马自达以回归初代Roadster原点和“为坚守而改变”为志向,开发了新款Roadster。新开发的专用6速手动变速器传动系统,不仅离合器踏板、变速杆的可操作性、静音性等环保性能实现了提升,而且比初代的传动系统更轻、更小、更高效,为实现轻盈、快乐的驾乘感受作出了贡献。本文将结合马自达的志向与行动,介绍新款Roadster传动系统的开发过程。

  Summary

  A new drivetrain was developed based on the concept of the original Roadster and our philosophy “Change to protect”. The drivetrain for 6-speed transmission is lighter,more compact and efficient than the original and contributes to agile and fun driving while improving clutch pedal/shifter operation and environmental performance such as quietness.The paper presents the development process including our visions and efforts.

  1. 前言

  新款Roadster的传动系统为了推进轻盈、快乐的驾驶,以世界最轻的发动机扭矩容量比为理想,开发并最终实现了商品化。

  2. 开发目标

  为实现新款Roadster的车辆概念,为传动系统制定了下列开发目标:

  (1)世界最轻的发动机扭矩容量比

  (2)操作性的常规进化

  (3)在提高静音性的同时提高效率

  3. 传动系统的结构与主要参数

  新款Roadster的传动系统在沿袭初代的基本结构的同时,还推进了轻量化、小型化和高效化。

  新款Roadster的传动系统将SKYACTIV的精华集于一身,并实现了大幅进化。离合器系统能够按照驾驶员的意愿控制起步加速度,支持有节奏地变速;6速手动变速器和差速器既保留了初代的传统——干脆利落的可操作性,又实现了轻量、小型以及高效;传动轴使用高张力钢材实现了轻量化;驱动轴兼顾轻量化和适宜行驶的最佳刚性。传动系统的外观如Fig.1所示。

  

Fig.1 Drivetrain Overview

  4. 传动系统的详细情况

  4.1 离合器系统

  在开发新款Roadster的离合器系统时,为了实现人车合一,开发重点放在了以下两个方面。

  (1)最佳的离合器性能和紧固点

  (2)可顺心如意控制加速度的踏板特性

  离合器分离点和紧固点依据人体工程学,配置在了驾驶员左脚负担最小的范围内。通过定义并实现从踏板踩踏位置到紧固点的最佳行程,为创造轻快而富有节奏的变速操作性作出了贡献(Fig.2)。

  

Fig.2 Burden on Leg - Clutch Pedal Travel

  还通过优化可以线性表达驾驶员做功量与加速度关系的传输特性曲线,实现了可按照驾驶员自己的意愿控制加速度的离合器特性。与现行款式的比较如Fig.3所示。

  

Fig.3 Clutch Pedal Transferred Torque Characteristics

  4.2 6速手动变速器

  为了高水平完成开发目标,马自达从零出发,对变速器的功能分配再三推敲,找出了可以实现目标的关键技术,并以此为基础,进行了详细的开发设计。功能分配的概要如Fig.4所示。

  

Fig.4 Functional Allocation Outline

  这部分利用4项关键技术和2项工艺革新,实现了开发目标、单元性能、重量、以及高水平的成本控制。本文首先介绍各项关键技术与开发目标的关系。

  (1)6速直连结构

  通过以1.000的变速比直接连接6速齿轮,变速杆上不再需要设置反转机构,不仅重量轻,还提高了变速连杆高效的直接感受。

  (2)输入减速比的低速化

  这是一项既降低了油液搅拌阻力,还通过减轻输入变速器的发动机转速波动,减少了敲击噪声,兼顾了两个相互矛盾功能的技术突破。利用这项关键技术,兼顾了轻量化、静音性与高效化。

  (3)同步器全档位主轴配置

  因为无需在变速连杆结构的副轴上连接部件,所以提高了连杆效率、实现了轻量化。而且还降低了副轴搅拌阻力,为实现高效率作出了贡献。

  (4)低温低粘度油

  冬季,随着温度降低,变速器油的粘度增加,有时会出现不易换挡的情况,为了消除这一问题,马自达新开发出了低温低粘度油。在降低搅拌阻力的同时,实现了不受季节变化影响的换挡性能。单元阻力与现行款Roadster的6速手动变速器相比,大约降低了30%。单元阻力如Fig.5所示。

  

Fig.5 Comparison Loss Torque

  这些关键技术与SKYACTIV技术相互结合,缔造出了新款Roadster的6速手动变速器。下面介绍工艺革新的事例。

  (1)轻量与高刚性兼顾的壳体

  为了根据变速器的输入负载与同步器的同步容量确定轴间距,保持初代干脆利落的变速,新款的变速轴和变速杆的轴承配置位置沿袭了初代。在明确初代的哪些传统是必须改变的,哪些是不能改变的基础上推进了开发。为了让壳体紧贴内部结构体,壳体在设计时还考虑了油整流。在SKYACTIV-MT外壳开发工艺(1)的基础上进一步发展,不采用以往的均匀壁厚思路,而是根据强度、刚性、NVH性能,在必要的部位保留必要的厚度。与发动机连接的变速器外壳没有凸起的外棱线,同时实现了高刚性与纤细的外形。厚度不均的薄工件是铝合金铸件的一个制造难题,但在制造方面的支持下最终实现了商品化。壳体的设计流程如下。

  ① 壳体可设置空间的定义

  根据与壳体轮廓相关的布局条件进行定义。主要项目如下:

  (ⅰ)前中置布局

  (ⅱ)降低乘员胯点并配置在中央。

  (ⅲ)改善踏板位置,使驾驶员的下半身正对车辆前方。

  变速器壳体的薄型化为实现新款Roadster概念的重要条件做出了贡献。

  ② 壳体概念设计

  确定了满足下列要求的厚度。

  (ⅰ)应变能量最小

  (ⅱ)确保基本刚性

  ③ 基本功能设计

  依据基本形状和厚度,设计了以下项目。

  (ⅰ)润滑性能

  (ⅱ)接合面的密封性和强度

  ④ 确定产品规格

  运用可以满足NVH相关项目的规格,确定了最终产品的形状。

  (ⅰ)传输特性

  (ⅱ)避免产生共振应力

  (ⅲ)放大及放射特性

  接下来介绍设计流程中的重点领域。在设计壳体形状的过程中,通过研究最佳相位,定义出最小限度的柱、壁、外壳后,以最小的重量满足产品化的制约条件,最终确定了形状(Fig.6)。

  

Fig.6 Transmission Housing Optimization

  在用来确保润滑性能的壳体内壁形状方面,变速器内部是空气与油的二相状态,在设计形状时,如果只以基于粒子法和差分法的数值计算为依据,只使用CAE是不够的,马自达还制作透明壳体,使油液的流向实现了可视化。最终确定了搅拌阻力小、油液的流向符合预期的内壁形状(Fig.7)。

  

Fig.7 Clear Transmission Case for Lubrication Development

  在NVH方面,壳体以最小的厚度(重量),使发动机振动力引起的NVH、齿轮噪声、敲击噪声达到了目标值。在FR布局中,发动机、变速器、传动轴、后差速器、连接变速器与差速器的动力总成支架、驱动轴,形成了长而庞大的系统,各部件单独的振动系统与整体振动系统之间存在差别。为此,研发人员利用与传动系统融为一体的大规模模型进行分析并进行实际检测,以良好的效率完成了高精度设计。模型的规模如Fig.8所示。

  

Fig.8 NVH Measurement Analysis Model

  包括上面的壳体轻量化在内,传动系统实现了与初代配备的5MT基本相同的重量(Fig.9)。

  

Fig.9 Weight of Drivetrain System of Roadsters

  (2)变速操作性设计上的革新与常规进化

  从与其他操作部件的协调、到方向盘与换档手柄的位置关系,通过最大限度分解构成操作感受的特性并进行数据化,实现了理想的静态操作波形。每个部件的表面粗糙度都经过反复论证。以初代的40mm换挡行程波形为基础,在维持节度的同时,消除了变速时令人感觉不快的滑动阻力。选择操作、换档操作依据的理想波形与实际波形如Fig.10所示。

  

Fig.10 Operation Waveform of 6MT

  基础波形上加入同步载荷、倒角推压载荷,形成了行驶时的变速操作波形与冲量。各段位根据操作速度的时间轴的宽度,分别设计了同步器规格和花键倒角形状。在保持初代干脆利落的变速的同时,实现了与第4代Roadster相符的轻盈而又快乐的驾驶感受。这是唯有马自达Roadster才有的独一无二的感受。变速比与同步器规格见Table 1,新型6MT的透视图如Fig.11所示。

Table 1 Gear Ratio and Spec. of Synchronizer

  Gear Ratio

  Synchronizer

  1st

  5.087

  Triple cone with Carbon

  2nd

  2.991

  Triple cone with Carbon

  3rd

  2.035

  Triple cone

  4th

  1.594

  Triple cone

  5th

  1.286

  Double cone

  6th

  1.000

  Single cone with Carbon

  Rev.

  4.696

  Single cone

  

Fig.11 Main Section of New 6MT

  4.3 差速器

  通过实现小型轻量化、优化形状,新款Roadster实现了轻型跑车的最佳重量。并且从能够大幅提升单元效率的油润滑入手,培养降低阻力的技术,提高了燃效性能。

  差速器壳的基本形状使用CAE进行设计,在确保强度以及NVH的基础——齿轮支撑刚性与上代相同的基础上,实现了轻量化。具体来说,就是变更壳与后盖的分割位置,通过设置骨架加强筋,在用薄壁铝合金铸件替代铸铁的同时,保持了与铸铁相同的刚性。新型差速器的透视图如Fig.12所示。

  

Fig.12 Main Section of New 6MT

  外部形状方面,通过对车辆地板下方的气流进行分析,使用单元发热、导热、散热的模型分析数据,对后差速器油温的基本情况,即冷却、散热性能进行预测,散热片实现了最小化(Fig.13)。作为减阻技术的重点,为了改善润滑,全新开发了注重降低低温搅拌阻力的低粘度油。壳体内部形状则将重点放在了对齿轮搅拌产生的油流进行整流上(Fig.14)。通过上述改进,单元效率在时速为60km/h时的扭矩损失降低了27%。由此新开发出了重视响应与直接感受的小型限滑差速器。

  

Fig.13 Analysis Model of Air Flow

  

Fig.14 Analysis Model of Oil Flow

  4.4 传动轴和驱动轴

  传动轴通过采用高张力钢材,实现了轻量化。驱动轴为手动挡车型采用中空类型,不仅维持了行驶响应所要求的刚性,还有助于轻量化。

  5. 结语

  第4代Roadster继承初代“人车合一”的理念,实现了革新性的进化。传动系统方面,通过轻量、小型、高效率实现了优秀的环保性能,通过离合器、换挡操作性的进一步发展,高水平地实现了愉快驾驶。(作者:延河克明 渡部雅晃 石田一之 佐佐木雅弘 松原伸幸)

  (全文完)