【马自达技报】新款Roadster的PT系统NVH

2016-11-040阅读0

  摘要

  新款Roadster因采用SKYACTIV技术,使得其行驶性能和燃效有了巨大进步。而为此所作的轻量化、发动机扭矩的提高、发动机在低转速区工作区域的扩大等,由于会带来车体响应特性降低、振动水平增大、各个共振频率接近等问题,一般都会导致NVH恶化。这里所说的NVH,指的是发动机和变速器的起振力、传动系的驱动系统和PT的刚体振动系统,还有悬挂和车体等车辆的各构造之间相互影响的总体表现,又被叫作PT系统NVH。要设计好PT系统NVH,就需要对系统进行优化,而通过马自达此前就一直推行的MBD(Model Based Development,基于模型的开发)环节,新款Roadster在保持了优异NVH性能的情况下,实现了“人车合一”的良好性能与低燃耗。

  Summary

  Driving performance and fuel efficiency were greatly improved for Mazda all-new Roadster with SKYACTIV technology. To achieve both of them, weight reduction, engine torque increase and more fre- quent use of low engine speed range are required, which end in the deterioration of body response and ex- citation level, and put excitation force frequency closer to the resonance frequency of the vehicle, general- ly degrading NVH. The NVH phenomena are called “PT system NVH” as the components of vehicle over- all including engine and transmission (excitation force), drivetrain and PT rigid body system (transfer system), suspension, and vehicle body interact each other and act as one, affecting each other’s vibrations. Therefore, to properly design the PT system NVH, optimization of the whole system is necessary. The process of MBD (Model Based Development) that had been developed in Mazda was applied to realize the excellent “Jinba-Ittai” dynamic performance and fuel efficiency without compromising NVH performance.

  1.前言

  新款Roadster在改善燃效的同时,还实现了大幅的轻量化和利用低速扭矩行驶的进化。振动噪声(NVH)方面,为了使驾驶员轻松享受驾乘的愉悦,新款Roadster在营造令人心情愉快、凸显“Zoom-Zoom”发动机声的同时,还抑制了轰鸣噪声等令人不快的振动噪声,营造出了高品质的车内空间。

  因传动系统(PT)运转而产生的NVH现象,与发动机、变速器、驱动系统等PT的构成要素自不必说,还与PT的支架系统、悬挂、车体等众多部件存在相互复杂的关联。为了对多种要素融为一体的NVH性能快捷地做出优化设计,我们运用了马自达之前一直在推进的MBD(1)、(2)、(3)、(4)。

  *1~4 发动机性能开发部

  EnginePerformanceDevelopmentDept.

  本文将结合马自达推进的MBD概要,介绍新款Roadster的PT系统NVH的优化设计思路和事例。

  2.PT系统NVH与马自达的MBD

  2.1 PT系统NVH

  PT NVH是指PT的振动力引发的NVH现象,包括发动机启动时的振动、怠速中的振动、行驶时的轰鸣噪声、齿轮噪声等,由汽车在各行驶状态下,从低到高广泛频率的可听到的声音和振动组成。

  这些现象不仅与产生振动力的发动机、变速器等有关,而且与传导力的装载、吸排气系统、驱动系统、悬挂,以及接受了传导过来的力而产生乘员可感知的振动噪声的车身等车辆的所有构成要素都有关。

  这些相关要素以强烈的相互作用彼此而呈现复杂的响应。以高速档低转速区的轰鸣噪声为例,发动机的扭矩变动会激励飞轮、变速器、离合器缓冲件、驱动轴等组成的驱动系统发生扭转振动,这种振动会与发动机、后差速器、PPF(Power Plant Frame)、支架组成的振动系统耦合,并传达到车体。传到车体的振动还会进一步与机身外壳、各种外罩材料、车内空腔的谐振等产生耦合,在乘员位置上产生声音和振动。因为PT NVH是相关要素形成一个整体并且相互影响的结果,所以本文特别称之为PT系统NVH(Fig.1)。

  

Fig.1PT System NVH

  2.2马自达的MBD

  PT系统NVH如上所述,是多种要素相互作用的结果,因此要想提高NVH性能,必须要将这些要素作为整体来同时优化。因为关联要素多,产生影响的性能也比较广泛,所以加速响应、操控稳定性、乘坐舒适性、燃效等也需要与NVH一同进行优化设计。

  马自达以上世纪90年代开始的MDI(Mazda Digital Innovation)活动为代表,一直在致力于在实验基础上,从试错开发向合理、高效的理论性开发过渡。优化设计曾以单元的局部结构设计参数为核心,但近年来,随着模型向大规模、高精度化的方向发展,在开发初期优化PT系统NVH,以及在更早的阶段,通过模拟市场上的各类使用方式来掌握产品的性能需求等,都使用CAE。而在开发后期,CAE还被应用到了基于详细工厂模型和控制模型的控制参数校准方面。如上所述,马自达的开发理论化,没有止步于用仿真替代实机试验来提高效率,而是全面利用了CAE,进行详细设计、设想设计、控制设计、生产品质开发,甚至用来掌握市场需求,总之应用到了相当广泛的范围(Fig.2)。

  

Fig.2MBDApplicationArea

  马自达认为,把一般常用于控制系统设计的MBD,应用到了前述车辆设计的初期系统设计、结构设计和控制参数设计等更加广泛的范围。下面就按照MBD的流程,来介绍PT系统NVH设计在开发新款Roadster中的应用实例。

  3.用MBD解决新款Roadster的PT系统NVH课题

  3.1 PT系统NVH性能的开发课题

  一般来说,PT系统NVH性能与行驶和燃效性能属于此消彼长的关系。因此,对于以大幅提高行驶、燃效性能为目标的新款Roadster,要使这些性能高度的协调统一是一个困难的课题。

  比如说,如果为了提高行驶性能和燃效性能,而提高低速扭矩、扩大AT的锁定范围,就会使引发轰鸣噪声的发动机扭矩变动增大。为改善怠速燃效而降低发动机转速、为提高操控稳定性而提高PT支架的刚性,会使PT系统共振频率和发动机转速接近,从而导致车体振动增大。另外,车辆的轻量化,例如PT外壳和车身面板的薄壁化、减少隔音材料,也会使振动响应和音响特性增加,从而导致车内噪声增大等。

  3.2 由MBD解决课题的方法

  行驶、燃效性能、NVH性能受PT支架系统和部件结构的影响很大。特别是PT支架系统,因为会严重左右车辆的基本骨架,所以在尚未制造出实机的阶段,有必要慎重选择。在新款Roadster的开发中,我们运用之前的开发中积累的MBD技术和流程来选择PT支架系统,并对部件形状作了研究。

  CAE模型以PT系统NVH相关的各种要素,例如发动机、变速器、PPF、差速器、驱动系统和排气系统等为建模对象。首先使用低频性能模型,确定PT的悬挂方式和支架等的基本结构,再使用高频模型,设计发动机、变速器和PPF等的详细形状。Fig.3,4分别是低、高频现象的模型外观。因为根据评估的性能和研究的内容,需要的自由度、应当再现的现象性质不同,所以区分使用了不同的模型。

  

Fig.3CAEModelforLowFrequencyNVH

  

Fig.4CAEModelforHighFrequencyNVH

  4.PT系统NVH的设计

  4.1 PT悬挂方式的选择

  在开发初期,我们选择了决定NVH和行驶性能,以及基础重量的PT悬挂方式。作为候选方案,还探讨了发动机-变速器与后差速器相互独立、比较常见的变速器支架方式(a),和发动机-变速器与后差速器由PPF连接,将PT系统作为一个整体的PPF方式(b)(Fig.5)。

  

Fig.5 PT Mount Type

  选择标准如下:(1)对于低频NVH性能所要求的PT系统共振、车身和悬挂的共振、PT振动力的频率配置(模态调整)的控制性;(2)行驶性能所要求的与发动机扭矩输入相对应的G的上升速度和收敛性;(3)包括底盘框架在内的重量。对(1)~(3)。我们利用自主指标评估对比的结果如Fig.6所示。可知,两种方式对于(1)效果相当,对于(2)和(3),PPF方式更有利。这个结果再次印证了历代Roadster采用的PPF方式的优势,我们决定在新款Roadster中,对这一方式作进一步改进。

  

Fig.6Comparision of PT Mount Type

  4.2 怠速振动、低转速轰鸣噪声

  本节介绍决定PT整体的基本结构,即发动机-PPF-差速器的支架系统,和驱动系统扭转振动设计的怠速振动和低转速下的轰鸣噪声。

  (1)兼顾怠速低转速化与振动

  用来改善燃效的怠速低转速化,会使振动力与PT刚体共振的频率接近。还有,PT轻量化和为改善舒适度而提高PT支架的刚性,都会导致PT刚体共振频率升高,更接近振动力频率。因此,我们用以下措施,使怠速低转速化与振动得到了兼顾。

  ① 遏制PT侧倾共振频率上升

  对怠速振动作用大的PT刚体侧倾共振频率,主要由PT的惯性与侧倾刚度决定。侧倾刚度用发动机支架的上下刚度与左右跨度(距离)的乘积来表示。为了既保持舒适度改善所需要的上下刚度,又降低侧倾共振频率、以防止怠速振动恶化,而缩小了左右的跨度(Fig.7)。因为在初期设计中考虑到了这些条件,从而保证了转向轴与支架不致相互干扰的布局,支架跨度比上代款缩短了约10%。由此,PT比上代款减轻,并在支架刚性提高的情况下,抑制了PT侧倾共振频率的上升。

  

Fig.7 Engine Mount Lateral Span

  ② 优化PT刚体共振模式形状

  怠速时的发动机扭矩变动主要会引发PT的侧倾运动,但谐振模式耦合会引发偏航共振,使怠速时车体的左右振动加剧。新款Roadster的发动机支架刚性配比和上下方向的安装位置设计,使PT重心与弹性侧倾轴(PT对发动机的动态扭矩输入发生转动的轴)更为接近。由此改善了侧倾共振与偏航共振的耦合,减少了怠速时产生的偏航共振。

  通过以上方式,既满足了乘坐舒适的条件,在不导致振动加剧的情况下,还降低了怠速时的转速(Fig.8)。

  

Fig.8 Floor Vibration During Idling

  (2)兼顾AT车锁定范围的扩大与轰鸣噪声

  为降低燃效而扩大AT锁定范围,而使发动机扭矩波动频率接近驱动系统的共振频率,会导致轰鸣噪声和振动加剧。新款对与这种相关的驱动系统扭转共振,以及差速器的刚体共振特性作了改善。

  ① 改善驱动系统的2次谐振特性

  锁止减震器是决定驱动系统扭转共振频率的重要弹性要素。新款Roadster通过采用刚性大幅低于上一代款的减震器(Long Travel Damper),降低了驱动系统的二次谐振频率,大幅改善了常用区域的振动响应特性(Fig.9)。

  

Fig.9Driveline Frequency Response

  ② 改善差速器的侧倾共振特性

  从车体振动的角度看,差速器最好能降低侧倾共振频率,与发动机扭矩波动频率区分开来,但频率过低,则会导致怠速振动加剧,因此,采用适当的配置非常重要。因为差速器的重量比上代款减轻,所以我们降低了差速器支架的刚性,抑制了差速器侧倾共振频率的上升,将差速器侧倾共振频率配置在了兼顾怠速振动与锁定时的振动的范围内。

  通过上述措施,锁定时的振动比上代款大大降低,在不导致NVH恶化的情况下,大幅扩大了锁定范围(Fig.10)。

  

Fig.10 Floor Vibration During Lockup

  4.3 高转速轰鸣噪声

  直列4缸发动机,活塞、连杆的往复惯性力引起的发动机2次转动成分造成的问题很多。近年来,FF车不断向高刚性化发展,但FR车因为变速器细长,发动机与变速器叠加而成的PT弯曲/扭转模式(PPB:Power Plant Bending)频率较低。这种PPB是发动机2次转动力的产物,会作为振动传导至车体,尤其在高转速下会形成车内的轰鸣噪声。

  新款Roadster与上代款一样采用高转速发动机,因此,除PPB的高频化外,对Roadster的特点——PPF和驱动系统(差速器和驱动轴)的弹性模式进行优化设计也是一个课题。继前面介绍的PT支架系统之后,我们又着手改进PPB和驱动系统,使其达到了最佳模式配置和形状。

  (1)PPB频率特性的改进措施

  为了以最轻的重量,实现理想的PPB频率特性,我们优化了变速器外壳的形状,只加厚了必要部位,采用了无需加强筋的结构(Fig.11)。并把这一变速器外壳的优化与探讨发动机与变速器配合面的螺栓位置结合进行,以PPB成立的结合范围最小为条件,敲定了螺栓的配置。由运用了CAE的这举施措,在轻量化的同时,保证了与上代款相同的PPB频率特性。

  

Fig.11 Transmission Case Optimization

  同时还将安装支架配置在PPB的节点处(Fig.12),利用这样的结构,使PPB产生的振动不易传导至车体一侧。

  

Fig.12 PPB Mode Shape and Mount Position

  (2)驱动系统共振的改善措施

  驱动系统除了PPF、传动轴、驱动轴等本地模式之外,从低频开始,还存在很多相互耦合的模式。新款Roadster在兼顾其他性能的情况下,还优化了PPF的形状、调整了传动轴的本地模式,抑制了发动机2次振动的传导。

  4.4 齿轮噪声

  鉴于悬挂方式和PT整体振动特性采用了优化设计,我们也对PT的重要构成单元——变速器的基本结构和外壳等的形状进行了优化设计。对于新开发的手动变速器,我们从齿轮噪声的角度出发,将着眼点放在啮合力、传输特性这两种振动特性上,使其与轻量化两相兼顾。

  (1)优化啮合力

  齿轮噪声的起振力——啮合力,因配对齿轮的自柔顺系数越大时越小(4),所以要降低起振力,增加相关振动模式的响应是有效方法。研究表明,副轴的弯曲模式对主传动齿轮的自柔顺系数的影响大,因此,我们在不影响可靠性的范围内缩小了轴径,降低了弯曲刚度,使主传动齿轮的柔顺系数增加,降低了啮合力(Fig.13)。

  

Fig.13 Mesh Force Improvement

  (2)兼顾轻量化与振动特性

  为了提高行驶、燃效性能,我们在变速器、后差速器等的设计上结合了轻量化措施。如果单纯减轻外壳的重量,轴的支撑刚性会降低,此时,齿轮咬合点对不齐的错误会增加,从而导致齿轮噪声增大。为此,我们采用优化相位的方法(3),设计出了刚性高、重量轻的基本形状。

  作为例子,后差速器载体相位优化的结果如Fig.14所示。虽然为后差速器的轻量化,材料从铸铁换成了铝合金,但由相位优化计算出的有效加强筋配置,保证了其与铸铁相当的支撑刚性。变速器也在保持与上代款相同的轴支撑刚性和PPB特性的情况下,实现了轻量化。

  

Fig.14 Topology Optimization of Differential Carrier

  我们对PPF也作了优化,采取措施使以轻量化、齿轮噪声为代表的PT系统NVH性能,和行驶性能双双提高。并且将优化相位的结果反映到截面形状和减重孔的设置上,对形状的细节也作了优化。其结果是重量比上代款减轻了24%(Fig.15)。

  

Fig.15 New and Previous PPF

  5. 结语

  作为马自达长年研发的MBD的最新成果,本文介绍了新款Roadster的PT系统NVH的开发事例。通过使用系统CAE模型优化基本结构设计,新款Roadster在不牺牲NVH及相关性能的情况下,大幅提高了行驶和燃效性能。今后,通过开发更精细的预测模型、提高精度、推动开发流程的进化,我们将不断追求“人车合一”的性能、燃效和设计,让马自达的品牌价值更上一个台阶。(作者:小泉阳 儿玉真吾 陈宇 松冈和洋)