【马自达技报】新款Roadster的SKYACTIV-BODY结构开发

2016-10-240阅读0

  摘要

  新款Roadster回归Roadster“谁都能享受到驾乘乐趣”的原点,实现了“人车合一”感的进化。支撑这种进化的车身结构,是将CX-5、ATENZA和Axela上采用过的SKYACTIV-BODY处理方式运用于FR敞篷车身,不但飞跃性提高了操控稳定性能、冲撞安全性能和NVH性能,同时还设定了要实现比第一代Roadster更轻车身的目标。并且还要赋予可体现设计主题“魂动”的跑车美感与生命力的外形。

  其结果,在提高操控稳定性能和NVH性能的基础——车身刚性、实现顶级的冲撞安全性能的同时,白车身减轻到比第3代的217kg、第2代的230kg、第一代的211kg 都要低的197kg,在同等级别的车辆中为最轻。本文就介绍在新款Roadster的轻量小型敞篷车身开发中采用的实现手段。

  Summary

  New Roadster is a product that is made by getting back to basics of Roadster “Everybody can enjoy” and focused on improving “Jinba-Ittai” performance. Following CX-5・Atenza・Axela, FR open body structure is applied the same approach of SKYACTIV-BODY and aimed to improve handling and stability, crash safety and NVH performance by lighter weight than the first Roadster. And we aimed to embody the beautiful sporty styling and a feeling of vitality by design theme “KODO: SOUL of MOTION”.

  Consequently, body stiffness (fundamental of handling and stability and NVH performance) and crash safety are improved and the weight of body in white results in 197kg (3rd Roadster 217kg, 2nd Roadster 230kg, 1st Roadster 211kg) which is the lightest weight in open car segment. This paper outlines development activities for a light weight open body structure.

  1.前言

  在此次第4代新款Roadster的开发中,我们从零开始,重新审视了FR敞篷跑车的车体所要求的功能。将应当在实际行驶的车辆状态下实现的“人车合一”的关键概念,拆分成了车身结构层面的课题。

  开发目标是要大幅提高“人车合一”感,以及NVH的基础,即“车身刚性感”的飞跃。为了提高后部安全性,需要提高碰撞时的能量吸收量。并继续推进代代相传的NVH性能进化。

  在轻型跑车的根本——轻量化方面,我们制定了超越1989年上市的第一代Roadster的最轻目标。为实现这个目标,继承从初代延续至今的传统,对包括乘员驾驶姿势、上下车方便性在内,制定了实现“人车合一”感所需要的结构条件。

  为赋予跑车美感和具有生命力的外形,还从车身结构上对意在深化“魂动”的外形设计提供了支持。

  2.开发流程

  2.1开发方法

  SKYACTIV-BODY的几种开发方法:

  ①根据力学原理构建的理想结构

  ②通过选择加工方法提高接合效率

  ③优化材料和板厚

  基于上述方法,新款Roadster的开发有以下几点变化:

  ①发动机/变速箱纵置化

  ②采用PPF(Power Plant Frame)

  ③相对于以FF为原型的4WD车,后差速器实现大型化

  ④变更前后悬挂系统

  ⑤车身敞篷化

  根据这些变化,明确了车身功能与性能机理的变化,构建出了与之相应的理想车身结构。

  2.2基本理念

  为实现车身的理想骨架,我们依照以下几点,确定了开发构想(Fig.1):

  ①基本骨架的直线化

  ②连续车架

  ③多路径负载。特别是强化了向高位脊骨车架的传导

  

Fig.1SKYACTIV-BODYVision

  2.3构建理想结构的流程

  在构建理想结构时,反复实施了以下几个环节:

  ①与碰撞、刚性、NVH等相对应的车架结构验证

  ②优化功能配比量

  ③用品质工学的贡献度分析进行验证

  特别是在验证车架结构时,还进行了拓扑分析。结果证实,提高高位脊骨车架与前悬架顶部的结合刚性,是提高车身刚性的有效方法,有助于开发构想的完善(Fig.2)。

  

Fig.2TopologyAnalysis

  3.车身结构

  下面结合开发目的与所用技术,来介绍新款Roadster的车身结构的特点。

  3.1前车架、吸能盒

  为了实现碰撞性能,第3代Roadster并没有延长吸能空间,而是采用了780MPa级超高强度钢材,通过提高耐力,吸收碰撞能量。而此次的第4代采用的则是延长吸能空间、相对降低耐力的方法。

  为此,我们设法扩大了吸能空间,使保险杠后端到悬挂塔架之间的范围形成了十字形截面。因为拥有多条脊线的十字截面的缓冲效率高,以及根据降低的耐力目标,使用的材质从780MPa级超高强度钢材,更换成了440MPa级高强度钢材,板厚从1.6t减至1.2t/1.4t,从而实现了轻量化。

  我们还采用了冲撞时悬挂塔架后方也损坏彻底利用吸能空间的构造。因为这个部位也是悬挂塔架的支撑部位,所以我们注意使碰撞性能与刚性取得平衡,反复用CAE探讨确定了设计指标。

  通过这些改进,使碰撞时输入到驾驶舱的载荷降低,为车身整体的轻量化做出了贡献。还通过毫无浪费地压缩有限空间,帮助缩短了车辆的前悬,提高了外形设计(Fig.3)。

  

Fig.3FrontFrameStructure

  3.2缓冲横梁

  缓冲横梁是连接前车架与脊骨车架的构件,如2.3所述,通过强化二者的结合,可以提高车身刚性,并且在正面碰撞时可有效地保护乘员的脚部。而要实现这样的结构体,就需要兼顾布局设计,例如通过优化驾驶位置来扩大脚部空间、将发动机后置以降低惯性横摆力矩等。

  为此,为了使车体性能与布局设计在更高层次上达到平衡,新款Roadster将传统汽车设置在截面内的转向轴通孔独立了出来,消除了截面上不连续的部位,同时将抬高的截面平顺地与脊骨车架连接,形成构件整体受力的结构,在不影响脚部空间的情况下,扩大了截面(Fig.4)。还通过采用1500MPa级热压材,按照结构变化提高了弯曲耐力(参照5.材料)。由此,在布局设计和性能都不做出牺牲,减轻重量的同时,还实现了高强度、高刚性化。

  

Fig.4DashCrossMember

  3.3高位脊骨车架

  脊骨车架是一项无需借助侧底框梁,即可改善车身敞篷化导致的刚性降低的技术。新款Roadster彻底贯彻SKYACTIV-BODY的直线化和连续化,为防止剧烈弯折和孔洞导致的截面不连续,从开发初期开始,便和相关部门团结一心,通过“ONE MAZDA”活动,构建出了理想结构。最大限度地发挥出了构件的潜力。

  (1)截面脊线的平滑化

  通过优化仪表板的安装等,使平视、侧视时车架脊线的角度变化都为最小,由构件整体分担负载,实现了轻量化(Fig.5)。

  

Fig.5HighMountBackboneFrame(1)

  (2)闭截面的连续化

  通过调整手刹杆安装部位的孔穴,用固定的闭截面来连接截面与后方构件,消除了截面的不连续(Fig.6)

  

Fig.6HighMountBackboneFrame(2)

  3.4侧底框梁

  敞篷车的侧底框梁是连接前后车身的重要零部件,要求具备高强度与高刚性。而另一方面,要想确保乘员上下车方便、实现“魂动”设计主题,截面尺寸便会受到限制。新款Roadster通过优化截面形状,解决了这个问题。

  (1)优化截面形状

  新款Roadster的侧底框梁,采用了碰撞时可控制截面变形方式的新截面。尽管截面二次轴矩小,但通过增加脊线,提高了抗弯、抗扭强度。当横向外加巨大碰撞载荷时,截面会发生弯曲变形,我们通过有意识地设置合理数量与合理方向的脊线,抑制了这种现象的发生。因采用新截面,新款Roadster不仅发挥出了比现行款式更高的性能,重量也减轻了30%(Fig.7)。

  

Fig.7Side-Sill

  3.5后侧车架

  为了实现短行李舱的设计,新款Roadster的后侧车架比以往款式缩短了90mm。为此我们采用了SKYACTIV-BODY技术来高效吸收能量,在后侧车架采用双帽截面,后侧底盘还采用了高强度钢材。由此在空间比以往款式缩短的情况下,提高了碰撞安全性(Fig.8)。

  

Fig.8Rear-SideFrame

  3.6加油口

  为实现轻量化和提高可操作性目标,加油口从使用拉杆打开的拉锁式,改为了按压打开、与门锁联动的电磁锁式。在最大限度利用传统结构的同时,减少了零部件数量,不仅可操作性超过上一代款式,重量也减轻了112g(Fig.9)。

  

Fig.9Lid-Filler

  4.加工方法

  为了提高车体的刚性感觉,新款Roadster对顶盖、地板加强件、轮罩、后悬挂加强件的结合部采用了焊接接头,由此降低了路噪并且提高了车体刚性(Fig.10)。

  

Fig.10WeldBond

  5.材料

  5.1材料的选择

  对车身刚性所需要的板厚,利用多种性能优化技术(Multidisciplinary Design Optimization:MDO)(参照6.CAE方面的举措)计算而得,并在此基础上对需要具备强度的零部件,采用了能量吸收性、强度和可靠性均优的高强度钢材(Fig.11)。其中在要求具备高耐力的驾驶舱周围,通过新采用980/1180MPa级超高强度钢材和1500MPa级热压材,有效抑制了在各种碰撞模式下的驾驶舱部变形(Fig.12)。与上一代款式相比,高强度钢材的使用率从58%增加到了62%。还对远离车辆重心、有助于降低惯性横摆力矩的挡泥板和保险杠则采用铝合金等(详见“新款Roadster扩大铝合金适用范围实现车壳轻量化”),针对各部位需要的特性,有效地选择了合适的材质。

  

Fig.11High-TensileSteelUsageRate

  

Fig.12OccupantProtection

  5.2热压材在车体上的应用

  对于在碰撞中要避免压扁的车体零部件,采用了强度比1180MPa级超高强度钢材更高的1500MPa级热压材。通过有效利用强度更高的材料实现薄板化,从而减轻了重量。前述脊骨车架的压缩负载输入部分就采用了这种钢材。我们与生产部门在ONE MAZDA的理念下通力协作,采取提高零部件加工性、焊接性和车体精度保证性措施,实现了量产化(Fig.13)。

  

Fig.13HotStampMaterial

  6.CAE方面的举措

  6.1大幅提高车体刚性感

  在使主要的骨架构想转化为理想的具体结构上,我们从开发初期阶段开始,就实施了详细的CAE。通过反复研究,直到构建出最佳形状,推进了轻量化、维持并改善各部分的刚性,提高了车身刚性感。

  前悬挂顶端在提高与脊骨车架的结合刚性的同时,还提高了与侧底框梁的结合刚性。重点更新了悬挂顶端减震器周围的结构,将输入到悬挂顶端的负载有效分散到车体外侧,提高了减震器支撑刚性。其结果,在不使用悬架横向连接杆的情况下,使悬挂顶端的减震器支撑刚性达到了与以往款式使用悬架横向连接杆相同的水平(Fig.14)。

  

Fig.14FrontBodyStructure

  在后悬挂顶端,配合减震器安装结构的变化,对以往款式的悬挂顶端与盖板结构作了大幅变更,将来自悬挂顶端的输入载荷更加有效地分散到盖板一侧,与前悬挂顶端一样,使减震器支撑刚性得到了明显提高(Fig.15)。

  

Fig.15RearBodyStructure

  前悬挂臂的安装部位,也在车身一侧的安装结构上设置了斜撑,通过将来自悬挂臂的载荷分散到侧底框梁的结构,实现了高刚性化(Fig.16)。

  

Fig.16FrontSuspensionBodyStructure

  6.2采用多种性能优化技术

  本次新款Roadster的开发采用了MDO,通过实现多项性能(碰撞、NVH、强度、刚性)之间的同时优化,提高了重量效率。具体方式是在车身底部、车身顶部等各个开发阶段,把应该满足的各项性能指标作为限制条件,以重量最小化作为目标函数来实施MDO,进行了最轻量化验证。

  在开发车身底部的阶段,将底盘的主要零部件作设计变量,在明确板厚变化对重量的贡献度、性能的贡献度后,根据分析结果,设计出了合计减重3.9kg的方案。

  在开发车身顶部的阶段,以顶部的零部件为中心,通过实施MDO,在出图之前,对是否还有其他最轻的板厚组合、是否还有可以削减板厚的零部件进行了最终确认。结果不仅进一步减少了板厚(减重340g),还实现了总重量最轻的车体(Fig.17)。

  

Fig.17MDOApplication

  7.结果

  7.1车体刚性值

  通过大幅减轻重量以及有效改变结构,使得抗扭刚性和前后悬挂顶端的减震器支撑刚性等各项刚性值按重量比计算,均超过了以往款式(Table1)。

Table1Stiffness

  PreviousModel

  NewModel

TorsionalStiffness 100% 109%
FrontDamperStiffness 100% 119%
RearDamperStiffness 100% 117%

  7.2碰撞安全性能

  随着人们对安全性的要求不断提高,在当今的汽车开发中,每次改款重量都会出现增加的趋势。新款Roadster为了回归轻量化原点,通过采用多路径负载构造、更换材料、调整加工方法等,大幅抑制了碰撞时的车体变形。结果不仅减轻了重量,车体性能在公司内部的测试中,达到了各国安全评估程序(NCAP)的顶级水平。

  7.3轻量化

  新款Roadster沿用SKYACTIV-BODY的思路,推进了FR结构合理化,结果在实现优于以往款式的刚性感和碰撞安全性的同时,未使用铝合金材料的白车身重量减到了比第3代的217kg、第2代的230kg、第一代的211kg都轻的197kg(Fig.18)。

  

Fig.18BodyinWhiteWeightPerProjectedArea

  另外,因为改善了保险杠加强件等零部件的可维修性和生产效率,包括改用螺栓紧固的主要零部件在内,车身结构重量也比第3代的248kg更轻,减轻到了225kg。

  8.结语

  以上是新款Roadster车身结构的进化之处与特点。将SKYACTIV-BODY的思考方法应用于敞篷车身,在轻量化直接关系到商品价值的Roadster上,同时实现了性能提高与历代相比的最轻车身。今后,我们要进一步磨练技术,为实现更轻、性能更高的车身而不懈努力。(作者:木村隆之 阪井克伦 山内一树 丸山贤司 四柳泰希 冈泽恭久)

  (全文完)