【马自达技报】新款Roadster扩大铝合金适用范围实现车壳轻量化

2016-10-250阅读0

  摘要

  新款Roadster继承了历代款式的“轻型跑车”传统,将轻量化作为关键目标之一,进一步实现了“人车合一”感的进化。此次的车壳通过更换材料(铁→铝)实现了比前款还要轻的轻量化。但铝合金的轻量化效果虽大,却也存在刚性、强度比一般车用钢板要低的缺点。本文主要介绍在考虑扩大铝合金用量的同时,通过在截面形状和结构上下功夫,获得提高“人车合一”感的高刚性车壳,以及高水平实现社会强烈要求的碰撞安全性能的做法。

  Summary

  New Roadster is a product which is taken over light weight sports constructed by past models and aimed to improve “Jinba-Ittai” performance by reducing body weight. This time, body weight reduction is accomplished by using aluminum instead of steel. Aluminum has a great deal of light weight effect, but stiffness and strength is lower than steel for automobiles. This paper outlines development activities for improving “Jinba-Ittai” performance and high crash safety by designing cross-section shapes and structures.

  1.前言

  1989年登场的初代Roadster以轻型车身为武器,将驾乘汽车的乐趣传遍了全球,重新定义了当时几近消亡的敞篷双座轻型跑车。之后,随着社会对碰撞安全性能的要求提高,同类竞争车款的重量不断攀升,但Roadster却在始终不失操控乐趣,即“人车合一”感的前提下不断实现进化。/p>

  此次的新款Roadster更是回归轻型跑车的原点,在充分满足社会强烈要求的安全性的同时,将重量比上代款更轻制定为了开发目标。本文将主要介绍扩大车壳铝合金用量的思路、结构上的改进方法,以及实现手段等。

  2.增加铝合金用量的思路

  新款Roadster的车壳比上一代款式减轻了23.0kg,其中通过更换材料(铁→铝)减轻了12.1kg(Fig.1)。

  

Fig.1AppliedPartsofAluminum

  下面来介绍增加铝合金用量的思路。

  2.1 对“人车合一”感进化的贡献

  为推进“人车合一”感的进化,新款Roadster着重营造了轻快感。轻快感是指能完全按照驾驶员的想法灵活转向的状态,需要降低运动性能的代用特性指标YWR(Yaw Weight Ratio)(Fig.2),和提高SSF(Static Stability Factor)(Fig.3)。

  

Fig.2 YawWeightRatio

  

Fig.3 StaticStabilityFactor

  YWR、SSF由下式表示。

  YWR=Yaw Moment/Vehicle Weight

  SSF=Width of Tread/Height of Gravity Center/2

  (1)降低YWR

  降低YWR需要减轻车辆前后两端的重量,降低惯性横摆力矩。新款Roadster将车辆前后端设置的前/后保险杠加强件(以下简称:保险杠)、前挡泥板改用铝合金,减重6.6kg,从而降低了YWR。

  (2)提高SSF

  提高SSF的方法有:①扩大车辆轮距;②降低车辆重心高度两种。为实现较窄的车体宽度,我们尝试的方法是②降低车辆重心高度(减轻车辆重心上方的重量)。对于车身,我们将重心位置上方的防碰撞安全构件——靠背杆、隔开车舱前后的舱壁板改用铝合金,减重3.7kg,提高了SSF。

  通过把YWR的降低、SSF的提高达到同级别之最,使得新款Roadster在历代Roadster的基础上更进一步,实现了“人车合一”感的进化(Fig.4)。

  

Fig.4 PerformanceTarget

  3. 技术突破

  新款Roadster为了高水平兼顾顶级的碰撞安全性能与大幅减重,碰撞安全加强件采用了铝挤压工艺。挤压工艺的最大特点,是截面的局部板厚可变以及在截面内设置加强筋的自由度较高。通过将重点放在重量效率上,在确保性能所需强度的同时,在不要求强度之处,则最大限度地削减多余厚度,大幅减轻了重量。在前后碰撞时吸收能量的保险杠上,以及在侧面受到碰撞时支撑车门后方左右两侧的减轻乘员伤害的靠背杆上都采用了铝挤压工艺,实现了轻量化。下节介绍具体做法。

  3.1 保险杠

  在确保最高级别安全性能的前提下,保险杠重量比使用钢材时减轻了4.1kg。在要求强度的保险杠上,即使单纯改成7000系高强度铝合金,材料强度也只有SKYACTIV-BODY使用的热压材的30%左右,很难大幅减重。为了最大限度发挥铝合金的优势,我们从零开始对包括加工方法在内做了全面改进,将冲压工艺改为了挤压工艺。挤压工艺可令各个组成面厚度可变,通过加厚强度要求高的部位,而对于没有强度要求的部位则进行最大限度的减薄,从而大幅减轻了重量(Fig.5)。

  

Fig.5 SectionofFrontBumperReinforcement

  挤压工艺在截面形状上有一定的限制。保险杠的构造与两端固定支梁一样,中央部位的弯曲力矩最大,其截面形状也需要按照满足这种要求来设计结构。新款Roadster采用了车辆外侧内收的桶形设计,挤压成型的形状无法直接完全包裹在保险杠罩面之内。鉴于其他公司采用的外端冲压和简单弯曲的形状变化显著,容易发生应力集中的情况,新款Roadster的保险杠采用了不常见的拉伸弯曲工艺。由此实现了可收纳在设计范围内的保险杠形状,并且通过保持截面形状,避免了应力集中,防止了重量增加(Fig.6)。

  

Fig.6 StretchBendingMethod

  另外,铝合金的拉伸容限比钢铁要低,具有受到撞击会发生断裂的性质。在开发初期曾出现过这种现象,通过对发生机理进行分析发现,造成断裂的原因并不是与碰撞负载对应的输入所致,而是弯曲拉伸导致的。所以我们通过使截面的中立轴靠近非碰撞面一侧,解决了这个问题,并防止了重量增加(Fig.7,8)。

  

Fig.7 StaticStrengthTest

  

Fig.8 SectionofFrontBumperReinforcement

  3.2 靠背杆

  靠背杆的功能是从舱室内侧,承受侧面碰撞时前门以及B柱受到的载荷,减少B柱和车门的车内侵入量,减轻乘员受到的伤害(Fig.9)。

  

Fig.9 SideCrashLoadPath

  上代款的靠背杆使用780MPa级高强度钢材冲压而成,而新款Roadster通过改用高强度铝合金挤压成型部件,既提高了保证碰撞安全等需要的性能,重量也比上代款减轻了1.9kg(Fig.10)。

  

Fig.10 StructureofSeatBackBar

  分担载荷最多的主杆使用铝合金中强度最高的7000系铝材,其他挤压材也采用了能够实现高强度的6000系铝材。并且在挤压截面的上部设置闭截面,下部设置悬臂式加强筋,以抑制载荷输入时的局部变形,使侧面碰撞时碰撞安全性能达到了最高级别(Fig.11)。

  

Fig.11 SectionofSeatBackBar

  与保险杠一样,靠背杆也利用挤压工艺的特点,通过调整各个构面的厚度,减薄了对厚度没有要求的部分,从而成功地减轻了重量。

  4.面板部件使用铝合金的事例

  除了铝合金挤压成型部件,对冲压构件也通过扩大铝合金的用量,进行了轻量化。

  4.1 前挡泥板

  前挡泥板面板通过采用铝合金,重量比使用钢材减轻了2.8kg。

  铝合金的拉伸容限比钢材低,冲压成型时容易发生破损。马自达此前已对跑车的发动机罩(RX-7、RX-8、之前的Roadster)和行李舱盖等冲压成型深度较浅的部件使用了铝合金。此次为了进一步减轻重量,前挡泥板也采用了铝合金。

  新款Roadster的设计通过降低头灯位置,使发动机罩的分缝线内扣,营造出了立体造型(Fig.12)。因此面板的深度大,成形的不利条件增多,兼顾铝合金冲压成型性和外形设计变得更加困难。为了解决这个课题,我们与设计师合作,以mm为单位调整分型线位置的同时反复进行成型模拟,最终成功实现了铝材化。

  

Fig.12 InitialSketching

  4.2 其他构件

  为提高可维修性和生产效率而采用铆接方式的舱壁板、通道横梁,维修孔盖也改用了铝合金。这些构件通过对板材进行成型加工,并且使用与发动机罩、挡泥板相同的材料,在抑制成本增加的同时,成功置换了材料。另外,舱壁板由两侧和中央上下4个部件构成,车辆前侧的通道横梁由两个闭截面的部件构成。两块面板的接合采用RX-8的圆锥形防冲击铝合金引擎盖也利用的摩擦点焊(Spot Friction Welding)方式(Fig.13)。采用这项技术,不仅可以实现良好的焊接品质,还能使构件的厚度符合各部分对于强度和刚性的要求,也对减轻重量、降低成本做出了贡献。

  

Fig.13 AppliedPoint ofSpotFrictionWelding

  5. 结语

  在新款Roadster上,为了通过进一步的轻量化,实现“人车合一”感的进化,我们积极增加了铝材的使用。在开发过程中,也曾遇到过精度、焊接品质等问题,在达成性能目标上多次碰壁,每当遇到困难,我们都在相关部门、合作厂商的帮助下,成功攻克了问题,制造出了可以自豪地提供给顾客的商品。

  这次开发的新技术将运用于今后开发的车型,让更多的顾客感受到马自达的“驾乘之乐”目标,公司上下将团结一致,继续努力推进开发。(作者:内堀佳 桥本学 池田敬 山内一树)

  (全文完)