【马自达技报】新款Roadster超轻软车顶的开发

2016-10-260阅读0

  

  摘要

  历代Roadster的软顶随着各代的改款而不断进化,现在已经演变成了手动式软顶的基准。如同自初代起,Roadster就一直贯彻“人车合一”理念那样,软顶也始终坚持“简单轻巧、开关容易、使用方便”的原则。因为车顶的重心位置高,位置会随开关改变,所以对方向盘的操控影响大,轻量化是一个重要因素。另外,为了让驾驶员尽可能在敞篷状态下驾驶,软顶还非常重视开关的可操作性。在新款Roadster的开发过程中,为了使上述理念在更高的层次上得以实现,我们刷新了材质和结构,并用CAE加以优化,同时还提高了行驶时的静音性以及质感。本文将介绍实现这些改进的手段和开发过程。

  Summary

  The soft-tops of the successive Roadsters have been evolved every model change, becoming the bench- mark of manual type soft-tops even today. While “Jinba-Ittai” has been the concept of the vehicle itself since the first Roadster production, “Simple, light-weight, smooth open/close, easy to use” has been the unchanged concept of the soft-top. As the center of gravity of the roof is high from the ground and the po- sition changes when the roof is opened or closed, the roof’s influence to the handling performance of the car is large. Therefore the weight reduction of the roof is one of the important tasks. Ease of open/close is also a key factor for the driver to feel like to open the roof as much as possible, which is our desirable way of their riding the car. Renovated structure, materials and optimized using CAE for the full-model- changed Roadster to realize the above concept at a higher level than before. The outside and inside ap- pearances and quietness at driving are also improved. This report describes the measures and the devel- opment process taken.

  1.前言

  1.1 开发目的

  目的是开发能让更多的用户在更多的场合享受敞篷驾驶的乐趣,与Roadster理念相符的车篷系统。为了使之在更高层次上得以实现,我们此次全面调整了软顶的结构。

  Roadster的软顶从初代开始,一直贯彻了重量最轻、操作容易、易用性好的开发理念。此次开发的新软顶也坚持了这一理念,将大幅提升性能作为了开发目标。

  1.2 开发构想

  (1)最轻的软顶

  上代的软顶虽然也非常轻,至今仍属于顶级水平,但为了满足顾客的期待,我们认为有必要进一步大幅减轻重量。于是在开发初期便制定了比上一代款式减轻3kg(17%)的目标。通过改进部件形状、板厚,并且更换主要部件的材料,进行了深入开发。

  (2)可以坐着开合的可操作性

  考虑到不要错失敞篷行驶的机会,需要让驾驶员能坐在座位上轻巧地开关车篷,我们设定了操作负载和开关轨迹的开发目标。特别是在敞篷状态下的关闭操作,因为最初不易发力,这是可操作性方面最为重视的部分。

  (3)提高静音性

  考虑要在长途和高速行驶时也实现同样舒适的室内空间,扩展驾驶范围,让驾驶员尽情享受汽车生活,所以新软顶还重视了关闭时的静音性。分析了噪音的发生源,有效地隔音、吸音,使静音性与轻量化均得到了实现。

  2.轻量化

  2.1 重量配比与材料选择

  与以简单的二分式连杆、中控锁机构,以缩小板厚、削减多余厚度来减重的上代款式相比,新软顶沿用了简单连杆、锁定机构,但对连杆和锁定机构采用了很多铝合金材料而减轻了重量。

  对于占全部重量55%的连杆总成,其前端和主连杆改用铝合金,顶板采用铝合金冲压成型品。上代款从蓬顶到柱的主连杆由钢管、钢板等5个部件构成,而采用铝合金铸件一体成型后,部件数量大幅减少。主连杆的形状虽然成型比较困难,但通过同时减薄壁厚,实现了轻量化。结果,整个软顶比上一代款式减轻了3kg(Fig.1)。

  

Fig.1StructureoftheLinkAssembly

  我们不仅要轻量化,还要使质感和性能整体得到提升,为此进一步探讨了性能参数。决定让顶盖向前后延伸,使车顶前半部分外板面具有张力,提高了开关时的外观美和隔音性。另外,一体化的连杆结构在室内一侧可以保持平面形状,为提高内饰质感作出了贡献。

  其他部件方面,顶锁锁闩、楔形件由锌铸件改换为铝合金铸件,并缩小了钢管、副连杆的厚度。我们还运用CAE,寻找了板厚和壁厚的极限值。

  2.2 运用CAE优化

  为了既确保软顶需要的强度与刚性,又实现轻量化结构,我们除了考虑静载条件,还考虑了开关操作时的操作负载、车顶挠曲量及连杆应力等因素,优化了连杆的刚性配比。

  开关操作时的强度和刚性的评估模型如Fig.2所示。该模型对软顶整体作机理分析并建模,不但可计算出开关时的操作负载和加载于连杆的负载,连杆还可以对FEM模型进行模态缩减,可评估车顶的挠曲量和连杆的应力。将篷布的阻力作为非线性弹性要素建模,获得了篷布的有无与操作负载测量值之间的关系,使之成为能准确预测从关闭状态到打开锁定状态连杆负载的模型。

  

Fig.2Soft-topOpeningandClosingMechanismModel

  利用这一分析技术,我们调查了各连杆的板厚变化对于操作负载、车顶挠曲量、连杆应力的影响,确定了合理的刚性配比。作为一个例子,Fig.3所示为缩小某连杆板厚时,各连杆的冯米斯应力(开关操作中的最大值)的变化情况。连杆A的板厚缩小时,其应力增加,但其他连杆的应力会降低。我们在虑及整体协调性的同时,缩小板厚、调整形状,从而实现了轻量化。

  

Fig.3RelationshipofStressandThicknessoftheLink

  3.操作性能的提高

  3.1 目的

  为了不错失敞篷驾驶的时机,向用户提供“Fun To Open”理念,使用户坐在座位上就能轻松开关车篷,我们采取了降低操作负载、优化开关轨迹的措施。

  在就座状态下操作软顶时,人在操作姿势上感到负担最重的,是车篷从敞篷状态上升至头顶附近的这段区域,这决定着操作性能的优劣。我们运用人体工程学知识和实际驾驶实验,对在日常生活中没有负担感的操作负载、手容易触及以及易于发力的操作轨迹进行了量化。为使操作性在上代款的基础上大幅提升,我们的目标设定成了让AM50tile体格的普通成人男性到力气较小的女性都能使用的数值。期待Roadster传统的轻快、人车合一的行驶,以及轻巧易用的软顶,能够让众多用户感受到驾驶马自达敞篷LWS(Light Weight Sports)的乐趣。

  3.2 实现手段

  操作负载是由软顶的自重力矩、辅助弹簧、篷布张力和摩擦阻力的总和决定的。

  其中,最为重视的是开始关闭时的操作负载,其自重力矩与辅助力的关系是决定性的。自重力矩可以借助轻量化降低,但无法控制特性。因此,优化辅助力是降低操作负载的重点。

  上代款是利用主连杆转动轴的辅助弹簧降低操作负载的,辅助力与开度成简单比例,调整量会受到限制。此次,我们将辅助弹簧的力经由连杆传导,优化了辅助力特性(Fig.4)。由此实现了在开始关闭时轻巧,直到完全关闭状态都保持不变的操作负载(Fig.5)。

  

Fig.4StructureoftheAssistLink

  

Fig.5 OperatiCharacteristicResult

  辅助力的优化作了理论计算和CAE模拟,并使用先行试制车作了篷布阻力、自重影响的确认,以及弹簧组位置的优化,调整了操作感受。

  4.提高静音性

  4.1 目的

  为了实现高速行驶时也不会阻碍乘员间对话的舒适室内空间,我们设法减少了车顶关闭时的室内噪声。人的会话大部分在200Hz~6.3kHz频带,我们将减少这一频带范围的室内噪声作为开发目标。

  从上代款室内噪声的声源探查结果(Fig.6),以及基于车辆各部分声强测量的面板辐射声量分析(Fig.7),得知抑制车顶噪声是最为有效的手段。于是我们设置了顶架横杆、顶衬装饰板,提高了隔音、吸音性能,并设置顶板,通过减少晃动,降低了室内噪声(Fig.8)。

  

Fig.6 InteriorNoise(1kHz)

  

Fig.7AcousticIntensityDistribution

  

Fig.8 InnerCloth&HeaderTrim

  4.2 试制评测与参数确定

  我们探讨了软顶横杆单独的传声损耗、吸声系数(Fig.9),并将试制品配备在上代车型上实际做了测试(Fig.10),从而敲定了规格参数。

  

Fig.9 AcousticIntensityDistribution

  

Fig.10 InteriorNoiseImprovement(1kHz)

  其结果,使传声清晰度指数Articula- tionIndex提高了7%(Fig.11)。

  

Fig.11 ArticulationIndex(140km/hOn-road)

  5.总结

  此次,我们在确保软顶所要求的商品性、可靠性的前提下,提高了轻量化及可操作性,成功实现了商品化。但我们不会就此满足,而是要基于本次获得的技术反馈,继续努力,使从初代传承至今的理念得到飞跃式提升。让更多的人体验到驾驶敞篷车的酣畅淋漓快感。

  6.结语

  本次软顶的开发得到了株式会社东洋喜岛、西川橡胶工业株式会社、株式会社利富高、片山工业株式会社、宫川化成工业株式会社、株式会社INOAC CORPORATION的大力协助,在此深表谢意。(作者:松本浩一 黑田将仁 鲤渕达夫 武田健二)

  (全文完)