马自达新跑车的动力动力系统NVH

概括

马自达全新Roadster采用SKYACTIV技术，驾驶性能和燃油效率得到极大提升。为了实现这两个目标，需要减轻重量、增加发动机扭矩和更频繁地使用低发动机转速范围，最终导致车身响应和激振水平恶化，并使激振力频率更接近共振频率车辆，通常会降低NVH。NVH现象被称为“PT系统NVH”，因为包括发动机和变速器（激振力）、传动系统和PT刚体系统（传递系统）、悬架和车身的所有部件相互作用并作为一个整体，影响彼此的振动。因此，要正确设计PT系统NVH，需要对整个系统进行优化。应用马自达开发的MBD（ModelBasedDevelopment）流程，在不影响NVH性能的情况下实现了出色的“人车合一”动力性能和燃油效率。

1.前言

新款Roadster实现了显着减轻重量和利用低速扭矩的驾驶进化，同时提高了燃油效率。振动噪音(NVH)是一种高质量的内部空间，它抑制了令人不快的振动噪音现象，例如低沉的噪音，以及为Zoom-Zoom着色的发动机声音，因为驾驶起来很舒适，所以骑起来很有趣的目标。

动力传动系（PT）运行引起的NVH现象不仅涉及PT的发动机、变速箱、驱动系统等部件，还涉及悬置系统、悬架、整车等广泛的部件。PT的主体以一种复杂的方式。迄今为止，马自达一直在开发的MBD用于快速优化设计NVH性能，该性能表现为具有各种元素的集成系统。

本文介绍了新型RoadsterPT系统NVH优化设计的概念和示例，以及正在推广的MBD的概述。

2.PT系统NVH和马自达MBD

2.1PT系统NVH

PTNVH是指PT的振荡力引起的NVH现象，包括发动机启动时的振动、怠速时的振动、行驶时的低沉噪声、齿轮噪声等，从发动机启动到加/减速和停止。在驾驶场景中，它由整个可听范围内从低频到高频的各种频率的声音和振动组成。除了产生激振力的发动机和变速器外，这些现象还包括传递产生力的支架、进气/排气系统、驱动系统、悬架以及乘员响应传递的振动噪声而感觉到的振动噪声。所有车辆部件都涉及，例如发生的车身。

并且这些相关元素以复杂的方式响应，同时相互之间产生强烈的相互作用。例如，在高速低速范围内的低沉声音中，发动机的扭矩波动激发由飞轮、变速器、离合器减振器、驱动轴等组成的驱动系统的扭振、后差速器、PPF(PowerPlantFrame)和由支架组成的振动系统耦合并输入到车身。输入到车身的振动进一步与车身外壳、各种盖、车内腔的共振等耦合，成为乘员位置的声音和振动。这样，PTNVH在本文中被称为PT系统NVH，因为相关元素作为一个集成系统相互作用（图1）。

图1PT系统NVH

2.2马自达MBD

如上所述，PT系统NVH涉及到很多要素的相互作用，为了提高NVH性能，必须同时对这些要素进行优化。此外，由于相关因素广泛，影响范围广泛的性能也广泛，需要同时对加速响应、转向稳定性、乘坐舒适性、油耗等进行优化设计NVH。

从早期，包括年代开始的MDI（马自达数字创新）活动，一直致力于从基于传统实验的试错开发过渡到通过桌面开发的合理和高效开发。过去，优化设计的目标主要是机组局部结构的设计参数优化。但近年来，随着模型规模和精度的提高，CAE已经被用于在开发初期优化PT系统NVH，并在早期通过模拟市场上的各种用途来掌握性能要求。正在被利用。另一方面，在开发的后半期，还通过详细的设备模型和控制模型应用于控制参数的标定。这样，马自达的桌面开发就不再局限于简单地用模拟代替实机测试来提高效率，而是充分利用CAE进行详细设计、概念设计、控制设计、生产质量开发和市场要求的性能。广泛的领域（图2）。

在马自达，经常被用作控制系统设计的术语“MBD”是一个广义的概念，包括上述车辆设计中的初始系统设计、结构设计、控制参数设计等。下面，将介绍一个将PT系统NVH的设计应用于根据MBD流程开发新跑车的示例。

图2MBD应用领域

3.MBD在新RoadsterPT系统NVH挑战中的应用

3.1PT系统NVH性能开发挑战

一般来说，PT系统的NVH性能与行驶性能和燃油效率性能相冲突。因此，对于旨在大幅提高驾驶和燃油效率的新型敞篷跑车来说，如何在高水平上平衡这些性能是一个大问题。例如，提高低速扭矩以提高行驶性能和燃油效率，以及扩大AT锁止范围会增加发动机扭矩波动，这些都是低噪音的驱动力。怠速时降低发动机转速以提高燃油效率，增加PT支座刚度以提高转向稳定性会导致PT系统共振频率与发动机转速接近，从而加剧车身振动。此外，车辆的重量减轻，例如PT外壳和车身面板的减薄，隔音材料的减少，通过增加振动响应和声学特性来降低车内的声音。

3.2MBD解决问题的方法

驾驶、燃油效率和NVH性能受PT安装系统和组件结构的影响很大。尤其是PT挂架系统对车辆的基本骨架影响很大，所以在没有实机的情况下还是要慎重选择。在开发新Roadster时，选择了PT安装系统，并利用迄今为止开发中积累的MBD技术和工艺检查了零件的形状。

CAE模型针对与PT系统NVH相关的各种元素，例如发动机、变速箱、PPF、差速器、驱动系统和排气系统。首先，使用低频性能模型确定PT的悬架系统和支架等基本结构，然后使用高频模型设计发动机、变速器、PPF等的详细形状。图3和图4分别显示了低频和高频现象的模型外观。由于所需的自由度和再现现象的性质根据要评估的性能和要检查的内容而有所不同，因此模型被正确使用。

图3低频NVH的CAE模型

图4高频NVH的CAE模型

4、PT系统NVH设计

4.1PT悬挂系统的选择

在开发之初，我们选择了NVH和PT悬挂系统，这决定了NVH的基本特性、运行性能和质量。作为候选，考虑发动机-变速箱和后差速器独立悬挂的一般变速箱安装方法（a），以及发动机-变速箱和后差速器通过PPF和PT系统连接的PPF方法（b）是作为一个单元悬挂（图5）。

(a)变速箱安装类型

(b)PPF型

图5PT安装类型

选择标准是（1）PT系统共振从低频NVH性能要求，车身和悬架共振，频率排列（模态对齐）与PT振动力的可控性，和（2）运行性能要求。G上升的速度和收敛性相对于发动机扭矩输入，以及(3)包括底盘侧车架在内的重量。用原始指标对(1)和(3)进行评估比较的结果，如图6所示，(1)等价，但(2)和(3)在PPF方法中更有优势，你明白了吗？.因此，在历代跑车中采用的PPF方法的优越性再次得到证实，并决定在新跑车中进一步发展这种方法。

图6PT安装类型比较

4.2怠速震动，低转低沉的声音

本节介绍发动机-PPF-差速器悬置系统，它是整个PT的基本结构，以及决定驱动系统扭振设计的怠速振动和低速转动时的低沉声音。

(1)低怠速和低振动

由于低怠速提高燃油效率，振动力与PT刚体共振频率接近。另外，通过增加PT支架的刚度来减轻PT的重量，提高乘坐质量，提高了PT刚体的共振频率，因此更接近激振力频率。因此，通过以下措施来降低怠速和振动。

①抑制PT侧倾共振频率上升

PT的刚性侧倾共振频率对空转振动有很大贡献，主要由PT的惯性和侧倾刚度决定。侧倾刚度表示为发动机悬置的垂直刚度与左右跨距（距离）的乘积。左右跨距已减小，以降低侧倾共振频率并防止怠速振动恶化，同时保持提高乘坐质量所需的垂直刚度（图7）。通过在初始设计中考虑到这一要求，确保了避免转向轴和支架之间干扰的布局，与以前的型号相比，支架跨度缩短了约10%。结果，与之前的型号相比，PT的重量减轻了，并且在抑制PT侧倾共振频率增加的同时提高了安装刚度。

图7发动机支架横向跨度

(2)PT刚体共振模态优化

怠速时发动机扭矩的波动主要激发了PT的侧倾运动，但通过共振模式之间的耦合激发了横摆共振，怠速时车身的左右振动加剧。新Roadster中，发动机悬置的刚度分布和垂直安装位置的设计使PT的重心和弹性辊轴（PT相对于发动机的动态扭矩输入旋转的轴）)彼此靠近。结果，改善了侧倾共振和偏航共振的耦合，减少了怠速时偏航共振的激发。

结果，在满足乘坐舒适性要求的同时实现了低怠速，而不会恶化振动（图8）。

图8怠速时地面振动

(2)AT车锁车范围扩大和低沉的声音

通过扩大AT锁定范围以提高燃油效率，发动机扭矩波动频率接近驱动系统的共振频率，从而加剧了低沉的噪音和振动。与此现象相关的驱动系统的扭转共振和差速器的刚体共振特性得到了改善。

(1)驱动系统二次共振特性的改善

锁止阻尼器是一个重要的弹簧元件，它决定了驱动系统的扭转共振频率。通过采用刚性比旧款显着降低的阻尼器（LongTravelDamper），新款敞篷跑车降低了驱动系统的二次共振频率，显着改善了正常范围内的振动响应特性（图9）。

图9传动系频率响应

(2)改善除花共振特性

从车身振动的角度来看，最好降低差速器的侧倾共振频率，使其远离发动机扭矩波动频率，但过低会导致怠速振动恶化，所以正确放置很重要。由于差速器比以前的型号更轻，差速器支架的刚度降低，deflor共振的频率上升受到抑制，差速器的侧倾共振频率位于怠速振动和振动的范围内。锁定时间是兼容的。通过以上的努力，锁止时的振动比以前的车型大幅减少，锁止区域显着扩大，NVH不恶化（图10）。

通过以上的努力，锁止时的振动比以前的车型大幅减少，锁止区域显着扩大，NVH不恶化（图10）。

图10锁定期间的地板振动

4.3高转低沉的声音

在直列4缸发动机中，由于活塞和连杆的往复惯性力，发动机旋转的次级分量的力会导致许多问题。近年来，FF车辆在PT中变得更加刚性，但在FR车辆中，由于细长的结构，将发动机和变速器结合时发生的PT的弯曲/扭曲模式（PPB：PowerPlantBending）进行比较传输，它以低频存在。该PPB由发动机旋转的次级力激发，并作为振动从支架传递到车身，导致车内产生低沉的声音，尤其是在高转速时。

由于新款Roadster与之前车型一样采用了高速发动机，除了提高了PPB的频率外，对PPF和驱动系统（差速器和驱动轴）的弹性模式进行了优化设计，这是一个特点跑车，是个问题。继上述PT安装系统之后，我们还对PPB和驱动系统进行了研究，以实现最佳模式排列和形状。

(1)PPB频率特性的努力

为了以最轻的重量实现目标PPB频率特性，对变速箱的形状进行了优化，仅在需要的部分增加壁厚以消除肋条的需要（图11）。此外，这种变速箱优化是结合对发动机和变速箱配合面的螺栓图案的检查进行的，并确定了建立PPB的最小联接范围的螺栓布置。通过这些利用CAE的努力，在减轻重量的同时确保了与以前型号相同的PPB频率特性。

此外，安装支架放置在PPB的节点位置（图12），因此由PPB引起的振动不容易传递到车身侧。

图11变速箱优化

图12PPB模式形状和安装位置

(2)驱动系统共振的努力

除了PPF、传动轴、传动轴等局部模态外，传动系统中还有许多从低频相互耦合的模态。新款Roadster优化了PPF的形状，调整了驱动轴的局部模态，同时与其他性能相匹配，抑制了发动机二次振动的传递。

4.4齿轮噪音

根据悬架系统的优化设计和整个PT的振动特性，对作为PT重要部件的变速器的基本结构、箱体形状等进行了优化。对于新开发的手动变速器，我们从齿轮噪声的角度

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