概括
在全新马自达3的研发过程中，分析了人的行为原理，以进一步提升马自达的驾驶乐趣（驾乘者与车合一的感觉，就像马成为骑手的自然延伸），并专注于人类在正常行走时保持平衡的能力。如果要在驾驶员和车辆之间提供一种一体感，认为能够在驾驶时保持身体平衡是车辆应该有的方式。着眼于复制步行时的身体平衡，从根本上审查了轮胎、悬架、车身和座椅的功能，最终开发了一项名为Skyactiv-VehicleArchitecture的车辆结构新技术。因此，全新马自达3实现了驾驶动态，让驾驶者在操控车辆时不会有不适感，长时间驾驶也不会感到疲劳，从而提升了马自达的驾驶性能和品质。
关键词:车辆动力学,车辆开发,悬架系统,座椅
1.前言
马自达正在开发基于以人为本的理念的汽车，旨在实现理想的乘坐质量和转向稳定性。这是因为即使在骑行时也能最大限度地发挥人类的卓越能力来实现理想的性能是必不可少的。如果您可以像走路一样在驾驶时平衡身体，那么您就可以在头部稳定的情况下获得舒适的乘坐体验。此外，如果汽车以符合人类行为原理的方式响应驾驶员的方向盘操作，则可以像肢体一样控制汽车，实现人车一体化的转向稳定性能。
为实现这一目标，新一代底盘平台基于以人为本的理念，最重要的控制因素是将骨盆置于正确的位置和角度，以及从座椅到车身的能量传递，底盘，轮胎，被控制在时间轴上，从根本上检查各个部件，使各单元有机配合。通过开发新的车辆结构技术=SKYACTIV-VEHICLEARCHITECTURE，并将其应用于新的MAZDA3，提高了与车辆的统一感、随心所欲的操控性以及舒适性和安全性。
在本文中，首先以一个人的步行运动为例，解释一个人保持平衡和万能运动的能力。然后，将介绍即使在驾驶汽车时也能保持平衡能力的车辆运动概念，新MAZDA3的实现方法以及实现结果。
2.人类的普遍运动
人们对有规律和平稳的运动感到舒服，对不规则和不连续的运动感到不舒服。以平时随意进行的步行运动为例，头部与半规管的垂直运动被抑制在仅5厘米左右，并以平滑连续的正弦曲线运动（图1）。
图1行走时头部的垂直位移
人体可分为由骨盆和上半身组成的乘客单元和由骨盆和下半身组成的运动单元（图2）。行走时，这两个单元通过骨盆相互配合，使视线稳定，行走在任何路面。可以说是极致悬架的乘客/机车电机单元的功能和机制已被纳入新一代底盘平台的开发中。
图2乘客和运动单元
3.稳定头部
3.1客机功能
乘客单元具有相对于进入骨盆(1)的输入稳定其姿势的功能。骨盆的姿势是发挥这一功能的最重要的因素。当骨盆处于站立位（中立位）时，脊柱自然呈S形曲线，如图3所示，脊柱灵活弯曲，抵抗骨盆传来的振动，至稳定头部。
从后面观察行走动作时，骨盆随着行走时左右腿的运动而左右倾斜。此时，如图3所示，脊柱屈曲，上半身与骨盆运动反相倾斜，以平衡身体，稳定头部运动。
图3脊柱曲线（侧面和背面）
3.2能展现平衡保持能力的座椅
为了达到理想的乘坐质量，即使驾驶员坐在汽车座椅上，也可以展示乘客单元的“头部稳定”功能。因此，我们的目标是即使坐在座位上也能通过直立骨盆将脊柱保持在自然的S形曲线上。
3.3座椅结构
为了让骨盆直立并保持脊柱的S形曲线，认为以下座椅特性是必要的（图4）。
(1)支撑骨盆使其独立，包裹整个骨盆。
(2)增加大腿的承受力，使臀部不前移，骨盆不后空翻。
(3)支撑腰椎，增加骨盆上部的承载力，使骨盆不后空翻。
(4)为保持脊柱的S形曲线，支撑使其环绕在胸廓重心位置，即S形曲线的上部。
图4理想的坐姿
为了实现这些板材特性，对板材形状、挠曲特性和结构进行了优化。
关于(1)，通过将骨盆正下方的垫子形状制成平坦表面并使整个表面具有柔性使得骨盆可以自行站立，从而增加了骨盆的稳定性。
关于（2），为了增加大腿的承载能力，坐垫形状的拐点位置比以往有所改变，拐点前后座面角度的变化量有还进行了优化，以优化臀部座面角度的变化量。防止前移。此外，还采用了前倾调节机构，可以改变支撑大腿的坐垫角度。结果，我们能够适当地支撑从小到大的体格的乘员。
对于（3）和（4），座椅靠背的支撑结构发生了变化。使用独立的螺旋弹簧，可以改变座椅靠背各部分的承载能力。此外，通过考虑人体骨骼来安排它们，上骨盆和胸部区域均达到了所需的承载能力和范围（Kt、Kl、Kp）。
图5靠背结构
3.4座椅坐姿
(1)坐姿，
骨盆直立将髂前上棘与骨盆大转子连线与地平线的夹角定义为骨盆角（图6），以上两点用触诊标记，从侧面拍摄。角度进行了计算。图6显示了标准体型的镶板工从站立状态到坐姿的骨盆角度变化量。变化量越小，骨盆越直立，证实新MAZDA3能够坐直骨盆。
图6骨盆角和骨盆角变化的测量方法
(2)脊柱的S形保留
图7显示了标准体型的验光师测量的座椅靠背的身体压力分布。纵轴表示座椅靠背的高度位置，横轴表示座面各高度位置的载荷总和之比。在新的MAZDA3中，座椅靠背对骨盆上部有很高的支撑压力，并对其进行支撑，使骨盆不会翻倒。此外，经证实，骨盆上部至胸廓均沿脊柱连续支撑，便于保持脊柱的S形曲线。
图7靠背压力分布
4.平滑输入
4.1运动单元的功能
运动单元具有向前移动的功能和平滑调整来自路面的输入的功能。观察一个人从侧面行走时下肢的运动时，脚后跟位置的轨迹在前后和上下方向上是复杂且不连续的，如图8所示，但脚后跟的关节和肌肉下肢相连，通过发挥作用，将骨盆的运动抑制在一个很小的水平，从而产生周期性和平滑的运动。
图8足关节的垂直位置
4.2轿厢作为机车单元的功能
坐在汽车座椅上时无法发挥运动装置的功能。因此，如图9所示，汽车轮胎、底盘、车身和座椅都扮演着这个角色。具体而言，轮胎和悬架来自路面的不连续输入被转换为XYZ轴对齐的平滑输入，并没有延迟地传输到车身。车身和座椅旨在立即将来自悬架的输入传输到驾驶员的骨盆。
图9车身到汽车的传递函数
4.3底盘平滑路面输入
为了对齐相位并平滑来自路面的输入并无延迟地传输到车身，我们在时间轴上链接轮胎和悬架部件的能量传输的概念下开发了它。图10说明了在斜坡路面上骑行时的能量传递概念。下面将解释时间轴上的连接。
图10悬架部分合作的概念
(a)轮胎定位
悬架的支撑刚度增加，来自路面的输入迅速被轮胎接收。
(b)轮胎能量阻尼
它会提前弯曲轮胎以抑制来自路面的能量，并将其余能量转移到臂、弹簧和减震器上。
(c)对齐输入相位
下臂的运动与从轮胎传递的输入方向对齐，并迅速将其传递到弹簧减振器。
(d)用弹簧和阻尼器平滑输入
通过平稳地抚摸弹簧/阻尼器，输入被衰减和平滑，其余部分传递到车身。
(a)至(d)中的每一个的具体措施描述如下。
4.4轮胎定位（一）
为了使进入车身的输入顺畅，轮胎需要在早期接收来自路面的输入，悬架的定位功能很重要。前款车型的前下臂的前衬套由于车辆前后方向的弹簧常数低且与限位器有间隙，因此具有支撑刚度低的结构。在新MAZDA3中，前衬套已更改为没有止动间隙的结构，以增加衬套在前后方向上的刚度。其结果是，前后方向的输入输入到轮胎时的车轮中心的前后位移与之前的型号相比可减少约25%。
4.5轮胎能量衰减（b）
在新的MAZDA3中，轮胎的开发理念是重新分配整个车辆的功能，包括轮胎，在提供相互支持的同时提高所有性能。具体而言，通过将轮胎在垂直方向上的弹簧常数与之前型号的轮胎相比软化约10%，来自路面的输入通过轮胎的挠曲变得平滑，并且在滑行时，它以更少的速度滚动。能量损失和载荷当轮胎应用时，接地面膨胀，轮胎横向力立即产生。
4.6对齐输入相位(c)
对于从各个方向进入悬架的输入，我们的目标是通过定义下臂的操作轴并在所需方向上移动车轮中心来对齐输入的相位。因此，简化了来自轮胎的输入方向。图11显示了这个想法。对于前后方向的输入，下衬套左右移动，下臂以前衬套为支点旋转。对于垂直输入，围绕前后衬套摆动。通过这样做，对于复合输入，无论输入大小如何，轮子中心的移动方向都会对齐，并且可以创建连续移动。为了实现所需的运动，我们重新审视了衬套在平移和旋转方向上的特性，并开发了一种新型结构的衬套。前衬套增大了前后方向的弹簧常数，减小了撬动方向的弹簧常数。后衬套在前后方向上具有更高的弹簧常数，使其更容易在左右方向上移动。图12显示了新MAZDA3和以前型号的下臂前衬套的特性比较作为示例。
图11前悬架的输入力
图12旧款和新款MAZDA3的LCA衬套弹簧刚度对比
除了上面提到的衬套之外，悬架几何结构中还融入了一个新想法。通过始终保持下臂角度向下，来自轮胎的输入在早期通过臂传递到车身侧（图13示出了下臂角度部分）。
图13下控制臂角度
将描述在实际车辆上的确认结果，以用于对齐来自轮胎的输入的相位并将它们快速传送到弹簧和减震器的措施。图14显示了以10km/h的速度行驶在安装在高度为30mm的台阶上的斜坡上时，从车辆侧面看到的车轮中心轨迹。在新MAZDA3中，确认了无论输入大小如何，车轮中心始终向上移动，并且输入从一开始就传递到弹簧和减震器。
图14车轮中心位移
4.6用弹簧和阻尼器平滑输入(d)
为了使进入车身的输入顺畅，悬架的行程平稳，在输入进入的早期就利用了阻尼器的阻尼。因此，在新MAZDA3中，前支柱悬架弹簧的排列和相位被设置在左右两侧的最佳方向，减少了由于弹簧反作用力而施加到减震器上的横向力.因此，悬架行程时进入阻尼器顶部的侧向力可以减少到以前型号的一半以下。
此外，前支柱支座针对悬架的平稳行程，开发了一种新的结构支座，在垂直于阻尼轴的方向上具有高弹簧常数，以降低阻尼杆扭转方向的弹簧常数。轴和提高轮胎定位功能...图15显示了新MAZDA3和以前型号的支柱安装橡胶之间的特性差异。增加了左右方向和前后方向的弹簧常数以提高定位功能，而撬（γ）方向的特性已大大降低。
图15旧款和新款MAZDA3的支柱安装橡胶弹簧刚度对比
图16表示在上述倾斜路面上行驶时的座椅安装部的车身前后方向(Ax)和上下方向(Az)的加速度。经确认，新款MAZDA3前后方向和上下方向加速度同相，加速度变化平稳。
图16地板加速度
5.成就状态
5.1转弯时的骨盆和上身行为
使用新的MAZDA3，我们的目标是通过在驾驶和行走时以相反的相位移动骨盆和上半身来平衡身体并稳定头部的运动。
在评估转向稳定性的内部测试课程中，使用惯性动作捕捉测量在缓和弯道行驶时人体的行为，并计算每个关节角度。图17显示了第二/第三胸关节（T2-T3）和第二/第三腰关节（L2-L3）的侧倾角和偏航角的时间序列变化。在新款MAZDA3中，胸椎和腰椎的关节角度在侧倾和偏航方面表现出相反的运动。
通过这种方式，可以确认骨盆和上半身在驾驶过程中和步行过程中以相反的相位移动。
图17关节的侧倾角和横摆角
5.2转弯时的头部行为
使用惯性运动捕捉测量进入柔和角落时头部的运动。图18显示了水平轴上的横向加速度和垂直轴上的头部横向位移。新MAZDA3证实了从转向开始时头部移动平稳，座椅和车辆移动让乘员发挥平衡保持能力。
图18头部横向位移
5.3过坡时头部的行为
拍摄以10km/h速度通过斜坡时的头部运动，通过图像处理计算图19所示的头部①、②、③点的位移。①是上颈椎，②是太阳穴，③对应眼睛的位置。
图19测量点
图20显示了点①的前后位移作为头部前后移动的量。此外，作为驾驶员的视线，显示了连接点②和③的线与地平线之间的角度。通过平衡驾驶员的上半身，与以前的型号相比，减少了头部的前后移动量，因此确认了新的MAZDA3是稳定的。此外，确认了头部间距的大小和间距的速度受到抑制，使得视线更容易稳定。
图20杆头纵向位移和俯仰角
六，结论
引入了可以发挥人类能力的车辆运动概念和新的车辆结构SKYACTIVVEHICLEARCHITECTURE来实现它。除了改善传统汽车的机械特性外，很高兴通过实现符合人类特性的动力性能，为市场带来前所未有的驾驶感受和驾驶乐趣。将继续研究人的特性，继续以人为本的理念为实现理想的车辆运动而努力。
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