Просторова рама і алюмінієві кузова Audi - журнал За кермом

1. Технологія виготовлення кузовів з просторовою рамою ASF (Audi Space Frame) могла бути впроваджена ще...
2. гібридний підхід
3. Триматися один за одного
4. Зворотній бік медалі

Технологія виготовлення кузовів з просторовою рамою ASF (Audi Space Frame) могла бути впроваджена ще три десятиліття тому, але технологічна еволюція пішла за іншим сценарієм. Німці перепробували різні схеми, щоб прийти до спільного знаменника в процесі виробництва.

Інженери Audi почали працювати над проектом в 1982 році. Ідея була настільки нав'язлива, що їм потрібна була всього пара років, щоб з нуля продумати технологію виготовлення силової структури кузова з алюмінію і адаптувати її під серійне виробництво. Основна складність полягала в тому, що модуль пружності крилатого металу втричі менше, ніж у сталі: при поглинанні енергії удару алюмінієва конструкція деформується сильніше, що не вписувалося в вимоги по пасивної безпеки. Застовпивши чотири десятки виробничих патентів, німці вже в 1988 році підготували до серійного виробництва модель V8 c повністю алюмінієвим скелетом. Але ринок не був готовий до появи таких машин - і «вісімка» пішла в серію з кузовом зі сталі.

Матеріали, використовувані при виготовленні кузова седана Audi A8 нового покоління.

еволюція

Перша серійна модель з алюмінієвим кузовом встала на конвеєр шість років по тому - в 1994 році з'явився Audi A8 першого покоління. Кузов важив всього 249 кг (в сталевому виконанні він був би важче на 40%). Рівень пасивної безпеки задовольняв всім вимогам того часу. Щоб компенсувати низький модуль пружності листового алюмінію, в силовій структурі рами використовували багатокамерні профілі і великі деталі складної форми з товстими стінками, виготовлені литтям під тиском. На їх частку припадало 29% з 334 окремих компонентів. Іншу частину становили алюмінієві панелі, додавали конструкції жорсткості. Приблизно 75% складальних операцій виконувалося вручну.

Матеріали по темі

Наступним кроком стало спрощення структури рами ASF з метою використовувати її для більш масових моделей і підвищити рівень автоматизації виробництва.

У 1999 році ідея втілилася в хетчбек Audi A2. Кількість деталей кузова скоротили до 225. Деякі з них, наприклад, центральні стійки, виготовляли з єдиних виливків. Частка листових елементів була ще висока - 81%. При складанні кузова використовували переважно клепку, зварювання в середовищі інертного газу (MIG) і лазерну зварювання, а рівень автоматизації виріс до 80%.

Технологія ASF повністю задовольняла новому тренду зниження маси і одночасного підвищення жорсткості кузова. Алюмінієвий кузов Audi A8 другого покоління (2002 рік) став жорсткішим на 61%, а важив на 29 кг менше. Частка великих виливків зросла з 22 до 31%, а число окремих деталей скоротилося на 20%. У складальний процес включили нову технологію - гібридну лазерну зварювання, яка знизила до мінімуму деформацію елементів в місцях з'єднань, забезпечила ефективне заповнення зазорів і високу швидкість збірки.

Типи з'єднань, що використовуються при виготовленні кузова автомобіля Audi A8 нового покоління.

Комбіновану структуру рами ASF реалізували в Audi TT другого покоління (2006 рік); мета - домогтися оптимальної развесовки по осях. Передній модуль кузова, середня частина днища і верхня частина каркаса були алюмінієвими (частка крилатого металу склала 68%), задня частина днища і кузова, а також перегородки моторного відсіку - сталевими. Машина стала легшою за попередницю на 90 кг, при цьому жорсткість кузова на кручення зросла в півтора рази. Однак пара алюміній-сталь виявилася досить вередливою. Щоб забезпечити необхідну міцність і виключити контактну корозію, замість термічних застосували так звані холодні методи з'єднання (заклепки, болти і клей) і ізолюючий герметик.

Матеріали по темі

Адаптація концепції ASF для спортивних автомобілів зажадала чергового збільшення жорсткості і зниження маси. Зусилля інженерів втілилися в купе Audi R8 першої генерації (2007 рік). Основу каркаса склали алюмінієві профілі (70%), на відливання довелося 8%, на листові елементи - 22%. До того ж застосували надлегкі матеріали. Магнієва распорка моторного відсіку додала жорсткості заднього модулю кузова. Для відкритої версії Spyder деякі несучі елементи, наприклад задні боковини і кришку моторного відсіку, виготовили з вуглепластика.

Жорсткість вимог до рівня пасивної безпеки спонукало на нові рішення. Силовий каркас кузова зробили зі сталі, використавши високоміцні сплави, які краще алюмінію в справі захисту сідоків при аварії. Нову концепцію реалізували в Audi A8 третього покоління (2010 рік). З високоміцної сталі виготовили, наприклад, центральні стійки кузова. До того ж використовували алюміній тринадцяти різних сортів і вакуумну виливок алюмінієвих деталей, яка забезпечує високі механічні властивості, пластичність і надійність з'єднань. Міцність деталей підвищилася на 35%, а товщина стінок і маса зменшилися на 25%.

Надалі високоміцні стали поступово витісняли алюміній з силової структури: вони забезпечують необхідні характеристики міцності навіть при невеликій товщині стінок. Завдяки цьому вдалося суттєво знизити споряджену масу Audi TT нового покоління (2014 рік) і одночасно збільшити жорсткість кузова. Ще більше місця зайняла високоміцна сталь в «клітці безпеки» Audi Q7 другої генерації (2015 рік), а частка алюмінію в просторовій рамі впала до 41%. Замість алюмінію все частіше застосовують вуглепластик: силова структура кузова Audi R8 нинішнього покоління на 13% складається з карбону.

гібридний підхід

В середині літа вийде А8 четвертого покоління. Його просторова рама виявилася важче попередньої - 282 кг проти 231. Приріст пов'язаний з більш жорсткими вимогами по пасивної безпеки і початкової заточуванням під альтернативний привід - зокрема, гібридний. Зони для батарей повинні мати високу жорсткість, тому в структурі рами стало більше сталевих компонентів. В основному це високоміцні сплави, використані в «клітці безпеки» салону. Частка алюмінію знизилася до 58%.

Інженери спростили технологію виготовлення вуглепластикових панелей заради зниження собівартості. В майбутньому подібні елементи з'являться і на менш дорогих Audi, а поки для A8 за цією технологією роблять, наприклад, задню карбонову панель, яку фіксують двокомпонентним клеєм і заклепками.

Інженери намагаються використовувати потрібний матеріал в певному місці і в необхідній кількості, черпаючи натхнення в творах живої природи. У рамі ASF поєднуються вже чотири різних матеріалу, а в конструкції деталей активно використовується біоніка ( «конструктивні» рішення, запозичені у природи). Природна архітектура добре видна в хитросплетіннях розвинених ребер - ці, здавалося б, хаотично розташовані перегородки на литих алюмінієвих елементах підвищили жорсткість кузова на кручення на 24%.

Крім звичної стали компанію алюмінію склали магній і вуглепластик. З магнієвого сплаву виготовлена ​​распорка опор стійок передньої підвіски - вона на 28% легше аналогічної алюмінієвої на попередньому А8, а жорсткість у неї та ж.

Чашки опор передніх і задніх стійок підвіски литі, алюмінієві. Розвинені ребра на них дозволяють зменшити товщину стінок, знизити масу і збільшити жорсткість. З'єднання чашок з сусідніми сталевими елементами - за допомогою заклепок.

З вуглепластика зроблена задня панель кузова (перегородка за спинкою сидінь другого ряду). Вона має сегменти різної товщини - в них від шести до дев'ятнадцяти шарів волокна. Кожен із шарів - це стрічка шириною 50 мм, яку можна укладати під будь-якими кутами. Завдяки комплексній орієнтації волокон панель поглинає різноспрямовані навантаження і забезпечує аж 33% жорсткості на кручення за все кузова - яскравий прояв нової концепції ASF.

Інженери Audi запевняють, що виробництво карбонових елементів тепер не так уже й дорого. Вони розробили оригінальний процес укладання шарів волокна, що дозволив відмовитися від проміжних етапів виготовлення цільних листів.

Приклад біонічної структури в рамі ASF - масивна алюмінієва лита деталь, що з'єднує поріг і задній лонжерон. Конструкція і розташування внутрішніх ребер запозичені у бджолиного вулика. Новий алюмінієвий сплав забезпечує підвищення жорсткості на 50%.

Нижня частина перегородки моторного відсіку виконана з високоміцної сталі і має змінну товщину. Вона зварена з трьох сегментів, центральний - найбільш товстий. Така схема забезпечує зниження маси деталі на 20% при збереженні необхідної жорсткості. Змінну товщину по довжині мають і центральні стійки кузова. Це дуже важливо при розподілі енергії удару в разі бокового зіткнення.

Нові технології алюмінієвого лиття дозволяють отримувати елементи складної геометрії, що раніше було можливо тільки для стали. Наприклад, стінка опорної чашки заднього амортизатора завдяки розвиненому обребрена стала тонше на 15% і легше на 19%. Нові сплави також підвищили міцність профілів лонжеронів на 31% і знизили їх масу на 26%.

Триматися один за одного

При складанні кузова А8 нового покоління застосовують більш десятка методів з'єднання металів. На «холодні» (склеювання, клепка, болтові з'єднання) припадає 80%, решта - різні типи зварювання. Довжина клейових швів становить майже 100 метрів. Серед нових методів - роликовий запрессовка і вперше застосована дистанційна зварювання алюмінію.

Матеріали по темі

Роликову запрессовку використовують по периметру дверних прорізів. У цих місцях з'єднуються листи з високоміцної і звичайної стали, а також алюмінію. Завдяки цій технології ширина фланців в зоні з'єднання зменшилася на 30% - це дає більш широкі дверні отвори і менш масивні стійки.

Розроблена Audi технологія дистанційній зварювання алюмінію на 95% скорочує витрати при серійному виробництві, мінімізуючи потребу в дорогих процедурах контролю. За рахунок точного регулювання подається енергії і положення лазерного променя значно знижується ризик появи високотемпературних тріщин. Це дозволяє також зменшити ширину фланців на 27% і збільшити швидкість зварювання на 53%.

На заводі в місті Неккарзульм, де збирають новий А8, трудиться близько півтисячі роботів, використовується 90 систем клейовий зварювання, 60 машин для установки болтів, 270 клепальних установок і 90 кліщів контактного точкового зварювання. Ступінь автоматизації - 85%. У вимірювальному центрі комп'ютерні томографи і система ультразвукової візуалізації стежать за якістю з'єднань елементів. Лазерні вимірювальні станції перевіряють кожен кузов по двом тисячам точок, а деякі - по шести тисячам.

Audi V8 зразка 1988 року міг стати першим серійним автомобілем з алюмінієвим кузовом. Інженери були вкрай розчаровані рішенням керівництва компанії поставити на конвеєр сталевий кузов. На фотографії - досвідчений Audi V8 з алюмінієвим кузовом. Машина зібрана по обхідний технології і тривалий час їздила по дорогах Німеччини, а тепер зберігається в заводському музеї.

Зворотній бік медалі

Розробляючи і модернізуючи концепцію ASF, німці думали і про ремонтні процесах. На сертифікованих СТО є все необхідне обладнання для відновлення кузова після аварії, а ціни на ремонт алюмінієвих конструкцій цілком прийнятні - це підтверджують низькі страхові ставки. Однак робота з алюмінієм вимагає особливих навичок і кваліфікації. А коли справа доходить до з'єднань зі сталлю, кількість підводних каменів різко зростає.

Забудеш, наприклад, про ізолюючий шар в поєднанні деталей зі сталі та алюмінію - і контактна корозія швидко зжере весь вузол.

Фірма Audi планує впроваджувати технології ASF і в більш масові моделі. Як це змінить наше життя і наскільки ускладнить можливий ремонт? Відповіді на це питання поки немає. Поживемо побачимо.

Фото: Audi

Помилка в тексті? Виділіть її мишкою! І натисніть: Ctrl + Enter