Ауди А8: алюминий и сталь

В 1994 году начал выпускаться автомобиль Audi A8 (D2) – четырехдверный седан представительского класса. С тех пор он прошел длинный путь: от почти полностью алюминиевого кузова до увеличения доли стали в кузове, а также применения новых материалов – углепластика и магния – в модели Audi A8 (D5).

Audi A8 D2 – алюминиевый кузов

Space Frame

Новизна автомобиля Ауди А8 была в том, что при его разработке впервые применялась концепция пространственной самонесущей конструкции кузова – ASF (Audi Space Frame). Эта концепция продолжалась в последующих моделях Ауди, в том числе, алюминиевом кузове Ауди А2.

Рисунок 1 – Ауди A8 (D2)

Рисунок 2 –Алюминиевый кузов Ауди А8 (Д2)

Сущность этой концепции заключается в том, чтобы максимально снизить вес кузова путем использования в автомобиле преимуществ различных форм алюминиевой продукции:

• алюминиевых листов,
• алюминиевых профилей и
• алюминиевых отливок.

В этой концепции роли различных компонентов самонесущего кузова автомобиля четко разделяются:

• профили – несут нагрузки;
• листы – обеспечивают жесткость;
• отливки – служат соединительными элементами.

Алюминиевый скелет

Самонесущий кузов Ауди состоит из скелетной конструкции, выполненной из полых алюминиевых профилей. Эти алюминиевые профили могут быть прямолинейными или гнутыми (2D или 3D). При необходимости применяют алюминиевые профили с несколькими полостями со специально разработанным поперечным сечением. В самых нагруженных углах и других соединениях элементы кузова обычно соединяются с помощью сложных, тонкостенных алюминиевых узловых деталей. Эти алюминиевые литые детали отливают методом вакуумного литья под высоким давлением.

Рисунок 3 – Покомпонентное изображение
алюминиевого кузова Ауди A8 (D2)

Виды алюминия в кузове

Автомобиль Ауди A8 (D2) выпускался с 1994 по 2002 год. Его алюминиевый кузов имел вес 249 кг (без дверей) – на 200 кг легче стального кузова. Этот алюминиевый кузов включает 334 детали:

• 47 алюминиевых профилей (14 % веса);
• 50 отливок (15 %) и
• 237 листовых штамповок (71 %).

По сравнению с предыдущей – стальной – конструкцией кузова количество отдельных деталей уменьшилось на 25 %.

Первые самонесущие алюминиевые кузова Ауди содержали:

• Гнутые алюминиевые профили, плоские (2D) и пространственные (3D), из сплава 6060
• Наружные листовые панели кузова из алюминиевого сплава 6016
• Внутренние листовые панели из алюминиевого сплава 6009
• Несущие листовые панели из алюминиевого сплава 5182
• Литые узловые детали из алюминиевого сплава А356

Для производства алюминиевого кузова первой модели А8 (D2) была характерна низкая степень автоматизации. Сборка кузова производилась примерно на 75 % вручную. Соединения к литым узловым деталям, которые производились сваркой MIG, служили для компенсации допусков.

Термическая обработка кузова

Другой особенностью изготовления кузовов D2 была термическая обработка всего кузова в сборе при 210 ºС в течение 30 минут непосредственно перед окраской. Цель этой операции заключалась в том, чтобы обеспечить необходимую прочность кузова за счет идеального – искусственного – старения профилей и листов сплавов серии 6ххх (AlMgSi).

Однако впоследствии опыт показал, что в отдельной операции термической обработки кузова нет необходимости, и она была отменена уже на следующей модели Ауди с алюминиевым кузовом – Ауди A2. Вместо этого требуемый уровень прочности кузова достигался во время нагрева в печи при операции окраски кузова. Дело в том, что эта операция окраски включает окунание кузова катафорезную ванну и затем обработку его в печи в течение примерно 20 минут при температуре 180 ºС. Этого нагрева оказалось вполне достаточно для эффективного упрочнения алюминиевых сплавов серии 6ххх за счет искусственного старения.

Химический состав алюминевых сплавов

Красным цветом выделены главные легирующие элементы, синим – вспомогательные легирующие элементы и ужесточенные требования по примесям.

Audi A8 D5: возврат к стали

40 % стали

Однако, стало известно [2], что кузов новой модель Audi A8 D5 выпуска 2018 года содержит уже более 40 % стали. Это представляет собой разворот на 180 градусов от почти полностью алюминиевого кузова, разработанного для Audi А8 D2 в 1994 году.

В конструкторском центре компании Ауди Leichtbauzentrum заявили [3], что в будущем не будет автомобилей с полностью алюминиевыми кузовами. В развитии автомобилей особую роль будут играть стали, которые термически упрочняются в закалочных штампах. Эти марки стали обрабатываются при высокой температуре путем нагрева в печи и штамповки в горячем состоянии с применением охлаждаемого инструмента (рисунок 4). Высокая скорость охлаждения в штампе обеспечивает формирование структуры, которая на 100 % состоит из мартенсита. Для повышения закаливаемости эти стали обычно содержат бор.

Дебют магния в Ауди А8

Ауди немного запоздал с применением магния, который другие производители уже применяют в той или иной мере. Магний еще легче алюминия: его плотность составляет всего 1,74 г/см3. Новая модель Ауди А8 уже включает компонент из магния в виде распорки между стаканами передней подвески (рисунок 4). Ее основная цель – увеличивать жесткость на кручение.

Увеличение веса

Поворот от алюминия к стали подтверждают данные об изменении соотношения веса материалов в конструкции кузова Audi A8 (таблица 1). В результате этого, например, вес кузова увеличился до около 280 кг вместо 230 кг у предыдущей модели [3].

Таблица – Изменение состава материалов кузова Audi A8 [3]

Почему больше стали?

В конструкторском центре  Ауди называют три причины [2]:

• Наиболее важной характеристикой автомобиля является его прочность при столкновении (crash strength). Новые повышенные требования к безопасности, а также необходимость дополнительной защиты литий-ионной батареи, потребовали применения высокопрочной горячедеформированной стали для укрепления внутренней “клетки” салона автомобиля.
• Кроме того, применение стали способствует повышению жесткости кузова на кручение – на 24 % по сравнению со старой конструкцией. Это повышает управляемость автомобилем.
• Наконец, сталь имеет более благоприятные акустические свойства, снижая шум в салоне автомобиля.

Алюминий остается главным игроком

Алюминий еще насчитывает около 58 % веса кузова Ауди А8 (D5) и применяется в трех основных видах: отливках, прессованных профилях и листах. Литые компоненты образуют главные детали конструкции, а также являются «узлами», к которым прикрепляются другие детали. Несмотря на увеличение веса этой модели по сравнению с предыдущими моделями, новая версия на 40 % легче, чем, если бы она была сделана полностью из стали.