“轻量化”将是未来汽车工业设计与制造中的核心课题。而在材料学领域,随着技术的发展,我们看到了铝合金材质的车身覆盖件及框架结构的成熟运营,当然也有以碳纤维等为代表的增强复合型材料正在被少数车型所使用,奥迪作为这方面的专家,再次扮演了敢为人先的角色。
车身轻量化结构——车身和轮胎技术领域
奥迪在车身轻量化技术领域一直处于世界领先水平。奥迪TT,A8和R8的车身均采用奥迪空间框架结构技术(ASF),主要由铝或者全部由铝制成。这是奥迪品牌的一项革命性创新技术,也是奥迪转变车身重量螺旋式上升趋势的基础。
铝制车身与钢板车身相比重量大约可减轻40%,这可以明显地降低能耗。轻量化车身是奥迪的核心竞争力之一,也是最重要的战略技术之一。因为它对于车辆的运动性能以及节能环保起着至关重要的作用。
转变车身重量螺旋式上升趋势
对于许多汽车品牌来说,随着品质需求的提高,车身重量都呈现出不断上升的趋势。而奥迪则恰恰相反:奥迪的车身重量早在15年前就停止了上升——1994年面世的A8是第一款铝制车身的量产车型。从此以后奥迪就将这种革命性的轻量化车身技术继续发扬光大。
奥迪将轻量化理念贯穿到各个环节中,包括动力系统和底盘。在许多发动机上使用了铝以及高科技方法制造的蠕墨铸铁,从而大大减轻了曲轴箱的重量。奥迪在许多车型中都用铝制部件作为底盘的主要材料,一些高功率的车型会根据客户要求使用陶瓷刹车盘。还有一些轻量化构造的亮点,比如刹车钳、发动机盖、行李箱盖、一些铝制零件或者顶棚部件,以及镁制的转向盘骨架以及仪表板支架。
对车身重量螺旋式上升趋势的转变还带来很多的附加好处。铝制的行李箱盖只需要较轻的充气弹簧支撑杆。与钢制的传动杆相比,铝制的车轴带给车身的压力更小,这使得构造更轻盈,同时也为更紧凑的刹车装置、更小巧的发动机和的排气系统创造了条件。
1994年奥迪在内卡苏尔姆建立了一个专门从事铝材质在车身应用的技术中心, 2003年这个中心改名为铝质和轻量化构造研究中心。在这个机构中,除了铝之外,高强度钢材、定制化铂板、强化纤维合成材料以及镁都是主要的研究对象。
车身轻量化技术构成了奥迪整体效能提升的基础,也是奥迪未来最重要的战略计划之一。因为它对于车辆的运动性能、高效节能以及降低行驶成本起到了至关重要的作用。未来的电动驱动技术会给车辆增加额外的重量,因此不断减轻车身重量就显得尤为重要。
钢质轻量化车身
2008年Q5为奥迪赢得了第三个奖项——在钢质车身上,轻量化结构也体现了最大的优势。运动版Q5车身仅有355千克,这已经是同级别车型的最佳表现。Q5中的硬化成型钢总重量仅有44千克,与普通的零件相比轻了15千克。车尾底部的拼焊卷板(tailored rolled blanks)为进一步降低重量贡献显著。另外奥迪Q5还大面积地使用了铝,比如发动机盖和行李箱盖,使车身重量减轻了8.1千克。
奥迪始终对轻量化技术不断创新。在钢质轻量化车身中奥迪使用了大量的高新科技,从而减轻重量,提高操控精确性。奥迪的最畅销车型A4也是一款采用钢制轻量化车身技术的高档中型轿车——作为1.8 TFSI车型,它的重量仅有1410千克。这要归功于其车身先进的混合材料。只有38%的重量源自常规的冲压钢材,高强度钢占32%的重量,超高强度钢占18%。剩下的12%是硬化成型的高端钢材。
碳纤维增强复合材料 CFRP
碳纤维增强复合材料(CFRP)是奥迪轻量化设计中的核心材料。奥迪现在已经将碳纤维材料应用于R8系列的顶级车型R8 GT中。
在未来,奥迪将采用更高效的RTM(树脂传递模塑)工艺来加工车辆所需的碳纤维材料。树脂传递模塑是将树脂注入到闭合模具中浸润增强材料并固化的工艺方法。该项技术可不用预浸料、热压罐。
在将来的复合材料空间框架中,碳纤维增强复合材料将用于对钢制和铝制零部件的强化或独立使用。碳纤维增强复合材料的重量仅为钢材的60%,而且这种材料的可塑性可以让机械设计人员更自由地设定零部件的特性。碳纤维增强复合材料的另一个用处是用于车厢前部或后部的车架纵架。这种纵架有良好的碰撞保护性能。
奥迪的工程师目前还在试验一种名为OLAS的新型CFRP结构,这种结构看上去有些像波浪形的瓦片。这种设计可以在极短的距离内最大程度吸收能量。不久之后,OLAS就可以代替现有的车身结构。
其他材料
纤维增强复合材料将为未来的轻量化设计提供多种可能性。奥迪的工程师不只是将注意力集中在CFRP材料上,而是探索各种可能性。
在目前A8车型的底盘横梁上,玻璃纤维增强复合材料(GFRP)和铝结合在一起,提供更高的强度。奥迪还为R8 GT提供可选装的GFRP桶形座椅,这种座椅的重量比传统座椅轻31.5kg。
2010年中,奥迪内卡苏尔姆轻量化设计中心成立了一个特殊的新部门——FRP技术中心,该技术中心拥有约180名技术专家,其中50人专注于纤维增强复合材料的研究。
奥迪的材料和生产工艺专家有广泛的研究范围。所有的材料,包括纤维增强复合材料、钢或者铝都将被反复评估,奥迪的专家熟知这些材料的优劣,材料的运用将更加合理。这些材料将在技术上相互对比,奥迪将使材料的优异性能得到最大的发挥。
奥迪同时也在挖掘镁的潜能,这种轻质金属已经被广泛应用,比如A8的中央通道和变速箱支架,R8的发动机支架及发动机附件。镁还可用于发动机舱支架及发动机,比如凸轮轴箱。
结语:
汽车轻量化毫无疑问将成为未来汽车技术发展与应用的主要课题,由此衍生出的新技术及新材料,催生的汽车变革代表了百年汽车工业传承与创新的主旋律。