奥迪TT首次使用混合结构空间框架

图6.1-9 汽车重量的变化

1.概况

几十年来世界范围的汽车工业的汽车重量显著增加。自20世纪80年代以来，中档和中高档汽车平均以每年约5kg的重量增加。其中的原因是较高的汽车安全性要求、日益严格的排放立法、舒适性要求的提高、众多的附加配备和汽车的通用性引起的，如图6.1-9所示。

在相同的行驶功率，汽车重量的增加是由于变速器总成与发动机总成的调整、与此相关的底盘、制动系的加强和燃料箱容积的增大。

上面表示的汽车重量随生产年份呈螺旋线增长的情况导致能量消耗增加和环境负荷的压力加大。视车型和发动机结构型式的不同，重量每增加100kg，每100km燃料消耗约多0.3～0.6L（图6.1-10）。

图6.1-10 通过提高功率补偿汽车重量增加

在汽车行驶时能量消耗由总的行驶阻力和驱动功率确定。汽车质量是一个重要的、影响行驶阻力的参量。

要求现代汽车不只是低燃料消耗、低有害物排放和再循环能力等生态原因，从用户角度还希望不断改善动态行驶性能，或希望汽车的灵活性，如在发动机功率不变时减轻汽车重量。

2.奥迪的空间框架

车身是汽车最大重量的模块。作为减重第一步的车身轻结构制造，如全铝车身，和在整个汽车上不断使用轻结构材料可使汽车获得重量的二次减轻，这样在没有减少行驶功率时可用较小的发动机。减小底盘载荷、变速器、车轮、制动器、较小的燃油箱装置和调整排气系可进一步减轻汽车重量（图6.1-11）。

图6.1-11 汽车各部分重量增加占汽车总的重量增加的份额

分析可能的各种轻结构材料的密度、刚度、抗碰撞性能、可支配性和能量需要，铝材料在汽车车身制造中占有明显优势。

纯粹地用铝车身替代钢车身在理论上重量减轻可达66%。按抗碰撞管理、静动态刚度和最大的单一载荷等相同功能设计的铝车身重量减轻为45%。利用铝的各种与功能协调的、合理造型的半成品，使铝这种轻质材料更有吸引力。

除使用铝板材外，还提供价廉的铝挤压型材、铝铸件半成品。这些半成品共同组成功能协调、合理的车身结构。

在车身制造中使用这些半成品可得到新的车身结构方案，即奥迪空间框架（ASF^®-Audi Space Frame）。在奥迪A8上的材料协调、合理的车身结构方案设计的结果达到了非同寻常的产品质量和最好的轻结构品质。轻结构的品质按下式定义：

式中，m_Ger为骨架重量（不带车门和盖板）；c₁为扭转刚度；A为支撑面积（轮距×轴距）。

轻结构品质是这样的一个尺度，即在给定的车轮支撑面下有多大的质量才能达到多大的刚度。新的A8 ASF车身重量为220kg（不带车门和盖板），扭转刚度为32000N·m/（°），则轻结构品质L=1.5。这是一个顶级的车身。它比当前相当的板壳结构的钢车身重量减轻约45%。

ASF®方案潜在的重量减轻优势和与此相关的好的生态和动态的行驶结论表明，铝车身具有优异的能量吸收能力、理想的再循环前提和良好的能量平衡。另外，它比常规车身结构费用低。

3.ASF^®车身方案

在1994年，ASF首次在批量生产汽车奥迪A8上使用。而后，该车身方案又在1999年投入市场的奥迪A2上为大批量使用而进一步开发。至2006年底ASF的奥迪汽车增添下列车型：兰博基尼Gallardo两门轿车（跑车）、兰博基尼Gallardo Spider、奥迪TT两门轿车（跑车）、奥迪TT双门敞篷轿车、奥迪A8。在新的奥迪TT的车身上首次使用混合结构的奥迪空间框架（ASF）。

ASF的特别之处是混合使用铝铸件、铝挤压型材和铝板材的半成品。它们组成一个自承载框架结构，每个平面部件一起承载。质量较轻的ASF达到最大的稳定性。ASF的尺寸是按刚度、舒适性和安全性的最高要求确定的。结构特点是采用多功能的大铸铝件、连续的长的型面和占有较大份额的直的挤压型材，只在外表面需要弧形的地方才采用拱形型面（图6.1-12）。

图6.1-12 奥迪A8（D3）空间框架材料方案

采用上述结构措施明显减少零部件数量。这样，一方面可改善舒适性（较少的部件间的连接点）；另一方面可降低成本、减少生产工艺。不断优化已知的连接技术，如MIG焊接、铆接、激光束焊接。激光混合焊接具有热连接技术（MIG和激光焊接）的综合优点。可以将MIG焊接（搭接焊接、角焊缝）的连接方式和连接区的牢固性与较高的激光焊接速度、很小的加热结合起来。

4.ASF车身A8结构

ASF车身A8结构从车身前部件和后部件开始。这两个部件与车身底板组装成一个空间框架。之后是侧面与车顶、空间框架连接。最后连接车轮罩、各盖板，在完成装配进入涂装工艺前进行检查。

车身前部件包括作为中心部件的大铸件散热器架，它支撑空调、踏板组件、前风窗玻璃横梁，并与左、右A柱连接。左、右A柱同样由两个大半壳铸件组成。它们在下部环绕车门槛，下部连续环绕侧车顶框。

除车门构件外，两个挤压型材是提高车身弯曲刚度的关键部件（图6.1-13）。

图6.1-13 A柱

纵梁可分前、后两部分，并通过铸件连接。由于铸件有很大的造型自由度，所以它可完成多种功能，如承担辅助框架、发动机横栏、车轮罩支撑座和悬架支撑。前纵梁像先前的一样，采用螺纹连接，便于修理。

车身后部件有两个关键的大铸件，即后车门槛/纵梁的连接部件和C/D柱的连接部件。后车门槛/纵梁连接部件是最大的铸件，它承担整个的后部辅助框架任务和将后纵梁与后车门槛结合在一起。在发生车尾防撞时它的高刚度保护放置在其间的燃料箱。C/D柱的连接部件在上部支撑空气悬架，在前端支撑安全带自动伸缩装置。C/D柱的连接部件构成空气悬架减振支柱套管的框架（图6.1-14）。

车身前、后部件与侧车顶框架、车门槛、座椅横梁、B柱和车身底板组成一个封闭的空间框架。侧车顶框架是一个内高压成型（IHU-Innen Hochdruck Umformung）的挤压型材（图6.1-15）。

图6.1-14 后空气悬架框架

图6.1-15 液压成型的侧向车顶框架，三维（3D）拱形

挤压型材在不同的部位按必要性有不同形状的断面。B柱是一个多功能的大铸件，除后车门铰链连接和前车门夹板止动连接外，还要满足抗侧向碰撞的高要求。B柱是舒适性的关键部件。最后还有一些单件和车顶。奥迪A8的单件像车顶一样通过激光束焊接与车身连接。

5.材料和加工方法

（1）板材和加工方法　高温时效硬化的合金由于没有流动图形（痕迹）的表面而用于车身外皮。当前也用于构件和用于比自然时效硬化合金有较高强度和能吸收更多能量的零部件或部位，采用转换的新工艺链，车身没有特别的高温时效硬化，首次在车身外皮上采用新开发的、快速时效硬化合金（图6.1-16）。

图6.1-16 奥迪A8生产工艺

在AA6016A合金基础上开发的这种快速时效硬化合金，在低的温度和短的时间就可达到与AA6016合金相当的强度水平。在车身内部范围则使用AA6181A合金。热处理在从KTL干燥到涂装车间行进中完成（表6.1-3）。

表6.1-3 在涂装车间热处理

注：T6*：热处理，在＞185℃、20min时2%预伸长。

利用部分放弃除油和钝化范围可进一步降低车身制造费用。作为薄板或卷板的所有的板合金以T4状态提供。在成型和热处理后屈服强度提高到超过200MPa。它比没有低温时效硬化的车身外皮有附加的减重潜力。

同时要避免冰雹产生的残留小坑，或在盖上盖板，或在磨光时产生的局部压痕。

与常用的深冲钢板相比，铝板在它的可变形性方面受到一定的限制。但从先进的奥迪铝车身的经验，可实现如整件侧壁这样复杂几何形状的部件的冲压（图6.1-17）。

（2）挤压型材和加工方法　有关型材断面几何形状的高造型自由度给设计师开辟了很多新的部件结构设计方案，它超越了常规板结构部件胜任的范围。挤压型材是理想的、特殊的管材。

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图6.1-17 侧壁D3

采用不同壁厚的型材断面、法兰压紧相连接的部件或用条板加肋型材可以优化半成品型材的形状、功能和重量。型材凹槽加肋的造型自由度与铸件接头相似，提供了理想的使用拓扑学的优化。最后，由闭合的挤压型材通过变化的断面提高部件功能集成度可以显著地减少车身的各个部件的数量，这对减少连接长度有正面的效果。需要注意的是，连接空心型材需要单侧可接近的连接方法，除非采用压紧的法兰连接。ASF方案的前提是与板壳方案不同的结构方案和连接方案。连续可靠、全自动的铝连接技术的前提是两个部件连接处之间的间隙约为它们的型材最小壁厚的1/3。奥迪A8车身的ASF半成品壁厚平均值为2.0mm。考虑到设备公差、机器人公差以及由于热量的供入使焊接变形，车身开发者对型线和型材断面的公差要求为±0.3mm。

与常规的钢车身制造的板半壳不同，作为各个部件的型材已有很高的刚度。这样在夹紧装置中不可能保证连接范围的必要的间隙几何形状。车身制造中全自动连接技术的高要求取决于连接件的公差。而这只有挤压型材生产厂家在大批量生产时才有条件达到挤压型材的高精度。为此，ASF车身的结构部件需要局部的校正“成型”工艺。

作为车身部件的材料几乎都采用类似于EN-AW 6106的AlMgSi合金。合金材料在热成型温度成型后在空气、水或雾状混合气介质中激冷、低温时效硬化、稳定性退火到稳定状况。这时AlMgSi合金可达到的力学性能为：抗拉强度约200MPa，屈服强度约100MPa，延伸率（A5）约25%。

1）校正和内部高压成型。对型材断面和型线公差要求±0.3mm需要在挤压型材后接着进行校正工艺。内部高压成型是有效的中间辅助方法。挤压零件在分成上、下两部分的、符合零件最终轮廓的、以在高压1500bar的压力下加压。4柱式压力机以高达5500t的保持压力压紧工具。

2）新方法：型材滚压。在A8车身上首次使用挤压型材的新方法，即直接采用型材滚压和分别进行充分的弯曲延伸。在挤压工艺滚压时将约550℃的型件经导向辊轮弯曲到所希望的弯曲轮廓。

型材滚压的优点是：简单、价廉的成型工具；滚压过程不会使型面畸变；不会由于弯曲出现型材凹陷；可以取消弯曲延伸工艺，因而可降低成本。

（3）铸件和加工方法　铸件在A8车身中所占的质量分数从早先的车身所占的质量分数约27%提高到约34%。A8（D3）车身上使用的多功能大铸件是铸件不断发展的结果。其重点放在功能的集成和减少零件数量上。减少零件的好处特别是可减小物流规模。减少车身连接范围可进一步节省成本。通过车身上焊接组件的再循环可避免连接公差，并可极大地改善组件的总公差。

真空压铸：1993年以来Audi在车身部件上使用真空压铸法制造薄壁成型铸件。通过壁厚与工作载荷三维匹配和浇铸的加强肋局部加强可以达到铸件的重量与功能的完美结合。

真空压铸法是零件的一种生产方法。它可达到好的力学性能和高的尺寸精度。兼有高生产率与生产精密零件的能力。

真空压铸所用的铸造材料一览表见表6.1-4。

表6.1-4 A8空间框架中所用的铸造材料

6.连接方法

车身各个部件的连接是汽车生产厂家的关键工作。因为奥迪空间框架方案（ASF方案）不同于钢板车身方案，所以无论是车身的效果还是连接技术都是不同的。与早先的A8（D2）车身采用的连接技术不同，新的A8（D3）车身除继续用如MIG焊接、无铆钉冲铆和滚压卷边（咬接）粘接技术外，还采用如激光束焊接和激光束焊接—MIG焊接的混合焊接新技术。这里要详细介绍在ASF上所用的这些连接方法和它们的性能。

（1）MIG焊接和脉冲电弧焊接MIG焊接可达到大于80%的自动化程度。利用新的电源发电机可显著地提高焊接连接品质的重复性（再现性）。脉冲电弧焊接允许在薄板壁厚为t=0.9～1.5mm时使用比较粗的电焊条（ϕ=1.2mm），从而改善电焊条的输送并保证可靠焊接。通过输送焊接填料的大型滚盘设备，可以减少更换电焊条滚盘的准备时间并稳定焊接工艺。提高焊接工艺的可靠性在于采用焊接喷嘴（焊枪）自动测量系统和机器人焊接的校正程序。在生产过程中该系统可在线检测焊接喷嘴可能发生的变化并由焊接机器人进行焊接控制。MIG焊接主要用于焊接挤压型材件、压铸件和挤压型材件与压铸件的连接。根据被焊件壁厚，焊接速度约可提高到1m/min。这可减少供给焊接组件的能量并提高尺寸的精确性。

（2）无铆钉冲铆和半孔铆　早在1993年在A8铝空间框架车身上就已经使用作为点状连接技术的无铆钉冲铆替代电阻点焊和咬合连接。作为自动和手工连接，无铆钉冲铆比其他点状连接方法有更高的静态、动态连接强度与很高的吸收能量的能力（减振能力）。其他的优点是连接件没有热变形，是无热连接，能密封水、密封气体。在新的A8铝空间框架车身上使用2400个冲铆连接，比首批ASF车身的冲铆连接要多一倍多。冲铆工艺不但在车身结构上，而且在车门、前后盖板上大面积使用。

图6.1-18 无铆钉冲铆和半孔铆

在车身上将组合有板材、挤压型材和压铸件的不同合金材料和从2.0～6.0mm的不同的材料厚度的零件连接在一起。对不同表面的大约100种不同材料和不同厚度的组合最后采用等强度的三种不同的铆接几何形状。在某些应用上三层连接结构方式（图6.1-18）。

为在批量生产工艺中保持高质量标准，无铆钉冲铆工艺经过连续几年的发展。通过优化无铆钉冲铆设备和在线工艺监控，目前已可几乎是100%地保证工艺可靠。在冲铆中的故障概率低于0.25‰。在新奥迪A8车身制造上已不断采用自动化和柔性生产，以进一步提高冲铆技术。C框架盖板也第一次使用自动化生产，以轻松地使复杂的部件结构连接坡口向里弯转，并减少连接部件在设备中损伤。

（3）激光束焊接　在奥迪A8车身上使用Nd：YAG固体激光器，输出功率4kW。除了波长λ=1064nm的激光在铝表面有良好的吸收激光束性能外，这种特殊的波长适用于利用柔性的玻璃纤维缆索从激光发生器引导激光束到达部件。激光系统与工业机器人可很好组合在一起。与机械连接方法相比，激光束焊接的主要优点是：线状连接而不是点状连接；在搭接连接时凸缘宽度很窄；在焊接时可一侧接近。与其他焊接方法相比，激光束焊接的优点是：在一定的板材厚度时可达到高的焊接速度（3.5～5.5m/min）；加热量少，部件的变形很小；对焊接件表面电阻的要求很低。综合上述优点，在奥迪A8空间框架车身上可实现约20m长的激光束焊接。激光束焊接的具体实例是：将车身底板连接在MIG焊接的挤压型材框架上、将单件的侧壁连接在车顶框架和车门槛上、将车顶连接在车顶框架上（图6.1-19）。

图6.1-19 激光束焊接

（4）激光束焊接和MIG焊接的混合焊接 激光束焊接和MIG焊接的混合焊接可达到不同的效果，突破目前热焊接方法和焊缝质量、生产率和经济性方面的生产技术限制。

与带有焊接填料的激光束焊接相比，激光束焊接和MIG焊接的混合焊接可提高工艺可靠性和间隙可搭接性，因而可得到高的焊缝质量。通过MIG焊接过程熔化的电焊条向熔化物输送少量的焊接填料。

与常规的MIG焊接相比，激光束焊接和MIG焊接的混合焊接可显著地提高焊接速度、焊接深度和稳定电弧焊焊接过程。图6.1-20是激光束焊接和MIG焊接的混合焊接的使用情况。它将各板件连接在挤压成型的车顶框架上。

图6.1-20 激光束焊接和MIC焊接的混合焊接

每辆汽车的混合焊接的焊缝总长度约为5m。在焊接厚度为2～4mm的厚的零件副时，与激光束焊接相比，激光束焊接和MIG焊接的混合焊接在焊接件中的能量损失由于焊接速度高而减少，使焊接件的热变形小。

（5）卷边（咬合）与粘接　利用机器人操作的工具卷边（咬合）与粘接将A8（D3）车身的车门和盖板内、外板件连接在一起。该方法的优点是：加工时间短；灵活性好；质量高；卷边完美。通过组合的感应凝固使胶初次预硬化。

7.修理方案

对至今开发的奥迪铝车身汽车已经考虑到它的售后服务。贯彻包括快捷、低廉价格修理服务的总体方案。

在交通事故中最危险的车身范围的刚度等级应尽量保持最小的损伤侵入深度。螺纹连接的前纵梁的变形力应低于相连的后纵梁的变形力，更要低于乘员室的变形力（图6.1-21）。

图6.1-21 修理方案——螺纹连接纵梁

在汽车侧面范围，采用刚性大铸件的B柱，使在发生侧向碰撞时变形深度很浅，不易侵入乘员室。

设计带有预编程序的、定义的变形区的车身结构在发生事故后可最快地确定损伤部位，并规定结构上的修理范围，以减少修理时间，降低修理成本（尽管新的铝车身技术要优于或与钢车身技术一样，仍可降低修理成本）。

为修理A2空间框架车身，根据不同的半成品品种的零件，即板件、铸件和挤压型材件，使用不同的修理方案：小变形的板件可反向变形。反向变形时要在针对性部位加热。凹坑可用新研发的工具借助于与螺柱焊接类似的方法予以排除。为此，在凹坑范围焊接一个螺钉，之后随螺钉一起将凹坑拉起，接着用磨平的办法去掉螺钉。

严重变形的板件可以整体更换或分段更换。可采用铆接与粘接（冷时效硬化的双组分胶）的连接技术。

打底漆（腻子）或涂装工艺与钢板车身的汽车操作方式一样。板件修理可由配备专门工具和人员培训的各奥迪商行完成。

损伤的铸件一般要更换。出于强度考虑不允许反向变形，因为铸件的高刚度在反向变形时会产生裂纹。气体保护焊接（MIG）、铆接和粘接也可作为连接方法。

挤压型材件在损伤时需要更换，因为反向变形过程无法控制。按损伤的方式，作用套筒在损伤的分界范围分段或整体更换。更换的部分或整体的挤压型材件再通过气体保护焊接（MIG）连接。

激光束焊接件在修理时用MIG焊接或无孔铆接与粘接替代，为去掉激光焊缝，需要磨平，以将焊接件分开。

8.能量平衡

改善环境的兼容性，汽车是当前的重点。为此需要注意汽车的全寿命周期并优化。要有效地利用不可再生的资源和降低有害物排放，以减轻环境压力。这涉及汽车全寿命周期：从材料获得、产品制造、产品使用到下一个循环的再循环。为爱护环境分忧。由于汽车全寿命周期的各个阶段的相互作用，要进行任务的分解与优化，为了总体上的能量平衡，要求各个阶段相互妥协。

研究表明，汽车的主要能量消耗是驱动汽车。为了良好的生态环境，在材料生产、汽车制造或汽车再循环（再利用）阶段只要承受局部较高的能量消耗，以减轻汽车行驶时造成的环境负荷。

为生产初级铝需要比生产相应数量的钢消耗更多的能量。由纯初级铝生产乘用车车身所需的能量约相当于钢车身所需的能量的两倍。在乘用车行驶时总的能量消耗由于较低的燃油消耗要比相当的钢车身乘用车行驶时总的能量消耗少。

对由初级铝制造的车身，装备点燃式发动机的乘用车，理论上抵偿的行驶里程为55000km，装备TDI发动机（柴油机）、钢车身的乘用车，抵偿的行驶里程为85000km，它们都是在乘用车的全寿命周期以内。

实际上，在所有的半成品材料中，所用的再循环材料的份额是不同，但对前面所说的使用轻结构车身的能量平衡的理论模型分析是有好的节能效果的。

再把再循环的贷方计算在内，铝的轻结构车身从生态学上可得到独有的、好的能量平衡的效果。

参考文献