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奥迪A2车身铝空间框架 |
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作者：同济大学 钱人一 |
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世界上真正将铝车身用于商品轿车的实例还不多见，其中比较典型的例子是本田汽车公司的NSX轿车和奥迪汽车公司的A8和A2轿车。本文从车身结构、选材和制造三个方面介绍奥迪 A2车身采用的第二代ASF。
结构与特点
奥迪公司以其A8轿车已经积累了铝空间框架车身结构方面的经验，在A2轿车上进一步开发了ASF®（铝空间框架）技术，并确定了下列目标：
与可比的钢车身相比，铝车身减轻重量40%，以满足实现百公里油耗三升车的先决条件；
在日产300件的批量下能够实现白车身制造的高度自动化；
采用进一步开发的铝铸件毛坯、铝挤压型材和铝薄板，最大限度地发掘轻金属结构的潜力；
在刚度和防撞性能方面满足最高的要求。
底部结构特点
前车身
连接于车身的纵梁由两根真空压力铸件组成。前纵梁由挤压型材制成，前面与防撞罐（Pralltoepfe）连接部位有刻痕，这些刻痕能够形成一种确定的褶皱凸起部位，用以吸收碰撞能量。两个半壳通过壁厚分布和根据结构计算确定的加筋结构，设计成一种确定的变形方式。前桥在下壳上的螺栓紧固点设计使变形能量被引向纵梁，而不被引向刚性较好的副车架。通过将变速箱和发动机的连接点、副车架的连接点、千斤顶的支承点以及悬架支承点集中在一块儿，这两个半壳铸件组成了一个多功能的大型构件。这个纵梁结构加上另一个大型铸件“减振支柱的支承座”、前隔板、踏板横梁以及前挡泥板，构成了完整的前车身。
图1 奥迪A2的铝空间框架ASF
底板结构
前车身的力流通过附加的对角线纵梁以及中央的纵梁结构传递到中底板上去。底板结构的H形框架由用MIG坡口焊缝焊接方法连接起来的直线挤压型材组成。纵梁和横梁被布置在高处，使平面底板结构抬高乘员座椅的高度。通过一个单体的底板盆形结构和一个在前部驾驶座和副驾驶座范围内的、位置较高的底部薄板，建立一个附加的存物空间，用于安置各种辅助仪表和控制装置。
图2 奥迪A2轿车ASF®的主要构件
後车身
通过大型铸件与中底板相连接。这种“纵梁-侧梁连接件”包括後桥连接部分、弹簧底座（Auflage Federteller）、千斤顶支座以及悬架支承点。後防撞罐（hintere Pralltoepf）使牵引钩能够采用螺栓连接的制式。
侧壁框架结构特点
这个组件主要由侧部零件、侧部顶框以及A柱+B柱和後备箱盖的铰链承接板组成。单体深拉的侧部零件构成了侧部结构的外壳，结构设计和深拉仿真以迭代的方式进行，尺寸稳定性好，而且消除了接缝。铰链和车门的固定部位、安全带以及其它的螺栓连接件与真空压力铸件的A柱、B柱做成一体。零件加强筋主要布置在外侧方向，以便加强筋在侧撞时受压，并提高抗弯惯性矩。其中B柱长度1220mm，取代了奥迪A8轿车中由八个零件组成的焊接结构，且还承接车门铰链座和安全带高度调节装置，同时还要满足侧撞的要求，被称为多功能零件。
图3 B柱与顶框的连接
在B柱上部区域，通过激光焊接从侧面固定到顶框上去（见图3）。挤压型材“侧部顶框”从A柱一直延伸到後部的车顶横梁。该横梁沿着长度方向具有不同的截面形状，可以通过对弯曲好的挤压型材采用内部高压成形工艺（IHU）加以实现。在侧部顶框的後端有一个铰链座压力铸件，它包含着後备箱盖铰链的固定支座和头部安全气囊的气体发生器。铰链支座同时还构成了後车门凹口、三角窗以及後备箱盖凹口之间刚度强劲的连接节点。
顶部结构特点
在顶部结构方面有两种车身方案：全车顶结构方案和双扰流器玻璃车顶结构方案。全车顶方案的顶部结构由板壳结构形式的车顶前横梁和车顶後横梁以及车顶板零件组成。在双扰流器玻璃车顶结构方案中，就没有完整的车顶板了。由于挖掉一块车顶移板，刚度受到了损失，通过车顶横梁的增强对这种损失加以补偿。双扰流器车顶在车身油漆之後作为完整的模块用螺栓与顶部结构连成一体。
材料和毛坯的选择
板材件及合金
奥迪 A2车身铝空间框架结构的板材件主要采用可通过热处理淬硬的材料，因为它能从良好的成形性能、机械性能和抗腐蚀性能中得到最佳的折衷。不仅是外部零件，而且内部零件也由属这种类型的6016合金制成。所有可通过热处理淬硬的板材合金都在T4状态下以平板或卷板形式供货。厚度在1.05mm~1.15mm之间的外皮薄板，通过热处理，断裂延伸率略有减少，然而碰撞时足够的变形能力是有保障的，能够满足对付凹坑的能力要求。
对于非常复杂、要求发生变形的零件采用在最佳的可变形状态下的AlMgMn型自然硬化合金，由于不能完全排除的流线，主要用作制造见不到区域的内部零件。在奥迪 A2车身中，5182合金在薄板零件中占15%，这种合金在深拉时强化得非常厉害，达到很高的强度值。
表1 奥迪 A2铝车身空间框架结构中的材料（T6*：为了优化延伸率而改进了热处理）
表1是用于奥迪 A2车身的材料一览。在奥迪 A2车身铝空间框架结构中，所有薄板零件的厚度在0.8mm~2.7mm范围内变动，其总重为85.4kg（包括附装部件在内）。
挤压型材件及合金
挤压型材结构为零件形状提供了多种可能性，例如在横截面上可以有不同的壁厚，法兰结构可以有各种形状，可以采用具有一个或多个空腔的空心横截面。而可变的截面形状提高了功能集成程度，使车身单个零件的数目明显地减少，对减少拼接长度也有积极的影响。但是，空心挤压型材的拼接要求从一个侧面进行的拼接方法――除非通过一个压入的法兰进行连接。这些构件的材料全部采用处于热淬硬状态T6的AlMgSi 0.5合金。奥迪 A2车身铝空间框架中的挤压型材总重为27.2kg。
对挤压型材的要求非常高，具体要求根据它在汽车中的位置而定。特别是，不允许在“与碰撞有关的”区域出现裂纹，即使在强烈的顶锻情况下也是如此。所以，除了对于“正常的”AlMgSi 0.5合金工艺方面的限制以外，还必须根据强度要求和碰撞要求进行优化的热时效。壁厚在1.2mm~7mm之间变动，转换圆的直径在56mm~280mm之间。
铸件及合金
奥迪 A2车身铸件总重为38.1kg，重量百分比约为22%，铸件壁厚在2mm~6mm的范围内变动。由于概念设计的缘故，奥迪 A2车身中的铸件尺寸明显地变大，而铸件数量则明显地减少。铸件集多种功能于一身的做法，如奥迪 A2车身中的B柱是现代车身制造中的一种创新。压力铸件的材料是GD-AlSi10Mg合金。这些零件跟挤压型材零件一样经过热处理以优化强度性能。根据要求，横截面和壁厚可调整到与安装空间和负载情况相匹配，取消了通常要求的强化措施。
车身制造技术
成形技术和机械加工
在经典的薄板车身中，单个零件在组装成车身之前通常是通过延伸和深拉以及冲压技术（主要用于小零件）来成形的。在车身铝空间框架中则相反：除了薄板以外，新增添的毛坯种类如挤压型材和薄壁铸件注定要用其它方法来制造单个零件。
图4 做成一体的侧壁
深拉
用于车身的铝薄板相对于常见的钢薄板来说，在可变形性方面略有限制。由于奥迪具有：多年在铝薄板零件方面进行仿真的经验；在毛坯供应商、设计部门、制造部门和工具部门之间同时展开工程工作；一种新型的工具概念专利，只有利用这种专利技术才有可能从概念车转入成批生产。因此，奥迪 A2车身中零件的几何形状从概念设计直到投入成批生产的过程中不断地进行优化，即使是形状非常复杂的零件也能做出来，例如第一次用于铝车身的做成一体的侧壁（见图4）。
液压-机械的成形技术
对于那些批量不大、几何形状复杂的零件可以采用一种薄板成形的特殊工艺。这类工艺方法的特点是，利用一种液体工作介质的加力作用，将一块截下的薄板压入到一个刚性的凹模中去。这种方法的周期较长，但其较低的工具费用却补偿了这一缺点，奥迪 A2车身右座驾驶的制动助力器托架就适合采用这种工艺方法。此外，减少使用工具确保了很短的开发时间。
拉-弯和液压校正
由于所选择的拼接工艺对挤压型材截面形状以及对形状线条的公差要求为±0.2mm，这就需要挤压型材在挤压成形後进行校正。校正的方法是内部高压成形（IHU）技术，即一个内部的静液压力铝挤压型材被压贴到内部高压成形模具的沟槽中，并发生塑性变形。这种工艺具有很高的可重现性，因为每一个工序形成的零件都在相同的条件下进行校正。
多功能集成如孔的加工或法兰的冲孔也可以被集成于这一过程中。其中法兰的冲孔在工具闭合时进行，工具闭合後首先加上校正压力，这个压力保持数秒就保证了工件的几何准确度；紧接着建立起孔的压力，当孔的压力达到时，利用工作介质使孔的冲头退出，通过一个剪切凹模在挤压型材上成孔。用这种方法可以明显地减少常见的机械加工工作量――奥迪 A2车身空间框架中的挤压型材超过60%的孔是利用这种方法加工出来的。
顶部框架也是一种挤压型材。这种挤压型材通过内部高压成形（IHU）方法――也就是校正，可取得要求的公差精度，以及挤压型材截面在挤压型材轴线方向上所要求的匹配性。由于要强烈弯曲，挤压型材须通过拉-弯工艺进行预弯曲。
每台奥迪 A2车身共有12件需要校正的零件，这些零件都在一台闭合力为35000kN的内部高压成形设备上制造。为了充分利用设备，根据零件尺寸使用了单作用或多作用工具。在必要时用高速切削法（HSC）加工那些不是集成于内部高压成形工艺的孔、法兰切割和端面切割以及一切非内部高压成形的零件。这里，切割几乎是没有毛刺的，如此才能在後续的加工过程中不因毛刺的形状差别而影响参数。
真空压力铸造
在奥迪 A8车身中，第一次使用了利用真空压力铸造工艺制造的车用薄壁异型铸件，其以三维方式根据负载使壁厚与运行的负载要求相适应，通过铸出加强筋而局部增强刚度，取消了在支柱内部的热拼接，消除了由此引起的强度下降和材料搭接，使这种“度身定制的零件”的重量进一步下降。利用这种铸造方法可以获得具有经济性、尺寸精度高及稳定的低含气量零件。由于含气量低，合金具有良好的焊接性能和热处理性能。此外，这种工艺方法还具有高的生产率，能制造出“接近最终形状” 的零件。B柱就是采用这种方法做出的一个大型铸件。
触变铸造
当壁厚超过6mm~7mm时，即使采用真空压力铸造也会因熔液凝固时的体积收缩而产生缺陷。这时，触变铸造（Thixo Casting）成为一种良好的成形方法。这种方法的原理跟压力铸造相近，只是“熔液”在一种局部凝固的状态而不是在液态下被送入充填腔，由于浇注温度低使凝固时间较短，所以不容易因冷却时的收缩而产生体积缺陷。这种方法采用的合金为AlSi7Mg，在进行相应的热处理之後可达到锻件的强度。奥迪A2的後备箱盖铰链弓型架（壁厚(≤8mm)和前模块的闭锁钩（Verschlusshaken）（壁厚(≤10.5mm)都用这种工艺制造。
拼接工艺
将单个零件拼接成车身结构的工作属于汽车制造商的核心技术。因为奥迪的车身空间框架概念与纯粹的薄（钢）板结构概念不同，所以拼装顺序和拼接工艺也不同。
白车身的制造顺序如：首先将底板结构（由後车身和中底板组成）与前车身焊接成底部结构；然後在底部结构上装上两个侧部结构；最後加上顶部结构和尾部结构，形成封闭的构件。
金属惰性气体焊接（MIG）
用脉冲光弧进行的金属惰性气体焊接在奥迪 A2车身制造过程中进行了高度优化。在车身制造自动化的基础上，新一代的晶体管电源被采用，其点火和调节性能得到了改进和快速化；全数字化电源，焊接参数可以更快捷、更精细地改变；在薄板（t=0.9~1.5mm）的场合，采用相当的焊丝电极（φ1.2mm），改善了焊丝往焊炬的进给运动。另外，周边的设备也改进了，例如采用新的、与焊缝几何形状相匹配的焊炬概念，或利用大辊子引入添加材料的方法，减少了更换次数，对焊接过程的稳定性有积极影响。对提高过程可靠性的又一贡献是应用一种自动化的焊炬测量技术。这种测量技术采集了焊炬可能由于自动清洗、点火问题或碰撞等引起的变形数据并在焊接机器人程序中加以考虑。
MIG焊接主要在SGR底板中用于拼接挤压型材，此外也用于车身结构或在前车身和後车身的挤压型材、压力铸件及其组件的拼接。焊缝长度与奥迪 A8相比减少20m，同时拼接速度在有关的壁厚范围内提高1.0m/min。这两方面因素都有利于提高拼装组件的精度。
冲铆
与奥迪 A8相比，奥迪 A2车身放弃了“贯通拼接”的拼接技术和“电阻点焊”技术，冲铆拼接的百分比提高了大约40%，约1800个连接点。冲铆工艺主要优点是，在零件的连接过程中没有热量产生，对零件没有热影响，所以就没有热变形。此外，冲铆连接不透气、不透水。与贯通拼接或电阻点焊相比，在静态或动态负载下的连接强度都明显地改善了。几乎所有冲铆都由工业机器人自动完成，在此过程中，根据零件大小和操作条件，或者将工件夹紧，移动固定在机器人上的铆接夹钳；或者将铆接夹钳固定，移动工件。设备的可使用性提高到99.9%，工艺可靠性达到99.95%。冲铆工艺在整个奥迪 A2空间框架中主要用于薄板、挤压型材及其组件的拼接。然而由于工艺本身决定，必须保证在拼接处可从两个侧面进行操作。
激光束焊接
与其它焊接方法相比，激光焊接工艺因其在给定的薄板厚度下可达到的焊接速度较高（3~7m/min）、热影响较低（因而较低的工件变形）以及对表面电阻的要求较低而崭露头角。近年来，铝所要求的>2kW输出功率的大功率激光电源已可供利用。选用Nd:YAG-固体激光作为激光束焊接的电源的原因：一方面，钕（Nd）的激光束波长λ=1064nm，能比CO2激光更好地被铝表面所吸收，这意味着更牢固的连接；另一方面，这个特定的波长容许利用玻璃纤维光缆灵活地将激光束从激光发生器送往工件。
激光系统能与工业机器人相结合。激光束焊接相对于机械拼接的优点是：线连接而不是点连接；在搭接的情况下要求较小的凸缘宽度；由于焊接影响区比较深，在拼接时只要求单侧操作。
图5 泪光束焊接的底版和挤压型材结构
激光束焊接在奥迪 A2中主要用于，将大面积的薄板零件与由铸件和挤压型材零件组成的车身结构连接在一起。这种工艺只要单侧操作就已足够，薄板工件也可以直接与空心挤压型材或铸件连接。在奥迪 A2空间框架中有大约30m长的激光焊缝。如底部薄板与利用MIG焊接成的挤压型材框架结构的连接（见图5），以及顶部与车身构造的连接或者单体的侧壁与顶框和B柱的连接。
滚摺+粘接
车门和後备箱盖上的内、外薄板采用翻摺粘接工艺实现连接。然而，折边过程因滚摺法的使用而大大地简化了。此法的优点在于，工艺装备和夹紧技术的复杂程度明显地减少，这是由于固定在机器人上的坚固的辊子在多次操作中将翻边摺过来。工艺过程从已经弯成90°的外边零件的法兰开始。这个法兰分好几步压平到平面上去，每一步弯过一个角度。平均折边速度为大约1.0m/min。此法的其它优点是较短的调试时间、较高的机动灵活性和较好的褶转质量。
总结
奥迪 A2车身第二代ASF的主要特点如下：
减少零件数量：由于计划要求的生产批量高，这就要求高度自动化程度并简化车身结构，所以第二代ASF的奥迪A2车身的零件数量明显减少。
扩大铝铸件的功能和比例：第二代ASF 中的铝铸件不仅用作纯粹的连接节点，而且主要用作多功能的大型构件。铸件相对于直线挤压型材的百分比大幅度地提高，避免采用费用较高的二维/三维的弯曲成形工艺。在奥迪 A2车身的ASF 结构中只有六件采用弯曲工艺成形的挤压型材。
激光束焊接： MIG焊接明显地减少，而且完全放弃了点焊、贯通拼接和结构粘接。采用了铝车身构件的激光束焊接技术，其焊缝总长约达30m。此外，在底板结构上采用了挤压型材T型连接的MIG坡口焊接技术。
内部高压成形IHU：由于在进一步开发的车身中采用了底板结构焊接部件的T型接头，所以，无论是对激光束焊接技术，还是对MIG焊接技术来说，都开辟了一个新的应用领域。这就要求构件有高精度。其构件的形状公差要求达到±0.2mm。因此，底板结构中的大多数挤压型材必须采用内部高压成形IHU技术来加以校正。(end)
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(1/21/2005) |
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