奥迪铝车身框架（ASF）技术分析（上）

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旺材汽车轻量化

1994年，四门豪华轿车奥迪A8首次引入铝车身结构，这款铝车身结构是奥迪与美国铝业合作开发。这是一种非常适合铝的技术，因为它利用了不同铝型材所提供的所有优势：板材、挤压件和铸件，被称为奥迪全铝车身技术(ASF)，这种车身结构主要适合中等产量。在车身结构概念中，自撑式车身结构的各种建筑元素的作用明确分开：承载剖面图/加强板/铸造连接元素（节点）。

 

原则上，这种车身结构创造了一个高强度，坚硬的铝框架，更大的薄板组件被整合到其中，并执行承重功能。从生产工程的角度来看，这种车身结构概念非常灵活。当引入未来的车型版本时，可以轻松且低成本地进行修改。经济高效的铝合金轻质结构意味着用新材料和量身定制的设计几何形状来重新构造自支撑车身。

上篇内容通过介绍奥迪A8（D2）、奥迪A2、奥迪A8（D3）的车身框架结构来了解奥迪ASF技术。

1. 奥迪A8（D2）

奥迪A8（D2）生产于1994年至2002年。它的铝车身重量为249kg（白车身加上封闭件），比同类钢制车身轻约200 kg。它包括334个零件（47个挤压件（14%），50个铸件（15%）和237个薄板冲压件（71%）。与钢结构相比，单个车身构件的数量大幅减少（约25%），从而节省了工具，工作空间和成本。

第一代奥迪铝车身框架结构包括很大一部分2D和3D弯曲型材（合金EN AW-6060）。对于车身外板，使用合金Anticorodal®-120（EN AW-6016），对于内板使用EN AW-6009，结构使用EN AW-5182，采用的铸造合金是A356。

奥迪A8 (D2)—第一代ASF技术

Audi A8 (D2)的铝车身框架

 

第一代A8（D2）车型的铝车身的生产特点一个是自动化程度低，手工组装大约占75％。通过MIG焊接实现与铸造节点的连接用于公差补偿。另一个特点是在210°C的温度下对整个装配车身进行30分钟的热处理（即在涂漆之前）。此步骤的目的是确保必要的车身 AlMgSi合金经过“理想”时效硬化以达到T6回火的强度。但是经验表明，不需要对铝制主体进行单独的热处理。从而取消了下一代带有铝制空间框架（A2）的奥迪车型的操作。所需的强度水平可以通过漆面烘烤硬化步骤（在180°C下约20分钟）来实现，该步骤需要始终按照涂装车间的电泳涂层工艺。

 

奥迪A8（D2）车身框架和封闭件分解图

2. 奥迪A2

 

奥迪A2—第二代ASF技术

 

奥迪A2是第一款批量生产的全铝车身的微型小汽车，于1999年开始生产。奥迪A2车身的开发合作伙伴是Algroup Alusuisse（后来的Alcan）。A2铝合金车身的重量仅为153公斤，比同类传统钢制车身轻43%。A2 1.2 TDI版本的总重量仅为825公斤，配备轻型锻造铝车轮和特殊轮胎，它是世界上第一辆五门“3L”汽车（即平均油耗为2.99升/100公里）。

 

奥迪A2的铝框架

 

第二代奥迪ASF车型包括60%的面板，22%的铸件和18%的挤压型材(按重量计算)。它的设计比A8的产量更高，它在工具、铸造和连接工艺方面进行了重要的改进和新的发展。与A8相比，单件数量明显减少(由334件减少到225件)。

冲压件：183个（81%）

挤压：22个（10%）

铸件：20个（9%）

 

这是通过将各种组件组合成较大的零件（在大多数情况下为型材或多功能铸件）来实现的。

奥迪A2分解图

 

例如，A2有一个整体式侧壁框架，B柱由单个大型铸件组成，而豪华轿车A8的B柱则由8个部件组装而成。同时，重量可以从4.18公斤减少到2.3公斤（虽然A2的B柱稍长）。

 

奥迪A2整体铸造B柱

采用严格控制的真空高压铸造工艺，确保了铸件零件可以通过激光和MIG焊接正确地焊接到板材和挤压件上。应用的铸造合金为Aural®-2（AlSi10MgMnFe），热处理条件经过优化，以获得高强度和良好的延展性，同时将淬火期间铸件的几何变形降至最低。

 

由三个薄壁铝铸件组装的结构部件

 

最终，使用MIG增强激光焊接技术将复杂形状的防撞薄壁铸件焊接在一起,大多数挤压的车身部件都是液压成形的，以确保直线和弯曲型材的精密几何公差，但液压成形工艺不仅为窄形位公差的控制成形提供了可能。此外，穿孔，冲压，纵切等操作可整合到液压成形工艺中，如下所示，用于侧车顶框架，合金EN AW-6014用于所有挤压件。

 

奥迪A2的液压成型侧车顶框架

 

外部车身面板采用EN AW-6016合金，内部和结构面板采用EN AW-6181A合金。三种连接工艺，包括最先进的激光焊接，足以组装空间框架结构：

-自攻铆接1800个铆钉

-MIG焊接20m

-激光焊接30m

车身底部框架由直挤压型材组成，这些型材通过MIG焊接直接连接在一起，从而消除了A8所需的多个不同铸造节点。

 

A2的地板结构

 

自动化程度达到约85%，与传统的冲压钢车身结构相当。这些措施成功地将结构件的尺寸公差限制在A2-a基准值的±0.15 mm范围内（一个大众集团内部基准值）。A2在设计上被认为是“时代领先者”，但前卫的风格并未赢得客户的青睐，奥迪对销量水平感到失望，最终产量估计为17.5万辆。

 

3. 奥迪A8（D3）

 

第二代奥迪A8（D3）的生产始于2002年。根据A2的经验，与之前的A8相比，车身零件数量减少，生产过程的自动化程度显著提高。具体设计特点包括多功能大型铸件、长连续的剖面和高比例的直挤压型材。只有在A8需要外部镶板（例如车顶框的侧面）时才使用弯曲型材。与之前的产品相比，新A8有一个包括后部结构的连续空间框架。这导致在空间框架中的板材份额从55%减少到37%（按重量计），而铸件的份额增加到34%，型材的份额增加到29%。

 

D3全铝车身（白色车身加上封闭件）的重量为277公斤。板材合金取自A2用于外部车身面板的EN AW-6016合金，用于内部和结构面板的EN AW-6181A合金。挤压件采用与EN AW-6060相似的AlMgSi合金。如有必要，挤压型材可在数控拉伸滚压机上进行弯曲。如果要求精密公差（±0.3mm），则通过液压成形（11个不同部件）校准和成形半成品零件。此外，A8还首次采用机械校准作为一种低成本技术。

 

奥迪A8（D3）的全铝车身框架

而对于板材和挤压件，采用了A2已经证明的生产技术，除了熟悉的真空高压压铸方法外，首次采用了湿型铸造。铸造用的合金为GD-AlSi10Mg、GD-AlMg3Mn，砂型铸造用合金为AlSi7Mg。D3中使用的多功能大型铸件是A2中所用铸件的改进版本，D3特别关注功能整合和减少零件数量。

 

零件数量比较

 

奥迪A8 (D3)车身结构分解图

 

在D3车型的批量生产中，对原A8所采用的连接工艺（MIG焊和自冲铆接）以及A2引进的激光焊接工艺进行了进一步优化。此外，首次采用激光复合焊接，利用MIG和激光焊接的优点，同时实现了更高的加工速度。MIG焊接主要用于连接单个挤压型材或压铸部件，以及将挤压型材连接至铸件。激光焊接主要用于大面积面板与车身结构的连接，也可从一个侧面挤压或焊接型材。采用了功率为4kw的Nd:YAG固体激光器。由于AlMgSi合金具有特殊的热裂倾向，D3铝合金车身框架的所有焊缝均采用填充金属。

 

奥迪A8铝合金车身框架的连接技术

 

自冲铆钉技术在车身结构和瓶盖的生产中得到了广泛的应用。需要将各种合金的板材，挤压型材和压铸件连接在一起，以产生2.0到6.0毫米的整体材料厚度。大约100种不同的材料和厚度的饰面组合仅使用三种硬度相同的不同铆钉几何形状，另外还有17 m的结构粘合剂粘接。门的内外板通过辊式包边和结合在机器人手持工具的帮助下连接起来。该方法的优点是熟悉时间短，灵活性高以及褶皱的质量和外观较好，采用整体感应加热的方法实现了胶粘剂的预硬化。

 奥迪A8（D3）铝车身框架

（本文完）