Audi A8: aluminum and steel

V 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, as well as the application of new materials – CFRP and magnesium – в модели Audi A8 (D5).

Audi A8 D2 – aluminum body

Space Frame

The novelty of the car Audi A8 was in, что при его разработке впервые применялась концепция пространственной самонесущей конструкции кузова – ASF (Audi Space Frame). This concept is continued in subsequent models Audi, including, aluminum body Audi A2.

audi-a8-d2Figure 1 – Ауди A8 (D2)

kuzov-audi-a8-d2Figure 2 –Алюминиевый кузов Ауди А8 (Д2)

The essence of this concept is that, чтобы максимально снизить вес кузова путем использования в автомобиле преимуществ различных форм алюминиевой продукции:

  • aluminum sheets,
  • aluminum profiles and
  • aluminum castings.

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

  • профили – несут нагрузки;
  • листы – обеспечивают жесткость;
  • casting - are connecting elements.

aluminum skeleton

Self-supporting body consists of Audi skeletal structure, made of aluminum hollow profiles. Эти алюминиевые профили могут быть прямолинейными или гнутыми (2D или 3D). If necessary, use aluminum profiles with multiple cavities with a specially designed cross-section. In the most loaded corners and other compounds of elements of the body are usually connected via complex, thin-walled aluminum hub parts. These high-pressure aluminum castings cast by vacuum casting.

aljuminievye-splavy-kuzov-audiFigure 3 - Exploded View
алюминиевого кузова Ауди A8 (D2)

Types of aluminum in bodywork

Автомобиль Ауди A8 (D2) выпускался с 1994 by 2002 year. Its aluminum body weight was 249 кг (без дверей) – на 200 kg lighter steel body. This aluminum body includes 334 детали:

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

Compared with the previous – steel – bodywork number of parts decreased by 25 %.

Первые самонесущие алюминиевые кузова Ауди содержали:

  • Curved aluminum profiles, плоские (2D) и пространственные (3D), alloy 6060
  • The outer sheet body panels made of aluminum alloy 6016
  • Internal sheet panels of aluminum alloy 6009
  • Bearing sheet panels of aluminum alloy 5182
  • Cast anchor parts of aluminum alloy A356

Для производства алюминиевого кузова первой модели А8 (D2) была характерна низкая степень автоматизации. body assembly was carried out on approximately 75 % manually. Compounds to nodular cast parts, who made MIG welding, serves to compensate tolerances.

Heat treatment of the body

Another feature of the manufacturing D2 body was heat treatment the whole body assembly when 210 ° C within 30 minutes immediately prior to painting. The purpose of this operation was, чтобы обеспечить необходимую прочность кузова за счет идеального – искусственного – старения профилей и листов сплавов серии 6ххх (AlMgSi).

Subsequently, however, experience has shown, in a separate step of heat treatment of the body is not necessary, and it was abolished as early as next Audi model with an aluminum body - the Audi A2. Instead, the desired level of strength of the body was achieved during the heating time in a furnace at body painting operation. The thing is, that the coloring step comprises a body cataphoretic dipping bath and then treating it in an oven for about 20 minutes at 180 oC. This heating was sufficient for effective hardening aluminum alloys 6xxx series due to artificial aging.

The chemical composition of aluminum alloys

ximsostav-aljuminievye-splavy-audi-a8Highlighted in red are the main alloying elements, blue – Auxiliary alloying elements and impurities stricter requirements.

Audi A8 D5: возврат к стали

40 % steel

However, стало известно [2], that the body of the new Audi A8 D5 model release 2018 contains more than a year 40 % steel. This represents a reversal in 180 degrees from the almost all-aluminum body, developed for the Audi A8 D2 in 1994 году.

В конструкторском центре компании Ауди Leichtbauzentrum заявили [3], that there will be cars with a fully aluminum body in the future. The development of the car will play a special role steel, are thermally hardened in hardening dies. Эти марки стали обрабатываются при высокой температуре путем нагрева в печи и штамповки в горячем состоянии с применением охлаждаемого инструмента (рисунок 4). High cooling rate in the die formation of the structure provides, which is 100 % It consists of martensite. To improve the quenchability of these steels generally contain boron.

Debut magnesium Audi A8

Audi bit late with magnesium, that other manufacturers have used in one way or another. Magnesium is lighter than aluminum yet: его плотность составляет всего 1,74 g / sm3. Новая модель Ауди А8 уже включает компонент из магния в виде распорки между стаканами передней подвески (рисунок 4). Its main goal - to increase the torsional stiffness.

Figure 4 – Body Audi A8 D5 aluminum, steel, CFRP and magnesium

weight Gain

Поворот от алюминия к стали подтверждают данные об изменении соотношения веса материалов в конструкции кузова Audi A8 (таблица 1). As a result, for example, Body weight increased to about 280 kg instead of 230 кг у предыдущей модели [3].

Table – 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). New enhanced security requirements, and the need for additional protection of lithium-ion battery, It required the use of high-strength hot-deformed steel for strengthening the internal “cell” Smart car.
  • Moreover, the use of steel enhances the stiffness of the body torsion - to 24 % compared with the old design. This improves handling car.
  • Finally, the steel has a more favorable acoustic properties, reducing noise inside the vehicle.

Aluminum is a major player

Aluminum has a population of about 58 % веса кузова Ауди А8 (D5) и применяется в трех основных видах: отливках, extruded profiles and sheets. Cast components form the main part of the structure, and are "nodes", to which are attached other details. Despite the increase in the weight of this model compared to previous models, update on 40 % easier, than, if it were made entirely of steel.

Sources:

1. The Aluminium Automotive Manual, The European Aluminum Association, 2013

2. https://www.greencarcongress.com/2017/05/20170512-audia8.html

3. https://www.autonews.com/article/20170724/OEM03/170729928/aluminum-pioneer-takes-steel-path

Aluminum in cars – YouTube