Хочешь похудеть? Поезжай в Неккарзульм, где специалисты Центра разработки и производства алюминиевых и облегченных конструкций Audi борются с каждым лишним граммом автомобильного «жира»

Я стою на старте горной трассы испытательного полигона Bosch в Боксберге (Германия). Передо мной два красивейших купе Audi A5 — красное и белое. Под капотом красного авто 265-сильный V6 с рабочим объемом 3,2 л. Сердце белой машины — турбированный 2.0 TFSI мощностью 211 л.с. «Выбирайте, красная или белая?» — обращается ко мне тест-пилот Audi, и я ловлю свое отражение в его спортивных очках, как Нео, готовящийся взять таблетку с ладони Морфеуса. Я выбираю белую — пусть более спокойный мотор поможет мне «вкатиться» в трассу, да и цвет этот ей больше идет.

Ведущий тест-пилот на быстрой TT RS начинает движение, и я устремляюсь за ним. С непривычки немного побаиваюсь, но стараюсь точно повторять все движения ведущего, поддерживать его скорость. Ощущения местами захватывающие — мы интенсивно разгоняемся и тормозим, весьма решительно входим в поворот, ощущаем, как боковые перегрузки приятно вдавливают тело в спортивное кресло. Чуть поодаль в зеркале мелькает красный автомобиль: видимо, коллега-журналист специально отпускает нас вперед, чтобы прокатиться с ветерком. Автомобиль цепко держит дорогу, не скользит — значит, скорость выбрана верно.

Пересаживаюсь в красный автомобиль и уверенно нажимаю на газ: трасса мне уже знакома. Плавно вхожу в поворот вслед за белой Audi — и вдруг передние колеса под тяжестью большого V6 начинают предательски скользить наружу. Отпускаю газ, теряю время, пытаюсь догнать коллегу на прямой перед приближающейся связкой виражей. В следующем повороте становится просто страшно. Стараясь сохранить сцепление колес с дорогой, я теряю очередные драгоценные секунды. Но я не могу отставать, что подумают коллеги! И, смирившись с истерическим визгом всех четырех колес, я доверяю управление ESP, а выбор скорости (а заодно и собственное здоровье) — пилоту-ведущему, ведь он свое дело знает!

На финиш я прибыл вовремя, но из машины вывалился взмыленный и растерянный. В чем секрет, что помогает двухлитровому автомобилю рвать могучий 3,2, как тузик грелку? Ответ прост: во всем виноват его величество Вес. Красный автомобиль — это стандартная модель со стальным кузовом и снаряженной массой 1540 кг. На каждую из 256 лошадок в нем приходится 5,8 кг веса. Белый автомобиль — это прототип с почти полностью алюминиевым кузовом и карбоновым капотом. Он весит 1310 кг, и на каждую из 211 лошадей в нем приходится 6,2 кг. Небольшая разница в энерговооруженности с лихвой компенсируется большей скоростью в поворотах (на более легкую машину действует меньшая центробежная сила), и белая А5 оказывается намного быстрее красной.

Строим на костях

В начале 1980-х облегчение конструкций было возведено в ранг стратегических направлений компании Audi. Чтобы своими глазами увидеть, как немецкие инженеры помогают автомобилям сбросить лишние килограммы, мы побывали в Неккарзульме, на старейшем производстве Audi. Завод был построен 136 лет назад. В 1994 году на нем был создан Центр разработки и производства алюминиевых и облегченных конструкций. В этом же году свет увидел Audi A8 — первый серийный автомобиль с несущим алюминиевым кузовом, созданный по технологии Audi Space Frame (ASF).

В основе пространственной конструкции ASF лежит принцип применения различных материалов и деталей, произведенных по различным технологиям, в тех местах, где их свойства оказываются наиболее ценными. К примеру, кузов купе Audi TT на 22% состоит из алюминиевых частей, отлитых под давлением, на 16% - из экструдированного алюминиевого профиля, на 31% - из штампованных алюминиевых панелей и на 31% - из штампованной стали. Применение стали в задней части кузова позволило точно скорректировать развесовку переднемоторного купе по осям. В результате масса кузова TT нового поколения составляет 206 кг, что на 90 кг (30%) меньше, чем у модели-предшественника.

«Создавая автомобильные кузова, мы опираемся на топологические законы природы», — говорит Генрих Тимм, руководитель Центра алюминиевых и облегченных конструкций. К примеру, кости животных имеют пористую структуру. Многочисленные внутренние перегородки позволяют им оставаться достаточно прочными и жесткими при сравнительно небольшой массе всей кости. По такому же принципу спроектированы силовые элементы кузова ASF, которые отливаются под давлением в предельно точных формах. Так, к примеру, сделана опора передней стойки Audi TT, которая соединяет лонжерон, порог, стойку крыши и подрамник двигателя. Деталь имеет ребристую структуру, жесткость которой в разных направлениях рассчитана с помощью компьютерного моделирования. Нижняя часть опоры сделана более мягкой, чем верхняя: в случае серьезной аварии это позволяет двигателю уходить вниз, не травмируя ноги пассажиров, а при легких ДТП энергия удара не передается на крышу, которая наиболее дорога в ремонте. Литые детали используются в местах концентрации нагрузок на кузов. «Материал должен быть только там, где он действительно может работать», — подчеркивает Генрих Тимм.

Строптивый металл

Продольную и поперечную жесткость кузову ASF придают балки из алюминиевых профилей. В зависимости от требуемых свойств внешне одинаковые профили могут иметь самую разную структуру внутренних ребер жесткости. В сечении профили могут быть крестовидными, звездообразными, ромбовидными. Даже в купе и родстере Audi TT и TT Roadster пороги с виду не отличаются друг от друга, но имеют разную структуру.

Особые прочностные свойства профиля обусловлены технологией его производства: в нем нет сварочных швов или иных соединений, это цельная деталь, выдавленная через матрицу с соответствующим сечением. В случае аварии профиль сминается точно в продольном направлении. Это свойство позволяет с высокой степенью предсказуемости управлять сминанием кузова в целом и целенаправленно распределять энергию удара по определенным областям.

За геометрические формы и внешний облик кузова ASF отвечают штампованные алюминиевые панели. Их изготовление — куда более сложный процесс, чем штамповка стали. Алюминий менее пластичен, поэтому при сильном изгибе в одной плоскости его не стоит подвергать значительной деформации в другой. «Крылатый металл» характеризуется высоким коэффициентом упругой деформации. Иными словами, он пружинит и стремится вернуться в исходное состояние после сгибания. Разрабатывая производственное оборудование, инженеры уделяют особое внимание моделированию поведения строптивого металла непосредственно в процессе штамповки. Кроме того, дизайнерам, которые создают внешний образ автомобилей Audi, приходится руководствоваться не только эстетическими соображениями, но и жесткими технологическими ограничениями.

В одном из цехов завода в Неккарзульме мы увидели последнее достижение в области штамповки алюминия — цельную алюминиевую боковую панель новой Audi A8, которая включает в себя два дверных проема, стойки и линию крыши, порог и заднее крыло. Эта деталь будет устанавливаться на новый седан представительского класса, который покажут широкой публике лишь через год. Для сравнения: боковая панель нынешней A8 состоит из восьми отдельных алюминиевых деталей.

Сварка лазерным мечом

Комбинировать разные материалы в кузове автомобиля можно только в том случае, если мы можем их надежно соединить. В некоторых случаях это весьма непросто. К примеру, алюминий и сталь обладают разными коэффициентами расширения при нагревании, поэтому их невозможно соединить сваркой. В этом случае применяются прессовая клепка, клеевые швы и винты-саморезы. Для соединения элементов кузова купе Audi TT используется 229 саморезов. Робот вворачивает каждый винт в течение трех секунд, за это время несколько раз меняя скорость вращения (до 5000 об/мин) и силу нажима (до 1500 Н). Под действием силы трения металл плавится. При этом нарезается настолько прочная резьба, что после ремонта винт может использоваться повторно.

Геометрия соединения рассчитывается с учетом различного поведения стали и алюминия при нагревания. Это важно для последующих производственных процедур, в частности грунтовки методом погружения. Прочность большинства соединений существенно повышается за счет применения клея. Клей изолирует алюминий от стали, предотвращая контактную коррозию. Клеевые швы частично заменяют сварные и при соединении стальных деталей, делая автомобиль легче. В современной Audi A4 насчитывается 125 м клеевых швов.

Так или иначе, сварка остается основным способом соединения кузовных элементов и занимает значительное время в производственном процессе. На порогах и дверях Audi A4 применяется дистанционная сварка лазерным лучом, которая позволяет радикально ускорить сборку кузова. Обычная сварочная головка располагается на расстоянии нескольких миллиметров от материала и должна постоянно перемещаться вдоль шва. На это перемещение тратится большая часть времени. Сварочный лазер располагается в нескольких метрах от свариваемых деталей. Лазерный луч отклоняется зеркалами и фокусируется на рабочей поверхности. Шов прокладывается за 40 миллисекунд, а еще через несколько тысячных секунды начинается прокладка нового шва. Дистанционная сварка проходит в закрытой камере с применением лазера мощностью 7 кВт.

Точное позиционирование луча позволяет уменьшить ширину сварочных фланцев до 6 мм, тем самым дополнительно облегчив каждую дверь на 60 г. С помощью лазера детали не только соединяются, но и очищаются перед сваркой. Пульсирующий лазерный луч, скользящий по поверхности, испаряет остатки масла, сохранившиеся после штамповки, эффективнее и экономичнее, чем обычная мойка.

На крыше у подавляющего большинства автомобилей можно заметить пластиковые водостоки. Они скрывают сварные швы, которыми крыша соединяется с боковиной. На автомобилях Audi пластиковых полосок нет, так как для сборки этой части кузова используется гибридная лазерная сварка в инертном газе с нулевым зазором. Как и в обычной MIG-сварке (metal-inert gas), сварочная головка порциями подает к месту соединения расплавленный металл и инертный газ, изолирующий рабочую зону от атмосферных газов. Однако вместо электрической дуги используется точно сфокусированный 3-киловаттный лазер.

Быть или казаться

Облегчение автомобиля вовсе не сводится к улучшению конструкции кузова. Вес экономится по крупицам, и оптимизация каждой мельчайшей детали по цепочке влечет за собой улучшение условий работы всех узлов автомобиля. «Алюминиевые рычаги подвески передают меньше энергии на кузов, чем стальные, — объясняет Хайнц Холлервегер, руководитель проектно-конструкторского направления Audi AG, — значит, и кузов может быть более легким, что в свою очередь позволит установить более компактные тормоза и двигатель». Уменьшение неподрессоренной массы на 10 кг означает снижение нагрузки на амортизационные стойки на 4%. Чтобы добиться такого же эффекта за счет подрессоренных масс, понадобится экономия на 50 кг.

Особо важно значение вращающихся масс с их большим моментом инерции. К примеру, облегчение маховика двигателя на 1 кг и включение соответствующей передачи эквивалентно облегчению кузова на 16 кг. Точное нанесение шумоизоляционной пены, антикоррозийного покрытия и гидроизоляции ПВХ экономит килограмм массы. Дополнительная экономия достигается за счет исключительно точного нанесения краски в четыре тонких слоя.

Значение массы для автомобиля трудно переоценить. Автомобиль массой 1200 кг при разгоне с места на 12 м раньше достигает скорости 100 км/ч, чем его соперник массой 1400 кг. Снижение массы на 100 кг означает экономию от 0,3 до 0,5 л топлива на 100 км и сокращение выброса CO2 на 8−11 г/км. Электромобили, которые обещают набрать популярность в ближайшее десятилетие, будут оснащаться тяжелыми аккумуляторными батареями, для которых тоже нужно разгрести место. При этом каждый лишний килограмм будет оборачиваться ощутимым снижением запаса хода.

По окончании технического семинара и тестового дня практически все гости задавали инженерам Audi один и тот же вопрос: зачем компания продает купе А5 с двигателем V6, когда даже стандартная A5 с четырехцилиндровым двигателем едет не намного медленнее? Хозяева ответили честно: «Многие покупатели хотят иметь автомобиль с шестицилиндровым двигателем, потому что это престижно. Приятно же произнести: у меня купе с V6!» Господа, пора изменяться — отказываться от стереотипов прошлого века и открывать глаза.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2009).