Karosérie osobního automobilu Ing. Petr Šimon Škoda Auto a.s

Karosérie osobního automobilu Ing. Petr Šimon Škoda Auto a.s. 04.03.2015

1 FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

Obsah : 1. 2. 3. 4.

Požadavky na karoserii osobních vozidel Virtuální vývoj Základní pojmy Koncepty karoserií - samonosná karoserie - Space Frame - CFK Monocogue 5. Ocelová samonosná karoserie - Skladba - Materiály - Technologie - Spojování - Ochrana proti korozi - Výrobní proces 6. Vlastnosti karoserie - Tuhost - Pevnost 7. Návrh výlisku karoserie 2 FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

1. Požadavky na karoserii

Recyklace

Pasivní Bezpečnost

Design Ergonometrie

Koroze

Opravitelnost

Tuhost

Aerodynamika

Životnost

Technologičnost

Akustika

Komplexita

Kvalita

Cena Zákonné požadavky


NVH Hmotnost

Vývoj hmotnosti okované karosérie Škoda Octavia Hmotnost

[kg]

275 Materiálový koncept:

- 6.5%

- 0,34 g/km CO2

250

cca.- 5% Ocelové řešení 2,5 €/kg

Octavia II 373 kg

225

200 1995

Octavia I 348 kg

Octavia IV Kombinace materiálů cca.- 40% Hliník 4-15 €/kg Magnesium Kompozity

Octavia III 348 kg

2000

2005


2010

2015

2020

2. Virtuální vývoj

Nástroje: CAD

(Konstrukce)

FEM

(výpočty- tuhost, pevnost, NVH, …)

CFD

(výpočty- proudění, …)

DMU

( digitální prototyp, řešení kolizí,…)

Vizualizace 3D Virtuální továrna

(simulace lisování, svařování, montáž, lakovna, …)


3. Základní pojmy

B sloupek

Střecha Zadní čelo

A sloupek

D sloupek

Přední příčná stěna

C sloupek Přední podběh

Zadní podběh

Podlaha Dolní podélník Horní podélník 7 FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

Práh

3. Základní pojmy

Svařená karoserie

Okovaná karoserie

Karoserie Škoda Yeti 8 FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

3. Základní pojmy Střecha

Sestava podlahy Nástavba ( Klobouk )

Zadní čelo

Zadní podlaha

Příčníky střechy

Přední podlaha

Postranice úplná Přední část karoserie


4. Koncepty karoserií


4. Koncepty karoserií 4.1. Samonosná karoserie  Karoserie složená převážně z plechových výlisků bez pomocného rámu.  Jednotlivé díly mohou být z ocelových či hliníkových výlisků, případně mohou být integrovány různé profily či tenkostěnné odlitky z hliníkových nebo hořčíkových slitin.  některé koncepty mohou mít i lokální pomocný rám pro uchycení podvozkových dílů.

Karoserie Škoda Superb II


4.1. Samonosná karoserie Příklad materiálového mixu - Mercedes Benz S-Class

Zdroj: EuroCarBody 2013 12 FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

4. Koncepty karoserií 4.2. Space Frame Karoserie jejímž základem je prostorový rám složený z profilů, tenkostěnných odlitků a výlisků. Materiálem jsou převážně hliníkové, případně hořčíkové slitiny. Panelové díly mohou být i z plastů.


4. Koncepty karoserií 4.2. Space Frame Příklad použití ASF během tří generací vozu Audi A8. Nasazení tenkostěnných odlitků přispívá k integraci dílů. Zajímavostí je nasazení B sloupku z vysokopevnostní oceli v Al rámu u poslední generace vozu.

Audi A8 (D4, 2010) 14 FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

Zdroj: EuroCarBody 2010

4. Koncepty karoserií 4.2. Space Frame

Dalším příkladem použití rámuje Ferrari California. Skladba rámu je založena především na extrudovaných profilech. Nižší využití tlakových odlitků ve srovnání s Audi A8, je dáno nižší sériovostí vozu.


4. Koncepty karoserií 4.3. CFK Monocogue Karoserie jejímž základem je skořepina z kompozitu z uhlíkových vláken s integrovanými pomocnými rámy z lehkých slitin. Vzhledem k vysoké finanční náročnosti , je tento koncept používán převážně u luxusních sportovních automobilů, jako například Porsche Carrera GT viz obr. Kompozit z uhlíkových vláken (CFK)

Porsche Carrera GT

Pomocné Al rámy 16 FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

4.3. CFK Monocogue Ženeva 2012 – Pagani Huayra


4.3. CFK Monocogue Sériové vozy 2013 – BMW i3


4.3. CFK Monocogue Sériové vozy 2013 – Alfa Romeo 4C

3000 vozů/rok


4.3. CFK Monocogue Uhlíková vlákna mají průměrnou hustotu 1750 g/cm3 a jemnost 5-10 µm. Od jiných textilních vláken se odlišují zejména: - výrazně menším modulem pružnosti v kolmém směru k ose vlákna - křehkostí – tažnost je menší než např. u skleněných vláken, - při ohřevu se vlákno zkracuje. V kolmém směru má však vyšší koeficient tepelné roztažnosti než sklo - v podélném směru mají uhlíková vlákna malý elektrický odpor (jen 1,9 .10 -6 W/m). Materiálové vlastnosti některých druhů uhlíkových a skleněných vláken: Vlákno/pre kurzor

Pevnost v tahu GPa

E-modul GPa

Tažnost %

Výrobce (příklad)

karbonizova né z PAN (95 % uhlíku)

5,5

250

1,9

Toray, Japonsko (1997)

grafitované z PAN (99 % 4,4 uhlíku)

377

1,2

Toray, Japonsko

mezofázová smola (99% uhlíku)

3,8

900

0,4

Mitsubishi, Japonsko

viskoza 1,2 (99% uhlíku)

100

0,5

Sohim, Bělorusko

nanovlákno 0,2 µm

7,0

600

0,5

Applied Science, USA

S-sklo

4,5

85

5,7

agy, USA

Cena uhlíkových vláken Jakost vláken a příslušné ceny se často dělí na dvě kategorie: podstatně dražší vlákna pro letectví a levnější materiál pro ostatní průmysl. Průměrné ceny vláken pro letectví se snížily ze 120 US $ v roce 1985 na cca 40 US $/kg na začátku tohoto století. Vlákna s nižším obsahem uhlíku, s nižší pevností a vlákna z nově vyvíjených prekurzorů (použití např. pro automobilový průmysl) jsou podstatně levnější než vlákna pro letectví. V příštích letech se počítá se snížením průměrné ceny na 1530 dolarů/kg. Zdroj: Wikipedie


4.3. CFK Monocogue

Zdroj: Strategie in Car Body Egineering 2013


5. Ocelová samonosná karoserie 5.1. Skladba


5. Ocelová samonosná karoserie 5.1. Skladba Jednoslupkové zakládaní

Octavia II

Podsestavy výztuh vkládány jednotlivě do vnějšího rámu.

2

1

Superb II

Jednoslupkové zakládaní Podsestavy výztuh nejprve složeny do sestavy vnitřního rámu a následně vcelku vloženy do vnějšího rámu.

2

1 Dvojslupkové zakládaní

Yeti

Vnitřní rám z výztuh nejprve svařen s podlahou a příčníky, pak přichází vnější rám.

2

1 23 FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

Výhody: • Přímé bodové svaření pevnostních dílů bez omezení vnějším rámem. • Redukce tavných svarů Nevýhody: • Nutné nové pracoviště v lince svařené karoserie

5.1. Skladba- mapa řezů Škoda Superb II


5. Ocelová samonosná karoserie 5.2. Materiály

Quelle ULSAB-AVC


5. Ocelová samonosná karoserie 5.2. Materiály

Zdroj: Salzgiter


5.3. Materiály – Škoda Superb III Materiálový koncept 19% 36%

3% 14%

28%

Low Strength Steel (LSS)

RP0,2< 200 MPa

High Strength Steel (HSS)

200 – 400 MPa

Advanced High Strength Steel (AHSS)

400 – 700 MPa

Ultra High Strength Steel (UHSS) Press Hardened Steel (PHS)

700 – 1000 MPa 1000 – 1200 MPa


31,26% % 31,26

5.2. Materiály – Škoda Superb III

Superb I

Superb II 0% 4,0 %

PHS AHSS + UHSS

LSS + HSS


Superb III 12,5 % 5,9 %

25,6 % 19,9 %

Zahrnuta svařená karoserie a výztuhy nárazníku. Bez dveří a vík.

5.3. Technologie

Koncept technologie výroby dílů

Vysokopevnostní za tepla tvářené díly TWB,TRB – díly rozdílných tlouštěk

31,26 %

Vysokopevnostní za studena tvářený díl Válcovaný profil Plast Hlubokotažné oceli


5.3. Technologie – Tváření za tepla

Tváření za tepla



Před vytvrzením

Po vytvrzení

Rm [Mpa]

RP02 [Mpa]

A80 %

Rm [Mpa]

RP02 [Mpa]

A80 %

Výrobce

min. 500

min. 310 resp. min. 350 u ALSI

10

1300-1650

1000-1250

min. 4,5

-

500

320

10

1400-1700

1000-1300

min. 4,5

SSAB

Usibor 1500

500-700

350-550

10

1300-1600

950-1250

min. 4,5

Arceleor

BTR165

min. 500

min. 400

10

min 1400

min. 1100

min. 4,5

Benteller

MBW 1500

min. 500

min. 320

10

1650

1300

5

Thyssen

22MnB5

480-580

310-400

20

1300-1650

1000-1250

min. 4,5

Salzgitter

Ultraform 1500

min. 500

340-480

min 18

1500

1200

min 4,5

Voestalpine

-

-

-

min. 1900

min. 1200

5

Thyssen(od 2014 ???)

TL4225 - 22MnB5

Boron 02

MBW 1900




5.2. Technologie - za tepla tvářené díly u karoserií vozů Škoda

Octavia I

6,3%

0%

Konvenční díly

34

Octavia II

Superb II

12,5%

Octavia III

cca 26 %

Konvenční díly

Konvenční díly

Konvenční díly

Za tepla tvářené díly



FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

5.2. Technologie – za tepla tvářené díly

Zdroj: EuroCarBody 2011-2014 35 FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

5.2. Technologie – Flexibilně válcované plechy


5.2. Technologie – Flexibilně válcovaný za tepla tvářený B sloupek Superb III.

Válcování rozdílných tlouštěk ve svitku

Oblasti s rozličnou tloušťkou na B-sloupku 1,3 mm

1,85 mm

1,3 mm

-2,1kg Princip flexibilního válcování (Tailor roled blanks), použitý na B sloupku Superb III. Větší tloušťka dílu je pouze tam, kde je třeba.


5.3. Technologie – Laserem svařované válcované plechy

TWB – Tailor Welded Blanks Nástřihy z různých tloušťek a různých materiálů svařené laserem.


5.4. Spojování

-

Bodové svařování Tavné svařování (MIG,MAG,CMT) Laserové svařování Laserové pájení Lepení Nýtování, clinch Šroubování


5.4. Spojování ∆

Fabia II

Fabia III

Svařovací body [ks]

3 820

3 884

+64

Tavné sváry [mm]

3 050

1 658

-1392

Letování [mm]

1 115

903

-212

Laser [mm]

4 398

4 425

+27

Lepidla [mm]

27 657

35 399

+7742


5.4. Spojování

Odporové bodové svařování


Svařování laserem

5.4. Spojování – Bodové svařování - Obecně je dnes možno svařovat pozinkované plechy maximálně přes 3 . - Ve svařování ve stojině, do které vstupují 3 plechy je možný výskyt i čtvrtého dílu v exponovaných oblastech a uzlech ( např. v oblasti prahu, A sloupku, střešního kanálu … ). Situace 1

Situace 2

Situace 3


Díly podsestavy 1 Díly podsestavy 2 Svařování v podsestavách Svařování kompletní sestavy

5.4. Spojování – Lepení na příkladu Škoda Superb II


5.4. Spojování

Spojování nýty

Spojování

Spojování trhacími nýty


5.4. Spojování Šrouby Pentaflow od firmy Betzer jsou jednou z možností jak spojovat plechové díly pouze s jednostranným přístupem do spojované oblasti.


5.4. Ochrana proti korozi

Povrchová ochrana plechových dílů Fabia III 12ti letá záruka proti prorezavění

Al-Si povrchová ochrana u PHS (za tepla tvářených) dílů

7,3 %

Díly bez povrchové (Zn) úpravy

4,9 %

Elektrolyticky pozinkované díly

8,6 %

Žárově pozinkované díly 46 FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

79,2 %

5.4. Ochrana proti korozi

korozní ochrana a utěsňování karoserie v lakovně Skladba lakovacích vrstev

Lakovaná karoserie

„Jemné“ PVC-utěsnění spojů karoserie

„Hrubé“ PVC-utěsnění spojů karoserie

Plech karoserie Vrstva zinku Fosfátování (lázeň) Základování KTL (lázeň) Nástřik plniče Nástřik laku základního (barvy) Nástřik laku vrchního bezbarvého

Plošný PVC-nástřik spodku karoserie

(pozn.: v souvislosti s rozsahem použitých plastových krytů spodku vozu)


Konzervace dutin karoserie zaplavením voskem

5.4. Výrobní proces Blokový layout


6. Vlastnosti karoserie 6.1. Tuhost Statické tuhosti Jsou to tuhosti karoserie pod statickým zatížením. Můžeme je rozdělit do dvou kategorií a to na globální a lokální tuhosti. - Globální statické tuhosti: Ohybová tuhost Torzní tuhost - Lokální statické tuhosti : Tuhost zavěšení dveří Tuhost uchycení madel … Dynamické tuhosti Jsou to vlastní frekvence karoserie v různých tvarových módech. Můžeme opět rozdělit frekvence globálního a lokálního charakteru.

Statická torzní tuhost

-Globální dynamické tuhosti : Torzní mód Podélný ohyb Příčný ohyb

-Lokální dynamické tuhosti:

Kmitání podélníků Kmitání podlahy, příčníků … Dynamická torzní tuhost


6.1. Tuhost – oblasti karoserie významné pro torzní tuhost

Superb I se zadní příčnou stěnou a malým víkem zavazadlového prostoru

Třída vozu

Superb II bez zadní příčné stěny a velkými pátými dveřmi.

Statická torze Dynamická (kNm/°) torze (Hz)

A0 (Fabia)

15-20

38-47

A (Octavia)

18-28

38-48

B (Superb)

20-30

38-52


Yeti bez zadní příčné stěny. Obdoba karoserií kombi.

6.1. Tuhost Statická torzní tuhost je důležitá zejména pro dosažení dobrých jízdních vlastností vozu a je základem pro optimální ladění podvozku. V poslední době se spolu s hmotností a velikostí vozu používá pro výpočet takzvaného indexu lehké konstrukce karoserie Lwi, viz obr.

LWI 

m cT * A

m – hmotnost karoserie ( kg ) cT – statická tuhost ( kNm/°) A – základní plocha- rozvor x rozchod (m2)

Dynamická tuhost je druh vlastní frekvence a je důležité, aby všechny významné módy leželi mimo oblast budících frekvenci od podvozku, motoru, aero,… Je dobré si uvědomit na čem vlastní frekvence závisí. Zjednodušeně lze použít vztahu pro jednoduché kmitání nosníku, viz obr. Je tedy třeba dát pozor na to, aby při snaze o zvýšení vlastní frekvence nepřevýšil nárůst hmotnosti přírůstek statické tuhosti a tím nedošlo k opaku.


f - vlastní frekvence (Hz) K - tuhost (N/m) m - hmotnost (kg)

6. Vlastnosti karoserie 6.2. Pevnost

- Pasivní bezpečnost Čelní nárazy Boční nárazy Zadní nárazy Rollover - Životnost simulátory vozovek Jízdní dlouhodobé zkoušky Komponentní testy - Pojišťovací nárazy - Pevnost uchycení kotevních míst Sedaček Pasů Upevnění zavazadel , …


6.2. Pevnost - čelní náraz Škoda Superb 6

1

3

4

5

1. Hlavní podélník – optimalizováná struktura 2. Horní podélník – Tailor blank 3. Práh – Rollprofil 4. Příčník – Za tepla tvářený díl 5. Tunnel – Za tepla tvářený díl 6. Výztuha A sloupku – Za tepla tvářený díl 7. Dveřní výztuhy - HSS


0,5% 18,9%

Deformace pouze před A sloupkem

2 7

Silové toky 2,0%

0,3 %

28,3% 29,8%

20,1%

6.2. Pevnost - boční nárazy Škoda Rapid

Boční náraz

4 2

6

4 5

1

Náraz na kůl 3

Stabilita karoserie 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Výztuha B sloupku – tvářená za tepla Výztuha A sloupku – tvářená za tepla Výztuha prahu - HSS Příčník střechy - HSS Dveřní výztuhy - HSS Příčník v podlaze


6.2 – přední pojišťovací náraz 15 km/h

 v = 15+1 km/h  Pevná bariéra 10°  Offset 40%

40 % 10 °

Tepelně tvářená výztuha - Usibor 1500 AlSi80 55 FD - 16PDP – Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015

6.2- Zadní pojišťovací náraz

40%

10°


7. Návrh výlisku karoserie


Karosérie osobního automobilu Ing. Petr Šimon Škoda Auto a.s

Recommend Documents