Karosérie osobního automobilu Ing. Petr Šimon Škoda Auto a.s. 04.03.2015 1 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
Obsah : 1. Požadavky na karoserii osobních vozidel 2. Virtuální vývoj 3. Základní pojmy 4. 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 Design Recyklace Koroze Opravitelnost Ergonometrie Pasivní Bezpečnost Tuhost Aerodynamika Životnost Technologičnost Akustika Komplexita Kvalita Zákonné požadavky Cena Hmotnost NVH 3 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
Hmotnost [kg] Vývoj hmotnosti okované karosérie Škoda Octavia 275 250 225 Octavia II 373 kg - 6.5% - 0,34 g/km CO 2 cca.- 5% 2,5 /kg Materiálový koncept: Ocelové řešení Octavia IV 200 Octavia I 348 kg Octavia III 348 kg cca.- 40% 4-15 /kg Kombinace materiálů Hliník Magnesium Kompozity 1995 2000 2005 2010 2015 2020 4 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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, ) 6 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
3. Základní pojmy A sloupek Přední příčná stěna B sloupek Střecha Zadní čelo D sloupek C sloupek Přední podběh Zadní podběh Dolní podélník Horní podélník Práh Podlaha 7 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
3. Základní pojmy Svařená karoserie Okovaná karoserie Karoserie Škoda Yeti 8 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
3. Základní pojmy Střecha Zadní čelo Sestava podlahy Nástavba ( Klobouk ) Příčníky střechy Zadní podlaha Přední podlaha Postranice úplná Přední část karoserie 9 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
4. Koncepty karoserií 10 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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 11 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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. Zdroj: EuroCarBody 2009 13 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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) Zdroj: EuroCarBody 2010 14 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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. Zdroj: EuroCarBody 2008 15 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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 17 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
4.3. CFK Monocogue Sériové vozy 2013 BMW i3 Zdroj: EuroCarBody 2013 18 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
4.3. CFK Monocogue Sériové vozy 2013 Alfa Romeo 4C 3000 vozů/rok Zdroj: EuroCarBody 2013 19 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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 karbonizova né z PAN (95 % uhlíku) grafitované z PAN (99 % uhlíku) mezofázová smola (99% uhlíku) Pevnost v tahu GPa E-modul GPa 5,5 250 1,9 4,4 377 1,2 3,8 900 0,4 Tažnost % Výrobce (příklad) Toray, Japonsko (1997) Toray, Japonsko Mitsubishi, Japonsko viskoza (99% uhlíku) 1,2 100 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 15-30 dolarů/kg. Zdroj: Wikipedie 20 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
4.3. CFK Monocogue Zdroj: Strategie in Car Body Egineering 2013 21 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5. Ocelová samonosná karoserie 5.1. Skladba 22 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5. Ocelová samonosná karoserie 5.1. Skladba Octavia II Jednoslupkové zakládaní Podsestavy výztuh vkládány jednotlivě do vnějšího rámu. 1 2 Jednoslupkové zakládaní Podsestavy výztuh nejprve složeny do sestavy vnitřního rámu a následně vcelku vloženy do vnějšího rámu. Yeti Superb II 1 2 Dvojslupkové zakládaní Vnitřní rám z výztuh nejprve svařen s podlahou a příčníky, pak přichází vnější rám. 1 2 Výhody: Přímé bodové svaření pevnostních dílů bez omezení vnějším rámem. Redukce tavných svarů Nevýhody: Nutné nové pracoviště v lince svařené karoserie 23 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.1. Skladba- mapa řezů Škoda Superb II 24 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5. Ocelová samonosná karoserie 5.2. Materiály Quelle ULSAB-AVC 25 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5. Ocelová samonosná karoserie 5.2. Materiály Zdroj: Salzgiter 26 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.3. Materiály Škoda Superb III Materiálový koncept 19% 3% 36% 14% 28% Low Strength Steel (LSS) R P0,2 < 200 MPa High Strength Steel (HSS) 200 400 MPa Advanced High Strength Steel (AHSS) 400 700 MPa Ultra High Strength Steel (UHSS) 700 1000 MPa Press Hardened Steel (PHS) 1000 1200 MPa 31,26 31,26 % 27 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.2. Materiály Škoda Superb III Superb I Superb II Superb III 0 % 12,5 % 25,6 % 4,0 % 5,9 % 19,9 % PHS AHSS + UHSS LSS + HSS Zahrnuta svařená karoserie a výztuhy nárazníku. Bez dveří a vík. 28 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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 29 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.3. Technologie Tváření za tepla Tváření za tepla 30 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.3. Technologie Tváření za tepla Před vytvrzením Po vytvrzení Rm [Mpa] RP 02 [Mpa] A80 % Rm [Mpa] RP 02 [Mpa] A80 % Výrobce TL4225-22MnB5 min. 500 min. 310 resp. min. 350 u ALSI 10 1300-1650 1000-1250 min. 4,5 - Boron 02 500 320 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 MBW 1900 - - - min. 1900 min. 1200 5 Thyssen(od 2014???) 32 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.3. Technologie Tváření za tepla 33 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.2. Technologie - za tepla tvářené díly u karoserií vozů Škoda Octavia I Octavia II Superb II Octavia III 0% 6,3% 12,5% cca 26 % Konvenční díly Konvenční díly Za tepla tvářené díly Konvenční díly Za tepla tvářené díly Konvenční díly Za tepla tvářené díly 34 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 36 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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. 37 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.3. Technologie Laserem svařované válcované plechy TWB Tailor Welded Blanks Nástřihy z různých tloušťek a různých materiálů svařené laserem. 38 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.4. Spojování - Bodové svařování - Tavné svařování (MIG,MAG,CMT) - Laserové svařování - Laserové pájení - Lepení - Nýtování, clinch - Šroubování 39 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.4. Spojování Fabia II Fabia III Svařovací body [ks] Tavné sváry [mm] 3 820 3 884 +64 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 40 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.4. Spojování Odporové bodové svařování Svařování laserem 41 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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 42 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.4. Spojování Lepení na příkladu Škoda Superb II 43 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.4. Spojování Spojování nýty Spojování Spojování trhacími nýty 44 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.4. Spojování Šrouby Pentaflow od firmy Betzer jsou jednou z možností jak spojovat plechové díly pouze s jednostranným přístupem do spojované oblasti. 45 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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 79,2 % 46 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.4. Ochrana proti korozi korozní ochrana a utěsňování karoserie v lakovně Lakovaná karoserie Skladba lakovacích vrstev Hrubé PVC-utěsnění spojů karoserie Jemné 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 47 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
5.4. Výrobní proces Blokový layout 48 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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 49 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
6.1. Tuhost oblasti karoserie významné pro torzní tuhost Superb I se zadní příčnou stěnou a malým víkem zavazadlového prostoru Superb II bez zadní příčné stěny a velkými pátými dveřmi. Yeti bez zadní příčné stěny. Obdoba karoserií kombi. Třída vozu Statická torze (knm/ ) Dynamická torze (Hz) A0 (Fabia) 15-20 38-47 A (Octavia) 18-28 38-48 B (Superb) 20-30 38-52 50 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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. L WI c T m * 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) 51 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
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, 52 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
6.2. Pevnost - čelní náraz Škoda Superb Silové toky 0,5% 2 1 7 3 6 4 5 Deformace pouze před A sloupkem 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 2,0% 29,8% 18,9% 20,1% 0,3 % 28,3% 53 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
6.2. Pevnost - boční nárazy Škoda Rapid Boční náraz 4 2 6 4 5 1 Náraz na kůl 3 Stabilita karoserie 1. Výztuha B sloupku tvářená za tepla 2. Výztuha A sloupku tvářená za tepla 3. Výztuha prahu - HSS 4. Příčník střechy - HSS 5. Dveřní výztuhy - HSS 6. Příčník v podlaze 54 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
6.2 přední pojišťovací náraz 40 % 10 15 km/h v = 15+1 km/h Pevná bariéra 10 Offset 40% Tepelně tvářená výztuha - Usibor 1500 AlSi80 55 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
6.2- Zadní pojišťovací náraz 40% 10 56 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015
7. Návrh výlisku karoserie 57 FD - 16PDP Karoserie osobního automobilu 4.3. 2015