Avant de dévoiler au salon automobile de Genève 1994 la première génération de l’Audi A8, succédant au V8 quattro, le constructeur premium allemand avait présenté à l’IAA 1993 un premier concept car innovant basé sur une carrosserie et une structure entièrement en aluminium : l’Audi Space Frame (ASF) concept motorisé par un V8 TDI de 3,4 litres développant 200 ch (147 kW) et 370 Nm. L’ASF concept mettait en avant une nouvelle technologie révolutionnaire faisant appel à un structure principale et à des panneaux de carrosserie entièrement en aluminium offrant plus de rigidité et de sécurité tout en réduisant le poids total du véhicule.
Carrosserie en aluminium d’Audi : une technologie révolutionnaire dans la construction automobile
Au cours des dernières décennies, Audi a été à l’origine d’importantes avancées techniques dans la conception des voitures, comme le système de transmission intégrale quattro, une forme de carrosserie aérodynamique, la carrosserie 100% galvanisée, l’injection directe pour les moteur turbo-diesel et essence, dans les ADAS, la conduite autonome, les phares et les feux, …
Avec sa nouvelle technologie en aluminium pour les carrosseries produites en série, Audi a défini dans les années 1990 une tendance qui a eu une grande portée dans le futur. Il s’agissait de la première initiative visant à inverser la spirale de poids ascendante inévitable dans l’industrie automobile : les voitures aux dimensions généreuses et luxueusement équipées dans le secteur du marché premium ne doivent pas nécessairement être plus lourdes qu’un modèle de milieu de gamme. Et avec la nouvelle construction de carrosserie développée par Audi, ils devenaient également plus sûrs.
Jusque dans les années 1990, les exigences croissantes de confort, de sécurité et de performance ont continuellement poussé la spirale du poids vers le haut. Le poids en constante augmentation nécessitait des moteurs plus puissants, ce qui augmentait la charge sur le châssis, qui devenait par conséquent également plus lourd. De plus grands réservoirs de carburant sont devenus nécessaires pour fournir une autonomie adéquate.
Mais un poids supplémentaire signifie toujours une augmentation de la consommation de carburant – en pratique, il peut être démontré qu’environ 70% de la consommation totale de carburant est directement influencée par le poids du véhicule. La carrosserie en aluminium réduit considérablement la consommation car elle est 30 à 40% plus légère qu’une carrosserie en acier équivalente. Enfin, une voiture qui consomme moins de carburant a moins d’impact sur l’environnement.
Après plus de dix ans de recherches et de travaux, Audi a réussi pour la première fois de construire une carrosserie entièrement en aluminium en série, faisant appel à des techniques de développement et de fabrication nouvelles dans l’industrie automobile.
Audi Space Frame ASF : de multiples avantages
Une carrosserie en aluminium légère de construction volumique offre un certain nombre d’avantages convaincants:
– L’aluminium réduit le poids de la voiture. Avec la même puissance moteur, les performances sont améliorées et la consommation de carburant réduite. Une voiture plus légère accélère et se comporte mieux.
– L’Audi Space Frame (ASF) offre une excellente protection des occupants : lors des crash-tests, la structure Space Frame s’est révélée très rigide et résiste à la déformation.
– La structure de carrosserie en aluminium développée par Audi est non seulement légère, mais également très rigide – résistant aux forces de flexion et de torsion. Ceci est particulièrement avantageux pour le confort sur la route – avec de faibles niveaux de vibration et de bruit.
– L’utilisation de l’aluminium dans une carrosserie réduit l’impact sur l’environnement. Cela devient clair lorsque l’apport d’énergie pour l’ensemble du cycle des matériaux et l’excellente capacité de recyclage de l’aluminium sont pris en compte.
La construction de l’Audi Space Frame est une étape décisive dans un développement vers des voitures plus légères, qui réduisent l’impact environnemental. D’autres étapes de développement sont possibles : des moteurs et des boîtes de vitesses plus petits et plus légers, permettant des économies de poids supplémentaires avec un volume de réservoir de carburant plus petit et des modifications appropriées du châssis et d’autres composants.
Exploration de nouvelles voies dans la construction automobile via 2 pionniers technologiques
Il n’y a pas de précédent pour l’Audi Space Frame dans une application automobile sur le marché mondial, que ce soit en termes d’expérience de développement ou de technologie de fabrication. Afin de mettre en pratique ce concept technique avancé, les métallurgistes et les ingénieurs de développement et de production ont dû explorer de nouvelles voies.
Pour y parvenir, deux pionniers de la technologie ont uni leurs forces : Audi et Alcoa, la société Aluminium Company of America basée à Pittsburgh, en Pennsylvanie (États-Unis). En dix ans de travail, ils ont développé des alliages d’aluminium, des méthodes de construction et des techniques de production adaptées aux exigences d’une carrosserie automobile. Leur travail a permis de réduire le poids de la voiture et en même temps d’élever le niveau de sécurité.
En tant que grand producteur d’aluminium, Alcoa a pu apporter son expérience des alliages spéciaux avancés développés pour les applications aérospatiales. Les ingénieurs d’Audi ont mis à profit leur savoir-faire en matière de conception innovante dans l’industrie automobile.
En conséquence, les deux sociétés ont mis au point des alliages d’aluminium et des procédés de fabrication adaptés pour concrétiser les nouveaux concepts de conception.
ASF – Audi Space Frame : un nouveau concept de carrosserie
La structure de carrosserie qu’Audi a conçue est une construction de châssis avec des panneaux de carrosserie entièrement intégrés et porteurs de contraintes. Ce design allégeant le poids va beaucoup plus loin que la disposition classique du cadre spatial.
La structure du cadre est constituée de poutres extrudées de section principalement fermée, qui sont soit droites soit courbées. Celles-ci sont jointes au moyen de moulages sous vide (appelés nœuds) à tous les points d’angle et intersections fortement sollicités : le résultat est une structure semblable à une cellule : le Space Frame
Les extrusions d’aluminium sont pressées dans leur forme finale avant l’assemblage, par exemple pour faire partie du cadre de toit, des seuils ou des montants de porte. Les poutres de différentes sections sont formées selon les besoins avant d’être assemblées, ce qui dans la plupart des cas se fait au moyen de nœuds en aluminium moulés sous vide.
Cela produit un certain nombre de sous-unités distinctes, telles que les sections de carrosserie avant ou arrière, qui sont également reliées entre elles par des nœuds moulés sous vide pour former la cellule de carrosserie – et le cadre d’espace est complet. L’étape suivante consiste à relier les plus grands panneaux de revêtement en aluminium, tels que le toit et les panneaux latéraux arrière, à la cellule de carrosserie principale.
Cela se fait par un procédé de rivetage à l’emporte-pièce, utilisé pour la première fois dans la construction automobile. Comparée aux techniques d’assemblage conventionnelles, cette méthode présente l’avantage d’une plus grande résistance et d’une haute qualité constante en production. D’autres méthodes d’assemblage utilisées pour fabriquer la carrosserie sont le soudage et le collage.
Les connexions complexes des nœuds ont une grande influence sur la rigidité en torsion de l’ASF. La forme et l’épaisseur de paroi des nœuds sont conçues exactement en fonction des contraintes qui se produisent à ce point particulier.
De manière générale, l’Audi Space Frame, qui a également donné lieu à un certain nombre de nouveaux brevets, était une approche complètement nouvelle.
Plus de sécurité avec l’ASF
La structure ASF offre une excellente protection des occupants car elle est très rigide et résiste à la déformation. La rigidité de l’habitacle établit de nouvelles normes de sécurité, même avec des niveaux plus élevés d’énergie de collision.
Des forces égales agissant sur une carrosserie ASF et une carrosserie en acier de taille équivalente produisent moins de déformation dans la structure en aluminium. La structure du cadre a une fonction similaire à la cage de sécurité des voitures de compétition.
Afin de concevoir une structure avec une sécurité exceptionnelle, un ordinateur spécial a été utilisé pour simuler diverses situations de collision et calculer les forces qui se produisent. De cette façon, il a été possible de concevoir les sections de poutre complexes exactement en fonction des contraintes générées en un point particulier, grâce aux différentes formes et aux épaisseurs de paroi variables possibles avec l’aluminium. Les éléments de châssis avant, par exemple, sont en forme de cylindre – une caractéristique de sécurité particulièrement élective nécessitant un minimum de poids.
Des crash tests ultérieurs ont vérifié les niveaux de sécurité élevés atteints. Après un choc frontal à 56 km/h, par exemple, les portes s’ouvraient toujours facilement et l’espace aux pieds à l’avant n’était que très légèrement déformé.
De même, en cas de choc latéral, l’effet combiné du système dans son ensemble – composé d’une cellule passager rigide, de renforts de porte en aluminium de haute résistance et d’un rembourrage absorbant l’énergie – offre une protection exceptionnelle des occupants. A l’époque, la carrosserie dépassait déjà confortablement les exigences des strictes normes de sécurité américaines FMVSS 214 qui ne sont entrées en vigueur qu’en 1997.
En conduite dynamique, une voiture avec une carrosserie très rigide et un poids léger est plus performante que les voitures plus lourdes avec le même degré de rigidité. Dans les situations critiques sur la route, cette maniabilité supérieure et une réponse de direction plus précise rendent la voiture plus stable lorsqu’une manœuvre d’évitement est nécessaire. Avec la même puissance du moteur, la voiture plus légère accélère également plus rapidement, nécessitant ainsi des distances plus courtes pour les dépassements.
Au total, la construction Audi Space Frame combine des économies de poids substantielles avec un niveau de sécurité très élevé.
Aluminium – un matériau qui réduit l’impact sur l’environnement
Les carrosseries de voitures en acier et en aluminium nécessitent des quantités d’énergie différentes pour leur fabrication et leur fonctionnement. Prenant les besoins énergétiques pour l’ensemble du cycle des matériaux, l’utilisation de l’aluminium réduit l’impact sur l’environnement.
L’aluminium est le métal le plus commun dans la croûte terrestre. Par rapport à l’acier, environ 4,5 fois plus d’énergie est nécessaire pour produire des produits en aluminium semi-finis (tels que la tôle) à partir de la bauxite d’origine. Mais cette exigence initiale est considérablement réduite lorsque l’avantage de poids de l’aluminium est mis dans l’équation : une carrosserie en aluminium pèse 30 à 40% de moins qu’une carrosserie en acier de fonction équivalente.
Un autre facteur est que lorsque les panneaux en acier embouti sont estampés, environ 60% du métal énergivore reste inutilisé. Pour la carrosserie ASF, Audi utilise un pourcentage élevé de pièces moulées et d’extrusions qui, contrairement à l’acier embouti, peuvent être fabriquées avec peu de gaspillage. Cela réduit la prime énergétique pour la fabrication d’une carrosserie en aluminium par rapport à l’acier d’un facteur de 4,5 à environ un facteur de 2.
Une autre différence est que, puisque l’aluminium est léger et facile à transporter, il est généralement fabriqué là où une énergie propre peut être obtenue à partir de sources hydroélectriques.
Une comparaison des apports énergétiques respectifs requis pour la fabrication d’une carrosserie en aluminium et d’un carrosserie en acier de fonction équivalente donne les résultats suivants : si la carrosserie en aluminium est entièrement fabriquée avec de l’aluminium primaire (obtenu directement à partir du minerai), la baisse d’environ 40% du poids compense les besoins énergétiques supplémentaires après environ 60 000 km, en supposant que les voitures roulent dans des conditions similaires. Si toutes les économies de poids secondaires possibles étaient également exploitées (par exemple sur le moteur, le châssis et la capacité du réservoir), le seuil de rentabilité serait alors atteint après seulement 25 0o0 à 35 000 km.
Si l’on suppose en outre que 75% du métal de la carrosserie est de l’aluminium recyclé (aluminium secondaire), les besoins énergétiques initiaux sont en fait inférieurs à ceux d’une carrosserie en acier.
Un pourcentage exceptionnellement élevé de l’aluminium utilisé dans les applications de transport est retourné pour recyclage. En 1990, par exemple, ce chiffre était d’environ 90%. Dans d’autres secteurs également, plus d’aluminium est recyclé que pratiquement tout autre matériau. Et l’apport d’énergie nécessaire pour produire de l’aluminium secondaire n’est qu’une fraction de celui requis pour la fabrication de l’aluminium primaire.
Un autre facteur important est que l’aluminium peut être recyclé plus ou moins indéfiniment. L’aluminium secondaire a la même qualité que l’aluminium primaire de même composition. Cela signifie que les différents composants de l’ASF peuvent être utilisés pour les mêmes applications après recyclage : les extrusions peuvent être réutilisées comme extrusions, les pièces moulées comme pièces moulées et la tôle comme tôle, etc.
Un autre avantage est la capacité de l’aluminium à résister à la corrosion. Une voiture avec une carrosserie en aluminium a une durée de vie très longue : elle conserve bien sa valeur, ce qui devrait se refléter dans les prix de revente élevés correspondants.
Méthodes de réparation efficaces
Audi a développé des méthodes de réparation efficaces spécialement adaptées à la carrosserie en aluminium. C’était une exigence définie au début du projet ASF qui, avec l’aide des ingénieurs Audi, a été transformée en techniques pratiques et peu coûteuses au cours du développement.
Les pièces en tôle de la carrosserie en aluminium peuvent être remodelées avec un traitement thermique approprié. Les méthodes utilisées pour les réparations sectionnelles et le remplacement de panneaux complets sur la carrosserie en aluminium sont similaires à la procédure pour une carrosserie en acier.
Les éléments de châssis avant sont des pièces cylindriques en aluminium capables d’absorber de grandes quantités d’énergie par déformation. En cas de dommage, ils peuvent être facilement remplacés par de nouveaux composants boulonnés. Le soudage n’est pas nécessaire.
Lors d’une collision par l’arrière, les éléments du châssis arrière absorbent la majeure partie de l’énergie. Ils sont conçus pour être suffisamment résistants pour résister à la déformation lors du test de réparation de crash allemand AZT (au centre de test Allianz) utilisé pour l’analyse des assurances.
Les extrusions d’aluminium peuvent être remplacées au complet ou en sections. Les pièces moulées en aluminium sont remplacées complètes ou sous la forme d’un sous-ensemble complet.
Les méthodes de réparation de la peinture pour l’aluminium sont les mêmes que pour une carrosserie en acier.
Même avec une carrosserie en acier, il est désormais normal de faire effectuer des réparations accidentelles importantes par des ateliers de carrosserie spécialisés avec un équipement approprié et du personnel qualifié. Une approche similaire est utilisée pour la carrosserie en aluminium – les réparations majeures, en particulier celles impliquant la structure de la carrosserie, sont effectuées par des concessionnaires Audi sélectionnés avec du personnel spécialement formé et des ateliers convenablement équipés.
ASF et V8 TDI – une combinaison avec un potentiel pour l’avenir
Dévoilé au salon automobile de Francfort 1993, le concept car ASF est équipé d’un moteur turbo diesel V8 à injection directe (TDI) développant 200 ch (147 kW) à 4250 tr/min. Avec un couple maximum de 370 Nm à seulement 2000 tr/min, le couple est très important pour l’époque, avec au moins 330 Nm disponibles sur une plage allant de 1 600 à 4 250 tr/min.
Avec la combinaison du moteur V8 TDI à bloc en aluminium et de la carrosserie légère en aluminium, Audi a présenté un concept qui a un bon sens écologique avec un potentiel pour le marché des voitures de luxe qui s’est confimé via différents modèles Audi, notamment l’A2 et l’A8.
Le diesel V8 de 3,4 litres à injection directe avec turbo et refroidissement intermédiaire air-air est dérivé du V8 à allumage commandé d’Audi, basé sur un bloc tout en aluminium. Les priorités de cette unité de puissance sont le raffinement et une puissance de sortie élevée, avec un minimum absolu de consommation de carburant.
Selon les calculs initiaux des ingénieurs de développement, ce concept de moteur TDI dans une berline haut de gamme avec une carrosserie aérodynamique légère en aluminium serait capable d’accélérer de 0 à 100 km/h en moins de 10 secondes, avec une vitesse de pointe dépassant 200 km/h.
Les chiffres de consommation réalistes sont de 8,4 litres/100 km en cycle urbain, seulement 4,7 litres/100 km à 90 km/h et 6,2 litres aux 100 km à 120 km/h. Les mesures de contrôle des émissions comprennent la recirculation des gaz d’échappement et un convertisseur catalytique diesel.
Avec ce concept de moteur diesel avancé, Audi montrait qu’en tant que constructeur automobile innovant, il a également la capacité dans le secteur haut de gamme de répondre à un scénario environnemental à moyen terme envisageable. Si les circonstances nécessitaient la combinaison du diesel de haute technologie très économique avec une carrosserie en aluminium entièrement recyclable comme moyen de conserver les ressources, Audi était prêt à donner son feu vert pour développer ce moteur pour la production. Le moteur V8 TDI est d’ailleurs apparu quelques années plus tard sur des modèles plus récents.
Un concept car annonçant l’Audi A8 D2
Le concept-car Audi Space Frame avec moteur V8 TDI est une pièce d’ingénierie incroyablement élégant avec sa carrosserie en aluminium entièrement polie. La carrosserie mesure 5,03 mètres de long et les jantes en alliage léger au design Avus distinctif (reprises sur la future Audi S8 D2) ont un diamètre de 18 pouces et sont équipées de pneus en 255/45 R18.
A l’intérieur, les sièges en cuir Napa rouge foncé apportent le contraste de couleur souhaité à la finition en métal poli de la carrosserie en aluminium.
Dans le concept-car, le moteur V8 TDI est combiné à une traction avant et à une boîte de vitesses manuelle à six rapports. La nouvelle suspension avant à quatre bras du concept-car est conçue pour une traction avant. La suspension arrière est un développement supplémentaire de la disposition des bras trapézoïdaux. Différentes parties des suspensions avant et arrière sont en aluminium léger.
Un second concept ASF avec un gros moteur W12 a été présenté quelques semaines plus tard en octobre 1993 au salon automobile de Tokyo.
Photos : 4Legend.com / Audi / DR
