Giảm trọng lượng xe – Chìa khóa thành công của Audi

Nhắc đến xe hơi thì trọng lượng được xem là kẻ thù lớn nhất bởi nó ảnh hưởng đến gia tốc, khả năng vận hành và lượng nhiên liệu tiêu thụ. Để giảm trọng lượng, ngoài việc tối ưu thiết kế, các nhà sản xuất cần tìm kiếm những vật liệu nhẹ để thay thế vật liệu thông thường.

Một trong những hãng xe đi đầu trong việc cải tiến nhằm giảm trọng lượng của xe là Audi, hãng xe sang hàng đầu của Đức. Niềm tự hào của Audi chính là Cấu trúc khung nhôm nhẹ liên kết đa điểm Audi Space Frame (ASF), công cụ thiết yếu trong việc xây dựng khung vỏ xe trong 15 năm qua. Chỉ tính riêng năm vừa rồi, nó được ứng dụng trên 38 mẫu thiết kế mới được cấp bằng sáng chế. Trong đó, một số chỉ mang tính chất thử nghiệm, một số thì quá đắt để có thể sử dụng trong tương lai gần, nhưng phần lớn đang được tiếp tục đưa vào những thiết kế mới.

Vật liệu nhẹ đóng một vai trò rất quan trọng

Audi không ngừng thử nghiệm với các thành phần làm bằng nhôm, thép hợp kim mới, titan, ma-giê, sợi carbon, và cấu trúc nhựa được gia cố. Điều này đòi hỏi các phương pháp mới trong việc định hình và liên kết sao cho có thể sử dụng được tại tất cả các vị trí trên xe. Chi phí sẽ phải được cân nhắc so với tác dụng của việc giảm trọng lượng đem lại. Ông Heinz Hollerweger, Trưởng phòng Phát triển Audi cho biết: "Các nhà thiết kế tính toán trọng lượng tổng thể ngay từ đầu sau đó mới bắt tay vào việc xử lý chi tiết. Việc đưa vào sản xuất tạo ra nhiều thách thức. Khi tăng hệ thống an toàn, trọng lượng xe sẽ tăng. Ngoài ra, trọng lượng cũng sẽ tăng khi chúng tôi thêm hệ thống truyền lực điện hoặc hybrid với các pin rất nặng, điều này ảnh hưởng đến tầm hoạt động của xe".

Mục tiêu chính của công ty là sử dụng vật liệu tốt nhất, ít nhất có thể, chính xác ở những nơi mà nó cần. Nếu phần nào không chịu tải, nó sẽ được bỏ đi. Việc giảm những trọng lượng nhỏ dường như đem lại nhiều lợi ích hơn người ta tưởng. Giống như tích góp một trăm đồng xu để được một đô-la, các kỹ sư đã làm việc rất tỉ mỉ để có thể giảm khối lượng từ những chi tiết nhỏ nhất: Những chốt thép bắt động cơ với hộp số được thay bằng nhôm giảm được 560 gam; một cáp pin giảm đi 1,2 kg nếu được thay bằng đồng; hàn Laser thay cho hàn điểm giảm 250 gram cho thân xe. Sử dụng rô-bốt tính toán chính xác lượng keo cần thiết để dính hai tấm panel có thể triệt tiêu khối lượng vô ích đồng thời loại bỏ công đoạn làm sạch keo thừa. Một cải tiến nhỏ nữa đó là thay chân đạp làm bằng kim loại bởi một chiếc tương tự bằng nhựa cứng.

Ở trung tâm kỹ thuật của Audi, người ta trưng bày các chi tiết giống nhau sử dụng vật liệu thông thường và vật liệu nhẹ để cho thấy sự khác biệt từ các chi tiết lớn như: kính chắn gió, bánh xe và tấm lót sàn dành cho khoang hành lý cho đến những chi tiết có khả năng tiết kiệm rất ít như: tuabin tăng áp và các móc khóa.

Đặc biệt nổi bật là loại đĩa phanh “hybrid”, sở dĩ được gọi như vậy bởi nó được cấu thành từ nhiều loại vật liệu khác nhau và nhẹ đến nỗi có thể nhấc lên bằng 1 tay. Mặc dù giá thành của nó rất đắt để đưa vào sản xuất hàng loạt nhưng thiết kế này tạo ra một hướng mới cho phanh đĩa thông thường: đó là liên kết các đĩa phanh bằng những ống trụ. Những ống này làm cho đĩa phanh tản nhiệt nhanh hơn và không đọng nước. Trong thời gian không xa, các đĩa phanh này sẽ xuất hiện trên xe Audi mới. Một phần khá quan trọng là các chi tiết quay như: phanh, bánh đà được quan tâm đặc biệt vì các chi tiết này chịu sự ảnh hưởng của lực ly tâm. Cụ thể là việc tiết kiệm 1kg khối lượng của chi tiết quay sẽ tương ứng với việc tiết kiệm 16 kg khối lượng của chi tiết tĩnh.

Bằng cách giảm 100 kg, chiếc xe có thể tiết kiệm 0,3-0,5 lít/100km, và giảm lượng khí thải CO2 khoảng 8-11 g/km. Ngoài ra, vật liệu nhẹ cũng góp phần tăng thêm vẻ đẹp của chiếc xe. Cánh bên thân của R8 làm bằng sợi carbon trong suốt ấn tượng đến mức rất nhiều khách hàng chọn nó bởi vẻ ngoài hơn là vì nó nhẹ hơn cánh thường đến 45%.

Công nghệ chế tạo tiên tiến

Audi đã tìm hiểu bản chất của khả năng chịu tải ở vật liệu nhẹ trong tự nhiên như xương chim và xương sọ voi. Chúng có cấu trúc rỗng với những thanh tăng cứng bên trong. Các bộ phận của Audi cũng được chế tạo tương tự như vậy. Trụ đỡ bằng nhôm mỏng được gia cố còn vững chắc hơn trụ thép dày.

Việc liên kết các chi tiết làm bởi các loại vật liệu khác nhau từng là vấn đề đau đầu các nhà nghiên cứu. Chẳng hạn việc liên kết giữa thép và nhôm sẽ gây ra phản ứng ăn mòn, chính vì vậy Audi phải cô lập hai kim loại này bằng cách sử dụng sơn và keo dán. Các loại đinh vít và đinh tán bằng kim loại nhẹ đặc biệt được khoan bởi robot. Công nghệ hàn laser tự động chính xác hơn, nhanh hơn và đặc biệt là không nhìn thấy vết hàn. Các loại vật liệu mới và công nghệ mới cũng cho phép đơn giản hóa công đoạn lắp ráp. Ví dụ như thành bên của một chiếc A8 đời đầu được ghép bởi 8 mảnh thì giờ đây chỉ còn duy nhất một mảnh.

Những thử nghiệm

Kết quả việc giảm trọng lượng ở tất cả các vị trí đã mang lại những lợi ích hiển nhiên. Người ta thiết lập ba thử nghiệm, hai trong số đó mang tính đối kháng. Đầu tiên là A5 Quattro coupe 3,2-lít V6 so với một mẫu A5 thử nghiệm với động cơ 2,0 lít bốn xi-lanh và phần thân được làm chủ yếu bằng nhôm, mui xe bằng sợi carbon cùng với các thủ thuật tiết kiệm trọng lượng, bao gồm các sợi carbon chèn vào bánh xe. Chênh lệch khối lượng lên tới 230 kg. Mặc dù công suất chỉ là 211 so với 265 mã lực của V6 nhưng A5 mới tăng tốc mạnh mẽ hơn. Nó cũng vào cua “nét” hơn, dừng lại nhanh hơn, và chạy “bốc” hơn. Hiện nay, không thể sản xuất xe dung tích xy lanh lớn ở cái giá mà một người tiêu dùng có thể trả, nhưng những mẫu thử nghiệm là phần thiết yếu của quá trình phát triển.

Thử nghiệm thứ hai đơn thuần để thỏa mãn sở thích. Người ta độ chiếc Audi A3 24 Street phiên bản của chiếc xe đua A3 đã tham gia cuộc đua 24-hour ở Nurburgring. Với động cơ 2,0 lít TFSI 300 mã lực, mô men xoắn 287-lb ft, sức mạnh đó chỉ phải chịu một khối lượng vẻn vẹn 1.190 kg.

Cuối cùng là các thử nghiệm tiết kiệm nhiên liệu giữa hai chiếc TT Coupes. Một chiếc được trang bị động cơ 2,0 lít bốn xi-lanh nặng 1.360 kg và một chiếc V6 nặng 1.500 kg. Cả hai chiếc xe đã được gắn thiết bị đo nhiên liệu trên bảng điều khiển. Người ta cho 2 chiếc xe thực hiện một loạt các động tác tăng tốc và phanh theo một biểu đồ mô phỏng một chu trình giao thông trong thành phố. Việc tính toán tương đối phức tạp và kết quả là có sự sai khác đáng kể: Động cơ nhỏ hơn và trọng lượng nhẹ tiết kiệm nhiên liệu 2,0-2,5 L/100 km.

Vật liệu nhẹ - tương lai của công nghệ ôtô

Kể từ khi được hình thành một thế kỷ trước, Audi luôn giữ một triết lý không đổi đó là thiết kế những chiếc xe nhẹ với động cơ nhỏ. Trước kia, động cơ lớn và mạnh mẽ là cần thiết cho những chiếc xe cơ bắp. Giờ đây, giá xăng đã tăng lên 1.35 Euro/lít (tại châu Âu) cùng các tiêu chuẩn khí thải hướng tất cả các nhà sản xuất tới những động cơ nhỏ hơn và hiệu quả hơn. Nhưng nhiều khách hàng, đặc biệt là những người lái xe hạng sang, không muốn mất đi tính tăng vượt trội của dòng xe này. Giải pháp cân bằng nhất là: cải thiện hộp số, tăng công suất cho động cơ dung tích thấp, đồng thời làm cho cấu trúc nhẹ hơn, khối lượng thấp hơn để di chuyển dễ dàng.

"Khi xe nhẹ hơn, ta có thể giảm kích thước và khối lượng động cơ, hộp số", Hollerweger nói. Điều này sẽ đem lại nhiều thứ: một động cơ nhỏ hơn chỉ cần thùng chứa nhiên liệu nhỏ; trọng lượng thấp hơn đồng nghĩa không cần giảm chấn cứng, xe sẽ chạy êm hơn, phanh dừng nhanh hơn, lên đến sáu mét ở 100 km/h khi xe nhẹ hơn 100 kg. Với động năng thấp hơn, khi xảy ra va chạm hậu quả cũng thấp hơn, tức là độ an toàn cao hơn. Thậm chí tác động tốt đối với môi trường không chỉ là vấn đề về nhiên liệu và khí thải mà còn là nguyên liệu chế tạo cần ít hơn và nhôm được tái chế dễ dàng hơn so với thép.

Đương nhiên, không phải tất cả đều thuận lợi. Mỗi giải pháp hứa hẹn luôn đi kèm với những thách thức. Chi phí là vấn đề muôn thuở. Động cơ nhỏ hơn thì ồn hơn, do đó vấn đề cách âm của các xe phải được tính toán kỹ lưỡng. Vật liệu khó tìm, cần phải tìm được nguồn cung cấp đầy đủ và kịp thời. Công nhân phải được đào tạo thêm các kỹ năng cần thiết để làm việc với kỹ thuật mới và vật liệu mới. Các dây chuyền lắp ráp có thể phải được sửa đổi để phù hợp với quy trình sản xuất mới. Một phần phức tạp nữa là khi đưa sản phẩm vào sản xuất hàng loạt. Đôi khi, mọi việc ở phòng thí nghiệm diễn ra hoàn hảo không có nghĩa là nó sẽ như vậy khi thực hiện tại xưởng lắp ráp. Đó là những lý do tại sao Audi  đưa ra những mô hình mới cứng nhất và nhẹ nhất có thể và sau đó phải trở lại ngay bàn vẽ để xem những gì có thể trở thành hiện thực.