Проверка эффективности силовых агрегатов электромобилей

Снижение веса по-прежнему является целью электромобилей (электромобилей), улучшая характеристики и увеличивая запас хода. С этой целью конструкторы и производители изучают возможность использования композитных материалов в корпусах аккумуляторных батарей, панелях кузова, конструкциях шасси и компонентах подвески. Однако один проект нацелен на трансмиссию помимо батарей . к корпусу коробки передач, заменив литой алюминий гибридным термопластическим композитом, армированным углеродным и стекловолокном, чтобы снизить вес на 30%.

Этот проект был разработан несколькими компаниями, входящими в группу ARRK (Осака, Япония). Основанная в 1948 году, группа включает 20 компаний в 15 странах, в которых работает более 3500 сотрудников, и предоставляет услуги по разработке продукции, включая проектирование, создание прототипов, оснастку и мелкосерийное производство, для различных отраслей промышленности. С начала 2018 года ARRK Corp. является дочерней компанией Mitsui Chemicals Group (Токио, Япония), которая производит армированные длинными волокнами термопластические смеси и однонаправленные (UD) ленты из углеродного волокна / полипропилена (CF / PP). Компания ARRK сделала композиты одним из 14 своих центров компетенции, присоединившись к немецким промышленным ассоциациям Carbon Composites e.V. и MAI Carbon в 2012 году и Composites UK в 2015 году.

Для этого проекта корпуса редуктора инженерные работы были выполнены компанией ARRK / P + Z Engineering GmbH (Мюнхен, Германия) при поддержке компании ARRK Shapers 'France (Ла Сегиньер и Эгрефёй-сюр-Мэн, Франция) в отношении производственного процесса, а также штамповки и инструменты для литья под давлением, а прототипированием руководила компания ARRK LCO Protomoules (Альби-сюр-Шеран, Франция). «Цель заключалась в том, чтобы продемонстрировать легкий вес и жесткость, которые армированный волокном термопласт может обеспечить для компонентов двигателя и трансмиссии электромобилей, обычно отлитых из алюминия», - объясняет руководитель проекта ARRK Engineering Райк Радемахер.

Коробка передач, использованная в качестве основы для этого проекта, произведена Getrag (Untergruppenbach, Германия) для Smart Fortwo электрический городской автомобиль. Был изменен только корпус, все детали интерьера использовались повторно и работали без изменений. В подходе к реинжинирингу использовались различные модели - модель конечных элементов (FEM), оптимизация топологии и моделирование процессов штамповки преформ и литья под давлением. Он также доказал, что процесс преобразования металлической конструкции в композитную с использованием нескольких партнеров, обладающих опытом в различных материалах, процессах и конструкциях.

Определение целей, нагрузок и материалов

Этот корпус коробки передач электромобиля состоит из двух половин, механически закрепленных на шестернях и валах трансмиссии автомобиля. Фаза концепции началась с определения целей проектирования. Первым шагом было обратное проектирование конечно-элементной модели путем 3D-сканирования разобранного Fortwo коробка передач, включая внутренние компоненты, валы и шестерни. Максимальный входной и выходной крутящий момент, передаточное число и крутящий момент на входном и выходном валах были получены из данных производителя. Затем моделирование методом конечных элементов было использовано для расчета крутящего момента на корпусе коробки передач для движения транспортного средства и инерционных нагрузок, а также гравитационных нагрузок до 60G для моделирования аварийных ситуаций.

Корпус коробки передач должен выдерживать эти нагрузки без превышения допустимой деформации; в противном случае могут возникнуть значительные прогибы валов шестерен, что приведет к неточному контакту шестерен. «Такой контакт приведет к повреждению шестерен и, в худшем случае, к поломке», - говорит Радемахер. «Ошибки трансмиссии из-за неточного выравнивания шестерен также приводят к нежелательным акустическим характеристикам коробки передач», - добавляет он. «Они называют это« нытьем ». Поскольку электромобили работают очень тихо, важно, чтобы эта композитная коробка передач была действительно тихой и тихой». Таким образом, жесткость является критически важным целевым показателем и должна соответствовать или превосходить базовый уровень алюминия.

Первоначально идентифицированные в качестве материалов-кандидатов для этой модернизации, тканые стекловолокна и органоиды из полиамида 6 (PA6), армированного углеродным волокном, от TenCate (Нейвердал, Нидерланды) были испытаны на механические свойства. Поскольку композит из стекловолокна показал только 50% жесткости органолиста из углеродного волокна, был выбран последний. «В качестве материала используется TenCate CETEX TC912 с использованием волокна 12K в саржевой ткани 2 на 2», - говорит Радемахер. «Мы разработали специально подобранный органолист из девяти слоев в квазиизотропной последовательности укладки (0 ° / 90 ° / 45 ° / -45 ° / 90 ° / -45 ° / 45 ° / 90 ° / 0 °)».

Этапы концепции и проектирования

Было разработано пять концепций корпуса редуктора, но только два из них обладали достаточным потенциалом для снижения веса и затрат, а также с малым временем цикла. Проверка осуществимости показала, что только одна концепция допускает достаточную жесткость за счет использования металлических седел подшипников. «Седла представляют собой прямое соединение между подшипниками валов шестерен и картером коробки передач», - поясняет Радемахер. «Мы рассмотрели возможность простого литья под давлением, но вместо этого выбрали алюминиевую вставку, отформованную поверх алюминия, чтобы повысить жесткость». Таким образом, эта концепция была выбрана для разработки.

Оптимизация топологии для минимизации энергии деформации была выполнена на последующем этапе проектирования. На основе этого анализа была уточнена геометрия картера коробки передач, включая минимальные радиусы для формовых изгибов. Эта геометрия была использована для построения имитационной модели для детального проектирования. Затем ламинат органо-листа был дополнительно оптимизирован, и было обнаружено, что слои + 45 ° / -45 ° должны быть самыми толстыми. Это хорошо коррелирует с тем фактом, что скручивание корпуса является основным источником деформации, которой необходимо противостоять.

Жесткость корпуса все еще была недостаточной, поэтому в геометрию корпуса были введены перекрещенные ленты UD и переформованные ребра. Для повторного формования команда выбрала смесь 40% стекловолокна / PA6 (GF / PA6) от EMS-Grivory (Домат / Эмс, Швейцария).

Детализация и производство

Функциональные точки крепления и соединения для двух половин картера коробки передач были подробно описаны на третьем этапе модернизации. Половинки должны были скрепляться механически, поэтому в конструкцию были добавлены алюминиевые вставки для передачи несущих нагрузок от креплений. Затем были подробно описаны другие особенности, включая отформованный фланец, содержащий эти вставки, а также ребра и другую функциональную геометрию, отформованную на внешней стороне корпуса.

Для предварительного формования органолиста перед формованием был выбран процесс штамповки. Моделирование штамповки было выполнено (рис. 1) партнером ESI Group (Париж, Франция) с использованием своего программного обеспечения PAM-FORM, чтобы предвидеть любые проблемы во время предварительного формования и получить начальный разрез для необработанного органолиста.

«Моделирование показало деформацию изгиба из-за большой толщины органолиста и малых радиусов в геометрии корпуса, вызывающих складки на преформе», - говорит Радемахер. «Итак, мы изменили радиусы конструкции и уменьшили толщину органолиста до 4 мм. Это было тогда, когда мы показали, что следует использовать более толстые слои 45 °, но мы не могли получить такой органолист от поставщика. Мы решили сохранить квазиизотропный пакет, но наложить на него UD под углом 45 °, чтобы уменьшить толщину при сохранении жесткости ».

Команда использовала 12 слоев ленты CETEX TC910 из углеродного волокна / PA6 шириной 25,4 мм и толщиной 0,16 мм и повторно смоделировала штамповку. Они показали, что перекрещенные ленты UD соскальзывали с места во время штамповки. Для решения этой проблемы в штампе были разработаны прорези для фиксации лент UD в нужном положении.

Также был смоделирован процесс формования, выполненный Shapers с использованием программного обеспечения MoldFlow от Autodesk (Сан-Рафаэль, Калифорния, США), а также программного обеспечения Moldex3D от CoreTech System Co. Ltd. (Чупей, Тайвань). Одним из преимуществ повторного формования было предотвращение гальванической коррозии. Формовочная смесь, армированная коротким стекловолокном, обеспечивала изоляцию между алюминиевыми застежками и углеродным волокном в органолите. Таким образом, не потребовалось никакого дополнительного клея, герметика или покрытия.

После завершения моделирования производственный процесс был завершен следующим образом (см. Рис. 2):

1. Органолист разрезается и укладывается в квазиизотропную укладку;
2. Стопка ламината и ленты UD помещаются в раму, которая сохраняет положение ленты;
3. Инфракрасный обогреватель плавит термопластическую матрицу до 240–260 ° C;
4. Рама с материалами преформы передается на штамповочный пресс и инструмент (предварительно нагретые до 90-110 ° C);
5. На преформу наносится штамп (время цикла 5 секунд);
6. Консолидированная преформа обрезается до окончательной формы с помощью системы гидроабразивной резки;
7. Подшипники вала и винтовые вкладыши помещаются в формовочный инструмент, а обрезанная преформа снова нагревается;
8. Преформа и вставки отформованы поверх (время цикла 2 минуты, включая установку и удаление вручную);
9. Фланцы конечных деталей и гнезда подшипников фрезерованы с требуемыми допусками.

Успешный прототип и процесс

Первая половина прототипа композитного картера коробки передач была изготовлена ​​и представлена ​​на выставке JEC World 2017. Затем она была протестирована для подтверждения моделирования методом конечных элементов. Прототип показал хорошие механические свойства, при этом снизился вес до 4 кг с 5,8 кг для алюминия в базовой комплектации, что позволило сэкономить около 30% веса. Стоимость прототипа покрытия первой половины оценивается в 50–80 евро, при этом органолист является самым дорогим компонентом.

В рамках этого проекта также удалось создать прототип того, как эта группа компаний работает вместе, чтобы выполнить редизайн композитов. «Наш опыт в ARRK Engineering был связан с моделированием небольших композитных деталей, но не с использованием органолиста», - вспоминает Радемахер. Формовщики имели обширный опыт в области литья под давлением и разработки инструментов для литья под давлением, но также не имели опыта работы с органолистами. Команда ARRK, работающая над симуляцией органолиста, была экспертом в симуляции композитов, но их предыдущая работа была связана с аэрокосмической отраслью. «Каждую неделю мы обсуждали с командой», - говорит Радемахер. «Я из отдела силовых агрегатов, так что больше касаюсь металлов, но как руководитель проекта мне пришлось объединить миры этих металлов и композитов. Мы, металлисты, думаем:«Почему это делается в композитах?», А ребята из композиторов думают:«Это легко сделать в композитах». Мы слишком скептичны, а они слишком оптимистичны, так что было хорошо работать вместе. Мы многому научились и разработали очень эффективный процесс проектирования ». Он сравнивает процесс ARRK с более распространенным методом разработки одного проекта, использующим меньше моделирования, а затем пытаясь оптимизировать путем создания итеративных прототипов. «Мы видим, что эффективнее начинать с нескольких проектов и выбирать из них с помощью моделирования, а затем оптимизировать конструкцию перед созданием прототипа. На создание этого моделирования уходит время вначале, но меньше времени на создание прототипа, поэтому это дешевле ». Радемахер отмечает, что из-за времени и стоимости производства новой оснастки «всегда дороже производить десять прототипов деталей по сравнению с десятью имитационными моделями».

Проблемы и следующие шаги

Команда также преодолела серьезные производственные проблемы. «Ленты UD в сочетании с девятислойным ламинатом из органосодержащего материала имели участки, на которых он не уплотнялся», - отмечает Радемахер. «Отчасти это произошло из-за наличия воздуха между лентами и органолистом, а также повлияло на их прикрепление после формования. Другой фактор - неоднородное распределение температуры по органолисту. В наших измерениях он выглядел хорошо, но был немного холоднее на внешних краях, что приводило к небольшим участкам разрушения матрицы во внешней структуре. Итак, мы многое узнали как о моделировании, так и о фактическом формовании деталей из органолиста ».

Следующим шагом в проекте является создание прототипа второй половины корпуса коробки передач и проверка жесткости всей сборки. Команда также работает над удалением этапа гидроабразивной резки, чтобы стопка преформ могла быть сразу же отформована после штамповки. «Поскольку мы изменили процесс, мы все еще работаем над второй обложкой», - говорит Радемахер. «Самая большая проблема для нас сейчас - это достижение приемлемой для клиента цены. Мы изучаем стекловолокно и матрицу из полифениленамида (PPA), которая обеспечивает более высокую производительность при высоких температурах, в то же время уменьшая толщину органолиста. Мы не будем использовать тканую ткань, а, возможно, сложим ленты, чтобы обеспечить необходимую жесткость ».