Легкая конструкция силового агрегата повышает производительность EV

Снижение веса остается целью для электромобилей (EV), улучшая производительность и увеличивая запас хода. В этом направлении дизайнеры и производители исследуют использование композитов в корпусах батарей, кузовных панелях, шасси и подвеске. Однако один проект нацелился на силовой агрегат за пределами батарей — на коробку передач, заменяя литой алюминий на гибридный композит, усиленный углеродным и стекловолокном термопластиком, для снижения веса на 30%.

Этот проект спроектирован множеством компаний группы ARRK Group (Осака, Япония). Основанная в 1948, группа включает 20 компаний в 15 странах, более 3500 сотрудников, и предоставляет услуги разработки продуктов: дизайн, прототипирование, инструменты и малосерийное производство для множества отраслей. С начала 2018 ARRK Corp. стала дочерней компанией Mitsui Chemicals Group (Токио, Япония), производящей длинноволокнистые термопластичные компаунды и однонаправленные (UD) ленты углеродного волокна/полипропилена (CF/PP). ARRK установила композиты как один из своих 14 центров компетенции, присоединившись к немецким отраслевым ассоциациям Carbon Composites e.V. и MAI Carbon в 2012 и Composites UK в 2015.

Для проекта коробки передач инженеринг выполнен ARRK/P+Z Engineering GmbH (Мюнхен, Германия) с поддержкой ARRK Shapers France (Ла Сегиньер и Эгрфей-сюр-Мэн, Франция) для производственного процесса, а также штамповки и формовочных инструментов, в то время как прототипирование возглавляло ARRK LCO Protomoules (Альби-сур-Шеран, Франция). «Цель была продемонстрировать легкость и жесткость, которые волокнисто-упластиченные термопласты могут обеспечить для компонентов двигателя и передачи EV, обычно литых из алюминия», — объясняет лидер проекта ARRK Engineering Райк Радемахер.

Коробка передач, использованная как база для проекта, изготовлена Getrag (Унтергруппенбах, Германия) для электрического городского автомобиля Smart Fortwo. Только корпус был перепроектирован, со всеми внутренними деталями, повторно используемыми и работающими без изменений. Подход переинженеринга использовал различные симуляции — конечно-элементную модель (FEM), топологическую оптимизацию и симуляцию штамповки преформы и переливки под давлением. Также был отработан процесс конвертации металлического дизайна в композит с использованием множества партнеров с разной экспертизой в материалах, процессах и структурах.

Определение целей, нагрузок и материалов

Этот корпус коробки передач EV состоит из двух половин, механически крепленных вокруг передаточных шестерен и валов автомобиля. Концептуальная фаза началась с определения дизайнерских целей. Первый шаг — реверс-инженеринг конечно-элементной модели 3D-сканированием разобранной коробки передач Fortwo, включая внутренние компоненты, валы и шестерни. Максимальные входной и выходной моменты, передаточное число и моменты на входных и выходных валах получены из данных производителя. Симуляция FEM затем использовалась для расчета момента на корпусе коробки передач для режимов вождения и торможения автомобиля, а также гравитационных нагрузок до 60G для симуляции аварийных ситуаций.

Корпус коробки передач должен выдерживать эти нагрузки без превышения допустимых деформаций; иначе может быть значительное деформирование валов шестерен, вызывая неточный контакт в шестернях. «Такой контакт повредит шестерни и в худшем случае приведет к отказу», — говорит Радемахер. «Ошибки передачи из-за неточного выравнивания шестерен также ведут к нежелательному акустическому поведению в коробке передач», — добавляет он. «Это называют „визгом“. Поскольку EV очень тихие, важно, чтобы этот композитный корпус был действительно спокойным и бесшумным». Таким образом, жесткость — критическая цель производительности, и должна соответствовать или превышать алюминиевую базу.

Раннее определены как кандидаты материалы для этой переработки, тканые стекловолокно и углеродное волокно-упластиченные полиамид-6 (PA6) органические листы от TenCate (Нейвердал, Нидерланды) были протестированы на механические свойства. Поскольку стекловолоконный композит показал только 50% жесткости органического листа из углеродного волокна, был выбран последний. «Материал — TenCate CETEX TC912 с 12K волокном в 2-на-2 тканом серж», — говорит Радемахер. «Мы специфицировали адаптированный органический лист, сделанный из девяти слоев в квази-изотропной последовательности укладки (0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°)».

Концептуальная и дизайнерская фазы

Разработано пять концепций корпуса коробки передач, но только две предложили адекватный потенциал для снижения веса и стоимости, вместе с низким циклом. Проверки выполнимости показали, что только одна концепция позволяла достаточную жесткость, используя металлические посадочные места подшипников. «Посадочные места — прямое соединение между подшипниками для валов шестерен и корпусом коробки передач», — объясняет Радемахер. «Мы рассматривали простое литье этих мест под давлением, но выбрали перелитый алюминиевый вкладыш для повышения жесткости». Эта концепция была выбрана для разработки.

Топологическая оптимизация для минимизации энергии деформации выполнена в последующей дизайнерской фазе. Из этого анализа геометрия корпуса коробки передач уточнялась, включая минимальные радиусы для формованных кривизн. Эта геометрия использовалась для построения симуляционной модели для детального дизайна. Ламинат органического листа затем был дополнительно оптимизирован, выявив, что слои +45°/-45° должны быть самыми толстыми. Это хорошо коррелировало с тем, что кручение в корпусе — основной источник деформации, который должен быть противодействован.

Жесткость корпуса все еще считалась недостаточной, поэтому в геометрию корпуса были введены скрещенные UD-ленты и перелитые ребра. Для переливки команда выбрала 40% стекловолокно/PA6 (GF/PA6) компаунд от EMS-Grivory (Дома/Эмс, Швейцария).

Детальная фаза и производство

Функциональные точки крепления и соединения для двух половин корпуса коробки передач были детализированы в третьей фазе переработки. Половины бывают механически закреплены, поэтому алюминиевые вкладыши были добавлены в дизайн для передачи нагрузок подшипников от крепежей. Другие особенности затем детализировались, включая перелитый фланг, содержащий эти вкладыши, и ребра и другую функциональную геометрию, перелитую на внешней стороне корпуса.

Процесс штамповки был выбран для преформовки органического листа перед переливкой. Симуляция штамповки завершена (Рис. 1) партнером ESI Group (Париж, Франция) с использованием их ПО PAM-FORM для предвидения любых проблем при преформовке и получения начальной раскройки сырого органического листа.

«Симуляция показала деформацию изгиба из-за высокой толщины органического листа и тугих радиусов в геометрии корпуса, вызывающую морщины в преформе», — говорит Радемахер. «Поэтому мы изменили дизайнерские радиусы и снизили толщину органического листа до 4 мм. Именно тогда мы показали, что более толстые 45° слои должны использоваться, но мы не могли получить такой органический лист от поставщика. Мы решили сохранить квази-изотропный стек, но применить 45° UD ленты сверху, чтобы позволить снижение толщины, сохраняя жесткость».

Команда использовала 12 слоев 25,4-мм шириной и 0,16-мм толщиной ленты CETEX TC910 углеродное волокно/PA6 и перезапустила симуляции штамповки. Они показали, что скрещенные UD-ленты соскальзывали из позиции при штамповке. Для решения этого, в штамповочном инструменте были спроектированы пазы для фиксации UD-лент в позиции.

Процесс переливки также был смоделирован, выполнен Shapers с использованием ПО MoldFlow от Autodesk (Сан-Рафаэль, штат Калифорния, США) и также Moldex3D от CoreTech System Co. Ltd. (Чупей-Сити, Тайвань). Один выгодный эффект переливки — предотвление гальванической коррозии. Коротковолокнистый прессовочный компаунд обеспечивал изоляцию между алюминиевыми крепежами и углеродным волокном в органическом листе. Таким образом, никакой дополнительный клей, герметик или покрытие не требовались.

После завершения этих симуляций производственный процесс был зафиксирован следующим образом (см. Рис. 2):

1. Органический лист резается и стопкуется в квази-изотропную укладку;
2. Стек ламината и UD-ленты помещаются в рамку, поддерживающую позиционирование лент;
3. Инфракрасный нагреватель плавит термопластичную матрицу до 240–260°C;
4. Рамка с материалами преформы переносится на штамповочный пресс и инструмент (предварительно нагретый до 90–110°C);
5. Преформа штампуется (цикл 5 секунд);
6. Консолидированная преформа обрезается до финальной формы водяной резающей системой;
7. Подшипники валов и винтовые вкладыши помещаются в инструмент переливки, пока обрезанная преформа снова предварительно нагревается;
8. Преформа и вкладыши переливаются (цикл 2 минуты включая ручную установку и извлечение);
9. Финальные фланги и посадочные места подшипников фрезеруются до требуемых толерансов.

Успех прототипа и процесса

Первая половина прототипа композитного корпуса коробки передач была произведена и продемонстрирована на JEC World 2017. Затем она была протестирована для валидации FEM симуляций. Прототип показал хорошие механические свойства, снижая вес до 4 кг от 5,8 кг для алюминиевой базы, экономию веса около 30%. Стоимость этой первой половины прототипа оценивается в 50–80 евро, органический лист является самым дорогим компонентом.

Этот проект также نجح в прототипировании того, как эта коллекция компаний работает вместе для доставки композитной переработки. «Наш бэкграунд в ARRK Engineering был в симуляции для малых композитных деталей, но не в использовании органического листа», — вспоминает Радемахер. Shapers имел обширный опыт литья под давлением и разработки формовочных инструментов, но также не имел бэкграунда с органическим листом. Команда ARRK, работавшая над симуляцией органического листа, была экспертами в композитной симуляции, но их предыдущая работа была в авиации. «Мы обсуждали с командой каждую неделю», — говорит Радемахер. «Я из отдела силового агрегата, так что больше на стороне металлов, но как лидер проекта, я должен был объединить эти металлические и композитные миры. Мы, парни-металлурги, думаем: „Зачем делать в композитах?“, пока парни-композиты думают: „это легко сделать в композитах“. Мы слишком скептичны, они слишком оптимистичны, так что хорошо было поработать вместе. Мы многому научились и разработали дизайнерский процесс, который очень эффективен». Он сравнивает процесс ARRK с более распространенным методом разработки одного дизайна, использующего меньше симуляций, а затем попыткой оптимизации через итеративные прототипы. «Мы видим, что более эффективно начать с множественных дизайнов и отсеять их с помощью симуляции, а затем дальше оптимизировать дизайн перед прототипированием. Это занимает время в начале для моделирования, но меньше времени во время прототипирования, так что дешевле». Радемахер указывает, что из-за времени и стоимости производства нового инструментария, «всегда дороже производить десять прототипных деталей против десяти симуляционных моделей».

Вызовы и следующие шаги

Команда также преодолела значительные производственные вызовы. «UD-ленты в комбинации с девятислойным ламинатом органического листа имели зоны, где не было консолидации», — отмечает Радемахер. «Это было частично из-за воздуха между лентами и органическим листом и также влияло на их сцепление после формовки. Другой фактор — негомогенное распределение температуры по органическому листу. В наших измерениях выглядело хорошо, но было немного холоднее по внешним краям, что вызывало небольшие зоны отказов матрицы во внешней структуре. Так что мы многому научились и о моделировании, и о реальной формовке деталей из органического листа».

Следующий шаг в проекте — прототипировать вторую половину корпуса коробки передач и валидировать жесткость полной сборки. Команда также работает над устранением этапа водяной резки, чтобы стек преформы мог быть сразу перелит после штамповки. «Потому что мы изменили процесс, мы все еще работаем над второй крышкой», — говорит Радемахер. «Самый большой вызов для нас сейчас — достичь приемлемой цены для клиента. Мы смотрим на стекловолокно и полифенилен-амид (PPA) матрицу, последняя позволяющая более высокую производительность при высоких температурах при дальнейшем снижении толщины органического листа. Мы не будем использовать тканую ткань, но, возможно, сложенные ленты для достижения требуемой жесткости».