Bewezen prestaties in EV-aandrijflijnen

Gewichtsreductie blijft een doel voor elektrische voertuigen (EV's), het verbeteren van de prestaties en het vergroten van de actieradius. Daartoe onderzoeken ontwerpers en fabrikanten het gebruik van composieten in batterijbehuizingen, carrosseriepanelen, chassisconstructies en ophangingscomponenten. Eén project heeft echter zijn zinnen gezet op de aandrijflijn buiten batterijen naar de versnellingsbakbehuizing, waarbij gegoten aluminium wordt vervangen door een hybride koolstofvezel- en glasvezelversterkt thermoplastisch composiet om het gewicht met 30% te verminderen.

Dit project is ontwikkeld door meerdere bedrijven binnen de ARRK Group (Osaka, Japan). De groep, opgericht in 1948, bestaat uit 20 bedrijven in 15 landen, met meer dan 3.500 werknemers, en biedt productontwikkelingsdiensten, waaronder ontwerp, prototyping, tooling en productie in kleine hoeveelheden aan meerdere industrieën. Sinds begin 2018 is ARRK Corp. een dochteronderneming van Mitsui Chemicals Group (Tokyo, Japan), die lange vezelversterkte thermoplastische verbindingen en unidirectionele (UD) koolstofvezel/polypropyleen (CF/PP) tapes produceert. ARRK heeft composieten opgericht als een van zijn 14 competentiecentra en sluit zich aan bij de Duitse brancheverenigingen Carbon Composites e.V. en MAI Carbon in 2012 en Composites UK in 2015.

Voor dit versnellingsbakhuisproject werd de engineering voltooid door ARRK/P+Z Engineering GmbH (München, Duitsland) met steun van ARRK Shapers' France (La Séguinière en Aigrefeuille-sur-Maine, Frankrijk) voor het productieproces, evenals voor het stempelen en molding tools, terwijl de prototyping werd geleid door ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, Frankrijk). "Het doel was om het lichte gewicht en de stijfheid te demonstreren die vezelversterkte thermoplasten kunnen bieden voor onderdelen van elektrische voertuigen en transmissies die typisch uit aluminium zijn gegoten", legt ARRK Engineering-projectleider Raik Rademacher uit.

De versnellingsbak die als basis voor dit project is gebruikt, is gemaakt door Getrag (Untergruppenbach, Duitsland) voor de Smart Fortwo elektrische stadsauto. Alleen de behuizing werd opnieuw ontworpen, waarbij alle interieuronderdelen opnieuw werden gebruikt en ongewijzigd bleven. De re-engineeringbenadering maakte gebruik van een verscheidenheid aan simulaties:eindige-elementenmodel (FEM), topologie-optimalisatie en simulatie van preform-stempel- en injectie-overmolding-processen. Het bleek ook een proces te zijn voor het converteren van een metalen ontwerp naar composiet met behulp van meerdere partners met uiteenlopende expertise op het gebied van materialen, processen en structuren.

Doelstellingen, ladingen en materialen definiëren

Deze behuizing van de EV-versnellingsbak bestaat uit twee helften die mechanisch zijn bevestigd rond de transmissietandwielen en assen van het voertuig. De conceptfase begon met het definiëren van ontwerpdoelen. De eerste stap was het reverse-engineeren van een eindige-elementenmodel door een gedemonteerde Fortwo in 3D te scannen. versnellingsbak, inclusief de interne componenten, assen en tandwielen. Het maximale ingangs- en uitgangskoppel, de overbrengingsverhouding en het koppel op de ingaande en uitgaande assen zijn afgeleid van de gegevens van de fabrikant. Een FEM-simulatie werd vervolgens gebruikt om het koppel op het versnellingsbakhuis te berekenen voor voertuigaandrijving en kustbelastingen, evenals zwaartekrachtbelastingen tot 60G om crashsituaties te simuleren.

Het versnellingsbakhuis moet deze belastingen aan zonder de toelaatbare vervorming te overschrijden; "Zo'n contact zal de tandwielen beschadigen en in het ergste geval tot uitval leiden", zegt Rademacher. "Transmissiefouten door onnauwkeurige uitlijning van de versnellingen leiden ook tot ongewenst akoestisch gedrag in de versnellingsbak", voegt hij eraan toe. "Ze noemen het 'zeuren'. Omdat EV's zo stil zijn, is het belangrijk dat deze composiet versnellingsbak echt rustig en stil is." Stijfheid is dus een kritisch prestatiedoel en moet overeenkomen met of hoger zijn dan dat van de aluminium basislijn.

Al vroeg geïdentificeerd als kandidaat-materialen voor dit herontwerp, werden geweven glasvezel en koolstofvezelversterkte polyamide 6 (PA6) organosheets van TenCate (Nijverdal, Nederland) getest op mechanische eigenschappen. Omdat het glasvezelcomposiet slechts 50% van de stijfheid van het koolstofvezelorganoblad vertoonde, werd voor het laatste gekozen. "Het materiaal is TenCate CETEX TC912 met 12K-vezel in een 2-bij-2 twill-stof", zegt Rademacher. "We specificeerden een op maat gemaakte organoplaat gemaakt van negen lagen in een quasi-isotrope stapelvolgorde (0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°)".

Concept- en ontwerpfasen

Er werden vijf versnellingsbakhuisconcepten ontwikkeld, maar slechts twee boden voldoende mogelijkheden voor gewichts- en kostenbesparingen, samen met een korte cyclustijd. Uit haalbaarheidscontroles bleek dat slechts één concept voldoende stijfheid toeliet, door gebruik te maken van metalen lagerzittingen. “Zittels zijn de directe verbinding tussen de lagers voor de tandwielassen en het versnellingsbakhuis”, legt Rademacher uit. "We hebben gekeken naar het eenvoudig spuitgieten van deze, maar in plaats daarvan kozen we voor een overgegoten aluminium inzetstuk om de stijfheid te vergroten." Dit concept werd dus gekozen voor ontwikkeling.

Topologie-optimalisatie om rekenergie te minimaliseren werd uitgevoerd in de daaropvolgende ontwerpfase. Op basis van deze analyse werd de geometrie van de versnellingsbakbehuizing verfijnd, inclusief minimale radii voor gegoten krommingen. Deze geometrie is gebruikt om een ​​simulatiemodel te bouwen voor het detailontwerp. Het organosheetlaminaat werd vervolgens verder geoptimaliseerd, waaruit bleek dat de +45°/-45°-lagen het dikst zouden moeten zijn. Dit correleerde goed met het feit dat torsie in de behuizing de belangrijkste bron van vervorming is die moet worden tegengegaan.

De stijfheid van de behuizing bleek nog steeds onvoldoende te zijn, dus werden gekruiste UD-tapes en overmolded ribben in de behuizingsgeometrie geïntroduceerd. Voor overmolding selecteerde het team een ​​40% glasvezel/PA6 (GF/PA6) compound van EMS-Grivory (Domat/Ems, Zwitserland).

Detailfase en fabricage

In deze derde fase van het herontwerp werden functionele bevestigingspunten en verbindingen voor de twee helften van de versnellingsbakbehuizingen uitgewerkt. De helften zouden mechanisch worden bevestigd, dus werden aluminium inzetstukken aan het ontwerp toegevoegd om de lagerbelastingen van de bevestigingsmiddelen over te brengen. Andere kenmerken werden vervolgens gedetailleerd, waaronder de omgespoten flens met deze inzetstukken en de ribben en andere functionele geometrie die op de buitenkant van de behuizing werden gegoten.

Er werd een stempelproces gekozen voor het voorvormen van het organoblad voorafgaand aan het overgieten. Een stempelsimulatie werd voltooid (Fig. 1) door partner ESI Group (Parijs, Frankrijk) met behulp van zijn PAM-FORM-software om te anticiperen op problemen tijdens het voorvormen en om een ​​startsnede voor het onbewerkte organoblad af te leiden.

"De simulatie toonde buigvervorming als gevolg van de hoge dikte van organoblad en kleine radii in de behuizingsgeometrie, waardoor rimpels in de voorvorm ontstonden", zegt Rademacher. “Dus hebben we de ontwerpradii aangepast en de dikte van de organoplaat teruggebracht tot 4 mm. Toen toonden we aan dat er dikkere 45°-lagen gebruikt moesten worden, maar zo'n organoblad konden we niet bij een leverancier krijgen. We hebben besloten om de quasi-isotrope stapel te behouden, maar er 45° UD's bovenop aan te brengen om de diktevermindering mogelijk te maken, terwijl de stijfheid behouden blijft."

Het team gebruikte 12 lagen van 25,4 mm brede en 0,16 mm dikke CETEX TC910 koolstofvezel/PA6-tape en herhaalde stempelsimulaties. Hieruit bleek dat de gekruiste UD-tapes tijdens het stempelen op hun plaats gleed. Om dit aan te pakken, zijn er sleuven ontworpen in het stempelgereedschap om de UD-tapes op hun plaats te vergrendelen.

Het overmolding-proces werd ook gesimuleerd, uitgevoerd door Shapers met behulp van Autodesk's (San Rafael, CA, VS) MoldFlow-software, en ook Moldex3D-software van CoreTech System Co. Ltd. (Chupei City, Taiwan). Een voordeel van overmolding was het voorkomen van galvanische corrosie. De korte glasvezelversterkte vormmassa zorgde voor isolatie tussen de aluminium bevestigingsmiddelen en de koolstofvezel in de organoplaat. Er was dus geen extra lijm, afdichtmiddel of coating nodig.

Na het voltooien van deze simulaties werd het fabricageproces als volgt afgerond (zie Fig. 2):

1. Organoblad wordt gesneden en gestapeld in quasi-isotrope lay-out;
2. Laminaatstapel en UD-tapes worden in een frame geplaatst dat de tape-positionering behoudt;
3. Infraroodstraler smelt thermoplastische matrix tot 240-260°C;
4. Frame met voorgevormde materialen wordt overgebracht naar stempelpers en gereedschap (voorverwarmd tot 90-110°C);
5. Voorvorm is gestempeld (5 seconden cyclustijd);
6. Geconsolideerde voorvorm wordt bijgesneden tot de uiteindelijke vorm met behulp van een waterstraalsnijsysteem;
7. Aslagers en schroefinzetstukken worden in het overmolding-gereedschap geplaatst terwijl de getrimde voorvorm opnieuw wordt voorverwarmd;
8. Voorvorm en inzetstukken zijn overgoten (cyclustijd van 2 minuten inclusief handmatige plaatsing en verwijdering);
9. Flenzen van het laatste onderdeel en lagerzittingen zijn gefreesd tot de vereiste toleranties.

Prototype en processucces

De eerste helft van het prototype van de composiet versnellingsbakbehuizing werd geproduceerd en tentoongesteld op JEC World 2017. Het werd vervolgens getest om de FEM-simulaties te valideren. Het prototype vertoonde goede mechanische eigenschappen, terwijl het gewicht werd teruggebracht tot 4 kg van 5,8 kg voor de aluminium basislijn, een gewichtsbesparing van ongeveer 30%. De kosten van dit prototype van de eerste helft worden geschat op € 50-80, waarbij het organoblad het duurste onderdeel is.

Dit project slaagde er ook in een prototype te maken van hoe deze verzameling bedrijven samenwerkt om een ​​herontwerp van composieten te leveren. "Onze achtergrond bij ARRK Engineering lag in simulatie voor kleine composietonderdelen, maar niet in het gebruik van organoplaat", herinnert Rademacher zich. Shapers had ruime ervaring met spuitgieten en ontwikkeling van vormgereedschappen, maar ook geen organobladachtergrond. Het ARRK-team dat aan organobladsimulatie werkte, was experts in composietsimulatie, maar hun eerdere werk was in de ruimtevaart. “We hadden wekelijks overleg met het team”, zegt Rademacher. “Ik ben van de aandrijflijn, dus meer aan de metalen kant, maar als projectleider moest ik deze metaal- en composietwerelden combineren. Wij metal-jongens denken:'Waarom doen we het in composieten?', terwijl de mannen van composiet denken, 'dit is gemakkelijk te doen in composieten.' We zijn te sceptisch en ze zijn te optimistisch, dus het was goed om samen te werken. We hebben veel geleerd en hebben een ontwerpproces ontwikkeld dat zeer efficiënt is.” Hij vergelijkt het ARRK-proces met de meer gebruikelijke methode om één ontwerp te ontwikkelen, minder simulatie te gebruiken en vervolgens te optimaliseren door iteratieve prototypes te bouwen. “We zien dat het efficiënter is om met meerdere ontwerpen te beginnen en hier vervolgens uit te selecteren met behulp van simulatie, en vervolgens het ontwerp verder te optimaliseren voordat er een prototype van wordt gemaakt. Het kost in het begin tijd om deze modellering te doen, maar minder tijd tijdens het prototypen, dus het is minder duur.” Rademacher wijst erop dat vanwege de tijd en kosten van het produceren van nieuwe gereedschappen, "het altijd duurder is om tien prototypeonderdelen te produceren in plaats van tien simulatiemodellen."

Uitdagingen en volgende stappen

Het team overwon ook belangrijke productie-uitdagingen. "De UD-tapes in combinatie met het negenlaags organosheetlaminaat hadden gebieden waar het niet was geconsolideerd", merkt Rademacher op. “Dit kwam deels door lucht tussen de tapes en het organoblad en beïnvloedde ook hun hechting na het vormen. De andere oorzaak was een niet-homogene temperatuurverdeling over het organoblad. Het zag er goed uit in onze metingen, maar was een beetje kouder aan de buitenranden, wat kleine gebieden met matrixstoringen in de buitenstructuur veroorzaakte. We hebben dus veel geleerd over zowel het modelleren als het daadwerkelijk gieten van organoplaatonderdelen.”

De volgende stap in het project is het prototypen van de tweede helft van de behuizing van de versnellingsbak en het valideren van de stijfheid van het complete samenstel. Het team werkt ook aan het verwijderen van de waterstraalsnijstap, zodat de preform-stapel onmiddellijk kan worden omgevormd na het stempelen. “Omdat we het proces hebben veranderd, zijn we nog bezig met de tweede omslag”, zegt Rademacher. “De grootste uitdaging voor ons is nu het bereiken van een acceptabele prijs voor de klant. We kijken naar glasvezel en een polyfenyleenamide (PPA)-matrix, waarbij de laatste hogere prestaties mogelijk maakt bij hoge temperaturen en de dikte van de organoplaat verder vermindert. We gebruiken geen geweven stof, maar misschien gestapelde banden om aan de vereiste stijfheid te voldoen.”