Lichtgewicht Aandrijvingontwerp Verbetert EV Prestaties

Gewichtsreductie blijft een doel voor elektrische voertuigen (EVs), wat prestaties verbetert en actieradius vergroot. Daartoe verkennen ontwerpers en fabrikanten het gebruik van composieten in batterijbehuizingen, carrosseriepanelen, chassisstructuren en veringcomponenten. Eén project heeft echter de aandrijving buiten batterijen gericht op de tandwielhuizing, vervangend gegoten aluminium door een hybride koolstofvezel- en glasvezelversterkte thermoplastische composiet om het gewicht met 30% te verlagen.

Dit project is ingenieursmatig uitgevoerd door meerdere bedrijven binnen de ARRK Groep (Osaka, Japan). Opgericht in 1948, omvat de groep 20 bedrijven in 15 landen, met meer dan 3.500 werknemers, en biedt productontwikkelingsdiensten inclusief ontwerp, prototyping, gereedschapsbouw en laagvolume productie aan diverse industrieën. Sinds begin 2018 is ARRK Corp. een dochteronderneming van Mitsui Chemicals Group (Tokio, Japan), dat lange vezelversterkte thermoplastische compounds en unidirectionele (UD) koolstofvezel/polypropyleen (CF/PP) tapes produceert. ARRK heeft composieten ingesteld als een van zijn 14 competentiecentra, aansluitend bij de Duitse industrieverenigingen Carbon Composites e.V. en MAI Carbon in 2012 en Composites UK in 2015.

Voor dit tandwielhuizing project, werd de engineering uitgevoerd door ARRK/P+Z Engineering GmbH (München, Duitsland) met ondersteuning van ARRK Shapers' France (La Séguinière en Aigrefeuille-sur-Maine, Frankrijk) voor het productieproces alsook stempel- en gietgereedschappen, terwijl prototyping geleid werd door ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, Frankrijk). „Het doel was om het lichte gewicht en stijfheid te demonstreren die vezelversterkte thermoplasten kunnen bieden voor elektrische voertuig motor- en transmissiecomponenten die typisch uit aluminium gegoten worden,” legt ARRK Engineering projectleider Raik Rademacher uit.

De tandwielhuizing die als basis voor dit project dient, wordt gemaakt door Getrag (Untergruppenbach, Duitsland) voor de Smart Fortwo elektrische stadswagen. Alleen de behuizing is herontworpen, met alle interne onderdelen hergebruikt en ongewijzigd werkend. De herengineeringsbenadering gebruikte diverse simulaties – finite element model (FEM), topologie-optimalisatie en simulatie van preform stempelen en injectie overgieten processen. Het bewees ook een proces voor het converteren van een metaalontwerp naar composiet met meerdere partners met diverse materialen, proces- en structuur expertise.

Doelen, belasting en materialen definiëren

Deze EV tandwielhuizing bestaat uit twee helften mechanisch 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 finite element model door 3D scannen van een gedemonteerde Fortwo tandwielhuizing, inclusief de interne componenten, assen en tandwielen. Maximale in- en uitgangskoppel, de transmissieverhouding en koppel op de in- en uitgangsassen werden afgeleid van fabrikantsdata. Een FEM simulatie werd vervolgens gebruikt om koppel op de tandwielhuizing te berekenen voor voertuig rij- en kuistlasten, alsook zwaartekrachten tot 60G om botsituaties te simuleren.

De tandwielhuizing moet deze lasten aan zonder toelaatbare vervorming te overschrijden; anders kunnen er significante afbuigingen in de tandwielassen ontstaan, wat onnauwkeurig contact in de tandwielen veroorzaakt. „Zoals contact zal de tandwielen beschadigen en, in het ergste geval, tot falen leiden,” zegt Rademacher. „Transmissiefouten door onnauwkeurige tandwieluitlijning leiden ook tot ongewenst akoestisch gedrag in de tandwielhuizing,” voegt hij toe. „Ze noemen het ‚wenen.' Omdat EVs zo stil zijn, is het belangrijk dat deze composiet tandwielhuizing echt rustig en stil is.” Dus stijfheid is een kritisch prestatiedoel, en moet die van de aluminium basislijn evenaren of overtreffen.

Vroeg geïdentificeerd als kandidaatmaterialen voor deze herontwerp, werden geweven glasvezel en koolstofvezelversterkte polyamide 6 (PA6) organolaten van TenCate (Nijverdal, Nederland) getest op mechanische eigenschappen. Omdat het glasvezelcomposiet slechts 50% van de stijfheid van het koolstofvezelorgalaat liet zien, werd het laatstgenoemde geselecteerd. „Het materiaal is TenCate CETEX TC912 met 12K vezel in een 2-op-2 twill weefsel,” zegt Rademacher. „We specificeren een op maat gemaakte organoplaat met negen lagen in een quasi-isotrope stapelvolgorde (0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°).”

Concept- en ontwerpfases

Vijf tandwielhuizing concepten werden ontwikkeld, maar slechts twee booden adequate potentieel voor gewichts- en kostenbesparing, samen met lage cyclus tijd. Haalbaarheidschecks onthulden dat slechts één concept voldoende stijfheid toeliet, door gebruik van metalen lagerzitplaatsen. „Zitplaatsen zijn de directe verbinding tussen de lagers voor de tandwielassen en de tandwielhuizing,” legt Rademacher uit. „We keken naar het simpelweg injectiegieten van deze, maar kozen voor een overgiet aluminium insert om de stijfheid te verhogen.” Dit concept werd dus gekozen voor ontwikkeling.

Topologie-optimalisatie om vervormingsenergie te minimaliseren werd uitgevoerd in de daaropvolgende ontwerpfase. Uit deze analyse werd de tandwielhuizing geometrie verfijnd, inclusief minimale stralen voor gegolde kromming. Deze geometrie werd gebruikt om een simulatiemodel te bouwen voor het gedetailleerde ontwerp. Het organoplaat laminaat werd vervolgens verder geoptimaliseerd, onthullend dat de +45°/-45° lagen het dikst moesten zijn. Dit correleerde goed met het feit dat torsie in de huizing de hoofdbron is van vervorming die weerstaan moet worden.

De huizingstijfheid bleek nog onvoldoende, dus gekruiste UD tapes en overgietende ribben werden in de huizinggeometrie geïntroduceerd. Voor overgieten selecteerde het team een 40% glasvezel/PA6 (GF/PA6) compound van EMS-Grivory (Domat/Ems, Zwitserland).

Detailfase en productie

Functionele bevestigingspunten en verbindingen voor de twee tandwielhuizing helften werden gedetailleerd in deze derde herontwerpfase. De helften zouden mechanisch bevestigd worden, dus aluminium inserts werden aan het ontwerp toegevoegd om lagerlasten van de bevestigingsmiddelen over te dragen. Andere kenmerken werden vervolgens gedetailleerd, inclusief het overgietende flens met deze inserts en de ribben en andere functionele geometrie overgietend op het huizingexterieur.

Een stempelproces werd geselecteerd voor het pre-vormen van de organoplaat vóór overgieten. Een stempelsimulatie werd voltooid (Fig. 1) door partner ESI Group (Parijs, Frankrijk) met behulp van de PAM-FORM software om eventuele problemen tijdens pre-vormen te anticiperen en een startsnede voor de rauwe organoplaat af te leiden.

„De simulatie toonde buigvervorming door de hoge dikte van de organoplaat en strakke stralen in de huizinggeometrie, wat rimpels in de preform veroorzaakte,” zegt Rademacher. „Dus wij wijzigden de ontwerpstralen en verlaagden de organoplaatdikte naar 4 mm. Dit was toen we lieten zien dat dikke 45° plagen gebruikt moesten worden, maar we konden zo'n organoplaat niet van een leverancier krijgen. We besloten de quasi-isotrope stapel te behouden maar 45° UD's erbovenop toe te passen om de diktereductie mogelijk te maken, terwijl de stijfheid behouden bleef.”

Het team gebruikte 12 lagen van 25,4-mm-brede en 0,16-mm-dikke CETEX TC910 koolstofvezel/PA6 tape en herberekende stempelsimulaties. Deze toonden dat de gekruiste UD tapes tijdens stempelen uit positie gleeden. Om dit aan te pakken, werden gaten in het stempelgereedschap ontworpen om de UD tapes op positie te vergrendelen.

Het overgietproces werd ook gesimuleerd, uitgevoerd door Shapers met Autodesk's (San Rafael, CA, VS) MoldFlow software, en ook Moldex3D software van CoreTech System Co. Ltd. (Chupei City, Taiwan). Een voordeel van overgieten was de preventie van galvanische corrosie. Het korte glasvezelversterkte gietcompound bood isolatie tussen de aluminium bevestigingsmiddelen en de koolstofvezel in de organoplaat. Dus geen additionele lijm, kit of coating was vereist.

Na voltooiing van deze simulaties, werd het productieproces als volgt gefinaliseerd (zie Fig. 2):

1. Organoplaat wordt gesneden en gestapeld in quasi-isotrope leg;
2. Laminaatstapel en UD tapes worden in een frame geplaatst dat tape positionering behoudt;
3. Infrarood verwarmder smelt thermoplastische matrix tot 240-260°C;
4. Frame met preform materialen wordt overgebracht naar stempelpers en gereedschap (voorverhit tot 90-110°C);
5. Preform wordt gestempeld (5-seconde cyclus tijd);
6. Geconsolideerde preform wordt getrimd tot finale vorm met een waterstraal snij systeem;
7. Aslagers en schroefinserts worden in het overgietgereedschap geplaatst terwijl getrimde preform opnieuw voorverwarmd wordt;
8. Preform en inserts worden overgiet (2-minuten cyclus tijd inclusief handmatige plaatsing en verwijdering);
9. Finale flensen en lagerzitplaatsen worden gefreesd tot vereiste toleranties.

Prototype en proces succes

De eerste helft van de prototype composiet tandwielhuizing werd geproduceerd en getoond op JEC World 2017. Het werd vervolgens getest om de FEM simulaties te valideren. Het prototype toonde goede mechanische eigenschappen, terwijl het gewicht reducerde tot 4 kg van 5,8 kg voor de aluminium basislijn, een gewichtsbesparing van ongeveer 30%. De kosten van deze eerste helft prototype deksel worden geschat op €50-80, met de organoplaat als duurste component.

Dit project slaagde er ook in te prototypen hoe deze verzameling bedrijven samenwerkt om een composiet herontwerp te leveren. „Onze achtergrond bij ARRK Engineering was in simulatie voor kleine composietonderdelen maar niet in het gebruik van organoplaat,” herinnert Rademacher. Shapers had uitgebreide ervaring met injectiegieten en ontwikkeling van gietgereedschappen, maar ook geen organoplaat achtergrond. Het ARRK team dat werkte aan organoplaat simulatie waren experts in composiet simulatie, maar hun vorige werk was in de luchtvaart. „We hadden discussies met het team elke week,” zegt Rademacher. „Ik kom van de aandrijvingsafdeling, dus meer aan de metaalkant, maar als projectleider moest ik deze metalen en composiet werelden combineren. Wij metaalmannen denken, ‚Waarom in composieten?' terwijl de composietmannen denken, ‚dit is makkelijk in composieten.' We zijn te sceptisch, en ze zijn te optimistisch, dus het was goed om samen te werken. We leerden veel en hebben een ontwerpproces ontwikkeld dat heel efficiënt is.” Hij vergelijkt het ARRK proces met de meer gangbare methode van één ontwerp ontwikkelen, minder simulatie gebruiken en dan proberen te optimaliseren door iteratieve prototypes te bouwen. „We zien dat het efficiënter is om te beginnen met meerdere ontwerpen en deze te down-selecteren met simulatie, en dan het ontwerp verder te optimaliseren voordat men prototypeert. Het kost tijd aan het begin om deze modellering te doen, maar minder tijd tijdens prototyping, dus het is goedkoper.” Rademacher wijst erop dat door de tijd en kosten van nieuwe gereedschappen, „Het is altijd duurder om tien prototype onderdelen te produceren vs. tien simulatiemodellen.”

Uitdagingen en volgende stappen

Het team overkwam ook significante productieuitdagingen. „De UD tapes in combinatie met het negen-lagen organoplaat laminaat hadden gebieden waar het niet geconsolideerd was,” merkt Rademacher op. „Dit was deels door lucht tussen de tapes en de organoplaat en beïnvloedde ook hun hechting na gieten. De andere bijdrager was een niet-homogene temperatuurdistributie over de organoplaat. Het leek goed in onze metingen, maar was iets kouder aan de buitenranden, wat kleine gebieden van matrixfalens in de buitenstructuur veroorzaakte. Dus we hebben veel geleerd over zowel de modellering als daadwerkelijke vormgeving van organoplaat onderdelen.”

De volgende stap in het project is het prototypen van de tweede helft van de tandwielhuizing en het valideren van de stijfheid van de complete montage. Het team werkt ook aan het verwijderen van de waterstraalsnijstap zodat de preformstapel direct na stempelen overgiet kan worden. „Omdat we het proces gewijzigd hebben, werken we nog aan de tweede deksel,” zegt Rademacher. „De grootste uitdaging voor ons nu is een acceptabele prijs voor de klant te bereiken. We kijken naar glasvezel en een polyfenyleenamide (PPA) matrix, het laatstgenoemde hogere prestaties bij hoge temperaturen mogelijk makend terwijl de organoplaatdikte verder verminderd wordt. We zullen geen geweven stof gebruiken maar misschien gestapelde tapes om de vereiste stijfheid te halen.”