轻量化动力总成设计提升电动汽车性能

减重持续是电动汽车（EV）目标，改善性能和延长续航。为此，设计师和制造商正探索复材在电池外壳、车身面板、底盘结构和悬架部件中的应用。但一项目将目光投向电池之外的动力总成——变速箱壳体，用混杂碳纤维和玻纤增强热塑性复材替代铸铝，减重 30%。

该项目由 ARRK 集团（日本大阪）旗下多家公司工程实施。成立于 1948 年，集团含 15 国 20 家公司，3500 余员工，为多行业提供含设计、原型、工具和小批量生产的产品开发服务。2018 年初起，ARRK Corp. 成为三井化学集团（日本东京）子公司，后者生产长纤增强热塑性复合料和单向（UD）碳纤维/聚丙烯（CF/PP）带材。ARRK 将复材确立为其 14 大能力中心之一，2012 年加入德国行业协会 Carbon Composites e.V. 和 MAI Carbon，2015 年加入 Composites UK。

该变速箱壳体项目由 ARRK/P+Z Engineering GmbH（德国慕尼黑）完成工程，ARRK Shapers 法国（La Séguinière 和 Aigrefeuille-sur-Maine）支持生产工艺及冲压和模塑工具，原型由 ARRK LCO Protomoules（法国 Alby sur Chéran）主导。“旨在演示纤维增强热塑性复材能为通常铸铝制造的电动汽车发动机和变速箱部件提供轻量化和刚度，”ARRK Engineering 项目负责人 Raik Rademacher 解释。

项目基础变速箱由 Getrag（德国 Untergruppenbach）为 Smart Fortwo 电动城市车制造。仅重新设计壳体，所有内部件复用且运行无变化。再工程方法采用多种仿真——有限元模型（FEM）、拓扑优化和预成件冲压及注塑包覆工艺仿真。也验证了用多合作伙伴多材料、工艺和结构专长将金属设计转为复材的工艺。

定义目标、载荷和材料

此 EV 变速箱壳体含两半机械紧围绕车辆传动齿轮和轴。概念阶段始于定义设计目标。第一步用 3D 扫描拆解的 Fortwo 变速箱（含内部组件、轴和齿轮）逆向建立有限元模型。从制造商数据导出最大输入输出扭矩、齿比和输入输出轴扭矩。FEM 仿真用于计算车辆驱动和滑行工况下变速箱壳体扭矩，以及模拟碰撞的高达 60G 重力载荷。

变速箱壳体必须承受这些载荷而不超允许变形；否则齿轮轴可能显著挠度，导致齿轮接触不准确。“此接触会损坏齿轮，最坏情况导致失效，”Rademacher 说。“因齿轮对中不准确导致的传动误差也引起变速箱不良声学表现，”他补充。“称之为‘啸叫’。因 EV 很安静，此复合变速箱必须真正安静。”因此刚度是关键性能目标，必须匹配或超越铝基准。

早期确定的候选材料为 TenCate（荷兰奈弗达尔）的编织玻纤和碳纤维增强聚酰胺 6（PA6）有机片材，测试力学性能。因玻纤复材刚度仅为碳纤维有机片材 50%，后者被选中。“材料是 TenCate CETEX TC912，用 12K 纤维 2×2 斜纹织物，”Rademacher 说。“我们指定定制有机片材，用九层准各向同性堆叠序列（0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°）制造。”

概念与设计阶段

开发了五个变速箱壳体概念，但仅两个在减重、成本节约和低循环时间上提供足够潜力。可行性检查显示仅一概念允许足够刚度，通过使用金属轴承座。“座是齿轮轴轴承与变速箱壳体的直接连接，”Rademacher 解释。“我们考察直接注塑这些，但改选包覆铝嵌件以增加刚度。”因此选此概念开发。

后续设计阶段执行最小化应变能的拓扑优化。由此分析细化变速箱壳体几何，含模塑曲率最小半径。此几何用于建立详细设计仿真模型。有机片材层压板进一步优化，显示 +45°/-45° 层应最厚。这与壳体扭转是必须抵抗的主要变形源相关吻合。

壳体刚度仍不足，于是在壳体几何中引入交叉 UD 带材和包覆加强筋。包覆选用 EMS-Grivory（瑞士 Domat/Ems）40% 玻纤/PA6 (GF/PA6) 复合料。

详细设计与制造

第三阶段重新设计详细功能固定点和连接两半壳体的连接。两半机械紧固，于是设计添加铝嵌件传递紧固件轴承载荷。其他特征随之详细化，含包覆这些嵌件的法兰及壳体外部包覆的加强筋和其他功能几何。

选用冲压工艺预成型有机片材再包覆。合作伙伴 ESI Group（法国巴黎）用其 PAM-FORM 软件完成冲压仿真（图 1），预判预成型问题并推导原始有机片材起始切割。

“仿真显示因有机片材高厚度和壳体几何紧半径导致弯曲变形，引起预成件起皱，”Rademacher 说。“于是我们修改设计半径并将有机片材厚度降至 4 mm。这显示应用更厚 45° 层，但供应商无法提供此类有机片材。决定保持准各向同性堆叠但在顶部叠加 45° UD 以实现减厚同时保持刚度。”

团队用 12 层 25.4 mm 宽、0.16 mm 厚 CETEX TC910 碳纤维/PA6 带材重跑冲压仿真。显示交叉 UD 带材冲压时滑出位置。为解决，在冲压工具设计槽锁定 UD 带材位置。

包覆工艺也经仿真，由 Shapers 用 Autodesk（美国加州圣拉斐尔）MoldFlow 软件及 CoreTech System Co. Ltd.（台湾竹北市）Moldex3D 软件执行。包覆一益处是防电化学腐蚀。短玻纤增强模塑料在铝紧固件和有机片材碳纤维间提供隔离。因此无需额外胶粘剂、密封剂或涂层。

完成这些仿真后，制造工艺定型如下（见图 2）：

1. 有机片材切割并按准各向同性堆叠铺层；
2. 层压板和 UD 带材置入保持带材定位的框架；
3. 红外加热器将热塑性基体熔融至 240-260°C；
4. 含预成件材料的框架移至冲压机和工具（预热至 90-110°C）；
5. 预成件冲压（5 秒周期）；
6. 固结预成件经水切割系统修边至最终形状；
7. 轴承和螺丝嵌件放入包覆模具，修边预成件再次预热；
8. 预成件和嵌件包覆（2 分钟周期含人工放置和取出）；
9. 最终件法兰和轴承座铣削至所需公差。

原型与工艺成功

原型复合变速箱壳体第一半于 JEC World 2017 生产展出。随后测试验证 FEM 仿真。原型显示良好力学性能，重量从铝基准 5.8 kg 降至 4 kg，减重约 30%。首个半壳原型成本估 €50-80，有机片材为最贵组件。

项目也成功原型验证了这组公司协作交付复材重新设计的方式。“ARRK Engineering 背景是小复材件仿真但无有机片材经验，”Rademacher 回忆。Shapers 有注塑和模具开发丰富经验，但也无有机片材背景。ARRK 负责有机片材仿真的团队是复材仿真专家，但此前工作在航空航天。“我们每周与团队讨论，”Rademacher 说。“我来自动力总成部门，更偏金属，但作为项目负责人必须融合金属和复材世界。我们金属派想‘为何用复材？’而复材派想‘这在复材里易做。’我们太怀疑，他们太乐观，所以合作很好。我们学到很多并开发出高效设计流程。”他将 ARRK 流程与更常见的开发一个设计、少仿真再通过迭代原型优化对比。“我们发现从多设计起用仿真筛选再优化设计后再原型更高效。前期建模耗时，但原型阶段少，所以更省钱。”Rademacher 指出因新工具制造时间成本，“生产十个原型件永远比十个仿真模型更贵。”

挑战与后续步骤

团队也克服重大制造挑战。“UD 带材与九层有机片材层压板结合有区域未固结，”Rademacher 指出。“部分因带材和有机片材间夹气，也影响成型后结合。另一因素是有机片材温度分布非均匀。测量看似良好，但外边缘稍冷，导致外部结构基体微小区域失效。所以我们在有机片材建模和实际模塑上学到很多。”

项目下一步是原型第二半壳体并验证完整组件刚度。团队也在努力去除水切割步骤，使预成件冲压后可直接包覆。“因改变工艺，仍在做第二盖，”Rademacher 说。“目前最大挑战是达成客户可接受价格。我们在看玻纤和聚苯酰胺（PPA）基体，后者在高温下实现更高性能同时进一步减薄有机片材。我们不用编织织物但可能用堆叠带材以满足所需刚度。”