证明电动汽车动力系统的性能
减轻重量仍然是电动汽车 (EV) 的目标，可提高性能并扩大续航里程。为此，设计师和制造商正在探索在电池外壳、车身面板、底盘结构和悬挂部件中使用复合材料。然而，有一个项目将目光投向了超越电池的动力系统 到变速箱外壳，用混合碳纤维和玻璃纤维增强热塑性复合材料代替铸铝，以减轻 30% 的重量。
该项目由 ARRK 集团（日本大阪）内的多家公司设计。该集团成立于 1948 年，由 15 个国家/地区的 20 家公司组成，拥有 3,500 多名员工，为多个行业提供包括设计、原型制作、模具和小批量生产在内的产品开发服务。自 2018 年初以来，ARRK 公司一直是三井化学集团（日本东京）的子公司，该集团生产长纤维增强热塑性化合物和单向 (UD) 碳纤维/聚丙烯 (CF/PP) 胶带。 ARRK 已将复合材料作为其 14 个能力中心之一，加入了德国行业协会 Carbon Composites e.V.和 2012 年的 MAI Carbon 和 2015 年的英国复合材料。
对于这个变速箱外壳项目，工程由 ARRK/P+Z Engineering GmbH（德国慕尼黑）完成，并得到了 ARRK Shapers' France（La Séguinière 和 Aigrefeuille-sur-Maine，法国）的支持，用于生产过程以及冲压和成型工具，而原型设计由 ARRK LCO Protomoules（Alby sur Chéran，法国）领导。 “目的是展示纤维增强热塑性塑料可为电动汽车发动机和通常由铝铸造的传动部件提供的轻质和刚度，”ARRK 工程项目负责人 Raik Rademacher 解释说。
作为该项目基础的变速箱由 Getrag（德国 Untergruppenbach）制造，用于 Smart Fortwo 电动城市车。仅重新设计了外壳，所有内部零件均重新使用且无需更改即可运行。重新设计的方法采用了各种模拟——有限元模型 (FEM)、拓扑优化以及预成型冲压和注塑包覆成型工艺的模拟。它还证明了使用具有不同材料、工艺和结构专业知识的多个合作伙伴将金属设计转换为复合材料的过程。
定义目标、载荷和材料
这种 EV 变速箱外壳由机械固定在车辆传动齿轮和轴周围的两半组成。概念阶段从定义设计目标开始。第一步是通过 3D 扫描分解的 Fortwo 对有限元模型进行逆向工程 变速箱，包括内部部件、轴和齿轮。最大输入和输出扭矩、齿轮比和输入和输出轴上的扭矩来自制造商的数据。然后使用 FEM 模拟来计算变速箱壳体上的扭矩，用于车辆驱动和滑行载荷，以及高达 60G 的重力载荷，以模拟碰撞情况。
齿轮箱外壳必须在不超过允许变形的情况下处理这些负载；否则，齿轮轴可能会出现明显偏转，从而导致齿轮接触不准确。 “这种接触会损坏齿轮，在最坏的情况下，会导致故障，”Rademacher 说。 “由于齿轮对准不准确导致的传动误差也会导致变速箱中出现不必要的声学行为，”他补充道。 “他们称之为‘呜呜声’。因为电动汽车非常安静，所以这种复合变速箱必须真正平静无声。”因此，刚度是一个关键的性能目标，必须匹配或超过铝基线。
来自 TenCate（荷兰奈韦尔达尔）的编织玻璃纤维和碳纤维增强聚酰胺 6 (PA6) 有机片材在早期被确定为此次重新设计的候选材料，并对其进行了机械性能测试。由于玻璃纤维复合材料的刚度仅为碳纤维有机片材的 50%，因此选择了后者。 “材料是 TenCate CETEX TC912，在 2×2 斜纹织物中使用 12K 纤维，”Rademacher 说。 “我们指定使用九层按准各向同性堆叠顺序（0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°）制成的定制有机片材。” /P>
概念和设计阶段
开发了五个齿轮箱外壳概念，但只有两个提供了足够的重量和成本节省潜力，以及较短的周期时间。可行性检查表明，通过使用金属轴承座，只有一个概念允许足够的刚度。 “阀座是齿轮轴轴承和变速箱壳体之间的直接连接，”Rademacher 解释说。 “我们考虑简单地注射成型这些，但选择了包覆成型的铝嵌件来增加刚度。”因此选择了这个概念进行开发。
在随后的设计阶段执行拓扑优化以最小化应变能。根据该分析，齿轮箱外壳的几何形状得到了改进，包括模制曲率的最小半径。该几何图形用于为详细设计构建仿真模型。然后进一步优化有机片层压板，表明 +45°/-45° 层应该是最厚的。这与外壳中的扭转是必须抵抗的变形的主要来源这一事实密切相关。
仍然发现外壳刚度不足，因此在外壳几何形状中引入了交叉 UD 胶带和包覆成型肋。对于二次成型，该团队选择了 EMS-Grivory（Domat/Ems，瑞士）的 40% 玻璃纤维/PA6 (GF/PA6) 化合物。
细节阶段和制造
在重新设计的第三阶段详细介绍了两个齿轮箱外壳的功能固定点和连接。两半将被机械固定，因此在设计中添加了铝嵌件以传递来自紧固件的轴承载荷。然后详细介绍了其他特征，包括包含这些插件的包覆成型法兰和肋条以及包覆成型到外壳外部的其他功能几何形状。
在二次成型之前选择冲压工艺来预成型有机片材。合作伙伴 ESI Group（法国巴黎）使用其 PAM-FORM 软件完成了冲压模拟（图 1），以预测预成型过程中的任何问题，并为原始有机片材制定起始切割。
“模拟结果表明，由于有机片的厚度大和外壳几何形状的小半径导致弯曲变形，从而导致预制件出现皱纹，”Rademacher 说。 “因此，我们修改了设计半径并将有机片厚度减少到 4 毫米。那时我们表明应该使用更厚的 45° 层，但我们无法从供应商那里获得这样的有机片材。我们决定保留准各向同性堆栈，但在顶部应用 45° UD，以减少厚度，同时保持刚度。”
该团队使用了 12 层 25.4 毫米宽和 0.16 毫米厚的 CETEX TC910 碳纤维/PA6 胶带并重新进行冲压模拟。这些表明交叉的 UD 胶带在冲压过程中滑出原位。为了解决这个问题，在冲压工具中设计了槽来将 UD 胶带锁定到位。
Shapers 还使用 Autodesk（美国加利福尼亚州圣拉斐尔）的 MoldFlow 软件以及 CoreTech System Co. Ltd.（台湾楚北市）的 Moldex3D 软件模拟了包覆成型过程。包覆成型的一个好处是可以防止电偶腐蚀。短玻璃纤维增强模塑料在铝紧固件和有机片材中的碳纤维之间提供了隔离。因此，不需要额外的粘合剂、密封剂或涂层。
完成这些模拟后，制造过程最终确定如下（见图2）：
- 有机片被切割并堆叠成准各向同性叠层；
- 层压板和 UD 胶带放置在一个框架中，以保持胶带定位；
- 红外线加热器将热塑性塑料基质熔化至 240-260°C；
- 带有预成型材料的框架被转移到冲压机和工具（预热到 90-110°C）；
- 预制件被压印（5 秒循环时间）；
- 使用水刀切割系统将固结的瓶坯修整为最终形状；
- 将轴轴承和螺钉插入件放入包覆成型工具中，同时再次预热修整的预制件；
- 预成型件和嵌件采用二次成型（2 分钟循环时间，包括手动放置和移除）；
- 最终零件法兰和轴承座均按照要求的公差进行铣削。
原型和过程成功
原型复合齿轮箱外壳的前半部分已在 2017 年 JEC World 上生产和展示。然后对其进行测试以验证 FEM 模拟。该原型显示出良好的机械性能，同时将铝基准的重量从 5.8 公斤减少到 4 公斤，重量减轻了约 30%。上半年原型机盖的成本估计为 50-80 欧元，其中有机片材是最昂贵的组件。
该项目还成功地设计了这一系列公司如何协同工作以提供复合材料重新设计的原型。 “我们在 ARRK Engineering 的背景是模拟小型复合材料部件，而不是使用有机片材，”Rademacher 回忆道。 Shapers 在注塑成型和模具开发方面拥有丰富的经验，但也没有有机片材的背景。从事有机片模拟的 ARRK 团队是复合材料模拟方面的专家，但他们之前的工作一直在航空航天领域。 “我们每周都与团队进行讨论，”Rademacher 说。 “我来自动力总成部门，所以更多的是在金属方面，但作为项目负责人，我必须将这些金属和复合材料世界结合起来。我们金属人会想，“为什么要在复合材料中做？”而复合材料人则认为，“这在复合材料中很容易做到。”我们太怀疑了，他们太乐观了，所以合作很好。我们学到了很多东西，并开发了一个非常高效的设计流程。”他将 ARRK 过程与更常见的开发一种设计的方法进行了比较，使用较少的模拟，然后尝试通过构建迭代原型进行优化。 “我们发现，从多个设计开始，然后使用仿真从这些设计中向下选择，然后在原型制作之前进一步优化设计，效率更高。开始时进行这种建模需要时间，但在原型制作过程中花费的时间较少，因此成本较低。” Rademacher 指出，由于生产新工具的时间和成本，“生产十个原型零件总是比生产十个仿真模型成本更高。”
挑战和下一步
该团队还克服了重大的制造挑战。 “UD 胶带与九层有机层压板相结合，有一些区域没有被加固，”Rademacher 指出。 “这部分是由于胶带和有机片材之间存在空气，也影响了它们在成型后的附着力。另一个原因是整个有机片材的温度分布不均匀。在我们的测量中看起来不错，但在外边缘有点冷，这会导致外部结构中的小面积基体失效。因此，我们在有机片部件的建模和实际成型方面学到了很多东西。”
该项目的下一步是对变速箱外壳的后半部分进行原型设计，并验证整个组件的刚度。该团队还在努力去除水刀切割步骤，以便在冲压后立即对预成型件叠层进行二次成型。 “因为我们改变了流程，我们仍在制作第二个封面，”Rademacher 说。 “我们现在面临的最大挑战是为客户提供可接受的价格。我们正在研究玻璃纤维和聚苯胺 (PPA) 基质，后者可在高温下实现更高性能，同时进一步降低有机片厚度。我们不会使用机织织物，但可能会使用堆叠胶带来帮助满足所需的刚度。”
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