一个项目将目光放在了动力系统(不是电池)的变速箱外壳上,通过用混合的碳纤维和玻璃纤维增强的热塑性复合材料取代铸铝,减轻了30%的重量。

通过仿真驱动的开发,ARRK集团用热塑性复合材料取代铝制作了电动汽车动力系统中变速箱的外壳。

减重始终是开发电动汽车的目标,以提升性能并延长续航里程。为此,设计师和制造商们正在探索复合材料在电池外壳、车身板、底盘结构和悬架部件上的应用。然而,一个项目却将目光放在了动力系统(不是电池)的变速箱外壳上,通过用混合的碳纤维和玻璃纤维增强的热塑性复合材料取代铸铝,减轻了30%的重量。

热塑性复合材料的变速箱外壳:定义目标、载荷和材料,概念和设计阶段-复合材料网
保证性能并减轻重量:ARRK/P Z Engineering、ARRK Shapers和ARRK LCO Protomoules整合他们在动力系统、金属和复合材料方面的专业知识,采用连续碳纤维增强PA6有机板材与二次成型的短玻璃纤维增强PA6模塑配混料,重新设计并原型制作了电动汽车的变速箱外壳。通过仿真驱动的方法,产生了能减轻重量同时保证高效生产出高刚性且安静的变速箱外壳的设计(图片来自ARRK集团)

该项目由ARRK集团(日本大阪)中的多家公司开发。该集团创建于1948年,在15个国家拥有20家公司,员工超过3500人,为众多的行业领域提供含设计、原型制作、模具和小批量生产在内的产品开发服务。自2018年初开始,ARRK公司成为三井化工集团(日本东京)的子公司,生产长纤维增强热塑性配混料和单向(UD)碳纤维/聚丙烯(CF/PP)带材。现在,ARRK集团已将复合材料确立为其14个能力中心之一。

对于该变速箱外壳项目,ARRK/P Z Engineering GmbH(以下简称“ARRK Engineering”,德国慕尼黑)在ARRK Shapers的France公司(法国La Séguinière和Aigrefeuille-sur-Maine)支持下,完成了针对生产工艺以及冲压和成型模具的工程开发,原型制作则由ARRK LCO Protomoules(法国Alby sur Chéran)领导。“我们的目的是要证明纤维增强热塑性复合材料能够为通常由铝铸造的电动汽车的发动机和变速箱部件带来所需要的轻量化和刚性。”ARRK Engineering的项目负责人Raik Rademacher解释道。

作为该项目的基础,该变速箱由Getrag公司(德国Untergruppenbach)为Smart Fortwo城市电动轿车制造。由于只有外壳得到了重新设计,因此其内部所有的零件可以继续使用,无需改变即可运行。对于这种重新设计的方法,开发团队进行了各种模拟,包括有限元模拟(FEM)、拓扑优化以及对预成型件冲压和二次注塑成型工艺的模拟,此外还证明了采用多个合作伙伴提供的丰富的材料、工艺和结构专业知识来将金属设计变成复合材料的过程。

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仿真驱动的开发:ARRK Engineering采用多种仿真开发了这种混合的纤维增强热塑性复合材料变速箱外壳,包括采用有限元模拟来评估尺寸和概念(图片来自ARRK集团)

定义目标、载荷和材料

该电动汽车变速箱外壳包括在变速箱齿轮和轴的周围由机械固定的两个半壳,概念阶段从定义设计目标开始。第一步是通过对一个拆卸的Fortwo变速箱(含内部零件、轴和齿轮)进行 3D扫描,来开展有限元模型的逆向工程。最大输入和输出扭矩、传动比以及输入轴和输出轴上的扭矩,均来自制造商的数据。然后,针对车辆行驶和海岸载荷,以及高达60g的重力载荷,利用有限元模拟来计算变速箱壳体上的扭矩,以模拟碰撞情况。

变速箱壳体必须在不超过允许变形的情况下承受这些载荷,否则,齿轮轴可能会发生明显变形,导致齿轮接触不准确。“这样的接触会损坏齿轮,最糟糕的情况是导致失效。”Rademacher说道,“齿轮定位不准确会导致变速箱出错,还会引起变速箱中产生不必要的声学行为,如‘嘎吱声’。由于电动汽车非常安静,所以确保这种复合材料的变速箱保持安静是非常重要的。”因此,刚性是关键的性能指标,必须与铝制的基准部件保持一致或者超越它。

早期针对这一重新设计而确定的候选材料,是TenCate 公司(荷兰Nijverdal)提供的编织的玻璃纤维和碳纤维增强聚酰胺6有机片材,它们接受了力学性能测试。由于玻璃纤维复合材料的刚性仅为碳纤维有机片材的50%,因此后者被选中。“这是采用12K纤维制成的2×2斜纹织物TenCate CETEX TC912。”Rademacher说,“我们指定了一种订制的有机板材,它是按准各向同性的叠加顺序(0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°)铺放的9层材料。”

概念和设计阶段

5种变速箱壳体概念被开发出来,但只有两种提供了足够的减重、降本潜力,以及较短的生产循环时间。可行性检查显示,只有一种概念通过使用金属轴承座而允许提供足够的刚度。“对于齿轮轴和变速箱壳体而言,轴承座是轴承之间的直接连接。”Rademacher解释说,“我们看了简单注塑成型的轴承座,进而选择了一种包覆成型的铝嵌件来增加刚度。”因此,这一概念被选中用于开发。

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变速箱壳体概念设计图(图片来自ARRK集团)

在后续的设计阶段进行了拓扑优化,以最大程度地降低应变能。通过这一分析,变速箱壳体的几何结构得到了改进,包括最大程度地减小了成型的曲率半径。这一几何图形被用来为详细的设计而建立一个仿真模型。然后,对有机片材叠层作了进一步的优化,显示出 45°/-45°的铺层应该是最厚的,这与“壳体的扭转是变形(必须受到抵制)的主要来源”这一事实完全相符。

但是,壳体的刚度还是不够,因此,将交叉的UD 带和二次成型的肋引入到壳体形状中。对于二次成型,该团队选择了EMS-Grivory公司(瑞士Domat/Ems)提供的40%玻璃纤维增强