EVパワートレインでの性能の証明
軽量化は、電気自動車（EV）の目標であり続け、性能を向上させ、航続距離を拡大します。そのために、設計者と製造業者は、バッテリーエンクロージャー、ボディパネル、シャーシ構造、およびサスペンションコンポーネントでの複合材料の使用を検討しています。ただし、あるプロジェクトでは、バッテリー以外のパワートレインに照準を合わせています。 ギアボックスハウジングに、鋳造アルミニウムをハイブリッド炭素繊維およびガラス繊維強化熱可塑性複合材料に置き換えて、重量を30％削減します。
このプロジェクトは、ARRKグループ（大阪、日本）内の複数の企業によって設計されました。 1948年に設立されたこのグループは、15か国に20社、3,500人以上の従業員で構成され、設計、プロトタイピング、ツーリング、少量生産などの製品開発サービスを複数の業界に提供しています。アーク株式会社は、2018年初頭から三井化学グループ（東京、日本）の子会社であり、長繊維強化熱可塑性化合物と一方向（UD）炭素繊維/ポリプロピレン（CF / PP）テープを製造しています。 ARRKは、14の能力センターの1つとしてコンポジットを確立し、ドイツの業界団体であるCarbon Compositese.V。に参加しています。 2012年はMAICorbon、2015年はCompositesUKです。
このギアボックス住宅プロジェクトでは、ARRK / P + Z Engineering GmbH（ミュンヘン、ドイツ）が、ARRK Shapers'France（LaSéguinièreおよびAigrefeuille-sur-Maine、フランス）の支援を受けて、製造プロセスとスタンピングおよび成形ツール、プロトタイピングはARRK LCO Protomoules（AlbysurChéran、フランス）が主導しました。 「目的は、繊維強化熱可塑性プラスチックが電気自動車のエンジンと、通常はアルミニウムから鋳造されるトランスミッションコンポーネントに提供できる軽量性と剛性を実証することでした」と、ARRKEngineeringのプロジェクトリーダーであるRaikRademacher氏は説明します。
このプロジェクトの基礎として使用されるギアボックスは、スマートフォーツーのためにゲトラグ（ウンターグルッペンバッハ、ドイツ）によって作られています。 電気都市車。ハウジングのみが再設計され、すべての内部部品が再利用され、変更なしで動作しています。リエンジニアリングアプローチでは、有限要素モデル（FEM）、トポロジー最適化、プリフォームスタンピングおよび射出オーバーモールディングプロセスのシミュレーションなど、さまざまなシミュレーションを採用しました。また、さまざまな材料、プロセス、構造の専門知識を持つ複数のパートナーを使用して、金属設計を複合材料に変換するプロセスも証明しました。
ターゲット、負荷、材料の定義
このEVギアボックスハウジングは、車両のトランスミッションギアとシャフトの周りに機械的に固定された2つの半分で構成されています。コンセプトフェーズは、設計ターゲットを定義することから始まりました。最初のステップは、分解された Fortwo を3Dスキャンして、有限要素モデルをリバースエンジニアリングすることでした。 内部コンポーネント、シャフト、ギアを含むギアボックス。最大入力および出力トルク、ギア比、および入力シャフトと出力シャフトのトルクは、メーカーのデータから導き出されました。次に、FEMシミュレーションを使用して、車両の駆動および海岸荷重のギアボックスハウジングのトルク、および最大60Gの重力荷重を計算して衝突状況をシミュレートしました。
ギアボックスハウジングは、許容可能な変形を超えずにこれらの荷重を処理する必要があります。そうしないと、ギアシャフトに大きなたわみが生じ、ギアの接触が不正確になる可能性があります。 「そのような接触はギアを損傷し、最悪の場合、故障につながります」とRademacherは言います。 「不正確なギアアライメントによる伝送エラーも、ギアボックスでの望ましくない音響動作につながります」と彼は付け加えます。 「彼らはそれを「泣き言」と呼んでいます。EVはとても静かなので、この複合ギアボックスが本当に落ち着いていて静かであることが重要です。」したがって、剛性は重要なパフォーマンス目標であり、アルミニウムベースラインの剛性と一致するか、それを超える必要があります。
この再設計の候補材料として早期に特定された、TenCate（オランダ、ナイフェルダル）のガラス繊維および炭素繊維強化ポリアミド6（PA6）有機シートの機械的特性がテストされました。ガラス繊維複合材料は炭素繊維有機シートの剛性の50％しか示さなかったため、後者を選択しました。 「素材は、2 x2ツイル生地に12Kファイバーを使用したTenCateCETEXTC912です」とRademacher氏は言います。 「準等方性スタッキングシーケンス（0°/ 90°/ 45°/ -45°/ 90°/ -45°/ 45°/ 90°/ 0°）で9つの層を使用して作成されたテーラードオルガノシートを指定しました。」
コンセプトと設計フェーズ
5つのギアボックスハウジングのコンセプトが開発されましたが、サイクルタイムが短く、軽量化とコスト削減に十分な可能性を提供したのは2つだけでした。実現可能性チェックでは、金属製のベアリングシートを使用することで、1つのコンセプトだけで十分な剛性が得られることが明らかになりました。 「シートは、ギアシャフトのベアリングとギアボックスハウジングの間の直接接続です」とRademacher氏は説明します。 「これらを単純に射出成形することを検討しましたが、代わりに、剛性を高めるためにオーバーモールドされたアルミニウムインサートを選択しました。」したがって、この概念は開発のために選択されました。
ひずみエネルギーを最小化するためのトポロジー最適化は、後続の設計フェーズで実行されました。この分析から、成形された曲率の最小半径を含め、ギアボックスのハウジング形状が改良されました。このジオメトリは、詳細設計のシミュレーションモデルを構築するために使用されました。次に、有機シートラミネートがさらに最適化され、+ 45°/ -45°の層が最も厚いはずであることが明らかになりました。これは、ハウジングのねじれが抵抗しなければならない変形の主な原因であるという事実とよく相関していました。
ハウジングの剛性はまだ不十分であることが判明したため、交差したUDテープとオーバーモールドされたリブがハウジングの形状に導入されました。オーバーモールドには、チームはEMS-Grivory（Domat / Ems、スイス）から40％グラスファイバー/ PA6（GF / PA6）コンパウンドを選択しました。
詳細フェーズと製造
再設計のこの第3フェーズでは、2つのギアボックスハウジングの半分の機能的な固定ポイントと接続について詳しく説明しました。半分は機械的に固定されるため、ファスナーからのベアリング荷重を伝達するためにアルミニウムインサートが設計に追加されました。次に、これらのインサートを含むオーバーモールドフランジや、ハウジングの外部にオーバーモールドされたリブやその他の機能ジオメトリなど、その他の機能について詳しく説明しました。
オーバーモールドの前にオルガノシートを予備成形するために、スタンピングプロセスが選択されました。スタンピングシミュレーションは、パートナーESI Group（パリ、フランス）がPAM-FORMソフトウェアを使用して完了し（図1）、プリフォーミング中の問題を予測し、未加工の有機シートの開始カットを導き出しました。
「シミュレーションでは、有機シートの厚みが厚く、ハウジングの形状に半径が狭いために曲げ変形が見られ、プリフォームにしわが発生しました」とRademacher氏は言います。 「そこで、設計半径を変更し、有機シートの厚さを4mmに減らしました。これは、より厚い45°プライを使用する必要があることを示したときでしたが、サプライヤーからそのような有機シートを入手することはできませんでした。準等方性スタックを維持することにしましたが、剛性を維持しながら厚みを減らすことができるように、上部に45°UDを適用します。」
チームは、幅25.4 mm、厚さ0.16mmのCETEXTC910カーボンファイバー/ PA6テープを12枚使用し、スタンピングシミュレーションを再実行しました。これらは、交差したUDテープがスタンピング中にずれていたことを示しています。これに対処するために、UDテープを所定の位置にロックするためのスロットがスタンピングツールに設計されました。
オーバーモールドプロセスもシミュレートされ、Autodesk（San Rafael、CA、US）のMoldFlowソフトウェアとCoreTech System Co. Ltd.（Chupei City、Taiwan）のMoldex3Dソフトウェアを使用してShapersによって実行されました。オーバーモールドの利点の1つは、ガルバニック腐食の防止でした。短いガラス繊維強化成形コンパウンドは、オルガノシートのアルミニウムファスナーと炭素繊維を分離しました。したがって、追加の接着剤、シーラント、コーティングは必要ありませんでした。
これらのシミュレーションが完了した後、製造プロセスは次のように完了しました（図2を参照）。
- 有機シートはカットされ、準等方性レイアップに積み重ねられます。
- ラミネートスタックとUDテープは、テープの位置を維持するフレームに配置されます。
- 赤外線ヒーターは熱可塑性マトリックスを240〜260°Cに溶かします;
- プリフォーム材料を使用したフレームをスタンピングプレスとツールに移します（90〜110°Cに予熱）。
- プリフォームにスタンプが押されます（5秒のサイクルタイム）。
- 統合されたプリフォームは、ウォータージェット切断システムを使用して最終的な形状にトリミングされます。
- トリムされたプリフォームが再び予熱されている間、シャフトベアリングとスクリューインサートがオーバーモールディングツールに配置されます。
- プリフォームとインサートがオーバーモールドされています（手動での配置と取り外しを含む2分のサイクルタイム）。
- 最終部品のフランジとベアリングシートは、必要な公差でフライス盤加工されています。
プロトタイプとプロセスの成功
プロトタイプの複合ギアボックスハウジングの前半は、JEC World 2017で製造および展示されました。その後、FEMシミュレーションを検証するためにテストされました。プロトタイプは優れた機械的特性を示し、アルミニウムベースラインの5.8kgから4kgに軽量化され、約30％の軽量化を実現しました。この前半のプロトタイプカバーのコストは50〜80ユーロと見積もられており、オルガノシートが最も高価なコンポーネントです。
このプロジェクトはまた、この企業のコレクションがどのように連携して複合材料の再設計を実現するかをプロトタイプ化することに成功しました。 「ARRKEngineeringでの私たちのバックグラウンドは、小さな複合部品のシミュレーションでしたが、有機シートの使用ではありませんでした」とRademacher氏は回想します。シェイパーは、射出成形と成形ツールの開発に豊富な経験がありましたが、有機シートの背景もありませんでした。有機シートシミュレーションに取り組んでいるARRKチームは、複合材料シミュレーションの専門家でしたが、以前の作業は航空宇宙でした。 「私たちは毎週チームと話し合いました」とRademacherは言います。 「私はパワートレイン部門の出身なので、金属側の方が多いですが、プロジェクトリーダーとして、これらの金属と複合材料の世界を組み合わせる必要がありました。私たちメタルの人たちは「なぜコンポジットでそれをするのか」と考えますが、コンポジットの人は「これはコンポジットで簡単にできる」と思います。私たちは懐疑的すぎて楽観的すぎるので、一緒に仕事をするのは良かったです。私たちは多くのことを学び、非常に効率的な設計プロセスを開発しました。」彼は、ARRKプロセスを、より少ないシミュレーションを使用して1つの設計を開発し、反復プロトタイプを作成して最適化を試みる、より一般的な方法と比較します。 「複数の設計から始めて、シミュレーションを使用してこれらから選択し、プロトタイプを作成する前に設計をさらに最適化する方が効率的であることがわかります。このモデリングを行うには最初は時間がかかりますが、プロトタイピング中の時間は短くなるため、より安価になります。」 Rademacher氏は、新しい工具を製造する時間とコストのために、「10個のシミュレーションモデルよりも10個のプロトタイプ部品を製造する方が常にコストがかかる」と指摘しています。
課題と次のステップ
チームはまた、重要な製造上の課題を克服しました。 「9層の有機シートラミネートと組み合わせたUDテープには、統合されていない領域がありました」とRademacher氏は述べています。 「これは、テープと有機シートの間の空気が原因の一部であり、成形後の取り付けにも影響を及ぼしました。他の要因は、有機シート全体の不均一な温度分布でした。私たちの測定では見栄えが良かったのですが、外縁が少し冷たく、外構造に小さな領域のマトリックス破損が発生しました。そのため、有機シート部品のモデリングと実際の成形の両方について多くのことを学びました。」
プロジェクトの次のステップは、ギアボックスハウジングの後半のプロトタイプを作成し、アセンブリ全体の剛性を検証することです。チームはまた、スタンピング後すぐにプリフォームスタックがオーバーモールドされるように、ウォータージェット切断ステップの削除に取り組んでいます。 「プロセスを変更したため、まだ2番目のカバーに取り組んでいます」とRademacher氏は言います。 「現在の私たちの最大の課題は、クライアントにとって許容可能な価格に到達することです。ガラス繊維とポリフェニレンアミド（PPA）マトリックスを検討しています。後者は、有機シートの厚さをさらに薄くしながら、高温での高性能を実現します。織物は使用しませんが、必要な剛性を満たすために積み重ねたテープを使用する場合があります。」
樹脂