軽量パワートレイン設計がEV性能を向上：ギアボックスハウジングで30%軽量化
重量削減は電気自動車（EV）の継続的目標であり、性能向上と航続距離延伸に寄与します。そのため、設計者とメーカーはバッテリーエンクロージャ、ボディパネル、シャシー構造、サスペンション部品への複合材採用を模索しています。しかし、あるプロジェクトはバッテリー以外のパワートレイン、すなわちギアボックスハウジングに焦点を当て、鋳造アルミニウムをハイブリッドカーボンファイバー・ガラス繊維強化熱可塑性複合材に置き換え、30%の軽量化を実現しました。
このプロジェクトは、ARRKグループ（日本・大阪）傘下の複数企業によりエンジニアリングされました。1948年創業の同グループは、15カ国に20社、3,500名以上の従業員を擁し、設計、試作、金型、少量生産など製品開発サービスを複数業界に提供。2018年初めからARRK Corp.は三井化学グループ（日本・東京）傘下となり、長繊維強化熱可塑性コンパウンドとユニディレクショナル（UD）カーボンファイバー/ポリプロピレン（CF/PP）テープを製造しています。ARRKは複合材を14のコンピタンスセンターの一つとして位置づけ、2012年にドイツ業界団体Carbon Composites e.V.とMAI Carbon、2015年にComposites UKに加盟しました。
このギアボックスハウジングプロジェクトでは、ARRK/P+Z Engineering GmbH（ドイツ・ミュンヘン）がエンジニアリングを完了し、ARRK Shapers' France（フランス・ラセギニエールとエグレフイユシュルメーヌ）が製造プロセス、プレス・成形金型をサポート、試作はARRK LCO Protomoules（フランス・アルビシュラン）が主導しました。「目的は、通常アルミニウム鋳造される電気自動車エンジンとトランスミッション部品において、繊維強化熱可塑性材料が提供できる軽量性と剛性を実証することでした」と、ARRK EngineeringプロジェクトリーダーRaik Rademacher氏は説明します。
本プロジェクトのベースとなったギアボックスは、Getrag（ドイツ・ウンターグルッペンバッハ）製でSmart Fortwo電気都市車用です。ハウジングのみ再設計し、内部部品はすべて再利用し変更なしで動作します。再設計アプローチでは、有限要素モデル（FEM）、トポロジー最適化、プリフォームプレス成形と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多様なシミュレーションを活用。また、金属設計から複合材への変換プロセスを、多様な材料・プロセス・構造専門知識を持つ複数パートナーで実証しました。
目標、荷重、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を機械的に締結する二つの半分で構成されます。コンセプトフェーズは設計目標定義から開始。第一歩は、分解したFortwoギアボックス（内部部品、シャフト、ギア含む）を3Dスキャンし、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。最大入出力トルク、ギア比、入出力シャフトトルクはメーカーデータから導出。FEMシミュレーションで、車両駆動・惰行荷重、最大60Gの重力荷重（クラッシュシミュレーション）におけるギアボックスハウジングへのトルクを計算。
ギアボックスハウジングは、許容変形を超えずにこれら荷重を処理しなければなりません。さもなければギアシャフトに大きなたわみが生じ、ギアの不正確な接触を招きます。「この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氏。「不正確なギアアライメントによるトランスミッションエラーは、ギアボックスの望ましくない音響挙動にもつながります」と同氏。「『うなり音』と呼ばれます。EVは非常に静かなので、この複合材ギアボックスが本当に静かで穏やかであることが重要です。」したがって剛性は重要な性能目標で、アルミニウムベースラインと同等以上でなければなりません。
早期に候補材料として特定された、TenCate（オランダ・ナイフェルダル）製織布ガラス繊維とカーボンファイバー強化ポリアミド6（PA6）オルガノシートを機械的特性で評価。ガラス繊維複合材がカーボンファイバーオルガノシートの剛性50%しか示さなかったため、後者を選択。「材料はTenCate CETEX TC912で、2×2綾織ファブリックに12Kファイバーを使用」とRademacher氏。「準等方積層配列（0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°）で9プライの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コンセプトを開発しましたが、重量・コスト削減ポテンシャルと低サイクルタイムで十分な可能性を示したのは2つのみ。実現性チェックで、金属ベアリングシート使用により十分な剛性を確保できるのは1コンセプトのみでした。「シートはギアシャフト用ベアリングとギアボックスハウジングの直接接続部です」とRademacher氏。「単純に射出成形することも検討しましたが、剛性向上のためオーバーモールディングアルミニウムインサートを選択しました。」このコンセプトを採用して開発を進めました。
以降の設計フェーズで、ひずみエネルギー最小化によるトポロジー最適化を実施。この解析から、成形曲率の最小半径などを含むギアボックスハウジング形状を最適化。この形状で詳細設計用シミュレーションモデルを構築。オルガノシート積層をさらに最適化し、±45°層が最も厚くすべきことが判明。これはハウジングのねじれが抵抗すべき主変形源であることとよく相関します。
ハウジング剛性が依然不十分だったため、クロスUDテープとオーバーモールディングリブをハウジング形状に導入。オーバーモールディング用には、EMS-Grivory（スイス・ドマット/エムス）製40%ガラス繊維/PA6（GF/PA6）コンパウンドを選択。
詳細フェーズと製造
この第三段階の再設計で、二つのギアボックスハウジング半分の機能的固定点と接続を詳細化。半分は機械的に締結されるため、ファスナーからのベアリング荷重を伝達するアルミニウムインサートを設計に追加。その他の特徴も詳細化：これらインサートを含むオーバーモールディングフランジ、ハウジング外部へのリブとその他機能形状のオーバーモールディング。
プリフォーム前のオルガノシート成形にスタンピングプロセスを選択。パートナーESI Group（フランス・パリ）がPAM-FORMソフトウェアでスタンピングシミュレーションを完了（図1）、プリフォーム時の問題予測と原料オルガノシートの初期カット形状導出を行いました。
「シミュレーションで、オルガノシートの高厚みとハウジング形状のタイトな曲率半径による曲げ変形、プリフォームへのシワ発生が示されました」とRademacher氏。「設計曲率半径を修正し、オルガノシート厚を4mmに削減。ここで±45°プライを厚くすべきことが判明しましたが、サプライヤーからそのようなオルガノシートを調達できませんでした。準等方積層を維持しつつ、上面に45°UDを追加することで厚み削減しながら剛性維持を図りました。」
25.4mm幅、0.16mm厚のCETEX TC910カーボンファイバー/PA6テープ12プライを使用し、スタンピングシミュレーションを再実施。クロスUDテープがスタンピング中に位置ズレすることが判明。対策として、スタンピングツールにスロットを設計しUDテープを位置固定しました。
オーバーモールディングプロセスもシミュレーション。ShapersがAutodesk（米国カリフォルニア州サンラファエル）MoldFlowソフトウェアと、CoreTech System Co. Ltd.（台湾竹北市）Moldex3Dソフトウェアで実施。オーバーモールディングの利点の一つはガルバニック腐食防止。短繊維ガラス強化モールディングコンパウンドが、アルミニウムファスナーとオルガノシート内カーボンファイバーを絶縁。追加接着剤、シーラント、コーティングが不要になりました。
これらシミュレーション完了後、製造プロセスを以下のように確定（図2参照）：
- オルガノシートをカットし、準等方積層でスタック；
- 積層スタックとUDテープをテープ位置維持フレームに配置；
- 赤外線ヒーターで熱可塑性マトリックスを240-260℃で溶融；
- プリフォーム材料入りフレームをスタンピングプレスとツール（90-110℃で予熱）へ移送；
- プリフォームをスタンピング（5秒サイクルタイム）；
- 集積済みプリフォームをウォータージェット切断システムで最終形状へトリミング；
- シャフトベアリングとネジインサートをオーバーモールディング金型に配置しつつ、トリミング済みプリフォームを再予熱；
- プリフォームとインサートをオーバーモールディング（手動配置・取り出し含め2分サイクルタイム）；
- 最終部品フランジとベアリングシートを要求公差へ切削。
プロトタイプとプロセスの成功
プロトタイプ複合材ギアボックスハウジング前半分が製造され、JEC World 2017で展示。その後FEMシミュレーション検証のためテスト実施。プロトタイプは良好な機械的特性を示し、アルミニウムベースライン5.8kgから4kgへ、約30%の軽量化を達成。この前半分プロトタイプカバーのコストは推定50-80ユーロで、オルガノシートが最も高価なコンポーネントでした。
このプロジェクトは、この企業集団がいかに協働して複合材再設計を提供するかのプロトタイピングでも成功しました。「ARRK Engineeringのバックグラウンドは小型複合材部品のシミュレーションであって、オルガノシート使用経験はありませんでした」とRademacher氏は回想。Shapersは射出成形と金型開発に豊富な経験があったが、オルガノシート経験はなし。オルガノシートシミュレーション担当ARRKチームは複合材シミュレーションのエキスパートだが、以前の仕事は航空宇宙分野。「毎週チームとディスカッションを行いました」とRademacher氏。「私はパワートレイン部門出身で金属寄りですが、プロジェクトリーダーとして金属と複合材の世界を融合させる必要がありました。金属屋は『なぜ複合材でやるのか？』と考え、複合材屋は『複合材なら簡単だ』と考えます。我々は懐疑的すぎ、彼らは楽観的すぎる。だからこそ一緒に仕事をして良かった。多くを学び、非常に効率的な設計プロセスを開発できました。」同氏は、一般的な手法（一つの設計を開発し、シミュレーションを少なくし、反復プロトタイプで最適化を試みる）とARRKプロセスを比較。「複数の設計から始め、シミュレーションで絞り込み、プロトタイピング前にさらに設計を最適化する方が効率的です。最初にモデリングに時間はかかりますが、プロトタイピング時間が減るため、コストも安くなります。」新規金型製作の時間とコストを考慮すると、「シミュレーションモデル10個 vs プロトタイプ部品10個なら、後者の方が常に高コストです。」
課題と次のステップ
チームは重大な製造課題も克服しました。「UDテープと9プライオルガノシート積層の組み合わせで、集積不良領域がありました」とRademacher氏。「テープとオルガノシート間の空気と、成形後の接着への影響が一因。もう一つはオルガノシート全体での不均一な温度分布。測定では良好に見えましたが、外縁部が少し低温で、外部構造の小領域でマトリックス破壊を引き起こしました。オルガノシート部品のモデリングと実際の成形について多くを学びました。」
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後半分のプロトタイピングと、完全アセンブリ剛性の検証。ウォータージェット切断工程を削除し、スタンピング後すぐにプリフォームスタックをオーバーモールディングできるよう取り組み中。「プロセスを変更したため、後半分カバーの作業を継続中です」とRademacher氏。「現在の最大課題は、顧客にとって受け入れ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中で、後者は高温での高性能を可能にしながらオルガノシート厚をさらに削減できます。織布ではなくスタックテープを使用して必要剛性確保を目指します。」
樹脂