Demostración del rendimiento en sistemas de propulsión de vehículos eléctricos

La reducción de peso sigue siendo un objetivo para los vehículos eléctricos (EV), mejorando el rendimiento y ampliando la autonomía. Con ese fin, los diseñadores y fabricantes están explorando el uso de compuestos en carcasas de baterías, paneles de carrocería, estructuras de chasis y componentes de suspensión. Sin embargo, un proyecto ha puesto la mira en el tren motriz más allá de las baterías a la carcasa de la caja de cambios, reemplazando el aluminio fundido con un compuesto termoplástico híbrido reforzado con fibra de carbono y fibra de vidrio para reducir el peso en un 30%.

Este proyecto fue diseñado por varias empresas dentro del Grupo ARRK (Osaka, Japón). Fundado en 1948, el grupo comprende 20 empresas en 15 países, con más de 3500 empleados, y brinda servicios de desarrollo de productos que incluyen diseño, creación de prototipos, herramientas y producción de bajo volumen a múltiples industrias. Desde principios de 2018, ARRK Corp. es una subsidiaria de Mitsui Chemicals Group (Tokio, Japón), que produce compuestos termoplásticos reforzados con fibras largas y cintas de fibra de carbono / polipropileno (CF / PP) unidireccionales (UD). ARRK ha establecido los compuestos como uno de sus 14 centros de competencia, uniéndose a las asociaciones industriales alemanas Carbon Composites e.V. y MAI Carbon en 2012 y Composites UK en 2015.

Para este proyecto de carcasa de caja de cambios, ARRK / P + Z Engineering GmbH (Múnich, Alemania) completó la ingeniería con el apoyo de ARRK Shapers 'France (La Séguinière y Aigrefeuille-sur-Maine, Francia) para el proceso de producción, así como el estampado y herramientas de moldeo, mientras que la creación de prototipos estuvo a cargo de ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, Francia). “El objetivo era demostrar la ligereza y la rigidez que los termoplásticos reforzados con fibra pueden proporcionar para los componentes de transmisión y motor de vehículos eléctricos, que normalmente se fabrican en aluminio”, explica el líder del proyecto de ingeniería de ARRK, Raik Rademacher.

La caja de cambios utilizada como base para este proyecto está fabricada por Getrag (Untergruppenbach, Alemania) para el Smart Fortwo coche urbano eléctrico. Solo se rediseñó la carcasa, con todas las partes interiores reutilizadas y funcionando sin cambios. El enfoque de reingeniería empleó una variedad de simulaciones:modelo de elementos finitos (FEM), optimización de topología y simulación de procesos de estampado de preformas y sobremoldeo por inyección. También demostró un proceso para convertir un diseño metálico en compuesto utilizando múltiples socios con experiencia en diversos materiales, procesos y estructuras.

Definición de objetivos, cargas y materiales

Esta carcasa de caja de cambios EV consta de dos mitades fijadas mecánicamente alrededor de los engranajes y ejes de transmisión del vehículo. La fase de concepto comenzó definiendo los objetivos de diseño. El primer paso fue aplicar ingeniería inversa a un modelo de elementos finitos mediante el escaneo 3D de un Fortwo desmontado. caja de cambios, incluidos los componentes internos, ejes y engranajes. El par máximo de entrada y salida, la relación de transmisión y el par en los ejes de entrada y salida se derivaron de los datos del fabricante. Luego, se utilizó una simulación FEM para calcular el par en la carcasa de la caja de cambios para la conducción del vehículo y las cargas de costa, así como cargas de gravedad de hasta 60G para simular situaciones de choque.

La carcasa de la caja de engranajes debe manejar estas cargas sin exceder la deformación permitida; de lo contrario, puede haber deflexiones significativas en los ejes de engranajes, lo que provocaría un contacto inexacto en los engranajes. "Tal contacto dañará los engranajes y, en el peor de los casos, provocará fallas", dice Rademacher. “Los errores de transmisión debidos a una alineación incorrecta de las marchas también provocan un comportamiento acústico no deseado en la caja de cambios”, añade. "Lo llaman 'lloriquear'. Debido a que los vehículos eléctricos son tan silenciosos, es importante que esta caja de cambios compuesta sea realmente tranquila y silenciosa". Por lo tanto, la rigidez es un objetivo de rendimiento crítico y debe igualar o superar la de la línea base de aluminio.

Identificados desde el principio como materiales candidatos para este rediseño, las láminas orgánicas de fibra de vidrio tejida y poliamida 6 reforzada con fibra de carbono (PA6) de TenCate (Nijverdal, Países Bajos) se probaron para determinar sus propiedades mecánicas. Debido a que el compuesto de fibra de vidrio mostró solo el 50% de la rigidez de la hoja orgánica de fibra de carbono, se seleccionó esta última. “El material es TenCate CETEX TC912 que utiliza fibra 12K en una tela de sarga de 2 por 2”, dice Rademacher. “Especificamos una hoja orgánica a medida hecha con nueve capas en una secuencia de apilamiento cuasi-isotrópica (0 ° / 90 ° / 45 ° / -45 ° / 90 ° / -45 ° / 45 ° / 90 ° / 0 °)”.

Fases de concepto y diseño

Se desarrollaron cinco conceptos de carcasa de caja de cambios, pero solo dos ofrecían un potencial adecuado para ahorrar peso y costos, junto con un tiempo de ciclo reducido. Las comprobaciones de viabilidad revelaron que solo un concepto permitía una rigidez suficiente mediante el uso de asientos de cojinetes metálicos. “Los asientos son la conexión directa entre los cojinetes de los ejes de transmisión y la carcasa de la caja de cambios”, explica Rademacher. "Consideramos simplemente moldearlos por inyección, pero en su lugar elegimos un inserto de aluminio sobremoldeado para aumentar la rigidez". Por tanto, este concepto fue elegido para su desarrollo.

La optimización de la topología para minimizar la energía de deformación se realizó en la siguiente fase de diseño. A partir de este análisis, se refinó la geometría de la carcasa de la caja de engranajes, incluidos los radios mínimos para las curvaturas moldeadas. Esta geometría se utilizó para construir un modelo de simulación para el diseño detallado. El laminado de hoja orgánica se optimizó aún más, revelando que las capas de + 45 ° / -45 ° deberían ser las más gruesas. Esto se correlacionó bien con el hecho de que la torsión en la carcasa es la principal fuente de deformación que debe resistirse.

Todavía se encontró que la rigidez de la carcasa era insuficiente, por lo que se introdujeron cintas UD cruzadas y nervaduras sobremoldeadas en la geometría de la carcasa. Para el sobremoldeo, el equipo seleccionó un compuesto al 40% de fibra de vidrio / PA6 (GF / PA6) de EMS-Grivory (Domat / Ems, Suiza).

Fase de detalle y fabricación

Los puntos de fijación funcionales y las conexiones para las dos mitades de la carcasa de la caja de cambios se detallaron en esta tercera fase del rediseño. Las mitades se sujetarían mecánicamente, por lo que se agregaron inserciones de aluminio al diseño para transmitir las cargas de los rodamientos desde los sujetadores. Luego se detallaron otras características, incluida la brida sobremoldeada que contiene estos insertos y las nervaduras y otra geometría funcional sobremoldeada en el exterior de la carcasa.

Se seleccionó un proceso de estampado para preformar la hoja orgánica antes del sobremoldeo. El socio ESI Group (París, Francia) completó una simulación de estampado (Fig. 1) utilizando su software PAM-FORM para anticipar cualquier problema durante el preformado y obtener un corte inicial para la hoja orgánica en bruto.

“La simulación mostró deformación por flexión debido al alto espesor de la hoja orgánica y los radios ajustados en la geometría de la carcasa, lo que provocó arrugas en la preforma”, dice Rademacher. “Entonces, modificamos los radios de diseño y redujimos el grosor de la lámina orgánica a 4 mm. Fue entonces cuando mostramos que se deberían usar capas más gruesas de 45 °, pero no pudimos obtener una hoja orgánica de este tipo de un proveedor. Decidimos mantener la pila cuasi-isotrópica, pero aplicamos UD de 45 ° en la parte superior para permitir la reducción del espesor, manteniendo la rigidez ".

El equipo utilizó 12 capas de cinta de fibra de carbono / PA6 CETEX TC910 de 25,4 mm de ancho y 0,16 mm de espesor y repitió las simulaciones de estampado. Estos mostraron que las cintas UD cruzadas se deslizaban fuera de lugar durante el estampado. Para solucionar esto, se diseñaron ranuras en la herramienta de estampado para bloquear las cintas UD en su posición.

El proceso de sobremoldeo también fue simulado, realizado por Shapers utilizando el software MoldFlow de Autodesk (San Rafael, CA, EE. UU.), Y también el software Moldex3D de CoreTech System Co. Ltd. (Ciudad de Chupei, Taiwán). Un beneficio del sobremoldeo fue la prevención de la corrosión galvánica. El compuesto de moldura reforzado con fibra de vidrio corta proporcionó aislamiento entre los sujetadores de aluminio y la fibra de carbono en la hoja orgánica. Por lo tanto, no se requirió adhesivo, sellador o revestimiento adicional.

Después de completar estas simulaciones, el proceso de fabricación se finalizó de la siguiente manera (ver Fig.2):

1. La hoja orgánica se corta y se apila en forma cuasi-isotrópica;
2. La pila de laminados y las cintas UD se colocan en un marco que mantiene la posición de la cinta;
3. El calentador infrarrojo derrite la matriz termoplástica a 240-260 ° C;
4. El marco con materiales de preforma se transfiere a la prensa de estampado y la herramienta (precalentada a 90-110 ° C);
5. La preforma está estampada (tiempo de ciclo de 5 segundos);
6. La preforma consolidada se recorta a la forma final utilizando un sistema de corte por chorro de agua;
7. Los cojinetes del eje y los insertos de tornillos se colocan en la herramienta de sobremoldeo mientras la preforma recortada se vuelve a precalentar;
8. La preforma y los insertos están sobremoldeados (tiempo de ciclo de 2 minutos, incluida la colocación y extracción manual);
9. Las bridas de las piezas finales y los asientos de los rodamientos se fresan según las tolerancias requeridas.

Prototipo y éxito del proceso

La primera mitad de la carcasa de la caja de cambios de material compuesto prototipo se produjo y se mostró en JEC World 2017. Luego se probó para validar las simulaciones FEM. El prototipo mostró buenas propiedades mecánicas, al tiempo que redujo el peso a 4 kg desde 5,8 kg para la línea base de aluminio, un ahorro de peso de aproximadamente un 30%. El coste de esta cubierta prototipo de la primera mitad se estima en 50-80 €, siendo la hoja orgánica el componente más caro.

Este proyecto también tuvo éxito en la creación de prototipos de cómo esta colección de empresas trabaja en conjunto para ofrecer un rediseño de materiales compuestos. “Nuestra experiencia en ARRK Engineering se basaba en la simulación de pequeñas piezas compuestas, pero no en el uso de láminas orgánicas”, recuerda Rademacher. Shapers tenía una amplia experiencia en el moldeo por inyección y el desarrollo de herramientas de moldeo, pero tampoco tenía experiencia en láminas orgánicas. El equipo de ARRK que trabajaba en la simulación de láminas orgánicas eran expertos en simulación de compuestos, pero su trabajo anterior había sido en la industria aeroespacial. “Teníamos discusiones con el equipo todas las semanas”, dice Rademacher. “Soy del departamento de tren motriz, más del lado de los metales, pero como líder del proyecto, tuve que combinar estos mundos de metales y compuestos. Los del metal pensamos, "¿Por qué hacerlo en composites?", Mientras que los de composites piensan, "esto es fácil de hacer en composites". Somos demasiado escépticos y ellos demasiado optimistas, así que fue bueno trabajar juntos. Aprendimos mucho y desarrollamos un proceso de diseño que es muy eficiente ”. Compara el proceso ARRK con el método más común de desarrollar un diseño, usando menos simulación y luego tratando de optimizar mediante la construcción de prototipos iterativos. “Vemos que es más eficiente comenzar con varios diseños y seleccionarlos mediante la simulación, y luego optimizar aún más el diseño antes de la creación de prototipos. Lleva tiempo al principio hacer este modelado, pero menos tiempo durante la creación de prototipos, por lo que es menos costoso ". Rademacher señala que, debido al tiempo y al costo de producir nuevas herramientas, "siempre es más costoso producir diez piezas prototipo frente a diez modelos de simulación".

Desafíos y próximos pasos

El equipo también superó importantes desafíos de fabricación. “Las cintas UD en combinación con el laminado de organohojas de nueve capas tenían áreas donde no estaba consolidado”, señala Rademacher. “Esto se debió en parte al aire entre las cintas y la hoja orgánica y también afectó su fijación después del moldeado. El otro contribuyente fue una distribución de temperatura no homogénea a través de la hoja orgánica. Se veía bien en nuestras mediciones, pero estaba un poco más frío en los bordes exteriores, lo que provocó pequeñas áreas de fallas de la matriz en la estructura exterior. Por lo tanto, hemos aprendido mucho sobre el modelado y el moldeo real de las piezas de la hoja orgánica ".

El siguiente paso del proyecto es realizar un prototipo de la segunda mitad de la carcasa de la caja de cambios y validar la rigidez del conjunto completo. El equipo también está trabajando para eliminar el paso de corte por chorro de agua para que la pila de preformas pueda sobremoldearse inmediatamente después del estampado. “Debido a que hemos cambiado el proceso, todavía estamos trabajando en la segunda portada”, dice Rademacher. “El mayor desafío para nosotros ahora es alcanzar un precio aceptable para el cliente. Estamos buscando fibra de vidrio y una matriz de polifenilen amida (PPA), esta última permite un mayor rendimiento a altas temperaturas al tiempo que reduce aún más el grosor de la hoja orgánica. No usaremos tela tejida, pero tal vez cintas apiladas para ayudar a alcanzar la rigidez requerida ".