Diseño ligero de tren motriz impulsa rendimiento de VE

La reducción de peso continúa siendo una meta para vehículos eléctricos (VE), mejorando rendimiento y extendiendo autonomía. Para ese fin, diseñadores y fabricantes están explorando el uso de compuestos en cajas de baterías, paneles de carrocería, estructuras de chasis y componentes de suspensión. Sin embargo, un proyecto ha puesto su mira en el tren motriz más allá de las baterías hasta la carcasa de la caja de cambios, reemplazando aluminio fundido con un compuesto termoplástico híbrido reforzado con fibra de carbono y fibra de vidrio para reducir peso en 30%.

Este proyecto fue ingeniado por múltiples empresas dentro del Grupo ARRK (Osaka, Japón). Fundado en 1948, el grupo comprende 20 empresas en 15 países, con más de 3,500 empleados, y proporciona servicios de desarrollo de producto incluyendo diseño, prototipado, utillaje y producción de bajo volumen a múltiples industrias. Desde principios de 2018, ARRK Corp. ha sido subsidiaria de Mitsui Chemicals Group (Tokio, Japón), que produce compuestos termoplásticos reforzados con fibra larga y cintas unidireccionales (UD) de fibra de carbono/polipropileno (CF/PP). ARRK ha establecido 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, la ingeniería fue completada por ARRK/P+Z Engineering GmbH (Múnich, Alemania) con apoyo de ARRK Shapers France (La Séguinière y Aigrefeuille-sur-Maine, Francia) para el proceso de producción así como herramientas de estampado y moldeo, mientras que el prototipado fue liderado por ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, Francia). "El objetivo era demostrar el peso ligero y rigidez que los termoplásticos reforzados con fibra pueden proporcionar para componentes de motor y transmisión de vehículos eléctricos típicamente fundidos en aluminio", explica el líder de proyecto de ARRK Engineering, Raik Rademacher.

La caja de cambios usada como base para este proyecto es fabricada por Getrag (Untergruppenbach, Alemania) para el Smart Fortwo coche eléctrico urbano. Solo la carcasa fue rediseñada, con todas las partes internas reutilizadas y operando sin cambio. El enfoque de re-ingeniería empleó una variedad de simulaciones —modelo de elementos finitos (FEM), optimización topológica y simulación de procesos de estampado de preforma y sobremoldeo por inyección. También probó un proceso para convertir un diseño metálico a compuesto usando múltiples socios con diversa experiencia en materiales, procesos y estructuras.

Definiendo objetivos, cargas y materiales

Esta carcasa de caja de cambios VE comprende dos mitades mecánicamente atornilladas alrededor de los engranajes y ejes de la transmisión del vehículo. La fase de concepto comenzó definiendo objetivos de diseño. El primer paso fue ingeniería inversa de un modelo de elementos finitos por escaneo 3D de una caja de cambios Fortwo desensamblada, incluyendo componentes internos, ejes y engranajes. Par máximo de entrada y salida, relación de engranaje y par en ejes de entrada y salida se derivaron de datos del fabricante. Una simulación FEM se usó entonces para calcular par en la carcasa de la caja de cambios para cargas de conducción y desaceleración del vehículo, así como cargas de gravedad hasta 60G para simular situaciones de choque.

La carcasa de la caja de cambios debe manejar estas cargas sin exceder deformación permitida; de lo contrario, puede haber deflexiones significativas en los ejes de engranajes, causando contacto inexacto en los engranajes. "Tal contacto dañará los engranajes y, en el peor caso, llevará a fallo", dice Rademacher. "Errores de transmisión debido a alineación inexacta de engranajes también conducen a comportamiento acústico no deseado en la caja de cambios", añade. "Lo llaman 'zumbido'. Como los VE son tan silenciosos, es importante que esta caja de cambios compuesta sea realmente calmada y silenciosa". Así, la rigidez es un objetivo crítico de rendimiento, y debe igualar o exceder la de la base de aluminio.

Identificados temprano como materiales candidatos para este rediseño, organoláminas de poliamida 6 (PA6) reforzadas con fibra de vidrio y fibra de carbono tejidas de TenCate (Nijverdal, Países Bajos) fueron probadas para propiedades mecánicas. Debido a que el compuesto de fibra de vidrio mostró solo 50% de la rigidez de la organolámina de fibra de carbono, esta última fue seleccionada. "El material es TenCate CETEX TC912 usando fibra 12K en tela twill 2-por-2", dice Rademacher. "Especificamos una organolámina a medida hecha usando nueve capas en 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 ofrecieron potencial adecuado para ahorro de peso y costo, junto con bajo tiempo de ciclo. Verificaciones de factibilidad revelaron que solo un concepto permitía rigidez suficiente, usando asientos de cojinetes metálicos. "Los asientos son la conexión directa entre los cojinetes para los ejes de engranajes y la carcasa de la caja de cambios", explica Rademacher. "Miramos simplemente moldear estos por inyección, pero en su lugar elegimos un inserto de aluminio sobremoldeado para aumentar la rigidez". Este concepto fue así elegido para desarrollo.

Optimización topológica para minimizar energía de deformación se realizó en la fase de diseño subsiguiente. De este análisis, la geometría de la carcasa de la caja de cambios fue refinada, incluyendo radios mínimos para curvaturas moldeadas. Esta geometría se usó para construir un modelo de simulación para el diseño detallado. El laminado de organolámina fue entonces optimizado más, revelando que las capas +45°/-45° deberían ser las más gruesas. Esto correlacionó bien con el hecho de que la torsión en la carcasa es la principal fuente de deformación que debe resistirse.

La rigidez de la carcasa aún se encontró insuficiente, así que se introdujeron cintas UD cruzadas y nervios sobremoldeados en la geometría de la carcasa. Para sobremoldeo, el equipo seleccionó un compuesto 40% fibra de vidrio/PA6 (GF/PA6) de EMS-Grivory (Domat/Ems, Suiza).

Fase de detalle y fabricación

Puntos de fijación funcionales y conexiones para las dos mitades de la carcasa de la caja de cambios fueron detallados en esta tercera fase del rediseño. Las mitades serían mecánicamente atornilladas, así que se añadieron insertos de aluminio al diseño para transmitir cargas de cojinetes de los sujetadores. Otras características fueron entonces detalladas, incluyendo el flange sobremoldeado conteniendo estos insertos y los nervios y otra geometría funcional sobremoldeada en el exterior de la carcasa.

Un proceso de estampado fue seleccionado para preformar la organolámina antes del sobremoldeo. Una simulación de estampado se completó (Fig. 1) por el socio ESI Group (París, Francia) usando su software PAM-FORM para anticipar cualquier problema durante el preformado y derivar un corte inicial para la organolámina cruda.

"La simulación mostró deformación por flexión debido al alto espesor de la organolámina y radios ajustados en la geometría de la carcasa, causando arrugas en la preforma", dice Rademacher. "Así que modificamos los radios de diseño y redujimos el espesor de la organolámina a 4 mm. Fue cuando mostramos que se deberían usar capas 45° más gruesas, pero no podíamos conseguir tal organolámina de un proveedor. Decidimos mantener la pila cuasi-isotrópica pero aplicar UDs 45° encima para permitir la reducción de espesor, manteniendo la rigidez".

El equipo usó 12 capas de cinta de fibra de carbono/PA6 CETEX TC910 de 25.4 mm de ancho y 0.16 mm de espesor y re-ejecutó simulaciones de estampado. Estas mostraron que las cintas UD cruzadas se deslizaban fuera de posición durante el estampado. Para abordar esto, se diseñaron ranuras en la herramienta de estampado para bloquear las cintas UD en posición.

El proceso de sobremoldeo también fue simulado, realizado por Shapers usando el software MoldFlow de Autodesk (San Rafael, CA, EE. UU.), y también software Moldex3D de CoreTech System Co. Ltd. (Ciudad Chupei, Taiwán). Un beneficio del sobremoldeo fue la prevención de corrosión galvánica. El compuesto de moldeo reforzado con fibra de vidrio corta proporcionó aislamiento entre los sujetadores de aluminio y la fibra de carbono en la organolámina. Así, no se requería adhesivo, sellador o recubrimiento adicional.

Después de completar estas simulaciones, el proceso de fabricación se finalizó como sigue (ver Fig. 2):

1. La organolámina se corta y apila en estratificado cuasi-isotrópico;
2. La pila de laminado y cintas UD se colocan en un marco que mantiene la posición de las cintas;
3. Calentador infrarrojo funde la matriz termoplástica a 240-260°C;
4. El marco con materiales de preforma se transfiere a prensa y herramienta de estampado (precalentada a 90-110°C);
5. La preforma se estampa (tiempo de ciclo 5 segundos);
6. La preforma consolidada se recorta a forma final usando un sistema de corte por chorro de agua;
7. Cojinetes de ejes e insertos de tornillo se colocan en la herramienta de sobremoldeo mientras la preforma recortada se precalienta de nuevo;
8. La preforma e insertos se sobremoldean (tiempo de ciclo 2 minutos incluyendo colocación y remoción manual);
9. Flanges finales y asientos de cojinetes se fresan a tolerancias requeridas.

Éxito de prototipo y proceso

La primera mitad del prototipo de carcasa de caja de cambios compuesta fue producida y exhibida en JEC World 2017. Luego fue probada para validar las simulaciones FEM. El prototipo mostró buenas propiedades mecánicas, mientras reducía peso a 4 kg desde 5.8 kg para la base de aluminio, un ahorro de peso de aproximadamente 30%. El costo de esta primera mitad de prototipo se estima en €50-80, siendo la organolámina el componente más costoso.

Este proyecto también tuvo éxito en prototipar cómo esta colección de empresas trabaja junta para entregar un rediseño de compuestos. "Nuestro trasfondo en ARRK Engineering era en simulación para piezas compuestas pequeñas pero no en usar organolámina", recuerda Rademacher. Shapers tenía amplia experiencia con moldeo por inyección y desarrollo de herramientas de moldeo, pero tampoco trasfondo en organolámina. El equipo de ARRK trabajando en simulación de organolámina eran expertos en simulación de compuestos, pero su trabajo previo había sido en aeroespacial. "Tuvimos discusiones con el equipo cada semana", dice Rademacher. "Yo soy del departamento de tren motriz, así que más del lado de metales, pero como líder del proyecto, tuve que combinar estos mundos de metales y compuestos. Los de metales pensamos, '¿Por qué hacerlo en compuestos?' mientras los de compuestos piensan, 'esto es fácil en compuestos'. Somos demasiado escépticos, y ellos demasiado optimistas, así que fue bueno trabajar juntos. Aprendimos mucho y desarrollamos un proceso de diseño muy eficiente". Compara el proceso ARRK con el método más común de desarrollar un diseño, usando menos simulación y luego intentando optimizar a través de construcción de prototipos iterativos. "Vemos que es más eficiente empezar con múltiples diseños y reducir desde estos usando simulación, y luego optimizar más el diseño antes de prototipar. Toma tiempo al principio hacer este modelado, pero menos tiempo durante prototipado, así que es menos costoso". Rademacher señala que debido al tiempo y costo de producir nuevo utillaje, "Siempre es más costoso producir diez piezas prototipo vs. diez modelos de simulación".

Desafíos y próximos pasos

El equipo también superó desafíos significativos de fabricación. "Las cintas UD en combinación con el laminado de organolámina de nueve capas tenían áreas donde no se consolidó", nota Rademacher. "Esto fue parcialmente debido al aire entre las cintas y la organolámina y también afectó su unión después del moldeo. El otro contribuyente fue una distribución de temperatura no homogénea a través de la organolámina. Se veía bien en nuestras mediciones, pero era un poco más fría en los bordes exteriores, lo que causó pequeñas áreas de fallos de matriz en la estructura exterior. Así que aprendimos mucho sobre tanto el modelado como el moldeo real de piezas de organolámina".

El siguiente paso en el proyecto es prototipar la segunda mitad de la carcasa de la caja de cambios y validar la rigidez del ensamblaje completo. El equipo también está trabajando para eliminar el paso de corte por chorro de agua para que la pila de preforma pueda ser inmediatamente sobremoldeada después del estampado. "Porque hemos cambiado el proceso, aún estamos trabajando en la segunda cubierta", dice Rademacher. "El mayor desafío para nosotros ahora es alcanzar un precio aceptable para el cliente. Estamos viendo fibra de vidrio y una matriz de polifenileno amida (PPA), esta última permitiendo mayor rendimiento a altas temperaturas mientras reduce aún más el espesor de la organolámina. No usaremos tela tejida pero quizás cintas apiladas para ayudar a cumplir la rigidez requerida".