Desempenho comprovado em motorizações EV

A redução de peso continua a ser uma meta para veículos elétricos (EVs), melhorando o desempenho e estendendo o alcance. Para esse fim, designers e fabricantes estão explorando o uso de compostos em invólucros de bateria, painéis de carroceria, estruturas de chassi e componentes de suspensão. No entanto, um projeto tem como objetivo o trem de força além das baterias à caixa de engrenagens, substituindo o alumínio fundido por um composto termoplástico reforçado com fibra de carbono híbrido e fibra de vidro para reduzir o peso em 30%.

Este projeto foi desenvolvido por várias empresas do Grupo ARRK (Osaka, Japão). Fundado em 1948, o grupo compreende 20 empresas em 15 países, com mais de 3.500 funcionários, e fornece serviços de desenvolvimento de produtos, incluindo design, prototipagem, ferramentas e produção de baixo volume para vários setores. Desde o início de 2018, a ARRK Corp. é subsidiária da Mitsui Chemicals Group (Tóquio, Japão), que produz compostos termoplásticos reforçados com fibras longas e fitas de fibra de carbono / polipropileno (CF / PP) unidirecionais (UD). ARRK estabeleceu compósitos como um de seus 14 centros de competência, juntando-se às associações industriais alemãs Carbon Composites e.V. e MAI Carbon em 2012 e Composites UK em 2015.

Para este projeto de caixa de engrenagens, a engenharia foi concluída pela ARRK / P + Z Engineering GmbH (Munique, Alemanha) com o apoio da ARRK Shapers 'France (La Séguinière e Aigrefeuille-sur-Maine, França) para o processo de produção, bem como estampagem e ferramentas de moldagem, enquanto a prototipagem foi liderada por ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, França). “O objetivo era demonstrar o peso leve e a rigidez que os termoplásticos reforçados com fibra podem fornecer para o motor de veículos elétricos e os componentes de transmissão normalmente fundidos em alumínio”, explica o líder do projeto ARRK Engineering, Raik Rademacher.

A caixa de câmbio usada como base para este projeto é feita por Getrag (Untergruppenbach, Alemanha) para o Smart Fortwo carro elétrico da cidade. Apenas a carcaça foi redesenhada, com todas as peças internas reutilizadas e operando sem alterações. A abordagem de reengenharia empregou uma variedade de simulações - modelo de elemento finito (FEM), otimização da topologia e simulação de processos de estampagem de pré-forma e sobremoldagem por injeção. Ele também provou um processo para converter um projeto de metal em composto usando vários parceiros com diversos materiais, processos e especialização em estruturas.

Definição de metas, cargas e materiais

Esta caixa de câmbio EV compreende duas metades fixadas mecanicamente em torno das engrenagens e eixos de transmissão do veículo. A fase de conceito começou com a definição de metas de design. A primeira etapa foi fazer a engenharia reversa de um modelo de elemento finito por digitalização em 3D de um Fortwo desmontado caixa de engrenagens, incluindo os componentes internos, eixos e engrenagens. O torque máximo de entrada e saída, a relação de engrenagem e o torque nos eixos de entrada e saída foram derivados dos dados do fabricante. Uma simulação FEM foi então usada para calcular o torque na carcaça da caixa de câmbio para a movimentação do veículo e cargas de costa, bem como cargas de gravidade de até 60G para simular situações de colisão.

A carcaça da caixa de engrenagens deve lidar com essas cargas sem exceder a deformação permitida; caso contrário, pode haver deflexões significativas nos eixos da engrenagem, causando contato impreciso nas engrenagens. “Esse contato vai danificar as engrenagens e, no pior dos casos, levar à falha”, diz Rademacher. “Erros de transmissão devido ao alinhamento impreciso da engrenagem também levam a um comportamento acústico indesejado na caixa de câmbio”, acrescenta. “Eles chamam isso de 'choramingo'. Como os EVs são muito silenciosos, é importante que esta caixa de câmbio composta esteja realmente calma e silenciosa.” Portanto, a rigidez é uma meta de desempenho crítica e deve corresponder ou exceder aquela da linha de base de alumínio.

Identificados desde o início como materiais candidatos para este redesenho, as folhas orgânicas de fibra de vidro tecida e de poliamida 6 (PA6) reforçada com fibra de carbono da TenCate (Nijverdal, Holanda) foram testadas quanto às propriedades mecânicas. Como o compósito de fibra de vidro apresentou apenas 50% da rigidez da folha orgânica de fibra de carbono, a última foi selecionada. “O material é TenCate CETEX TC912 usando fibra 12K em um tecido de sarja 2 por 2“, diz Rademacher. “Especificamos uma organofolha personalizada feita com nove camadas em uma sequência de empilhamento quase isotrópica (0 ° / 90 ° / 45 ° / -45 ° / 90 ° / -45 ° / 45 ° / 90 ° / 0 °)”.

Fases de conceito e design

Cinco conceitos de carcaça de caixa de engrenagens foram desenvolvidos, mas apenas dois ofereceram potencial adequado para redução de peso e custo, juntamente com baixo tempo de ciclo. Verificações de viabilidade revelaram que apenas um conceito permitia rigidez suficiente, usando assentos de rolamento de metal. “Os assentos são a conexão direta entre os rolamentos dos eixos de engrenagem e a carcaça da caixa de engrenagens”, explica Rademacher. “Nós olhamos para simplesmente moldá-los por injeção, mas, em vez disso, escolhemos uma inserção de alumínio sobremoldado para aumentar a rigidez.” Este conceito foi então escolhido para desenvolvimento.

A otimização da topologia para minimizar a energia de deformação foi realizada na fase de projeto subsequente. A partir desta análise, a geometria da caixa de engrenagens foi refinada, incluindo raios mínimos para curvaturas moldadas. Esta geometria foi usada para construir um modelo de simulação para o projeto detalhado. O laminado de organosheet foi então otimizado, revelando que as camadas de + 45 ° / -45 ° deveriam ser as mais espessas. Isso está bem correlacionado com o fato de que a torção na caixa é a principal fonte de deformação que deve ser resistida.

A rigidez da caixa ainda foi considerada insuficiente, portanto, fitas UD cruzadas e nervuras sobremoldadas foram introduzidas na geometria da caixa. Para a sobremoldagem, a equipe selecionou um composto de 40% de fibra de vidro / PA6 (GF / PA6) da EMS-Grivory (Domat / Ems, Suíça).

Fase de detalhamento e fabricação

Os pontos de fixação funcionais e as conexões para as duas metades da caixa de engrenagens foram detalhados nesta terceira fase do redesenho. As metades seriam fixadas mecanicamente, portanto, inserções de alumínio foram adicionadas ao projeto para transmitir as cargas do rolamento dos fixadores. Outras características foram então detalhadas, incluindo o flange sobremoldado contendo essas inserções e as nervuras e outras geometrias funcionais sobremoldadas no exterior da caixa.

Um processo de estampagem foi selecionado para a pré-formação da folha orgânica antes da sobremoldagem. Uma simulação de estampagem foi concluída (Fig. 1) pelo parceiro ESI Group (Paris, França) usando seu software PAM-FORM para antecipar quaisquer problemas durante a pré-formação e derivar um corte inicial para a folha orgânica crua.

“A simulação mostrou deformação por flexão devido à alta espessura da folha orgânica e raios estreitos na geometria do alojamento, causando rugas na pré-forma”, diz Rademacher. “Portanto, modificamos os raios do projeto e reduzimos a espessura da organosheet para 4 mm. Foi quando mostramos que camadas mais grossas de 45 ° deveriam ser usadas, mas não poderíamos obter tal folha orgânica de um fornecedor. Decidimos manter a pilha quase isotrópica, mas aplicar 45 ° UDs na parte superior para permitir a redução da espessura, mantendo a rigidez. ”

A equipe usou 12 camadas de fita de fibra de carbono CETEX TC910 / PA6 de 25,4 mm de largura e 0,16 mm de espessura e simulações de estampagem reran. Isso mostrou que as fitas UD cruzadas estavam deslizando para fora do lugar durante a estampagem. Para resolver isso, os slots foram projetados na ferramenta de estampagem para travar as fitas UD na posição.

O processo de sobremoldagem também foi simulado, realizado por Shapers usando o software MoldFlow da Autodesk (San Rafael, CA, EUA) e também o software Moldex3D da CoreTech System Co. Ltd. (Chupei City, Taiwan). Um benefício da sobremoldagem foi a prevenção da corrosão galvânica. O composto de moldagem reforçado com fibra de vidro curta fornecia isolamento entre os fechos de alumínio e a fibra de carbono na folha orgânica. Assim, nenhum adesivo, selante ou revestimento adicional foi necessário.

Depois de concluir essas simulações, o processo de fabricação foi finalizado da seguinte forma (ver Fig. 2):

1. Organosheet é cortada e empilhada em uma disposição quase isotrópica;
2. A pilha de laminados e as fitas UD são colocadas em uma estrutura que mantém o posicionamento da fita;
3. Aquecedor infravermelho derrete matriz termoplástica a 240-260 ° C;
4. A estrutura com materiais de pré-forma é transferida para a prensa de estampagem e ferramenta (pré-aquecida a 90-110 ° C);
5. A pré-forma é carimbada (tempo de ciclo de 5 segundos);
6. A pré-forma consolidada é aparada na forma final usando um sistema de corte por jato de água;
7. Os rolamentos do eixo e os insertos de parafuso são colocados na ferramenta de moldagem enquanto a pré-forma aparada é novamente pré-aquecida;
8. A pré-forma e as inserções são sobremoldadas (tempo de ciclo de 2 minutos, incluindo colocação e remoção manuais);
9. Os flanges da peça final e as sedes dos rolamentos são fresados ​​para as tolerâncias exigidas.

Protótipo e sucesso do processo

A primeira metade do protótipo da caixa de engrenagens composta foi produzida e exibida no JEC World 2017. Em seguida, foi testada para validar as simulações FEM. O protótipo mostrou boas propriedades mecânicas, enquanto reduzia o peso para 4 kg de 5,8 kg para a linha de base de alumínio, uma economia de peso de cerca de 30%. O custo desta capa protótipo do primeiro semestre é estimado em € 50-80, com a organosheet sendo o componente mais caro.

Este projeto também teve sucesso em fazer um protótipo de como esse grupo de empresas trabalha em conjunto para entregar um redesenho de compósitos. “Nossa experiência na ARRK Engineering foi em simulação para pequenas peças compostas, mas não no uso de organosheet”, lembra Rademacher. Os shapers tinham vasta experiência com moldagem por injeção e desenvolvimento de ferramentas de moldagem, mas também não tinham experiência em folhas orgânicas. A equipe ARRK que trabalhava na simulação de organosheet era especialista em simulação de compostos, mas seu trabalho anterior havia sido na área aeroespacial. “Tínhamos discussões com a equipe todas as semanas”, disse Rademacher. “Eu sou do departamento de powertrain, então estou mais no lado dos metais, mas como líder do projeto, eu tive que combinar esses mundos de metais e compostos. Nós, caras do metal, pensamos:'Por que fazer isso em compósitos?', Enquanto os caras de compósitos pensam, 'isso é fácil de fazer em compósitos'. Somos muito céticos e eles são muito otimistas, então foi bom trabalharmos juntos. Aprendemos muito e desenvolvemos um processo de design muito eficiente. ” Ele compara o processo ARRK com o método mais comum de desenvolver um projeto, usando menos simulação e, em seguida, tentando otimizar por meio da construção de protótipos iterativos. “Vemos que é mais eficiente começar com vários projetos e selecionar a partir deles usando simulação e, em seguida, otimizar ainda mais o projeto antes da prototipagem. Leva tempo no início para fazer essa modelagem, mas menos tempo durante a prototipagem, por isso é menos caro. ” Rademacher aponta que, devido ao tempo e custo de produção de novas ferramentas, "É sempre mais caro produzir dez peças de protótipo em vez de dez modelos de simulação."

Desafios e próximas etapas

A equipe também superou desafios de fabricação significativos. “As fitas UD em combinação com o laminado de folha orgânica de nove camadas tinham áreas onde não foram consolidadas”, observa Rademacher. “Isso se deveu em parte ao ar entre as fitas e a folha orgânica e também afetou sua fixação após a moldagem. O outro contribuidor foi uma distribuição de temperatura não homogênea na folha orgânica. Pareceu bom em nossas medições, mas estava um pouco mais frio nas bordas externas, o que causou pequenas áreas de falhas de matriz na estrutura externa. Portanto, aprendemos muito sobre a modelagem e a moldagem real de peças de folha orgânica. ”

A próxima etapa do projeto é fazer o protótipo da segunda metade da carcaça da caixa de engrenagens e validar a rigidez da montagem completa. A equipe também está trabalhando para remover a etapa de corte por jato de água para que a pilha de pré-formas possa ser sobremoldada imediatamente após a estampagem. “Como mudamos o processo, ainda estamos trabalhando na segunda capa”, diz Rademacher. “O maior desafio para nós agora é chegar a um preço aceitável para o cliente. Estamos analisando a fibra de vidro e uma matriz de polifenileno amida (PPA), a última permitindo maior desempenho em altas temperaturas e, ao mesmo tempo, reduzindo a espessura da folha orgânica. Não usaremos tecido, mas talvez fitas empilhadas para ajudar a atender à rigidez necessária. ”