Design Leve de Trem de Força Aumenta Desempenho de VE

Redução de peso continua sendo uma meta para veículos elétricos (VEs), melhorando desempenho e estendendo autonomia. Para esse fim, designers e fabricantes estão explorando o uso de compósitos em caixas de bateria, painéis de carroceria, estruturas de chassi e componentes de suspensão. No entanto, um projeto mirou no trem de força além das baterias para a carcaça de câmbio, substituindo alumínio fundido por um compósito termoplástico híbrido reforçado com fibra de carbono e fibra de vidro para cortar peso em 30%.

Este projeto foi engenheirado por múltiplas empresas dentro 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 produto incluindo design, prototipagem, ferramental e produção de baixo volume para múltiplas indústrias. Desde início de 2018, ARRK Corp. tem sido subsidiária do Grupo Mitsui Chemicals (Tóquio, Japão), que produz compostos termoplásticos reforçados com fibra longa e fitas unidirecionais (UD) de fibra de carbono/polipropileno (CF/PP). 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 carcaça de câmbio, a engenharia foi completada pela ARRK/P+Z Engineering GmbH (Munique, Alemanha) com suporte da ARRK Shapers France (La Séguinière e Aigrefeuille-sur-Maine, França) para o processo de produção bem como ferramentas de estampagem e moldagem, enquanto a prototipagem foi liderada pela ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, França). "O objetivo era demonstrar o peso leve e rigidez que termoplásticos reforçados com fibra podem fornecer para componentes de motor e transmissão de veículos elétricos tipicamente fundidos de alumínio", explica o líder do projeto de engenharia ARRK, Raik Rademacher.

A caixa de câmbio usada como base para este projeto é feita pela Getrag (Untergruppenbach, Alemanha) para o carro elétrico urbano Smart Fortwo. Apenas a carcaça foi redesenhada, com todas as peças internas reutilizadas e operando sem mudança. A abordagem de reengenharia empregou uma variedade de simulações — modelo de elementos finitos (FEM), otimização de topologia e simulação de processos de estampagem de pré-forma e sobremoldagem por injeção. Também provou um processo para converter um design metálico para compósito usando múltiplos parceiros com diversificada expertise em materiais, processos e estruturas.

Definindo Metas, Cargas e Materiais

Esta carcaça de câmbio VE compreende duas metades mecanicamente fixadas ao redor das engrenagens e eixos de transmissão do veículo. A fase de conceito começou definindo metas de design. O primeiro passo foi engenharia reversa de um modelo de elementos finitos por escaneamento 3D de uma caixa de câmbio Fortwo desmontada, incluindo componentes internos, eixos e engrenagens. Torque máximo de entrada e saída, relação de marcha e torque nos eixos de entrada e saída foram derivados de dados do fabricante. Uma simulação FEM foi então usada para calcular torque na carcaça da caixa de câmbio para cargas de condução e desaceleração do veículo, bem como cargas de gravidade até 60G para simular situações de acidente.

A carcaça da caixa de câmbio deve lidar com estas cargas sem exceder deformação permitida; caso contrário, pode haver deflexões significativas nos eixos de engrenagem, causando contato impreciso nas engrenagens. "Tal contato danificará as engrenagens e, no pior caso, levará à falha", diz Rademacher. "Erros de transmissão devido a alinhamento impreciso de engrenagens também levam a comportamento acústico indesejado na caixa de câmbio", ele adiciona. "Eles chamam de 'choro'. Como VEs são tão silenciosos, é importante que esta caixa de câmbio compósito seja realmente calma e silenciosa." Assim, rigidez é uma meta crítica de desempenho, e deve igualar ou exceder a do baseline de alumínio.

Identificados cedo como materiais candidatos para este redesign, organofolhas de poliamida 6 (PA6) reforçadas com fibra de vidro tecida e fibra de carbono da TenCate (Nijverdal, Holanda) foram testadas para propriedades mecânicas. Como o compósito de fibra de vidro mostrou apenas 50% da rigidez do organofolha de fibra de carbono, este último foi selecionado. "O material é TenCate CETEX TC912 usando fibra 12K em tecido twill 2-por-2", diz Rademacher. "Especificamos um organofolha personalizado feito usando nove camadas em sequência de empilhamento quasi-isotrópica (0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°)."

Fases de Conceito e Design

Cinco conceitos de carcaça de câmbio foram desenvolvidos, mas apenas dois ofereceram potencial adequado para economia de peso e custo, junto com baixo tempo de ciclo. Verificações de viabilidade revelaram que apenas um conceito permitia rigidez suficiente, usando assentamentos de rolamento metálicos. "Assentamentos são a conexão direta entre os rolamentos para os eixos de engrenagem e a carcaça da caixa de câmbio", Rademacher explica. "Olhamos para simplesmente moldar estes por injeção, mas em vez disso escolhemos uma inserção de alumínio sobremoldada para aumentar a rigidez." Este conceito foi assim escolhido para desenvolvimento.

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

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

Fase de Detalhamento e Manufatura

Pontos de fixação funcionais e conexões para as duas metades da carcaça da caixa de câmbio foram detalhados nesta terceira fase do redesign. As metades seriam mecanicamente fixadas, então inserções de alumínio foram adicionadas ao design para transmitir cargas de rolamento dos fixadores. Outras características foram então detalhadas, incluindo a flange sobremoldada contendo estas inserções e as nervuras e outra geometria funcional sobremoldada no exterior da carcaça.

Um processo de estampagem foi selecionado para pré-formar o organofolha antes da sobremoldagem. Uma simulação de estampagem foi completada (Fig. 1) pela parceira ESI Group (Paris, França) usando seu software PAM-FORM para antecipar quaisquer problemas durante pré-formação e derivar um corte inicial para o organofolha bruto.

"A simulação mostrou deformação por flexão devido à alta espessura do organofolha e raios apertados na geometria da carcaça, causando rugas no pré-forma", diz Rademacher. "Então, modificamos os raios do design e reduzimos a espessura do organofolha para 4 mm. Foi quando mostramos que camadas 45° mais espessas deveriam ser usadas, mas não conseguimos tal organofolha de um fornecedor. Decidimos manter o empilhamento quasi-isotrópico mas aplicar UDs 45° por cima para permitir a redução de espessura, mantendo rigidez."

A equipe usou 12 camadas de fita de carbono/PA6 CETEX TC910 de 25,4 mm de largura e 0,16 mm de espessura e re-rodou simulações de estampagem. Estas mostraram que as fitas UD cruzadas estavam deslizando para fora de posição durante estampagem. Para abordar isso, slots foram projetados na ferramenta de estampagem para travar as fitas UD em posição.

O processo de sobremoldagem também foi simulado, realizado pela Shapers usando software MoldFlow da Autodesk (San Rafael, CA, EUA), e também software Moldex3D da CoreTech System Co. Ltd. (Chupei City, Taiwan). Um benefício da sobremoldagem foi a prevenção de corrosão galvânica. O composto de moldagem reforçado com fibra de vidro curta forneceu isolamento entre os fixadores de alumínio e a fibra de carbono no organofolha. Assim, nenhum adesivo, selante ou revestimento adicional foi requerido.

Após completar estas simulações, o processo de manufatura foi finalizado como segue (veja Fig. 2):

1. Organofolha é cortado e empilhado em layup quasi-isotrópico;
2. Pilha de laminado e fitas UD são colocadas em um quadro que mantém posicionamento das fitas;
3. Aquecedor infravermelho derrete matriz termoplástica a 240-260°C;
4. Quadro com materiais de pré-forma é transferido para prensa de estampagem e ferramenta (pré-aquecida a 90-110°C);
5. Pré-forma é estampada (tempo de ciclo de 5 segundos);
6. Pré-forma consolidada é aparada à forma final usando sistema de corte a jato d'água;
7. Rolamentos de eixo e inserções de parafuso são colocados na ferramenta de sobremoldagem enquanto pré-forma aparada é novamente pré-aquecida;
8. Pré-forma e inserções são sobremoldadas (tempo de ciclo de 2 minutos incluindo colocação e remoção manual);
9. Flanges finais e assentos de rolamento são fresados às tolerâncias requeridas.

Sucesso de Protótipo e Processo

A primeira metade do protótipo da carcaça de câmbio compósito foi produzida e exibida na JEC World 2017. Foi então testada para validar as simulações FEM. O protótipo mostrou boas propriedades mecânicas, enquanto reduziu peso para 4 kg de 5,8 kg para o baseline de alumínio, uma economia de peso de cerca de 30%. O custo desta primeira metade da tampa protótipo é estimado em €50-80, com o organofolha sendo o componente mais caro.

Este projeto também teve sucesso em prototipar como esta coleção de empresas trabalha junta para entregar um redesign de compósitos. "Nosso background na ARRK Engineering era em simulação para pequenas peças compósitos mas não em usar organofolha", Rademacher relembra. Shapers tinha experiência extensiva com moldagem por injeção e desenvolvimento de ferramentas de moldagem, mas também sem background em organofolha. A equipe ARRK trabalhando em simulação de organofolha eram especialistas em simulação de compósitos, mas seu trabalho anterior tinha sido em aeroespacial. "Tivemos discussões com a equipe toda semana", diz Rademacher. "Sou do departamento de trem de força, então mais do lado de metais, mas como líder do projeto, tive que combinar estes mundos de metais e compósitos. Nós, caras de metais, pensamos, 'Por que fazer em compósitos?' enquanto os caras de compósitos pensam, 'isto é fácil de fazer em compósitos.' Somos muito céticos, e eles são muito otimistas, então foi bom trabalhar juntos. Aprendemos muito e desenvolvemos um processo de design que é muito eficiente." Ele compara o processo ARRK com o método mais comum de desenvolver um design, usando menos simulação e então tentando otimizar através de construção de protótipos iterativos. "Vemos que é mais eficiente começar com múltiplos designs e down-select destes usando simulação, e então otimizar ainda mais o design antes de prototipar. Leva tempo no começo para fazer esta modelagem, mas menos tempo durante prototipagem, então é menos caro." Rademacher aponta que devido ao tempo e custo de produzir novo ferramental, "Sempre é mais caro produzir dez peças protótipo vs. dez modelos de simulação."

Desafios e Próximos Passos

A equipe também superou desafios significativos de manufatura. "As fitas UD em combinação com o laminado de organofolha de nove camadas tiveram áreas onde não foi consolidado", Rademacher nota. "Isto foi parcialmente devido a ar entre as fitas e o organofolha e também afetou sua fixação após moldagem. O outro contribuinte foi uma distribuição de temperatura não homogênea através do organofolha. Parecia bom em nossas medições, mas era um pouco mais frio nas bordas externas, o que causou pequenas áreas de falhas de matriz na estrutura externa. Então, aprendemos muito sobre tanto a modelagem quanto a moldagem real de peças de organofolha."

O próximo passo no projeto é prototipar a segunda metade da carcaça da caixa de câmbio e validar a rigidez da montagem completa. A equipe também está trabalhando para remover a etapa de corte a jato d'água para que a pilha de pré-forma possa ser imediatamente sobremoldada após estampagem. "Como mudamos o processo, ainda estamos trabalhando na segunda tampa", diz Rademacher. "O maior desafio para nós agora é atingir um preço aceitável para o cliente. Estamos olhando para fibra de vidro e uma matriz de polifenileno amida (PPA), esta última permitindo desempenho mais alto em altas temperaturas enquanto reduz ainda mais espessura do organofolha. Não usaremos tecido tecido mas talvez fitas empilhadas para ajudar a atender a rigidez requerida."