EV 파워트레인에서 성능 입증

무게 감소는 성능을 개선하고 범위를 확장하는 전기 자동차(EV)의 계속 목표입니다. 이를 위해 설계자와 제조업체는 배터리 인클로저, 차체 패널, 섀시 구조 및 서스펜션 구성 요소에 복합 재료를 사용하는 방법을 모색하고 있습니다. 그러나 한 프로젝트는 배터리를 넘어 파워트레인에 주목했습니다. 캐스트 알루미늄을 하이브리드 탄소 섬유 및 유리 섬유 강화 열가소성 합성물로 대체하여 기어박스 하우징에 무게를 30% 줄였습니다.

이 프로젝트는 ARRK 그룹(일본 오사카) 내의 여러 회사에서 설계했습니다. 1948년에 설립된 이 그룹은 15개국 20개 회사와 3,500명 이상의 직원으로 구성되어 있으며 다양한 산업 분야에 설계, 프로토타이핑, 툴링 및 소량 생산을 포함한 제품 개발 서비스를 제공합니다. 2018년 초부터 ARRK Corp.은 장섬유 강화 열가소성 컴파운드와 단방향(UD) 탄소 섬유/폴리프로필렌(CF/PP) 테이프를 생산하는 Mitsui Chemicals Group(일본 도쿄)의 자회사입니다. ARRK는 독일 산업 협회 Carbon Composites e.V.에 합류하여 14개의 역량 센터 중 하나로 복합 재료를 설립했습니다. 2012년 MAI Carbon, 2015년 Composites UK.

이 기어박스 하우징 프로젝트의 경우 ARRK Shapers' France(La Séguinière 및 Aigrefeuille-sur-Maine, France)의 지원을 받아 ARRK/P+Z Engineering GmbH(독일 뮌헨)에서 엔지니어링을 완료하고 스탬핑 및 조형 도구는 ARRK LCO Protomoules(프랑스 Alby sur Chéran)에서 주도했습니다. ARRK 엔지니어링 프로젝트 리더인 Raik Rademacher는 "목표는 섬유 강화 열가소성 수지가 일반적으로 알루미늄으로 주조되는 전기 자동차 엔진 및 변속기 부품에 제공할 수 있는 경량 및 강성을 입증하는 것이었습니다."라고 설명합니다.

이 프로젝트의 기초로 사용된 기어박스는 Smart Fortwo용 Getrag(독일 Untergruppenbach)에서 제작되었습니다. 전기 도시 자동차. 하우징만 재설계되었으며 모든 내부 부품이 재사용되고 변경 없이 작동되었습니다. 리엔지니어링 접근 방식은 FEM(유한 요소 모델), 토폴로지 최적화, 프리폼 스탬핑 및 사출 오버몰딩 프로세스 시뮬레이션과 같은 다양한 시뮬레이션을 사용했습니다. 또한 다양한 재료, 프로세스 및 구조 전문 지식을 갖춘 여러 파트너를 사용하여 금속 설계를 합성물로 변환하는 프로세스를 입증했습니다.

목표물, 하중 및 재료 정의

이 EV 기어박스 하우징은 차량의 변속기 기어와 샤프트 주위에 기계적으로 고정된 두 개의 절반으로 구성됩니다. 개념 단계는 설계 대상을 정의하는 것으로 시작되었습니다. 첫 번째 단계는 분해된 Fortwo를 3D 스캔하여 유한 요소 모델을 리버스 엔지니어링하는 것이었습니다. 내부 구성 요소, 샤프트 및 기어를 포함한 기어박스. 최대 입력 및 출력 토크, 기어비 및 입력 및 출력 샤프트의 토크는 제조업체 데이터에서 파생되었습니다. 그런 다음 FEM 시뮬레이션을 사용하여 차량 주행 및 해안 하중에 대한 기어박스 하우징의 토크와 최대 60G의 중력 하중을 계산하여 충돌 상황을 시뮬레이션했습니다.

기어박스 하우징은 허용 가능한 변형을 초과하지 않고 이러한 하중을 처리해야 합니다. Rademacher는 “이러한 접촉은 기어를 손상시키고 최악의 경우 고장으로 이어질 것입니다. "부정확한 기어 정렬로 인한 변속기 오류도 기어박스에서 원치 않는 음향 거동을 유발합니다."라고 그는 덧붙입니다. "그들은 그것을 '징징징'이라고 부릅니다. EV는 매우 조용하기 때문에 이 복합 기어박스가 정말 조용하고 조용하다는 것이 중요합니다." 따라서 강성은 중요한 성능 목표이며 알루미늄 기준선과 일치하거나 초과해야 합니다.

이 재설계를 위한 후보 재료로 초기에 확인된 TenCate(네덜란드 Nijverdal)의 직조 유리 섬유 및 탄소 섬유 강화 폴리아미드 6(PA6) 유기 시트가 기계적 특성에 대해 테스트되었습니다. 유리 섬유 합성물은 탄소 섬유 유기 시트의 강성의 50%만 나타내므로 후자를 선택했습니다. Rademacher는 "소재는 2x2 능직물에 12K 섬유를 사용하는 TenCate CETEX TC912입니다."라고 말합니다. "준등방성 적층 순서(0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°)에서 9개의 플라이를 사용하여 만든 맞춤형 유기 시트를 지정했습니다." /P>

컨셉 및 디자인 단계

5개의 기어박스 하우징 개념이 개발되었지만 2개만이 낮은 사이클 시간과 함께 중량 및 비용 절감에 대한 적절한 잠재력을 제공했습니다. 타당성 검사에서는 금속 베어링 시트를 사용하여 한 가지 개념만이 충분한 강성을 허용하는 것으로 나타났습니다. Rademacher는 "시트는 기어 샤프트용 베어링과 기어박스 하우징 사이의 직접적인 연결입니다."라고 설명합니다. "우리는 단순히 사출 성형을 고려했지만 대신 강성을 높이기 위해 오버몰딩된 알루미늄 인서트를 선택했습니다." 따라서 이 개념은 개발을 위해 선택되었습니다.

변형 에너지를 최소화하기 위한 토폴로지 최적화는 후속 설계 단계에서 수행되었습니다. 이 분석을 통해 성형 곡률에 대한 최소 반경을 포함하여 기어박스 하우징 형상이 개선되었습니다. 이 지오메트리는 세부 설계를 위한 시뮬레이션 모델을 구축하는 데 사용되었습니다. 그런 다음 유기 시트 라미네이트를 추가로 최적화하여 +45°/-45° 층이 가장 두꺼워야 함을 보여주었습니다. 이는 하우징의 비틀림이 저항해야 하는 변형의 주요 원인이라는 사실과 잘 관련되었습니다.

하우징 강성은 여전히 ​​불충분한 것으로 밝혀져 교차 UD 테이프와 오버몰드 리브가 하우징 지오메트리에 도입되었습니다. 오버몰딩을 위해 팀은 EMS-Grivory(Domat/Ems, Switzerland)의 40% 유리 섬유/PA6(GF/PA6) 화합물을 선택했습니다.

세부 단계 및 제조

두 개의 기어박스 하우징 반쪽을 위한 기능적 고정 지점과 연결은 이번 재설계의 세 번째 단계에서 자세히 설명되었습니다. 반쪽은 기계적으로 고정되므로 패스너에서 베어링 하중을 전달하기 위해 알루미늄 인서트가 설계에 추가되었습니다. 그런 다음 이러한 인서트와 리브 및 하우징 외부에 오버몰딩된 기타 기능적 형상을 포함하는 오버몰딩된 플랜지를 포함하여 다른 기능에 대해 자세히 설명했습니다.

오버몰딩 전에 유기 시트를 예비 성형하기 위해 스탬핑 공정이 선택되었습니다. PAM-FORM 소프트웨어를 사용하여 파트너 ESI Group(Paris, France)이 스탬핑 시뮬레이션을 완료하여(그림 1) 예비 성형 중 문제를 예측하고 원시 유기 시트의 시작 절단을 도출했습니다.

Rademacher는 "시뮬레이션은 높은 두께의 오가노시트와 하우징 형상의 좁은 반경으로 인해 굽힘 변형을 보여 프리폼에 주름을 유발했습니다"라고 말합니다. “그래서 우리는 디자인 반경을 수정하고 오가노시트 두께를 4mm로 줄였습니다. 이것은 더 두꺼운 45° 플라이를 사용해야 한다는 것을 보여주었지만 공급업체로부터 그러한 유기 시트를 얻을 수 없었습니다. 우리는 준등방성 스택을 유지하기로 결정했지만 강성을 유지하면서 두께 감소를 가능하게 하기 위해 상단에 45° UD를 적용했습니다.”

팀은 25.4mm 너비와 0.16mm 두께의 CETEX TC910 탄소 섬유/PA6 테이프 12겹을 사용하고 스탬핑 시뮬레이션을 다시 실행했습니다. 이것은 교차된 UD 테이프가 스탬핑 동안 제자리에서 미끄러지는 것을 보여주었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 스탬핑 도구에 슬롯이 설계되어 UD 테이프가 제자리에 고정됩니다.

Autodesk(미국 캘리포니아주 산라파엘)의 MoldFlow 소프트웨어와 CoreTech System Co. Ltd.(대만 추페이시)의 Moldex3D 소프트웨어를 사용하여 Shapers에서 오버몰딩 프로세스도 시뮬레이션했습니다. 오버몰딩의 한 가지 이점은 갈바닉 부식 방지였습니다. 짧은 유리 섬유 강화 몰딩 컴파운드는 유기 시트의 알루미늄 패스너와 탄소 섬유 사이를 격리했습니다. 따라서 추가 접착제, 실런트 또는 코팅이 필요하지 않았습니다.

이러한 시뮬레이션을 완료한 후 다음과 같이 제조 프로세스가 완료되었습니다(그림 2 참조).

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유기 시트를 절단하여 준등방성 레이업으로 적층합니다.

라미네이트 스택 및 UD 테이프는 테이프 위치를 유지하는 프레임에 배치됩니다.

적외선 히터는 열가소성 매트릭스를 240-260°C까지 녹입니다.

프리폼 재료가 있는 프레임이 스탬핑 프레스 및 도구로 전송됩니다(90-110°C로 예열됨).

프리폼에 스탬프가 찍혀 있습니다(5초 주기 시간).

통합된 프리폼은 워터젯 절단 시스템을 사용하여 최종 모양으로 다듬어집니다.

축 베어링과 나사 인서트가 오버몰딩 도구에 배치되고 트리밍된 프리폼이 다시 예열됩니다.

프리폼 및 인서트가 오버몰딩됨(수동 배치 및 제거를 포함하여 사이클 시간 2분)

최종 부품 플랜지와 베어링 시트는 요구되는 공차로 밀링됩니다.

프로토타입 및 프로세스 성공

프로토타입 복합 기어박스 하우징의 전반부는 JEC World 2017에서 생산 및 전시되었습니다. 그런 다음 FEM 시뮬레이션을 검증하기 위해 테스트되었습니다. 프로토타입은 우수한 기계적 특성을 보여주었으며 알루미늄 베이스라인의 경우 무게를 5.8kg에서 4kg으로 줄여 약 30%의 무게를 줄였습니다. 이 전반기 프로토타입 덮개의 비용은 €50-80로 추정되며, 오가노시트가 가장 비싼 구성 요소입니다.

이 프로젝트는 또한 이 회사 컬렉션이 복합재 재설계를 제공하기 위해 어떻게 협력하는지 프로토타이핑하는 데 성공했습니다. Rademacher는 "ARRK Engineering에서 우리의 배경은 소형 복합 부품 시뮬레이션에 있었지만 유기 시트를 사용하지는 않았습니다."라고 회상합니다. Shapers는 사출 성형 및 성형 도구 개발에 대한 광범위한 경험이 있었지만 유기 시트에 대한 배경 지식이 없었습니다. 유기 시트 시뮬레이션을 작업하는 ARRK 팀은 복합 재료 시뮬레이션의 전문가였지만 이전 작업은 항공 우주였습니다. Rademacher는 "우리는 매주 팀과 토론을 했습니다. “저는 파워트레인 부서 출신이므로 금속 쪽이 더 많지만 프로젝트 리더로서 이러한 금속과 복합 재료 세계를 결합해야 했습니다. 우리 메탈 형들은 '왜 컴포지트로 하지?'라고 생각하고, 콤포지트 형들은 '이건 합성으로 하면 쉽겠다'라고 생각한다. 우리는 너무 회의적이고 너무 낙관적이어서 함께 작업하기 좋았다. 우리는 많은 것을 배웠고 매우 효율적인 디자인 프로세스를 개발했습니다.” 그는 ARRK 프로세스를 더 적은 시뮬레이션을 사용하여 반복적인 프로토타입을 구축하여 최적화하려고 시도하는 하나의 디자인을 개발하는 보다 일반적인 방법과 비교합니다. “여러 설계로 시작하여 시뮬레이션을 사용하여 이들 중에서 선택을 한 다음 프로토타입을 만들기 전에 설계를 더욱 최적화하는 것이 더 효율적이라는 것을 알았습니다. 이 모델링을 수행하는 초기에는 시간이 걸리지만 프로토타이핑하는 동안 시간이 줄어들기 때문에 비용이 적게 듭니다." Rademacher는 새로운 툴링을 생산하는 데 드는 시간과 비용으로 인해 "10개의 프로토타입 부품을 생산하는 데 비해 10개의 시뮬레이션 모델을 생산하는 것은 항상 더 많은 비용이 듭니다."라고 지적합니다.

도전 및 다음 단계

팀은 또한 중대한 제조 문제를 극복했습니다. Rademacher는 “9겹 유기시트 라미네이트와 결합된 UD 테이프에는 통합되지 않은 영역이 있었습니다. “이는 부분적으로 테이프와 오가노시트 사이의 공기 때문이었고 성형 후 접착에도 영향을 미쳤습니다. 다른 기여자는 유기 시트 전반에 걸쳐 균일하지 않은 온도 분포였습니다. 그것은 우리의 측정에서 좋아 보였지만 바깥 쪽 가장자리에서 조금 더 추워 외부 구조에서 작은 영역의 매트릭스 실패를 일으켰습니다. 그래서 우리는 유기 시트 부품의 모델링과 실제 성형에 대해 많은 것을 배웠습니다.”

프로젝트의 다음 단계는 기어박스 하우징의 후반부를 프로토타입하고 전체 어셈블리의 강성을 검증하는 것입니다. 팀은 또한 스탬핑 후 프리폼 스택이 즉시 오버몰딩될 수 있도록 워터젯 절단 단계를 제거하기 위해 노력하고 있습니다. Rademacher는 “프로세스를 변경했기 때문에 두 번째 표지 작업을 계속하고 있습니다. “지금 우리에게 가장 큰 과제는 고객이 수용할 수 있는 가격에 도달하는 것입니다. 우리는 유리 섬유와 폴리페닐렌 아미드(PPA) 매트릭스를 살펴보고 있으며, 후자는 유기 시트 두께를 더욱 감소시키면서 고온에서 더 높은 성능을 가능하게 합니다. 우리는 직물을 사용하지 않고 필요한 강성을 충족하기 위해 테이프를 겹겹이 쌓을 수 있습니다.”