Leistungsnachweis in EV-Antriebssträngen

Gewichtsreduzierung ist weiterhin ein Ziel für Elektrofahrzeuge (EVs), um die Leistung zu verbessern und die Reichweite zu erhöhen. Zu diesem Zweck untersuchen Designer und Hersteller den Einsatz von Verbundwerkstoffen in Batteriegehäusen, Karosserieblechen, Chassisstrukturen und Aufhängungskomponenten. Ein Projekt hat jedoch den Antriebsstrang jenseits von Batterien ins Visier genommen an das Getriebegehäuse und ersetzt Aluminiumguss durch einen hybriden kohlenstoff- und glasfaserverstärkten thermoplastischen Verbundwerkstoff, um das Gewicht um 30 % zu senken.

Dieses Projekt wurde von mehreren Unternehmen der ARRK Group (Osaka, Japan) entwickelt. Die 1948 gegründete Gruppe umfasst 20 Unternehmen in 15 Ländern mit mehr als 3.500 Mitarbeitern und bietet Produktentwicklungsdienstleistungen einschließlich Design, Prototyping, Werkzeugbau und Kleinserienfertigung für mehrere Branchen an. ARRK Corp. ist seit Anfang 2018 eine Tochtergesellschaft der Mitsui Chemicals Group (Tokio, Japan), die langfaserverstärkte thermoplastische Compounds und unidirektionale (UD) Kohlefaser/Polypropylen (CF/PP) Bänder herstellt. ARRK hat Composites als eines seiner 14 Kompetenzzentren etabliert und sich den deutschen Industrieverbänden Carbon Composites e.V. angeschlossen. und MAI Carbon im Jahr 2012 und Composites UK im Jahr 2015.

Für dieses Getriebegehäuseprojekt wurde das Engineering von ARRK/P+Z Engineering GmbH (München, Deutschland) mit Unterstützung von ARRK Shapers' France (La Séguinière und Aigrefeuille-sur-Maine, Frankreich) für den Produktionsprozess sowie Stanz- und Spritzgusswerkzeuge, während das Prototyping von ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, Frankreich) geleitet wurde. „Ziel war es, das geringe Gewicht und die Steifigkeit zu demonstrieren, die faserverstärkte Thermoplaste für Motor- und Getriebekomponenten von Elektrofahrzeugen bieten, die typischerweise aus Aluminium gegossen werden“, erklärt Raik Rademacher, Projektleiter von ARRK Engineering.

Das diesem Projekt zugrunde liegende Getriebe stammt von Getrag (Untergruppenbach, Deutschland) für den Smart Fortwo elektrisches Stadtauto. Lediglich das Gehäuse wurde neu gestaltet, alle Innenteile wurden wiederverwendet und funktionieren unverändert. Der Re-Engineering-Ansatz nutzte eine Vielzahl von Simulationen – Finite-Elemente-Modell (FEM), Topologieoptimierung und Simulation von Preform-Stanz- und Spritzgießprozessen. Es erwies sich auch als Prozess zur Umwandlung eines Metalldesigns in einen Verbundwerkstoff unter Verwendung mehrerer Partner mit unterschiedlichem Material-, Prozess- und Strukturwissen.

Definieren von Zielen, Ladungen und Materialien

Dieses EV-Getriebegehäuse besteht aus zwei Hälften, die mechanisch um die Getrieberäder und -wellen des Fahrzeugs befestigt sind. Die Konzeptphase begann mit der Definition von Designzielen. Der erste Schritt war das Reverse-Engineering eines Finite-Elemente-Modells durch 3D-Scannen eines zerlegten Fortwo Getriebe, einschließlich der internen Komponenten, Wellen und Zahnräder. Das maximale An- und Abtriebsdrehmoment, die Übersetzung und das Drehmoment an der An- und Abtriebswelle wurden aus Herstellerangaben abgeleitet. Eine FEM-Simulation wurde dann verwendet, um das Drehmoment am Getriebegehäuse für Fahrzeugantriebs- und Schublasten sowie Schwerkraftlasten bis zu 60 G zu berechnen, um Crash-Situationen zu simulieren.

Das Getriebegehäuse muss diesen Belastungen standhalten, ohne die zulässige Verformung zu überschreiten; andernfalls kann es zu erheblichen Durchbiegungen der Getriebewellen und damit zu ungenauem Kontakt in den Zahnrädern kommen. „Ein solcher Kontakt beschädigt die Zahnräder und führt im schlimmsten Fall zum Ausfall“, sagt Rademacher. „Außerdem führen Getriebefehler durch ungenaue Getriebeausrichtung zu einem ungewollten akustischen Verhalten im Getriebe“, ergänzt er. „Sie nennen es ‚Jammern‘. Da Elektrofahrzeuge so leise sind, ist es wichtig, dass dieses Verbundgetriebe wirklich ruhig und leise ist.“ Daher ist die Steifigkeit ein kritisches Leistungsziel und muss der Aluminium-Basislinie entsprechen oder diese übertreffen.

Bereits früh als Materialkandidaten für dieses Redesign identifiziert, wurden glasfaser- und kohlefaserverstärkte Polyamid 6 (PA6) Organobleche von TenCate (Nijverdal, Niederlande) auf ihre mechanischen Eigenschaften getestet. Da der Glasfaserverbund nur 50 % der Steifigkeit des Kohlefaser-Organoblechs aufwies, wurde letzteres gewählt. „Das Material ist TenCate CETEX TC912 mit 12K-Faser in einem 2-mal-2-Twill-Gewebe“, sagt Rademacher. „Wir spezifizierten ein maßgeschneidertes Organoblech aus neun Lagen in einer quasi-isotropen Stapelfolge (0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°)“.

Konzept- und Designphasen

Es wurden fünf Getriebegehäusekonzepte entwickelt, von denen jedoch nur zwei ein ausreichendes Potenzial zur Gewichts- und Kosteneinsparung sowie eine geringe Taktzeit boten. Machbarkeitsprüfungen ergaben, dass nur ein Konzept eine ausreichende Steifigkeit durch den Einsatz von metallischen Lagersitzen zulässt. „Sitze sind die direkte Verbindung zwischen den Lagern der Getriebewellen und dem Getriebegehäuse“, erklärt Rademacher. „Wir haben uns das einfache Spritzgießen angeschaut, uns aber stattdessen für einen umspritzten Aluminiumeinsatz entschieden, um die Steifigkeit zu erhöhen.“ Dieses Konzept wurde daher für die Entwicklung ausgewählt.

In der anschließenden Designphase wurde eine Topologieoptimierung zur Minimierung der Dehnungsenergie durchgeführt. Ausgehend von dieser Analyse wurde die Geometrie des Getriebegehäuses verfeinert, einschließlich minimaler Radien für geformte Krümmungen. Aus dieser Geometrie wurde ein Simulationsmodell für die Detailkonstruktion erstellt. Das Organoblech-Laminat wurde dann weiter optimiert, sodass die +45°/-45°-Schichten am dicksten sein sollten. Dies korrelierte gut mit der Tatsache, dass Torsion im Gehäuse die Hauptquelle der Verformung ist, der widerstanden werden muss.

Die Gehäusesteifigkeit erwies sich immer noch als ungenügend, daher wurden gekreuzte UD-Tapes und umspritzte Rippen in die Gehäusegeometrie eingebracht. Für das Umspritzen wählte das Team ein 40 % Glasfaser/PA6 (GF/PA6) Compound von EMS-Grivory (Domat/Ems, Schweiz).

Detailphase und Herstellung

In dieser dritten Phase der Neukonstruktion wurden funktionale Befestigungspunkte und Verbindungen für die beiden Getriebegehäusehälften detailliert beschrieben. Die Hälften sollten mechanisch befestigt werden, daher wurden Aluminiumeinsätze zum Design hinzugefügt, um die Lagerlasten von den Befestigungselementen zu übertragen. Andere Merkmale wurden dann detailliert beschrieben, einschließlich des umspritzten Flansches, der diese Einsätze enthält, und der Rippen und anderer funktionaler Geometrie, die auf das Gehäuseäußere umspritzt wurden.

Zur Vorformung des Organoblechs vor dem Umspritzen wurde ein Stanzverfahren gewählt. Eine Stanzsimulation (Bild 1) wurde vom Partner ESI Group (Paris, Frankreich) mit seiner Software PAM-FORM durchgeführt, um etwaige Probleme beim Preforming zu antizipieren und einen Anfangsschnitt für das rohe Organoblech abzuleiten.

„Die Simulation zeigte Biegeverformungen aufgrund der hohen Organoblechdicke und engen Radien in der Gehäusegeometrie, die zu Falten im Preform führten“, sagt Rademacher. „Deshalb haben wir die Designradien modifiziert und die Organoblechdicke auf 4 mm reduziert. Hier haben wir gezeigt, dass dickere 45°-Schichten verwendet werden sollten, aber wir konnten ein solches Organoblech nicht von einem Lieferanten bekommen. Wir haben uns entschieden, den quasi-isotropen Stapel beizubehalten, aber 45° UDs oben aufzubringen, um die Dickenreduzierung zu ermöglichen und gleichzeitig die Steifigkeit beizubehalten.“

Das Team verwendete 12 Lagen 25,4 mm breites und 0,16 mm dickes CETEX TC910 Kohlefaser-/PA6-Band und führte erneut Stanzsimulationen durch. Diese zeigten, dass die gekreuzten UD-Bänder beim Stanzen verrutschten. Um dies zu beheben, wurden Schlitze im Stanzwerkzeug entworfen, um die UD-Bänder in Position zu fixieren.

Der Overmolding-Prozess wurde ebenfalls simuliert, durchgeführt von Shapers mit der MoldFlow-Software von Autodesk (San Rafael, CA, USA) sowie der Moldex3D-Software von CoreTech System Co. Ltd. (Chupei City, Taiwan). Ein Vorteil des Umspritzens war die Verhinderung von galvanischer Korrosion. Die kurzglasfaserverstärkte Formmasse sorgte für eine Isolierung zwischen den Aluminium-Befestigungselementen und der Kohlefaser im Organoblech. Somit war kein zusätzlicher Klebstoff, Dichtstoff oder Beschichtung erforderlich.

Nach Abschluss dieser Simulationen wurde der Herstellungsprozess wie folgt abgeschlossen (siehe Abb. 2):

1. Organoblech wird geschnitten und zu einem quasi-isotropen Layup gestapelt;
2. Laminatstapel und UD-Bänder werden in einen Rahmen gelegt, der die Bandpositionierung beibehält;
3. Infrarotheizung schmilzt thermoplastische Matrix auf 240-260 °C;
4. Rahmen mit Preform-Materialien wird an Stanzpresse und Werkzeug übergeben (vorgewärmt auf 90-110°C);
5. Vorform wird gestanzt (5-Sekunden-Zyklus);
6. Der konsolidierte Vorformling wird mit einem Wasserstrahlschneidsystem auf die endgültige Form gebracht;
7. Wellenlager und Schraubeneinsätze werden in das Umspritzwerkzeug eingelegt, während der besäumte Vorformling erneut vorgewärmt wird;
8. Vorform und Einsätze werden umspritzt (2-Minuten-Zyklus einschließlich manueller Platzierung und Entfernung);
9. Fertigteilflansche und Lagersitze werden auf erforderliche Toleranzen gefräst.

Prototyp und Prozesserfolg

Die erste Hälfte des Prototyp-Getriebegehäuses aus Verbundwerkstoff wurde hergestellt und auf der JEC World 2017 gezeigt. Anschließend wurde sie getestet, um die FEM-Simulationen zu validieren. Der Prototyp zeigte gute mechanische Eigenschaften, während das Gewicht von 5,8 kg für die Aluminiumbasislinie auf 4 kg reduziert wurde, was einer Gewichtseinsparung von etwa 30 % entspricht. Die Kosten für diese erste Hälfte des Prototypendeckels werden auf 50-80 € geschätzt, wobei das Organoblech das teuerste Bauteil ist.

Im Rahmen dieses Projekts gelang es auch, Prototypen zu erstellen, wie diese Gruppe von Unternehmen zusammenarbeitet, um eine Neukonstruktion von Verbundwerkstoffen zu liefern. „Unser Hintergrund bei ARRK Engineering lag in der Simulation kleiner Verbundteile, aber nicht in der Verwendung von Organoblech“, erinnert sich Rademacher. Shaper hatten umfangreiche Erfahrungen mit Spritzguss und Entwicklung von Formwerkzeugen, aber auch keinen Organoblech-Hintergrund. Das ARRK-Team, das an der Organoblech-Simulation arbeitete, war Experten für die Simulation von Verbundwerkstoffen, hatte jedoch zuvor in der Luft- und Raumfahrt gearbeitet. „Wir hatten jede Woche Gespräche mit dem Team“, sagt Rademacher. „Ich komme aus der Powertrain-Abteilung, also eher auf der Metallseite, aber als Projektleiter musste ich diese Metall- und Verbundstoffwelten kombinieren. Wir Metaller denken:„Warum macht man das bei Verbundwerkstoffen?“, während die Verbundwerkstoff-Leute denken:„Das ist bei Verbundwerkstoffen einfach.“ Wir sind zu skeptisch und zu optimistisch, daher war es gut, zusammenzuarbeiten. Wir haben viel gelernt und einen sehr effizienten Designprozess entwickelt.“ Er vergleicht den ARRK-Prozess mit der üblicheren Methode, ein Design zu entwickeln, weniger Simulation zu verwenden und dann zu versuchen, durch den Bau iterativer Prototypen zu optimieren. „Wir sehen, dass es effizienter ist, mit mehreren Designs zu beginnen und diese mithilfe von Simulationen auszuwählen und dann das Design vor dem Prototyping weiter zu optimieren. Diese Modellierung braucht am Anfang Zeit, aber während des Prototypings weniger Zeit, daher ist es weniger teuer.“ Rademacher weist darauf hin, dass es aufgrund des Zeit- und Kostenaufwands für die Herstellung neuer Werkzeuge „immer teurer ist, zehn Prototypenteile herzustellen als zehn Simulationsmodelle.“

Herausforderungen und nächste Schritte

Das Team bewältigte auch erhebliche Herausforderungen bei der Herstellung. „Die UD-Tapes in Kombination mit dem neunlagigen Organoblech-Laminat hatten Bereiche, in denen es nicht verfestigt wurde“, stellt Rademacher fest. „Dies lag zum Teil an der Luft zwischen den Bändern und dem Organoblech und beeinflusste auch deren Befestigung nach dem Formen. Der andere Beitrag war eine inhomogene Temperaturverteilung über das Organoblech. Es sah in unseren Messungen gut aus, war aber an den Außenkanten etwas kälter, was zu kleinen Stellen von Matrixausfällen in der Außenstruktur führte. Wir haben also viel über das Modellieren und das tatsächliche Formen von Organoblechteilen gelernt.“

Der nächste Schritt im Projekt besteht darin, die zweite Hälfte des Getriebegehäuses zu prototypisieren und die Steifigkeit der gesamten Baugruppe zu validieren. Das Team arbeitet auch daran, den Wasserstrahlschneidschritt zu entfernen, damit der Preform-Stapel nach dem Stanzen sofort umspritzt werden kann. „Weil wir den Prozess geändert haben, arbeiten wir noch am zweiten Cover“, sagt Rademacher. „Die größte Herausforderung für uns besteht jetzt darin, einen akzeptablen Preis für den Kunden zu erzielen. Wir betrachten Glasfaser und eine Polyphenylenamid (PPA)-Matrix, wobei letztere eine höhere Leistung bei hohen Temperaturen ermöglicht und gleichzeitig die Organoblechdicke weiter reduziert. Wir werden kein Gewebe verwenden, sondern vielleicht gestapelte Bänder, um die erforderliche Steifigkeit zu erreichen.“