Leichtbau-Antriebsstrang-Design steigert EV-Performance

Gewichtsreduktion bleibt Ziel für Elektrofahrzeuge (EVs), um Performance und Reichweite zu verbessern. Dazu erforschen Designer und Hersteller Composites in Batteriegehäusen, Karosserieteilen, Fahrwerksstrukturen und Fahrwerkskomponenten. Ein Projekt zielt jedoch auf den Antriebsstrang jenseits der Batterien – das Getriebegehäuse – ab, indem Gussaluminium durch ein Hybrid-Carbonfaser-/Glasfaser-verstärktes Thermoplast-Composite ersetzt wird, um 30 % Gewicht einzusparen.

Das Projekt wurde von mehreren Unternehmen der ARRK Group (Osaka, Japan) entwickelt. Gegründet 1948, umfasst die Gruppe 20 Unternehmen in 15 Ländern mit über 3.500 Mitarbeitern und bietet Produktentwicklungsdienstleistungen inkl. Design, Prototyping, Werkzeugbau und Kleinserienfertigung für diverse Branchen. Seit Anfang 2018 ist ARRK Corp. Tochter von Mitsui Chemicals Group (Tokio, Japan), die Langfaser-verstärkte Thermoplast-Compounds und unidirektionale (UD) Carbonfaser/Polypropylen (CF/PP) Bänder produziert. ARRK hat Composites als eines seiner 14 Kompetenzzentren etabliert, trat 2012 den deutschen Verbänden Carbon Composites e.V. und MAI Carbon bei und 2015 Composites UK.

Für dieses Getriebegehäuse-Projekt führte ARRK/P+Z Engineering GmbH (München, Deutschland) das Engineering durch, unterstützt von ARRK Shapers France (La Séguinière und Aigrefeuille-sur-Maine, Frankreich) für Fertigungsprozess sowie Stanz- und Formwerkzeuge, während Prototyping von ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, Frankreich) geleitet wurde. „Ziel war zu demonstrieren, welche Leichtbau- und Steifigkeitsvorteile faserverstärkte Thermoplaste für EV-Motor- und Getriebekomponenten bieten, die typischerweise aus Aluminium gegossen werden“, erklärt ARRK Engineering Projektleiter Raik Rademacher.

Basis ist ein Getriebe von Getrag (Untergruppenbach, Deutschland) für den Smart Fortwo Elektro-Stadtwagen. Nur das Gehäuse wurde neu designed, alle Innenbauteile wurden wiederverwendet und arbeiten unverändert. Der Re-Engineering-Ansatz nutzte diverse Simulationen – Finite-Elemente-Modell (FEM), Topologieoptimierung und Simulation von Preform-Stanzen und Spritzgieß-Overmolding. Er bewies auch einen Prozess zur Umwandlung eines Metall-Designs in Composite unter Einbindung mehrerer Partner mit diverser Material-, Prozess- und Struktur-Expertise.

Ziele, Lasten und Materialien definieren

Dieses EV-Getriebegehäuse besteht aus zwei Hälften, die mechanisch um die Getriebe- und Wellen befestigt sind. Die Konzeptphase begann mit Definition der Designziele. Erster Schritt: Reverse-Engineering eines FEM-Modells durch 3D-Scan eines zerlegten Fortwo-Getriebes inkl. Innenkomponenten, Wellen und Zahnräder. Maximales Ein- und Ausgangedrehmoment, Übersetzungsverhältnis und Drehmoment an Ein- und Ausgangswellen wurden aus Herstellerdaten abgeleitet. Eine FEM-Simulation berechnete dann Drehmoment am Getriebegehäuse für Fahrzeug-Fahr- und Schublasten sowie Schwerkraftlasten bis 60G zur Crashsimulation.

Das Gehäuse muss diese Lasten ohne Überschreitung zulässiger Verformung tragen; andernfalls drohen signifikante Durchbiegungen der Getriebewellen, was ungenauen Kontakt in den Zahnrädern verursacht. „Solcher Kontakt beschädigt die Zahnräder und führt im schlimmsten Fall zum Ausfall“, sagt Rademacher. „Übertragungsfehler durch ungenaue Zahnradausrichtung führen auch zu unerwünschtem Akustikverhalten im Getriebe“, fügt er hinzu. „Man nennt es ‚Heulen‘. Da EVs so leise sind, ist es wichtig, dass dieses Composite-Getriebe wirklich ruhig und leise ist.“ Steifigkeit ist also kritischer Performanceziel und muss Aluminium-Baseline erreichen oder übertreffen.

Früh als Kandidatmaterialien identifiziert: Gewebte Glasfaser- und Carbonfaser-verstärkte Polyamid-6 (PA6) Organobleche von TenCate (Nijverdal, Niederlande) wurden auf mechanische Eigenschaften getestet. Da Glasfaser-Composite nur 50 % der Steifigkeit des Carbonfaser-Organoblechs zeigte, wurde letzteres gewählt. „Material ist TenCate CETEX TC912 mit 12K Faser in 2×2-Köpergewebe“, sagt Rademacher. „Wir spezifizierten ein maßgeschneidertes Organoblech aus neun Lagen in quasi-isotopem Stapel (0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°).“

Konzept- und Designphase

Fünf Getriebegehäuse-Konzepte wurden entwickelt, aber nur zwei boten ausreichendes Potenzial für Gewichts- und Kosteneinsparung bei niedriger Zykluszeit. Machbarkeitsprüfungen ergaben, dass nur ein Konzept ausreichende Steifigkeit erlaubte, durch Metall-Lagersitze. „Sitze sind die direkte Verbindung zwischen Lagern für Getriebewellen und Gehäuse“, erklärt Rademacher. „Wir prüften einfaches Spritzgießen, wählten aber einen umspritzen Aluminiumeinsatz zur Steifigkeitserhöhung.“ Dieses Konzept wurde zur Entwicklung gewählt.

Topologieoptimierung zur Minimierung der Dehnenergie wurde in der nachfolgenden Designphase durchgeführt. Daraus wurde Gehäusegeometrie verfeinert, inkl. Minimalradien für geformte Kurvaturen. Diese Geometrie diente zum Simulationsmodell für detailliertes Design. Der Organoblech-Laminat wurde weiter optimiert, wobei sich zeigte, dass die +45°/-45°-Lagen am dicksten sein sollten. Das korrelierte gut mit der Tatsache, dass Torsion im Gehäuse die Hauptverformungsquelle ist, der widerstanden werden muss.

Gehäusesteifigkeit war noch unzureichend, daher wurden gekreuzte UD-Bänder und umspritze Rippen in die Gehäusegeometrie eingeführt. Fürs Overmolding wählte das Team ein 40 % Glasfaser/PA6 (GF/PA6) Compound von EMS-Grivory (Domat/Ems, Schweiz).

Detailphase und Fertigung

Funktionale Befestigungspunkte und Verbindungen für die zwei Gehäusehälften wurden in dieser dritten Redesign-Phase detailliert. Die Hälften würden mechanisch befestigt, daher Aluminiumeinsätze ins Design aufgenommen, um Lagerlasten von den Befestigern zu übertragen. Weitere Features wurden detailliert, inkl. umspritztem Flansch mit diesen Einsätzen und Rippen sowie weiterer funktionaler Geometrie auf Gehäuseaußenseite.

Ein Stanzprozess wurde für das Preformen des Organoblechs vor Overmolding gewählt. Eine Stanzsimulation (Abb. 1) wurde von Partner ESI Group (Paris, Frankreich) mit PAM-FORM-Software durchgeführt, um Probleme beim Preformen vorherzusehen und einen Startzuschnitt für das Roh-Organoblech abzuleiten.

„Die Simulation zeigte Biegeverformung durch hohe Organoblechdicke und enge Radien in der Gehäusegeometrie, was Falten im Preform verursachte“, sagt Rademacher. „Also modifizierten wir Designradien und reduzierten Organoblechdicke auf 4 mm. Da zeigte sich, dass dickere 45°-Lagen genutzt werden sollten, aber wir bekamen solches Organoblech nicht vom Lieferanten. Wir behielten den quasi-isotropen Stapel bei, legten aber 45°-UDs obenauf, um Dickenreduktion zu ermöglichen, während Steifigkeit erhalten blieb.“

Das Team nutzte 12 Lagen 25,4 mm breiter, 0,16 mm dicker CETEX TC910 Carbonfaser/PA6-Bänder und wiederholte Stanzsimulationen. Diese zeigten, dass gekreuzte UD-Bänder beim Stanzen verrutschten. Um dies zu beheben, wurden Nuten im Stanzwerkzeug designed, um UD-Bänder in Position zu fixieren.

Der Overmolding-Prozess wurde ebenfalls simuliert, durchgeführt von Shapers mit Autodesk MoldFlow und Moldex3D (CoreTech System Co. Ltd., Chupei City, Taiwan). Ein Vorteil des Overmoldings: Verhinderung von Kontaktkorrosion. Das kurzglasfaserverstärkte Formmasse isolierte zwischen Aluminiumbefestigern und Carbonfaser im Organoblech. Somit waren keine zusätzlichen Klebstoffe, Dichtstoffe oder Beschichtungen nötig.

Nach Abschluss dieser Simulationen wurde der Fertigungsprozess wie folgt finalisiert (siehe Abb. 2):

1. Organoblech zuschneiden und in quasi-isotropen Layup stapeln;
2. Laminatstapel und UD-Bänder in Rahmen legen, der Bandpositionierung hält;
3. Infrarotheizer schmilzt Thermoplastmatrix auf 240–260 °C;
4. Rahmen mit Preform-Materialien in Stanzpresse und Werkzeug transferieren (auf 90–110 °C vorgeheizt);
5. Preform stanzen (5-Sekunden-Zykluszeit);
6. Konsolidiertes Preform auf Endform wasserstrahlschneiden;
7. Wellenlager und Schraubeneinsätze in Overmolding-Werkzeug platzieren, während getrimmtes Preform erneut vorgeheizt wird;
8. Preform und Einsätze overmolden (2-Minuten-Zykluszeit inkl. manueller Platzierung und Entnahme);
9. Endteile Flansche und Lagersitze auf erforderliche Toleranzen fräsen.

Prototyp- und Prozesserfolg

Die erste Hälfte des Prototyp-Composite-Getriebegehäuses wurde gefertigt und auf JEC World 2017 ausgestellt. Sie wurde dann getestet, um FEM-Simulationen zu validieren. Der Prototyp zeigte gute mechanische Eigenschaften, reduzierte Gewicht auf 4 kg von 5,8 kg Aluminium-Baseline, eine Gewichtsersparnis von ca. 30 %. Kosten dieser ersten Prototyp-Hälfte geschätzt auf 50–80 €, wobei Organoblech teuerster Bestandteil ist.

Das Projekt gelang auch beim Prototyping der Zusammenarbeit dieser Unternehmenssammlung zur Composite-Neukonstruktion. „Unser Hintergrund bei ARRK Engineering lag in Simulation für kleine Composite-Teile, nicht in Organoblech-Nutzung“, erinnert sich Rademacher. Shapers hatte umfangreiche Erfahrung im Spritzgießen und Werkzeugbau, aber auch keinen Organoblech-Hintergrund. Das ARRK-Team für Organoblech-Simulation waren Experten in Composite-Simulation, aber vorherige Arbeit lag in Luftfahrt. „Wir hatten wöchentliche Teamgespräche“, sagt Rademacher. „Ich komme aus Antriebsstrang, also mehr Metalle-Seite, aber als Projektleiter musste ich diese Metalle- und Composites-Welten verbinden. Metall-Leute denken: ‚Warum in Composites?‘, Composite-Leute: ‚Das ist easy in Composites.‘ Wir sind zu skeptisch, sie zu optimistisch – gut, zusammenzuarbeiten. Wir lernten viel und entwickelten einen sehr effizienten Designprozess.“ Er vergleicht den ARRK-Prozess mit der gängigen Methode: ein Design entwickeln, weniger Simulation, dann iterative Prototypen optimieren. „Effizienter ist, mit mehreren Designs zu starten, per Simulation down-selektieren, dann weiter optimieren vor Prototyping. Das braucht Zeit am Anfang, aber weniger beim Prototyping, also günstiger.“ Rademacher weist darauf hin, dass wegen Zeit und Kosten neuer Werkzeuge „zehn Prototypenteile immer teurer sind als zehn Simulationsmodelle.“

Herausforderungen und nächste Schritte

Das Team meisterte auch signifikante Fertigungsherausforderungen. „Die UD-Bänder in Kombination mit dem neunlagigen Organoblech-Laminat hatten Bereiche ohne Konsolidierung“, merkt Rademacher an. „Teilweise durch Luft zwischen Bändern und Organoblech, auch beeinträchtigte ihre Haftung nach dem Formen. Weitere Ursache: inhomogene Temperaturverteilung über Organoblech. Messungen sahen gut aus, aber Randbereiche waren etwas kälter, was kleine Matrixfehler in äußerer Struktur verursachte. Wir lernten viel über Modellierung und tatsächliches Formen von Organoblech-Teilen.“

Nächster Schritt: Prototyp der zweiten Gehäusehälfte und Validierung der Steifigkeit der kompletten Baugruppe. Team arbeitet auch daran, Wasserschneidschritt zu entfernen, sodass Preformstapel direkt nach Stanzen overmoldet werden kann. „Weil wir den Prozess geändert haben, arbeiten wir noch an der zweiten Hälfte“, sagt Rademacher. „Größte Herausforderung jetzt: akzeptabler Preis für Kunden. Wir prüfen Glasfaser und Polyphenylenamid (PPA) Matrix, letztere ermöglicht höhere Performance bei hohen Temperaturen bei weiterer Organoblechdickenreduktion. Kein Gewebe, aber vielleicht gestapelte Bänder für erforderliche Steifigkeit.“