Prouver les performances des groupes motopropulseurs EV

La réduction du poids continue d'être un objectif pour les véhicules électriques (VE), améliorant les performances et étendant l'autonomie. À cette fin, les concepteurs et les fabricants explorent l'utilisation de composites dans les boîtiers de batterie, les panneaux de carrosserie, les structures de châssis et les composants de suspension. Cependant, un projet a jeté son dévolu sur le groupe motopropulseur au-delà des batteries au carter de la boîte de vitesses, remplaçant la fonte d'aluminium par un composite thermoplastique hybride renforcé de fibre de carbone et de fibre de verre pour réduire le poids de 30 %.

Ce projet a été conçu par plusieurs sociétés du groupe ARRK (Osaka, Japon). Fondé en 1948, le groupe comprend 20 sociétés dans 15 pays, avec plus de 3 500 employés, et fournit des services de développement de produits, notamment la conception, le prototypage, l'outillage et la production à faible volume à de multiples industries. Depuis début 2018, ARRK Corp. est une filiale de Mitsui Chemicals Group (Tokyo, Japon), qui produit des composés thermoplastiques renforcés de fibres longues et des rubans unidirectionnels (UD) en fibre de carbone/polypropylène (CF/PP). ARRK a établi les composites comme l'un de ses 14 centres de compétence, rejoignant les associations industrielles allemandes Carbon Composites e.V. et MAI Carbon en 2012 et Composites UK en 2015.

Pour ce projet de carter de boîte de vitesses, l'ingénierie a été réalisée par ARRK/P+Z Engineering GmbH (Munich, Allemagne) avec le soutien d'ARRK Shapers' France (La Séguinière et Aigrefeuille-sur-Maine, France) pour le processus de production ainsi que l'emboutissage et outillage de moulage, tandis que le prototypage a été mené par ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, France). « L'objectif était de démontrer la légèreté et la rigidité que les thermoplastiques renforcés de fibres peuvent fournir pour les composants de moteur et de transmission de véhicules électriques généralement moulés en aluminium », explique Raik Rademacher, chef de projet ARRK Engineering.

La boîte de vitesses utilisée à la base de ce projet est réalisée par Getrag (Untergruppenbach, Allemagne) pour la Smart Fortwo voiture de ville électrique. Seul le boîtier a été repensé, avec toutes les pièces intérieures réutilisées et fonctionnant sans changement. L'approche de réingénierie a utilisé une variété de simulations - modèle d'éléments finis (FEM), optimisation de la topologie et simulation des processus d'emboutissage de préformes et de surmoulage par injection. Il s'est également avéré un processus de conversion d'une conception métallique en composite en utilisant plusieurs partenaires possédant une expertise diversifiée en matière de matériaux, de processus et de structures.

Définition des cibles, des charges et des matériaux

Ce carter de boîte de vitesses EV comprend deux moitiés fixées mécaniquement autour des engrenages et des arbres de transmission du véhicule. La phase de conception a commencé par la définition des objectifs de conception. La première étape consistait à désosser un modèle d'éléments finis en scannant en 3D un Fortwo désassemblé. boîte de vitesses, y compris les composants internes, les arbres et les engrenages. Le couple maximal d'entrée et de sortie, le rapport de démultiplication et le couple sur les arbres d'entrée et de sortie ont été dérivés des données du fabricant. Une simulation FEM a ensuite été utilisée pour calculer le couple sur le carter de la boîte de vitesses pour la conduite du véhicule et les charges côtières, ainsi que les charges de gravité jusqu'à 60G pour simuler des situations de collision.

Le carter de la boîte de vitesses doit supporter ces charges sans dépasser la déformation admissible; sinon, il peut y avoir des déflexions importantes dans les arbres de transmission, provoquant un contact imprécis dans les engrenages. « Un tel contact endommagera les engrenages et, dans le pire des cas, entraînera une défaillance », explique Rademacher. « Les erreurs de transmission dues à un alignement imprécis des engrenages entraînent également un comportement acoustique indésirable dans la boîte de vitesses », ajoute-t-il. "Ils appellent ça" pleurnicherie ". Parce que les véhicules électriques sont si silencieux, il est important que cette boîte de vitesses composite soit vraiment calme et silencieuse." Ainsi, la rigidité est un objectif de performance critique et doit correspondre ou dépasser celle de la ligne de base en aluminium.

Identifiés dès le début comme matériaux candidats pour cette refonte, les feuilles organiques de fibre de verre tissée et de polyamide 6 (PA6) renforcée de fibres de carbone de TenCate (Nijverdal, Pays-Bas) ont été testées pour leurs propriétés mécaniques. Étant donné que le composite en fibre de verre ne présentait que 50 % de la rigidité de la feuille organique en fibre de carbone, cette dernière a été sélectionnée. « Le matériau est le TenCate CETEX TC912 utilisant de la fibre 12K dans un tissu sergé 2 par 2 », explique Rademacher. "Nous avons spécifié une feuille organique sur mesure réalisée à partir de neuf plis dans une séquence d'empilement quasi-isotrope (0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°)".

Phases de conception et de conception

Cinq concepts de carter de boîte de vitesses ont été développés, mais seulement deux offraient un potentiel adéquat d'économies de poids et de coûts, ainsi qu'un temps de cycle réduit. Les contrôles de faisabilité ont révélé qu'un seul concept permettait une rigidité suffisante, en utilisant des sièges à roulements métalliques. « Les sièges sont la connexion directe entre les roulements des arbres de transmission et le carter de la boîte de vitesses », explique Rademacher. « Nous avons simplement envisagé de les mouler par injection, mais avons plutôt choisi un insert en aluminium surmoulé pour augmenter la rigidité. » Ce concept a donc été choisi pour le développement.

L'optimisation de la topologie pour minimiser l'énergie de déformation a été réalisée dans la phase de conception ultérieure. À partir de cette analyse, la géométrie du carter de la boîte de vitesses a été affinée, y compris les rayons minimaux pour les courbures moulées. Cette géométrie a été utilisée pour construire un modèle de simulation pour la conception détaillée. Le stratifié organosheet a ensuite été optimisé, révélant que les couches +45°/-45° devraient être les plus épaisses. Cela correspond bien au fait que la torsion dans le boîtier est la principale source de déformation à laquelle il faut résister.

La rigidité du boîtier s'est toujours avérée insuffisante, ainsi des bandes UD croisées et des nervures surmoulées ont été introduites dans la géométrie du boîtier. Pour le surmoulage, l'équipe a sélectionné un composé 40% fibre de verre/PA6 (GF/PA6) de EMS-Grivory (Domat/Ems, Suisse).

Phase de détail et fabrication

Les points de fixation fonctionnels et les connexions pour les deux moitiés de carter de boîte de vitesses ont été détaillés dans cette troisième phase de la refonte. Les moitiés seraient fixées mécaniquement, de sorte que des inserts en aluminium ont été ajoutés à la conception pour transmettre les charges de roulement des fixations. D'autres caractéristiques ont ensuite été détaillées, notamment la bride surmoulée contenant ces inserts et les nervures et autres géométries fonctionnelles surmoulées sur l'extérieur du boîtier.

Un procédé d'emboutissage a été choisi pour préformer la feuille organique avant surmoulage. Une simulation d'emboutissage a été réalisée (Fig. 1) par le partenaire ESI Group (Paris, France) à l'aide de son logiciel PAM-FORM pour anticiper les éventuels problèmes lors du préformage et dériver une coupe de départ pour la feuille organique brute.

« La simulation a montré une déformation par flexion due à l'épaisseur élevée de la feuille organique et des rayons étroits dans la géométrie du boîtier, provoquant des plis dans la préforme », explique Rademacher. « Nous avons donc modifié les rayons de conception et réduit l'épaisseur de la feuille organique à 4 mm. C'est à ce moment-là que nous avons montré qu'il fallait utiliser des plis plus épais à 45°, mais nous ne pouvions pas obtenir une telle feuille organique auprès d'un fournisseur. Nous avons décidé de conserver l'empilement quasi-isotrope mais d'appliquer des UD à 45° sur le dessus pour permettre la réduction d'épaisseur, tout en maintenant la rigidité.

L'équipe a utilisé 12 plis de ruban en fibre de carbone/PA6 CETEX TC910 de 25,4 mm de large et 0,16 mm d'épaisseur et a répété les simulations d'estampage. Ceux-ci ont montré que les bandes UD croisées glissaient hors de leur place pendant l'estampage. Pour résoudre ce problème, des fentes ont été conçues dans l'outil d'estampage pour verrouiller les bandes UD en position.

Le processus de surmoulage a également été simulé, réalisé par Shapers à l'aide du logiciel MoldFlow d'Autodesk (San Rafael, CA, États-Unis), ainsi que du logiciel Moldex3D de CoreTech System Co. Ltd. (Chupei City, Taïwan). L'un des avantages du surmoulage était la prévention de la corrosion galvanique. Le composé de moulage court renforcé de fibres de verre a fourni une isolation entre les attaches en aluminium et la fibre de carbone dans la feuille organique. Ainsi, aucun adhésif, mastic ou revêtement supplémentaire n'a été nécessaire.

Après avoir terminé ces simulations, le processus de fabrication a été finalisé comme suit (voir Fig. 2) :

1. La feuille d'organo est découpée et empilée en une couche quasi-isotrope ;
2. La pile de stratifiés et les rubans UD sont placés dans un cadre qui maintient le positionnement du ruban ;
3. Le radiateur infrarouge fait fondre la matrice thermoplastique à 240-260 °C ;
4. Le cadre avec les matériaux de préforme est transféré vers la presse d'estampage et l'outil (préchauffé à 90-110°C) ;
5. La préforme est estampée (temps de cycle de 5 secondes );
6. La préforme consolidée est découpée à la forme finale à l'aide d'un système de découpe au jet d'eau ;
7. Les roulements d'arbre et les inserts vissés sont placés dans l'outil de surmoulage tandis que la préforme découpée est à nouveau préchauffée ;
8. La préforme et les inserts sont surmoulés (temps de cycle de 2 minutes, y compris le placement et le retrait manuels );
9. Les brides de la pièce finale et les sièges de roulement sont fraisés selon les tolérances requises.

Prototype et succès du processus

La première moitié du prototype de carter de boîte de vitesses en composite a été produite et exposée au JEC World 2017. Elle a ensuite été testée pour valider les simulations FEM. Le prototype a montré de bonnes propriétés mécaniques, tout en réduisant le poids à 4 kg contre 5,8 kg pour la ligne de base en aluminium, une économie de poids d'environ 30 %. Le coût de cette première moitié de couverture prototype est estimé à 50-80 €, la feuille organique étant le composant le plus cher.

Ce projet a également réussi à prototyper la façon dont cette collection d'entreprises travaille ensemble pour offrir une refonte des composites. « Notre expérience chez ARRK Engineering était la simulation de petites pièces composites, mais pas l'utilisation de feuilles organiques », se souvient Rademacher. Les façonneurs avaient une vaste expérience du moulage par injection et du développement d'outils de moulage, mais n'avaient pas non plus d'expérience en organosheet. L'équipe de l'ARRK travaillant sur la simulation des organofeuilles était experte en simulation des composites, mais ses travaux antérieurs avaient porté sur l'aérospatiale. «Nous avons eu des discussions avec l'équipe chaque semaine», explique Rademacher. « Je suis du département motorisation, donc plus du côté des métaux, mais en tant que chef de projet, je devais combiner ces univers des métaux et des composites. Nous, les métallurgistes, pensons :« Pourquoi le faire dans les composites ? » tandis que les gars dans les composites pensent :« c'est facile à faire dans les composites. » Nous sommes trop sceptiques et ils sont trop optimistes, donc c'était bien de travailler ensemble. Nous avons beaucoup appris et avons développé un processus de conception très efficace. Il compare le processus ARRK à la méthode plus courante de développement d'une conception, en utilisant moins de simulation, puis en essayant d'optimiser en créant des prototypes itératifs. « Nous constatons qu'il est plus efficace de commencer avec plusieurs conceptions et de les sélectionner à l'aide de la simulation, puis d'optimiser davantage la conception avant le prototypage. Il faut du temps au début pour faire cette modélisation, mais moins de temps lors du prototypage, donc c'est moins cher. Rademacher souligne qu'en raison du temps et du coût de production de nouveaux outillages, « il est toujours plus coûteux de produire dix pièces prototypes par rapport à dix modèles de simulation ».

Défis et prochaines étapes

L'équipe a également surmonté d'importants défis de fabrication. « Les rubans UD en combinaison avec le stratifié organofeuille à neuf plis présentaient des zones où ils n'étaient pas consolidés », note Rademacher. « Cela était en partie dû à l'air entre les bandes et la feuille organique et a également affecté leur fixation après le moulage. L'autre contributeur était une distribution de température non homogène à travers la feuille organique. Il avait l'air bien dans nos mesures, mais était un peu plus froid sur les bords extérieurs, ce qui a causé de petites zones de défaillances de la matrice dans la structure extérieure. Ainsi, nous avons beaucoup appris à la fois sur la modélisation et le moulage réel des pièces en feuille d'organo. »

La prochaine étape du projet consiste à prototyper la seconde moitié du carter de la boîte de vitesses et à valider la rigidité de l'ensemble complet. L'équipe travaille également à supprimer l'étape de découpe au jet d'eau afin que la pile de préformes puisse être immédiatement surmoulée après l'emboutissage. "Parce que nous avons changé le processus, nous travaillons toujours sur la deuxième couverture", explique Rademacher. « Le plus grand défi pour nous maintenant est d'atteindre un prix acceptable pour le client. Nous examinons la fibre de verre et une matrice de polyphénylène amide (PPA), cette dernière permettant des performances plus élevées à haute température tout en réduisant davantage l'épaisseur de la feuille organique. Nous n'utiliserons pas de tissu tissé, mais peut-être des rubans empilés pour aider à atteindre la rigidité requise. »