Conception allégée du groupe motopropulseur booste la performance des VE

La réduction de poids reste un objectif pour les véhicules électriques (VE), améliorant performance et autonomie. À cette fin, concepteurs et fabricants explorent l'utilisation de composites dans les boîtiers de batterie, panneaux de carrosserie, structures de châssis et composants de suspension. Cependant, un projet vise le groupe motopropulseur au-delà des batteries jusqu'au carter de boîte de vitesses, remplaçant l'aluminium moulé par un composite hybride renforcé fibres de carbone et fibres de verre thermoplastique pour réduire le poids de 30 %.

Ce projet a été conçu par plusieurs entreprises du groupe ARRK (Osaka, Japon). Fondé en 1948, le groupe comprend 20 entreprises dans 15 pays, avec plus de 3 500 employés, et fournit des services de développement produit incluant conception, prototypage, outillage et production de faible volume à de multiples industries. Depuis début 2018, ARRK Corp. est une filiale du groupe Mitsui Chemicals (Tokyo, Japon), qui produit des composés thermoplastiques renforcés fibres longues et des bandes unidirectionnelles (UD) 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'outillage d'estampage et de moulage, tandis que le prototypage était dirigé par ARRK LCO Protomoules (Alby sur Chéran, France). « L'objectif était de démontrer la légèreté et la rigidité que les thermoplastiques renforcés fibres peuvent fournir pour les composants moteur et transmission de véhicules électriques généralement moulés en aluminium », explique le chef de projet ARRK Engineering Raik Rademacher.

La boîte de vitesses utilisée comme base pour ce projet est fabriquée par Getrag (Untergruppenbach, Allemagne) pour la Smart Fortwo citadine électrique. Seul le carter a été redessiné, avec toutes les pièces intérieures réutilisées et fonctionnant sans changement. L'approche de réingénierie a employé une variété de simulations — modèle éléments finis (FEM), optimisation topologique et simulation des processus d'estampage de préforme et surmoulage par injection. Elle a aussi prouvé un processus pour convertir un design métal en composite en utilisant plusieurs partenaires avec diverses expertises matériaux, processus et structures.

Définition cibles, charges et matériaux

Ce carter de boîte de vitesses VE comprend deux demi-coques fixées mécaniquement autour des engrenages et arbres de transmission du véhicule. La phase concept a commencé par la définition des cibles de design. La première étape a été de faire de l'ingénierie inverse d'un modèle éléments finis par scan 3D d'une boîte de vitesses Fortwo démontée, incluant les composants internes, arbres et engrenages. Couple d'entrée et sortie maximal, rapport de démultiplication et couple sur les arbres d'entrée et sortie étaient dérivés des données du fabricant. Une simulation FEM était alors utilisée pour calculer le couple sur le carter de boîte pour charges de conduite et décélération du véhicule, ainsi que charges de gravité jusqu'à 60G pour simuler situations de crash.

Le carter doit gérer ces charges sans dépasser la déformation admissible ; sinon, il peut y avoir des déflexions significatives dans les arbres d'engrenages, causant un contact imprécis dans les engrenages. « Un tel contact endommagera les engrenages et, dans le pire des cas, mènera à la défaillance », dit Rademacher. « Les erreurs de transmission dues à un alignement d'engrenages imprécis mènent aussi à un comportement acoustique indésirable dans la boîte de vitesses », ajoute-t-il. « Ils l'appellent « sifflement ». Comme les VE sont si silencieux, il est important que ce carter composite soit vraiment calme et silencieux. » Ainsi, la rigidité est une cible de performance critique, et doit égaler ou dépasser celle de la base aluminium.

Identifiés tôt comme matériaux candidats pour ce redessin, des organofeuilles tissées fibre de verre et fibre de carbone renforcées polyamide 6 (PA6) de TenCate (Nijverdal, Pays-Bas) ont été testées pour propriétés mécaniques. Comme le composite fibre de verre ne montrait que 50 % de la rigidité de l'organofeuille fibre de carbone, cette dernière a été sélectionnée. « Le matériau est TenCate CETEX TC912 utilisant fibre 12K en tissu sergé 2x2 », dit Rademacher. « Nous avons spécifié un organofeuille sur mesure fait avec neuf plis dans une séquence d'empilement quasi-isotrope (0°/90°/45°/-45°/90°/-45°/45°/90°/0°). »

Phases concept et design

Cinq concepts de carter de boîte ont été développés, mais seulement deux offraient un potentiel adéquat pour économies de poids et coût, avec temps de cycle bas. Les vérifications de faisabilité ont révélé qu'un seul concept permettait une rigidité suffisante, en utilisant des sièges de roulement métalliques. « Les sièges sont la connexion directe entre les roulements pour les arbres d'engrenages et le carter de boîte », explique Rademacher. « Nous avons regardé simplement les moulage par injection, mais avons choisi un insert aluminium surmoulé pour augmenter la rigidité. » Ce concept a ainsi été choisi pour le développement.

L'optimisation topologique pour minimiser l'énergie de déformation a été réalisée dans la phase de design suivante. De cette analyse, la géométrie du carter a été raffinée, incluant rayons minimaux pour courbures moulées. Cette géométrie a été utilisée pour construire un modèle de simulation pour le design détaillé. Le stratifié organofeuille a été ensuite optimisé, révélant que les couches +45°/-45° devraient être les plus épaisses. Cela corrélait bien avec le fait que la torsion dans le carter est la source principale de déformation qui doit être résistée.

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

Phase détail et fabrication

Les points de fixation fonctionnels et connexions pour les deux demi-coques du carter ont été détaillés dans cette troisième phase de redessin. Les demi-coques seraient fixées mécaniquement, donc des inserts aluminium ont été ajoutés au design pour transmettre les charges de roulement des fixations. D'autres caractéristiques ont été ensuite détaillées, incluant la bride surmoulée contenant ces inserts et les nervures et autre géométrie fonctionnelle surmoulée sur l'extérieur du carter.

Un processus d'estampage a été sélectionné pour le préformage de l'organofeuille avant surmoulage. Une simulation d'estampage a été complétée (Fig. 1) par le partenaire ESI Group (Paris, France) en utilisant son logiciel PAM-FORM pour anticiper tout problème pendant le préformage et déduire une coupe de départ pour l'organofeuille brute.

« La simulation a montré une déformation de flexion due à l'épaisseur élevée de l'organofeuille et rayons serrés dans la géométrie du carter, causant des plis dans la préforme », dit Rademacher. « Alors, nous avons modifié les rayons de design et réduit l'épaisseur de l'organofeuille à 4 mm. C'est à ce moment que nous avons montré que des plis 45° plus épais devraient être utilisés, mais nous ne pouvions pas obtenir un tel organofeuille d'un fournisseur. Nous avons décidé de garder l'empilement quasi-isotrope mais d'appliquer des UD 45° par-dessus pour permettre la réduction d'épaisseur, tout en maintenant la rigidité. »

L'équipe a utilisé 12 plis de bande carbone/PA6 CETEX TC910 de 25,4 mm de large et 0,16 mm d'épaisseur et a relancé les simulations d'estampage. Celles-ci ont montré que les bandes UD croisées glissaient hors de position pendant l'estampage. Pour y remédier, des fentes ont été conçues dans l'outil d'estampage pour verrouiller les bandes UD en position.

Le processus de surmoulage a aussi été simulé, réalisé par Shapers en utilisant le logiciel MoldFlow d'Autodesk (San Rafael, CA, États-Unis), et aussi le logiciel Moldex3D de CoreTech System Co. Ltd. (Chupei City, Taïwan). Un avantage du surmoulage était la prévention de la corrosion galvanique. Le composé de moulage renforcé fibres de verre courtes fournissait une isolation entre les fixations aluminium et la fibre de carbone dans l'organofeuille. Ainsi, aucun adhésif, scellant ou revêtement additionnel n'était requis.

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

1. L'organofeuille est découpée et empilée en stratification quasi-isotrope ;
2. La pile de stratifié et bandes UD sont placées dans un cadre qui maintient le positionnement des bandes ;
3. Radiateur infrarouge fond la matrice thermoplastique à 240-260°C ;
4. Le cadre avec matériaux de préforme est transféré à la presse d'estampage et outil (préchauffé à 90-110°C) ;
5. La préforme est estampée (temps de cycle 5 secondes) ;
6. La préforme consolidée est découpée à la forme finale par système de découpe jet d'eau ;
7. Les roulements d'arbre et inserts de vis sont placés dans l'outil de surmoulage pendant que la préforme découpée est à nouveau préchauffée ;
8. La préforme et inserts sont surmoulés (temps de cycle 2 minutes incluant placement et retrait manuels) ;
9. Les brides et sièges de roulement finaux sont usinés aux tolérances requises.

Prototype et succès du processus

La première moitié du prototype de carter composite a été produite et exposée à 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 depuis 5,8 kg pour la base aluminium, une économie de poids d'environ 30 %. Le coût de cette première demi-couverture prototype est estimé à 50-80 €, l'organofeuille étant le composant le plus cher.

Ce projet a aussi réussi à prototyper comment cette collection d'entreprises travaille ensemble pour livrer un redessin composites. « Notre background chez ARRK Engineering était en simulation pour petites pièces composites mais pas en utilisant organofeuille », se rappelle Rademacher. Shapers avait une grande expérience en moulage par injection et développement d'outils de moulage, mais aussi pas de background organofeuille. L'équipe ARRK travaillant sur simulation organofeuille étaient experts en simulation composites, mais leur travail précédent était dans l'aérospatial. « Nous avions des discussions avec l'équipe chaque semaine », dit Rademacher. « Je viens du département groupe motopropulseur, donc plus côté métaux, mais comme chef de projet, j'ai dû combiner ces mondes métaux et composites. Nous les gars métaux pensons, « Pourquoi le faire en composites ? » tandis que les gars composites pensent, « c'est facile à faire en composites. » Nous sommes trop sceptiques, et ils sont trop optimistes, donc c'était bien de travailler ensemble. Nous avons beaucoup appris et développé un processus de design très efficace. » Il compare le processus ARRK avec la méthode plus commune de développer un design, utilisant moins de simulation et puis essayer d'optimiser par prototypes itératifs. « Nous voyons qu'il est plus efficace de commencer avec plusieurs designs et descendre en sélectionnant par simulation, et puis optimiser davantage le design avant prototypage. Cela prend du temps au début pour faire cette modélisation, mais moins de temps pendant le prototypage, donc c'est moins cher. » Rademacher souligne qu'en raison du temps et coût de production de nouvel outillage, « C'est toujours plus coûteux de produire dix pièces prototypes vs dix modèles de simulation. »

Défis et prochaines étapes

L'équipe a aussi surmonté des défis de fabrication significatifs. « Les bandes UD en combinaison avec le stratifié organofeuille neuf plis avaient des zones où il n'était pas consolidé », note Rademacher. « Cela était dû en partie à l'air entre les bandes et l'organofeuille et affectait aussi leur adhérence après moulage. L'autre contributeur était une distribution de température non homogène à travers l'organofeuille. Cela semblait bon dans nos mesures, mais était un peu plus froid aux bords extérieurs, ce qui causait de petites zones de défaillances matricielles dans la structure externe. Donc, nous avons beaucoup appris sur la modélisation et le moulage réel de pièces organofeuille. »

L'étape suivante du projet est de prototyper la seconde moitié du carter de boîte et valider la rigidité de l'assemblage complet. L'équipe travaille aussi à supprimer l'étape de découpe jet d'eau pour que la pile de préforme puisse être immédiatement surmoulée après estampage. « Parce que nous avons changé le processus, nous travaillons encore sur le second couvercle », dit Rademacher. « Le plus grand défi pour nous maintenant est d'atteindre un prix acceptable pour le client. Nous regardons fibre de verre et matrice polyphénylène amide (PPA), cette dernière permettant une performance plus haute à hautes températures tout en réduisant davantage l'épaisseur de l'organofeuille. Nous n'utiliserons pas de tissu tissé mais peut-être des bandes empilées pour aider à atteindre la rigidité requise. »