变速箱壳体是冲压还是铸造 热塑性复合材料的变速箱外壳

通过仿真驱动的开发，ARRK集团用热塑性复合材料取代铝制作了电动汽车动力系统中变速箱的外壳。

详细阶段和制造

用于变速箱壳体两个半壳的功能固定点和连接，在这项重新设计的第三阶段得到了详细描述。两个半壳将采用机械紧固，这样，被加入到设计中的铝嵌件可以从紧固件传递轴承载荷。

其他特征也得到了详细描述，包括含这些嵌件和加强筋的二次成型的法兰，以及二次成型到壳体外部的其他功能形状。

一种冲压工艺被选中，用来在二次成型前预成型有机板。

合作伙伴法国ESI集团采用其PAM-FORM软件完成了冲压模拟，以预测预成型过程中可能出现的任何问题，从而获得有机板原料的起始切割条件。

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“这项模拟显示出有机板较大的厚度会引起弯曲变形，同时，壳体形状中的紧半径会引起预成型件出现褶皱。”Rademacher说，“所以，我们修改了设计半径，将有机板的厚度减至4 mm。当时，我们发现应该使用更厚的45°层，但我们不能从供应商那里获得这样的有机板，因此我们决定，保持准各向同性的叠层，但在顶部使用45°的UD带，以减小厚度并确保刚度。”

该团队使用了12层25.4mm宽、0.16mm厚的CETEX TC910碳纤维/PA6带材，再次做了冲压模拟，显示出交叉的UD带在冲压过程中滑出了位置。为解决这一问题，在冲压模具中设计了槽，以将UD带锁定到位。

二次成型工艺也得到了模拟，由ARRK Shapers公司采用Autodesk的 MoldFlow软件以及CoreTech System Co. Ltd.的Moldex3D软件完成。

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二次成型的一个好处是防止电偶腐蚀，因为短玻璃纤维增强的模塑配混料，在有机板中的铝制紧固件与碳纤维之间提供了隔离，从而不需要额外的粘合剂、密封剂或涂层。

在完成这些模拟后，最终确定了如下制造过程：

1. 切割有机板材并铺放成准各向同性的叠层；

2. 将层压的叠层和UD 带放入一个框架中，以保证UD带固定到位；

3. 用红外加热器将热塑性基体熔化到240～260℃；

4. 将带有预成型材料的框架转移到冲压机上的模具中，模具预热到90～110℃；

5. 冲压预成型件，循环时间5s；

6. 采用水刀切割系统将固结的预成型件修整成最终形状；

7. 将轴轴承和螺钉嵌件放入二次成型的模具中，同时对修整好的预成型件再次预热；

8. 预成型件与嵌件一起得到二次成型，含人工放置和取出在内的循环时间是2min；

9. 对最终部件的法兰和轴承座进行铣削，以满足公差要求。

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原型和工艺取得成功

首先，生产出了这种复合材料变速箱壳体的第一个半壳原型件，并在JEC World 2017进行了展示。之后对它进行了测试，以验证有限元模拟。

该原型表现出了良好的力学性能，同时将重量从铝制基准物的5.8 kg减至4kg，减轻了大约30%。该第一个原型半壳的成本估计是50～80欧元，其中最贵的部分是有机板。

该项目还成为“一系列公司携手合作重新设计复合材料”的成功典范。

“在ARRK Engineering公司中，我们的知识背景只能模拟小型复合材料部件，而不能模拟有机板材。”Rademacher回忆说。

ARRK Shapers拥有丰富的注塑成型和模具开发经验，但也没有有机板材方面的背景知识。在ARRK团队中，从事有机板材模拟的是复合材料模拟方面的专家，但他们以前的工作是在航空航天领域。

“我们每周都要讨论。我来自动力系统部门，所以更多的是金属方面的知识，但作为项目负责人，我必须将金属和复合材料结合起来。我们金属人在想‘为什么要用复合材料？’而复合材料的人则认为，‘用复合材料可以很容易地做到。’总之，我们太怀疑了，而他们太乐观了，所以我们一起合作得很好。我们学到了很多，并开发了一个非常有效的设计过程。” Rademacher介绍说。

他对ARRK的设计过程与开发一种设计的更常见的方法（较少使用模拟，尝试通过构建迭代原型来进行优化）进行了比较。

“我们发现，从多个设计开始，通过模拟来从这些设计中向下选择，然后在制作原型前进一步优化这种设计，会更加有效。虽然开始建模时需要花费一些时间，但原型制作花费的时间却很少，所以比较便宜。”Rademacher指出，由于制作新的模具需要时间和成本，因此，与10个仿真模型相比，生产10个原型部件的成本总是更高。

挑战与下一步

该团队还克服了重大的制造挑战。

“UD带与9层有机层压板的结合，存在未结合好的区域。”Rademacher指出，“部分原因是UD带与有机板之间有空气，这会影响到成型后它们之间的结合。另一个原因是整个有机板的温度分布不均匀。我们的尺寸看起来不错，但外缘却有点冷，这会在外部结构中造成小面积的基体失效。所以，我们学到了很多关于有机板部件的建模和实际成型的知识。”

该项目的下一步是原型制作变速箱壳体的第二个半壳，以及验证整个部件的刚度。该团队还在努力去除水刀切割步骤，从而使冲压后的预成型叠层可以立即进行二次成型。

“因为我们改变了工艺，所以我们还在对第二个半壳进行研究。”Rademacher说道，“对我们而言，现在最大的挑战是如何达到客户可接受的价格。我们在考虑使用玻璃纤维和聚苯酰胺（PPA）基体，因为后者在高温下具有更高的性能。同时，我们还要进一步减小有机板的厚度。我们将不会使用编织的织物，但可能会用铺叠的带材来帮助我们达到刚度要求。”

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