复合材料变速箱箱体

寂静回声

众所周知，电动汽车是靠电池组带动电机来输出动力的。而目前几乎所有的电动车型也都搭载了单速变速器。为了提高电动汽车的行驶里程，“整体瘦身”至关重要，因此变速箱箱体也成为了人们的关注焦点，不少企业都在寻找可替代材料以实现突破。值得高兴的是，来自ARRK公司的研发团队与其合作伙伴令这一想象走进了现实。
据大批量生产前期的研发结果表明，利用热塑性基体材料制造的变速箱箱体的重量要比传统铝合金材料轻30%，但这一优化潜力仅在一些技术展示中出现，并未得到实际应用。前不久，这一情况发生了改变，由AKKR公司组成的研发团队成功将这一变速箱量产。据悉，此次研究始于2016年，是AKKR公司在自筹资金研发项目内开发的一款适用于电动汽车的变速箱箱体——一种功能完备的热塑性复合材料变速箱箱体，配有位置优化的纤维增强材料板，并在2017年上半年实现了原型机的试制。
二次开发的目标
为了能够制定出具有话语权的技术标准，首先要对现有铝合金材料变速箱箱体进行二次开发设计，并对其中的主要性能进行测定。由于刚性对变速箱的功能有着重要的影响，AKKR公司将重点放在几何形状上。由于整个研发过程时间较紧、要求的产品数量较大，该研发团队选择了一种短纤维增强的热塑性复合材料。该箱体不同部位的生产制造应可以利用压注和喷涂技术进行模拟、评估和优化。在具体实施过程中，所需纤维材料和基体材料的可用性是最大的难点，合作伙伴Shapers公司的加入让这一难题迎刃而解。Shapers公司是一家拥有先进的碳纤维复合材料技术并且计划涉足未来汽车制造业的企业。此次双方合作意义重大，也为该变速箱的量产起到了重要的推动作用。
拓扑优化：UD带实现局部增强
在箱体的结构设计方面，首先根据受力情况，尤其是承受的拉力和压力分布进行拓扑优化。另外，需要在诸多仿真模拟中对箱体受力后可能出现的变形进行试验。因为，箱体的扭曲是判定其性能的最重要指标。
此外，在试验过程中，找出变速箱形体的薄弱部位也是目标之一。这样可以有针对性地减少变形，实现变形的最小化。除了FEM有限元法优化之外，还需要手动搜索碳纤维增强点的准确安置位置。交叉布置的单向纤维增强带，也被称为“UD带”，是减少变形影响最大的地方，而且这种增强材料的厚度可以从5毫米降低到4毫米。
其中，在某些局部使用了铝合金材料——因为铝合金会将承受的载荷传递给纤维增强板材。这些“孤岛式”的铝合金嵌入结构也明显地降低了轴的偏斜。由于轴承座的位置公差要精确到30微米，且机械切削加工量应尽可能的少，因此通过一系列的试验确定了它们的加工工艺参数。
除了DU带之外，注塑增强筋也对提高箱体的刚性有很大帮助。先进的注塑技术直接完成了零件的最终轮廓，大大减少了后续加工量。同时，它也防止了碳纤维与铝合金嵌件的直接接触。这种电流绝缘的方式避免了出现腐蚀现象，从而也就不需要对铝合金嵌入件进行辅助的涂层处理。
从预制件到成品零件
在合作伙伴Shapers公司和注塑模拟软件ESI的帮助下，确保了生产加工的可靠性。整个生产过程的第一步是，将UD带和基体板材进行加热，然后压制成型，从而使基本原材料得到变速箱箱体设计的基本形状，再利用水射流技术将预制件切割成型；第二步，再次加热预制件，放入注塑模具中注塑，可以得到最终的成品外形。为测试该零件的功能，ARRK公司在一年的时间里对其进行了大量的硬件测试。随着这一创新变速箱箱体在汽车工业领域中应用的推广，未来的生产制造成本和经济性都将会进一步提高。