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国外技术:新能源汽车电机外壳、混动变速箱外壳、电池壳铸造工艺

发布时间:2022-09-28 02:09:22
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      电动汽车的开发需要大量不同的新部件,由于其复杂性,优先考虑将它们作为铸件进行设计。首先涉及到的是电机外壳,电池外壳和配气齿轮罩。由于高功率密度以及不断增加的功能集成情况 - 有时带有复杂的内部冷却装置 - 这些部件件对生产水平要求极高。

      两件式的电机外壳可以通过压铸工艺进行生产,因此在开发过程中必须特别注意密封面的质量。作为备选方案,目前也在推动通过使用复杂形状镶件来实现生产的单件式解决方案。低压铸造工艺和CPS铸造工艺之间的选择取决于产品复杂性和所需产量。随着电力驱动装置集成度的提高,CPS工艺因其多样化的设计选择提供了很多有吸引力的可能性。

      BMWi3/i8电机外壳的最新设计是为压铸生产而设计的。对铸件的要求非常严苛。为了满足部件强度和耐腐蚀性规范要求,使用具有低铁、铜含量的铝硅铸造合金。外壳的冷却使用液体介质。因为迄今为止还没有能够加工带倒扣镶件的大规模量产适用性生产技术,为了实现精心设计的围绕电机的冷却结构,将外壳设计成两部分(图1),以便适合于用压铸工艺来进行生产。各种目前已公开的盐芯加工技术无法满足电机外壳内部镶件的极高要求。

      铸件的生产需要在配备齐全的铸造车间进行。为了满足强度要求,将部件在真空下进行浇铸,然后进行热处理。对于铸造技术的一个挑战是内壳密封面(图2)。几乎无孔隙的表面需要极窄的工艺窗口。除了符合这些孔隙率要求外,由于尺寸公差较小,必须特别注意机械加工后的产品处理情况。

      除了上面所描述的,并在量产中所建立的电机外壳的两件套设计,对于未来的电动机也出现了不同的设计方案。最新一代的电力驱动装置集成度增加这一明显趋势,例如电子系统,电动机和变速档位组合在一体式外壳中,使得压铸工艺法满足工艺要求。因此,复杂的产品设计和冷却结构使得低压压铸和CPS砂芯铸造成为进入决选名单的工艺方案。

      根据目前的设计概念开发出了一款电机外壳示范产品,既可以用低压铸造工艺,也可以用砂型工艺进行铸造(图3)。针对非功能性,铸造技术方面的挑战要求,例如骨位结点处不利的材料累积,对基本设计进行了扩展,以便对这两种工艺的潜力进行全面评估。

      通过最小壁厚(3mm),精细骨位结构(薄壁加强骨位)和最小化填充骨位确保在较窄的有限安装空间中实现对轻量化的要求。铸造技术可以完成包覆定子座的形状复杂的运水套(图4)。

      低压铸造工艺的特点在于其能够进行针对性控制的模具填充。可以根据待填充的横截面设定最佳填充速度,将氧化物和气态杂质的形成降低到最小程度。通过使用多个升液管,可以使分布在铸件中的壁厚累积实现最优的材料补充,大大抑制收缩孔。大量可单独控制的模具运水循环决定性地支持着给料能力。

      另外,对铸件至给料器的温度梯度取向进行相应的调节。模具运水在模具填充过程中也起着重要作用。特别是只有当模具温度足够高时,远离升液管的薄壁区域才能进行理想填充。在这些技术条件下,铸件将满足高的机械性能要求。

      CPS工艺是生产功能性,高负荷铝发动机缸体的既定工艺,结合了设计自由度,较高生产率和高机械性能。CPS工艺的一大长处是实现复杂的,部分非常精细的通道几何形状,一些有意思的结合点扩展了CPS工艺的应用领域。型芯包覆工艺,特别是与“无需模具”的型芯增材制造技术相结合,适合于快速样板的生产。这样一来,使得各种不同的设计方案能够快速有效地转变为功能样板。几乎从第一件产品开始,已经显示了可能的大规模量产过程的功能特性。位于迪林根的诺玛科研发铸造厂用完全打印的组合型芯生产出了电机外壳的第一个样板。

      诺玛科产品开发中心的紧密整合能够迅速实现从产品设计到用型芯组合铸造出第一批快速样板。真正的挑战是在CPS过程中用来展现这些新组件的铸造技术工艺开发。如上所述,迪林根研发工作的起点是示范产品的图档模型。在此基础上,通过填充和凝固模拟进行虚拟工艺开发,获得了铸造工艺方案。同时,开发出了相应的型芯组合结构,以铸造第一批产品。

      由于这些工作是目前正在进行的大型内部研发项目的一部分,因此特意选择3D打印作为型芯制造工艺。一方面,能够利用这种仍然相对较新的生产技术获得深入的实践经验,以估计对于未来应用领域的潜力,另一方面,对于各种不同的设计方案,比如水套几何形状,能够在无需支付额外的模具成本的情况下进行少量加工生产。

      对于混合动力驱动装置,内燃机和电机的联接存在众多的不同设计方案之间的竞争。电机本身的选择,不管是异步还是外部激励的同步电机,都会通过其机构形式和机构长度对外壳集成的选择产生影响。下图为一件通过压铸工艺生产制造的, 结构复杂的变速器和电动机混合外壳(图5)。

      铝铸件的新应用领域为电池外壳,由于其宽而扁平的几何形状,因此能够进行压铸。但复杂的冷却通道,便普通压铸变得难以适应,低压压铸就成为首选工艺方案。

      对于没有复杂运水的外壳,产量很大时,压铸为首选铸造工艺。可用的机台尺寸最大4500吨,目前限制了更大外壳的应用。类似内燃机的模块化概念使得构建不同的功率等级和作用范围成为可能,为将来的应用提供了具有较高潜力的方法。图6展示了一个理论上可行的模块概念。

      另一种选择是混合解决方案。通过带有型材的铝铸件辅助,还可以实现更大的尺寸。而掌握必要的连接技术是这一方案必不可少的前提条件。

      如果需要复杂的运水循环,那么压铸就不再是首选工艺。而低压铸造通过升液管进行进料,以便能实现最优冷却。在进料过程中,铸件与镶件之间可复制的过渡通道对于有效冷却作用至关重要。图7展示了基础研究中相应的示范产品。但是,完整的模具充填以及升液管的材料选择并不是需要掌握的唯一挑战。为此,必须进一步开发模拟工具,以便于将来设计这样的解决方案。

      当使用砂芯时,必须完全去除砂子,类似于生产气缸体和气缸盖,这是一项相配套的任务。如前所述,对于这些组件,将在不久的将来出现生产工艺方面的激烈竞争,以优化成本和重量。

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