Docol®-suunnittelukonsepti sähköautoille

Täyssähköautojen korirakenteiden asettamiin haasteisiin vastaamiseksi SSAB on kehittänyt uuden virtuaalisen alustan, jonka tarkoituksena on tuoda esiin uuden sukupolven suunnitteluratkaisuja, jotka on valmistettu kehittyneestä Docol®-korkealujuusteräksestä.

KATSO ANIMOITU VIDEO

Virtuaalinen alusta sähköautojen suunnitteluratkaisuille

Docol-suunnittelukonsepti sähköautoille esittelee tapoja kehittää sähköautojen turvallisuutta, painoa ja tilan hyödyntämistä kustannustehokkaasti. Rungon muotoilu optimoidaan AHSS-teräksellä tärkeimmissä kuormituspisteissä. Sähköautokonsepti sisältää tällä hetkellä innovatiivisia ideoita seuraaviin kohteisiin:

  • 3D-rullamuovatusta AHSS-teräksestä valmistetut sähköautojen akkukotelot

  • Alustan poikittaispalkkien optimointi, millä ehkäistään törmäysvoiman vaikutusta sähköauton akustoon

  • Energiaa vaimentavien sähköautojen kynnyspalkkien (helmapeltien) optimointi



Sähköautojen akkukoteloiden korkeuden madaltaminen 3D-rullamuovatuilla profiileilla

Prototyyppi sähköauton akkukotelosta
Kuva 1: Tässä osittaisessa akkukotelon prototyypissä hyödynnetään sähköautojen Docol-suunnittelukonseptin keskeisiä ideoita: energiaa vaimentavia kynnyspalkkeja (tässä sivuiskutestin jälkeen), energiaa siirtäviä alustan poikittaisosia ja 3D-rullamuovattua akkurakennetta (katso kuva 2 alta). Sivuiskutestissä akustoon ei saa aiheutua vaikutusta. Pienin mahdollinen paino kotelolle on 75 kg, jolloin sen koko on 1742 x 1320 x 120 mm.
Räjäytyskuva sähköautojen Docol-konseptin mukaisesta akkukotelosta
Kuva 2: Räjäytyskuva sähköautojen Docol-konseptin mukaisesta akkukotelosta.
Yksi sähköautojen akkukoteloiden Docol-suunnittelukonseptin ainutlaatuisista osista on matalampi kantava rakenne, joka on valmistettu verkkomaisesti asetelluista 3D-rullamuovatuista profiileista. Verkkomainen rakenne ylläpitää etäisyyttä kotelon pohjalevyn ja akkualustan välillä, mikä suojaa akkua Z-suuntaisilta iskuilta (eli auton alapuolelta tulevilta törmäyksiltä).
Jos verkko valmistetaan 2D-rullamuovatusta profiilista, joka asetetaan kohtisuoraan samanlaisen 2D-profiilin kanssa, verkon korkeus kaksinkertaistuu. Ongelmaa ei ole, kun käytetään 3D-rullamuovausteknologiaa. 3D-rullamuovauskoneessa rullat pääsevät liikkumaan kaikkiin suuntiin muovausprosessin aikana. Näin toinen osa voi olla kiinteä ja toinen joustava, kuten kuvassa 3. Toinen profiili voidaan asettaa kohtisuoraan samanlaisen profiilin kanssa, joka on käännetty ylösalaisin, ilman että sen korkeus kaksinkertaistuu Z-suunnassa.
3D-mallinnus akkukotelon rakenteesta
Kuva 3: Siniset palkit matkustamon alla ovat akkukotelon alla oleva ”verkkorakenne”, joka on valmistettu ristikkomallilla 3D-rullamuovatuista martensiittisista Docol 1700M -palkeista. X-suuntaiset profiilit ovat samanlaisia kuin Y-suuntaiset, mutta ne on käännetty ylösalaisin, jotta verkon korkeus ei kaksinkertaistu.
3D-rullamuovausteknologiaa ja kuva Ortic AB:ltä Ruotsin Borlängestä
Kuva 4: 3D-rullamuovausteknologiaa ja kuva Ortic AB:ltä Ruotsin Borlängestä. www.ortic.se
Urat asennetaan palkkien pituuksien mukaisesti, joten kuormituspolut X- ja Y-suuntiin ovat katkeamattomat ja siten vahvimmat mahdolliset. 3D-rullamuovaustuotanto on joustavaa, mikä tarkoittaa, että kunkin kantavan rakenteen poikittaispalkin välinen etäisyys voidaan muuttaa 3D-rullamuovauskoneen ohjelmistossa. 3D-rullamuovaus on kustannustehokasta ja erittäin joustavaa, ja sen ansiosta materiaalia voidaan hyödyntää tehokkaammin.

Akkukotelon alusta on valmistettu pehmeästä teräksestä, jonka sivut ovat täysin pystysuorat (90°). Näin optimoidaan tila akustolle. Alusta estää myös akkuja vuotamasta ympäristöön kolareiden seurauksena.

Akkukoteloa ympäröivä runko suojaa sitä iskuilta ja vakauttaa. Rungon sivuprofiilit valmistetaan martensiittisesta Docol 1700 Mpa -teräksestä perinteisellä 2D-rullamuovauksella. Neljä sivua yhdistetään kustannustehokkailla kokillivalukulmilla.

Energiaa vaimentavan AHSS-palkin suunnittelu sähköautojen kynnyksiin ja helmapelteihin

Polttomoottoriautoihin verrattuna sähköauton on vaimennettava enemmän energiaa auton kynnyspalkin avulla. Miksi? 1) Sähköauton akun paino, 2) sähköauton jäykempi alusta, ja 3) vaatimus siitä, että sähköauton akustoon ei saa kajota millään lailla. Pursotetun alumiinin on katsottu olevan tehokas keino vaimentaa energiaa kynnyspalkissa, mutta se on kallista.

SSAB on laatinut simulaatioita 2D-rullamuovatuista, Docol CR 1700M -teräksestä valmistetuista kynnyspalkeista vastatakseen pursotetun alumiinin suorituskykyyn. Pursotettu alumiinilaatu on 4,5 mm paksu EN AW-6082 T6 ulkoseinissä ja 3 mm paksu tuissa.

2D-rullamuovauksella on loputtomasti muotoilumahdollisuuksia, joten tulokset kuvassa 6 kuvaavat vain joitakin tyypillisiä malleja. (SSAB on simuloinut monia muitakin kynnyspalkkeja, joita ei näytetä tässä.)
Simulaatio sivuiskutestistä
Kuva 5: Simulaatio sivuiskutestistä: tanko työntyy kynnysrakenteeseen, jossa Docol CR 1700M -palkkien on todistettava tehokkuutensa energian vaimentamisessa.

Kaavio: voima vs. siirtymä yhdeksällä erilaisella Docol 1700M -profiililla
Kuva 6: Voima vs. siirtymä yhdeksällä erilaisella Docol 1700M -profiililla, joita käytetään palkkina sähköauton kynnys-/helmarakenteessa. Jos haluat nähdä testattujen kynnyspalkkien profiilit, mukaan lukien suorituskykyisimmän profiilin, ota yhteyttä Docoliin.
Kunkin profiilin seinän paksuutta mukautetaan niin, että Docol 1700M -kynnyspalkin paino on sama kuin alumiinisen 6082 T6 -kynnyspalkin.

Voima vs. siirtymä -simulaatiot osoittavat, että AHSS-teräksestä valmistetussa poikittaisosiossa on oltava jonkinlaiset tuet, jotta ne toimivat oikein. Näissä kaikissa profiileissa on siis jonkinlainen sisärakenne. Monissa simulaatioissa on käytetty neliönmuotoisia, yhteen hitsattuja putkia valmistuskustannusten ja monimutkaisuuden kurissa pitämiseksi.

Hitsattu neliöputki näyttää toimivan, mutta tukirakenteet ovat kaksi kertaa niin paksuja. Simulaatioiden mukaan profiilin uloimman kuoren paksuus on merkittävämpi kuin tukien paksuus.

SSAS on määritellyt, mikä yksiseinäinen profiili  mahdollistaa paksummat ulkoseinät ja tarjoaa samalla alumiinin kaltaiset ominaisuudet törmäyksessä, kun molempien materiaalien paino on sama.

Kestäisikö Docol 1700M AHSS -teräksestä valmistettu energiaa vaimentava kynnys-/helmapelti törmäyksen ilman halkeilua? Alustavien Docol-prototyyppien mukaan kyllä. Näitä neliön muotoisia putkia tarvitsee kuitenkin hitsata, ja SSAB:n täytyy tehdä lisätestejä sen selvittämiseksi, ovatko palkin hitsisaumat tarpeeksi taipuisia kestämään muodonmuutoksen ilman halkeamista.

Alustan poikittaisosien suunnittelu AHSS-teräksestä tehokkaaseen törmäysvoiman siirtoon

Tehokkain tapa suojata sähköauton akustoa sivutörmäyksessä on varmistaa, että alustan poikittaisosat suoraan matkustamon alapuolella eivät taivu. Poikittaisosien on siksi oltava vahvoja, eivätkä ne saa vaimentaa energiaa. Sen sijaan niiden tulee siirtää törmäyksen aiheuttama energia auton toiselta sivulta vastakkaiselle sivulle, katso kuva 7.
Paras mahdollinen törmäystehokkuuden, painon ja kustannuksen suhde saadaan, kun poikittaisosat valmistetaan ohuesta AHSS-teräksestä. Se voi olla haasteellista, kun terästä puristetaan. (Katso suunnitteluopas: Rakennesuunnittelu ja valmistus erikoislujasta teräksestä.)

SSAB on simuloinut erilaisilla profiileilla varustettuja poikittaispalkkeja, jotka valmistetaan Docol CR 1700M -teräksestä, ja niiden suorituskyvyssä on suurta vaihtelua. Neliönmuotoisen profiilin kohdalla on kysyttävä, kuinka suuri säteen tulisi olla. Onko suuri säde ja laajempi muokkauslujittumisalue parempi kuin pienempi säde ja erittäin paikallinen muokkauslujittumisalue? Simulaation tulokset kuvassa 8 osoittavat, että 15xt (säde millimetreissä kertaa poikittaisosan paksuus) tuottaa paremman lopputuloksen kuin 1xt. Poikittaisosien Docol 1700M -paksuudet on mukautettu niin, että erilaisten palkkiprofiilien kokonaispaino on sama.
Kaksi kuvaa, joissa sivutörmäyksen kuormituspolku alustan poikittaisosissa ja poikittaisosien optimaalinen asettelu
Kuva 7: Vasen kuva: Sivutörmäyksen kuormituspolku alustan poikittaisosissa.
Oikea kuva: Poikittaisosien optimaalinen asettelu.
Kaavio: voiman siirtymäkaavio simuloiduista Docol CR 1700M -poikittaisosista
Kuva 8: Voiman siirtymäkaavio simuloiduista Docol CR 1700M -poikittaisosista. Merkinnöissä näkyy säde millimetreinä kertaa palkin paksuus. Jos haluat nähdä testattujen poikittaispalkkien profiilit, mukaan lukien suorituskykyisimmän profiilin, ota yhteyttä Docoliin.
AHSS-teräksillä on erittäin korkea myötöraja, joten paikallisena nurjahduksena tunnettu ilmiö on otettava huomioon leveissä ja ohuissa osissa, joita puristetaan. Katso SSAB:n suunnitteluopas. Yksi tapa estää paikallista nurjahdusta on pienentää leveiden osien leveyttä urilla ja nostaa materiaalin hyödyntämisen astetta.

Kuvan 8 perusteella on selvää, että: 1) suuri säde on parempi kuin pieni, ja 2) urilla on suuri vaikutus paikallisen nurjahduksen ehkäisemisessä, sillä ne luovat enemmän säteitä, joiden läpi voima kulkee. Huomattavaa on, että profiili, jossa on yksi tai useampi ura, on itse asiassa pinta-alaltaan suurempi ja Docol 1700M -teräksen on oltava ohuempaa, jotta kokonaispaino pysyy samana.

Simulaation tulokset osoittavat, että optimoitu poikittaisosa voi enemmän kuin kaksinkertaistaa törmäysvoiman siirtotehon neliön muotoisessa profiilissa. Kriittisen tärkeää mallissa on huippukuormitus, ei energian vaimennus. Törmäyksessä huippukuormitus ei saa ylittyä.

Mitä on luvassa seuraavaksi sähköautojen Docol®-suunnittelukonseptissa?

Haluamme vedota auton valmistajien omaan etuun, ja kannustaa käyttämään AHSS-teräksiä täyssähköautojen kriittisten osien valmistukseen. Siten voidaan saavuttaa sama vähennys painossa kuin kalliimpaa alumiinia tai muita CO2-intensiivisiä materiaaleja käyttämällä.

Haluamme auton valmistajien myös pystyvän hyödyntämään AHSS-materiaalia paremmin, mikä tuo lisäsäästöjä. Tarjoamme autoteollisuuden suunnittelijoiden käyttöön AHSS-simulaatiota, kuten sivutörmäyssimulaatioita, joista käy ilmi, kuinka kriittisten turvallisuusosien tehokkuutta voidaan parantaa. Tästä esimerkki on alustan poikittaisosien suorituskyvyn parantaminen kaksi kertaa paremmaksi.

Sen lisäksi haluamme esitellä innovatiivisia uusia AHSS-teräksen malleja ja tuotantotapoja, kuten 3D-rullamuovausta, joka tehostaa tilankäyttöä sähköautojen akkukoteloissa. Innovaatiot, kuten AHSS-teräksen 3D-rullamuovaus, joka luo puristuksessa toimivia poikittaissäikeitä, avaavat suunnittelijoille uuden näkökulman aksiaalikuormituksen enimmäistehokkuuden saavuttamiseen sekä sivu- että pystysuunnassa.

Onko ratkaistavanasi täyssähköautoon liittyvä suunnitteluhaaste, johon haluaisit käyttää AHSS-terästä? Ei ole koskaan liian varhaista ottaa meihin yhteyttä seuraavan projektisi tiimoilta.