DOCOL® EV tasarım konsepti

Akülü elektrikli araçlarla gelen benzersiz Beyaz Gövde zorluklarına yanıt olarak SSAB, Docol® gelişmiş yüksek dayanımlı çeliklerle yeni nesil tasarım çözümleri oluşturmak için yeni bir "sanal platform" geliştirdi.

KISA ANİMASYONU İZLEYİN

EV tasarım çözümleri için sanal bir platform

Docol EV Tasarım Konsepti, elektrikli araçların güvenlik, ağırlık ve alan kullanımını etkin maliyetle iyileştirmenin yollarını gösterir ve en önemli yük yollarındaki gövde geometrilerini AHSS çeliklerle optimize eder. EV konsepti şu anda aşağıdakiler için yenilikçi fikirler içeriyor:
  • 3D haddeli şekillendirilmiş AHSS çelikten yapılan EV akü kasaları
  • EV akü kasalarında çarpma intrüzyonunu en aza indirmek için taban çapraz kirişlerinin optimizasyonu
  • EV eşiği (marşbiyel) için enerji emici kirişlerin optimizasyonu

3D haddeli şekillendirilmiş profiller kullanarak EA akü kasası yüksekliğinin azaltılması

Bir EV akü kasası prototipi
Şekil 1: Bir akü kasasının bu kısmi prototipinde Docol EV Tasarım Konseptinin ana fikirleri kullanılıyor: enerjiyi emen eşik kirişleri (burada bir yan direk darbe testinden sonra gösterilmiştir); enerjiyi aktaran taban traversleri; ve 3D haddeli şekillendirilmiş akü taşıyıcı yapı (bkz. aşağıda Şekil 2). Yan darbe testinde akü grubuna hiçbir intrüzyon olmaması gerekir. Bu kasa için mümkün olan en düşük ağırlık, 1742 x 1320 x 120 mm ebadında bir akü grubu için 75 kg'dir.
Docol EV Konsepti akü kasası tasarımının parça yerleşim şeması
Şekil 2:Docol EV Konsepti akü kasası tasarımının parça yerleşim şeması.
Akü kasalarına yönelik Docol EV Tasarım Konseptinin son derece benzersiz bir aksamı da, kafes paterninde düzenlenen 3D haddeli şekillendirilmiş profillerden oluşan alt yük taşıma yapısıdır. Kafes, kasanın alt tabanı ile akü tepsisi arasında belirlenmiş bir mesafeyi tutarak, akünün Z yönünden gelebilecek darbelere (yani arabanın altından gelen darbe etkilerine) karşı yeterince korunmasını sağlar.
Eğer kafesi, benzer bir 2D profiline dik olarak 2D haddeli şekillendirilmiş bir profille yaparsanız, kafes yüksekliğini iki katına çıkarmış olursunuz. 3D haddeli şekillendirme teknolojisiyle bu sorun ortadan kaldırılabilir. Bir 3D haddeli şekillendirme makinesinde, merdaneler şekillendirme süreci sırasında her yönde hareket edebilir. Böylece Şekil 3'te de gösterildiği gibi profilin bir kısmını sabit, bir kısmını esnek yapabilirsiniz. Böylece bir profil, Z yönündeki yüksekliği iki katına çıkarılmaksızın, benzer -alt üst edilmiş- bir profile dik olarak yerleştirilebilir.
Bir akü kasasının yapısını gösteren 3D görselleştirme
Şekil 3: Bu çizimde yolcu bölümünün altındaki mavi kirişler, bir akü kasasının alt kafes tipli ("mesh") yapısıdır ve 3D haddeli şekillendirilen Docol 1700M (martensitli) kirişlerin çapraz örüntüsünden yapılmıştır. X yönündeki profiller Y yönündekilerle aynıdır, ama kafes yüksekliğini iki katı azaltmak için tersine çevrilmiştir.
Borlänge merkezli Ortic AB - fotoğraf ve 3D haddeli şekillendirme teknolojisi
Şekil 4:İsveç Borlänge merkezli Ortic AB fotoğrafı ve 3D haddeli şekillendirme teknolojisi. www.ortic.se
Oluklar kirişin uzunluğu boyunca sabitlenmiş olduğundan, X ve Y yönlerindeki yük yolları kesintisiz ve dolayısıyla mümkün olan en güçlü durumda kalır. 3D haddeli şekillendirme üretimi tümüyle esnektir; yani yük taşıyıcı yapının her bir çapraz kirişi arasındaki mesafe, 3D haddeli şekillendirme makinesinin yazılımı üzerinden değiştirilebilir. 3D haddeli şekillendirme ekonomiktir, çok esnektir ve malzemeden üst düzeyde yararlanabilmenizi sağlar.

Akü kasasının tepsisi yumuşak çelikten yapılır ve akü grubu için alanı optimize edecek; tam anlamıyla dikey (90°) yan duvarlar oluşturacak şekilde çekilir. Tepsi aynı zamanda bir çarpışma sırasında ve sonrasında akü hücrelerinin çevreye sızmasını engeller.

Akü tepsisinin etrafındaki çerçeve hem koruyucu hem dengeleyici bir yapı görevi görür. Çerçevenin profillenmiş yan kısımları, Docol martensitli 1700Mpa'dan yapılır ve dört tarafın ekonomik kalıp döküm köşelerle birbirine bağlandığı geleneksel 2D haddeli şekillendirme kullanılarak üretilir.

EV'in eşik külbütör yapısı için enerji emen bir AHSS kirişinin tasarlanması

İçten yanmalı motorla çalışan bir arabanın aksine, bir EV'ın araba eşiği aracılığıyla daha fazla enerji emmesi gerekir. Neden? 1) EV aküsünün ağırlığı, 2) EV'ın daha sert olan gövde alt kısmı, ve 3) EV akü kasasının içine hiçbir şekilde intrüzyona izin verilmemesi. Eşikte çekme alüminyum kullanımı yüksek enerji düzeylerinin emilmesi için etkili bir yöntem olarak görülür, ama fiyatı yüksektir.

SSAB, çekme alüminyum eşik kirişlerinin performansını elde etmek için, 2D haddeli şekillendirilmiş Docol CR 1700M çelikten eşik kirişi simülasyonları yaptı. Çekme alüminyum alaşımı EN AW-6082 T6'ydı ve dış duvarlarda 4,5 mm, riblerde 3 mm kalınlıkta kullanıldı.

Eşik kirişinde 2D haddeli şekillendirme için olası tasarımların sayısı sonsuzdur, bu nedenle Şekil 6'da verilen sonuçlar tipik tasarımlardan sadece birkaçını göstermektedir. (SSAB tarafından simüle edilmiş daha birçok eşik kirişi profili vardır, ama bunlar burada gösterilmemiştir.)
Yan direk darbe testi simülasyonu
Şekil 5: Yan direk darbe testi simülasyonu: Direk eşik yapısının içine doğru itilirken, Docol CR 1700M'den yapılan kirişler enerji emme etkililiğini kanıtlamak zorundadır.

Dokuz farklı Docol 1700M profili için çizim kuvvetini ve deplasmanını gösteren grafik
Şekil 6:Bir EV'in eşik/külbütör yapısında kullanılan kirişler için dokuz farklı Docol 1700M profili için çizim kuvvetini ve deplasmanını gösteren grafik En yüksek performanslı profil de dahil olmak üzere, burada test edilen eşik kirişlerinin profillerini görmek için Docol ile iletişim kurun.
Her tasarım profili için duvar kalınlığı Docol 1700M eşik kirişi ağırlığının 6082 T6 alüminyum eşik kirişininkiyle aynı olacağı şekilde ayarlandı.

Kuvvet-deplasman simülasyonları, AHSS çelik kesitinin düzgün çalışabilmek için bir tür ribinin olması gerektiğini gösteriyor. Bu nedenle tüm bu profillerin bir tür iç yapısı vardır. Üretim maliyetlerini ve karmaşıklığı düşük seviyede tutmak için, birbirine kaynaklanmış kare şeklindeki borularla birçok simülasyon yapıldı.

Kaynaklı kare boru yaklaşımı işe yarar gibi görünse de, bitişik rib kısımlarının kalınlığı iki katına çıktı. Dahası simülasyonlara göre profilin dış kabuğunun kalınlığı, riblerin kalınlığından daha fazla önem taşıyor.

SSAB, her iki malzeme için ağırlık aynı tutulduğunda, hangi profilin (tek duvarlı riblerle) daha kalın dış duvarlara izin verdiğini ve alüminyum kirişe benzer bir çarpma performansı  sağladığını belirledi.

Docol 1700M AHSS'den yapılacak bir enerji emici eşik/külbütör kirişi, çatlama olmadan deformasyona dayanabilir mi? İlk Docol prototipleri bunun mümkün olduğunu gösteriyor. Ancak tüm bu kare boru profillerde bir tür kaynak işlemi gereklidir ve kiriş kaynaklarının deformasyona çatlamaksızın dayanabilecek süneklikte olup olmadığını belirlemek için SSAB'nin daha fazla test yapması gerekmektedir.

Çarpışma yükünün etkili bir şekilde aktarılması için AHSS taban traverslerinin tasarlanması

Yandan çarpma sırasında EV'in akü grubunu intrüzyona karşı koruyabilmenin en etkili yolu, yolcu bölümü tabanının hemen altındaki traverslerin deforme olmamasını sağlamaktır. Bunun için traversler güçlü olmalı ve enerjiyi hiç emmemelidir - bunun yerine, yandan çarpma kuvvetini arabanın bir tarafından karşı tarafına aktarmalıdırlar: bkz. Şekil 7.
Olabilecek en iyi çarpma performansı/ağırlık/maliyet oranını elde edebilmek için traversler ince sac AHSS çelikten yapılmalıdır, ama çelik basınç altında kullanıldığında bunu yapmak zor olabilir. (Bkz. Tasarım El Kitabı: Yüksek dayanımlı çelikte yapısal tasarım ve imalat.)

Farklı profillere sahip olan ama tümü Docol CR 1700M ile yapılmış olan çapraz kirişler SSAB tarafından simüle edildiğinde performans açısından çok büyük bir fark görüldü. Kare şeklinde bir profilden başlarsak, sorulardan biri yarıçapın ne büyüklükte olması gerektiğidir. Büyük yarıçaplı, orta dereceli ve daha yayılmış bir çalışma sertleştirme alanı mı, yoksa küçük yarıçaplı ve yüksek ama çok bölgesel bir çalışma sertleştirme alanı mı daha iyidir? Aşağıda Şekil 8'de gösterilen simülasyon sonuçları 15xt'nin (yarıçap (mm) çarpı travers kalınlığı) 1xt'ten daha iyi performans sergilediğini gösteriyor. Docol 1700M travers kalınlıkları, farklı kiriş profillerinin genel ağırlığı aynı olacak şekilde ayarlandı.
Yandan çarpmanın taban traversi içinden geçen yük yolunu ve travers optimizasyonu ayarlarını gösteren iki resim
Şekil 7 : Sol resim: Yandan çarpmanın taban traversi içinden geçen yük yolu.
Sağ resim: Travers optimizasyon ayarları.
Simüle edilen Docol CR 1700M traverslerinin Kuvvet deplasman eğrilerini gösteren grafik
Şekil 8 : Simüle edilen Docol CR 1700M traverslerinin kuvvet deplasman eğrileri. Etiketlerde yarıçap bilgisi mm çarpı kiriş kalınlığı olarak gösterilmiştir. En yüksek performanslı profil de dahil olmak üzere, burada test edilen travers kirişlerinin profillerini görmek için Docol ile iletişim kurun.
AHSS çeliklerin akma noktası çok yüksektir. Bu nedenle basınç altında çalışan geniş ve ince parçalarda "yerel burkulma" adı verilen olguya dikkat edilmelidir: bkz. SSAB Tasarım El Kitabı. Yerel burkulmayı sınırlama yollarından biri de, bir oluk yoluyla bir profilin geniş segmentlerini daha dar hale getirmek ve malzemenin kullanım düzeyini artırmaktır.

Şekil 8'de açıkça görüldüğü gibi: 1) büyük bir yarıçap küçük bir yarıçaptan daha iyidir, ve 2) oluklar yerel burkulmayı yok ettiği için büyük bir etkiye sahiptir — kuvvetlerin hareket edebileceği daha fazla yarıçap sağlarlar. Bir veya daha fazla oluğa sahip bir profilin esasen yüzey alanının daha geniş olduğu ve toplam ağırlığı aynı tutabilmek için daha ince ebatlı bir Docol 1700M kullanılması gerektiği unutulmamalıdır.

Simülasyon sonuçları, optimize edilmiş bir traversin, çarpma yükünü aktarma performansını kare şekilli profile kıyasla iki katın üzerine çıkarabileceğini ortaya koydu. Bu uygulamada önemli olan enerji emilimi değil, pik yüktür. Bir çarpışma durumunda bu pik yük aşılmamalıdır.

Docol EV Tasarım Konseptinin bir sonraki adımı ne olacak?

OEM'lerin kendi avantajlarını gözetmesini istiyoruz. Akülü elektrikli araçlardaki kritik parçalarda AHSS çelik kullandıkları takdirde, daha pahalı alüminyum veya diğer CO2 yoğun malzemelerle aynı ağırlık tasarrufunu sağlayacaklardır.

OEM'lerin ilave bir tasarruf elde edebilmesi için, AHSS malzemeden daha üst seviyelerde yararlanabilmesini istiyoruz. Otomobil tasarımcılarına, taban travers performansını ikiye katlama gibi, kritik güvenlik parçalarının performansını nasıl artırabileceklerini gösteren, yandan çarpma simülasyonlarını da içeren AHSS simülasyonları sağlayacağız.

Son olarak da, alanı daha verimli kullanan EV akü kasalarının 3D haddeli şekillendirmesi gibi, AHSS çeliklerine yönelik inovatif yeni tasarımlar ve üretim yöntemleri göstermek istiyoruz. Basınç altında çalışan çapraz kafeslerin (mesh) üretimi için 3D haddeli şekillendirilmiş AHSS gibi inovasyonlar, tasarımcıların gerek yanal gerek boylamasına maksimum eksenel yük performansına ulaşma konusunda ufkunu genişletecektir.

AHSS çelikleri kullanarak çözmek istediğiniz bir BEV tasarım zorluğunuz mu var? Bir sonraki projeniz için bizimle gecikmeden iletişime geçin.