Цельный CFRP-карданный вал проходит автомобильные полигонные испытания

Во многих полноприводных и всепереднеприводных автомобилях стальные карданные валы сегментированы для обеспечения необходимых крутящего момента и вибрационных характеристик. В отличие от этих сегментированных стальных аналогов, цельный карбонокомпозитный (CFRP) автомобильный карданный вал способен обеспечить требуемую производительность, охватывая полное расстояние от трансмиссии до дифференциала, обычно между 1000 мм (легковые авто) и 3000 мм (коммерческие авто). Одиночный CFRP карданный вал может поэтому заменить не только стальной карданный вал, но также фланцы и промежуточные подшипники, соединяющие два сегмента. Как единый компонент, CFRP карданный вал улучшает производительность, вносит меньше вес и доказал свою стоимостную конкурентоспособность в высокопроизводительных автомобилях.

Но все еще ли CFRP жизнеспособный вариант, когда длина пролета больше не является фактором?

Такой случай возникает с выходными валами, которые соединяют короткое расстояние (обычно 250–500 мм) от привода к колесам. Исследуя, можно ли сделать кейс для CFRP выходных валов на серийных автомобилях, проектная команда Dynexa (Лауденбах, Германия) была приятно — и признается — удивлена результатами.

Dynexa, компания по филаментной намотке и приводным валам и член Avanco Group (Херфорд, Германия), приняла на себя дизайн и демонстрацию CFRP выходного вала как часть предразработочного исследования, проведенного с немецким OEM. В 2014 году Dynexa начала поставлять OEM CFRP карданные валы, достигшие 40% снижения веса по сравнению с сегментированным стальным валом и промежуточными подшипниками. Сопутствующее снижение вращающейся массы также улучшило вождение автомобиля.

С 2006 года Dynexa филаментно-намотала более 100 000 CFRP труб и валов для автомобильных прототипов и серийных применений. Компания обычно использует эпоксидную матрицу, поставляемую Huntsman (The Woodlands, Техас, США) или Hexion (Колумбус, Огайо, США). Dynexa работает со многими крупными поставщиками карбонового волокна, включая Teijin (Тиёда-ку, Япония), Toray (Токио, Япония), SGL (Висбаден, Германия), Mitsubishi (Токио, Япония) и Nippon Graphite Fiber Corp. (Химеджи, Япония). (Волокно для каждого применения выбирается согласно продуктовым и производственным требованиям, делая наилучшее использование материальных свойств.) Даже с этой историей и широтой опыта, команда Dynexa изначально albergaba сомнения об использовании CFRP для выходных валов.

От сомнений к демо

Твердый металлический выходной вал — норма сегодня в серийных автомобилях, и сначала команда Dynexa не была уверена, какую ценность может принести CFRP альтернатива. «В противовес многочастным металлическим карданным валам, мы не достигнем высокого снижения веса здесь», — отмечает Матиас Брукхофф, глава продаж и маркетинга Dynexa.

Почему переключиться на CFRP выходные валы? Высокая производительность CFRP потенциально может быть полезна в электрических автомобилях, где выходные валы подвергаются необычно высоким силам. Кроме того, CFRP выходной вал может оказаться полезным и на электрических, и на бензиновых автомобилях из-за явления, общего для всех типов автомобильных силовустановок. Называемое «power hop» (прыжок мощности), явление происходит, когда низкотренияные дорожные покрытия вызывают циклическую потерю сцепления передних колес переднеприводных автомобилей с приводной поверхностью при высоком разгоне двигателя. «Водитель слышит громкий циклический звон передней оси и чувствует сильную вибрацию на сиденье и руле», — объясняет Линда Зенгер, исследователь BMW гибридных силовустановок, механики и структуры. Встречаемость power hop сильно зависит от выходного вала и его крутильной жесткости.

Применение филаментной намотки. Имея опыт филаментной намотки более 100 000 CFRP труб и валов для автомобильных прототипов и серийных применений, Dynexa применила этот опыт к новым вызовам, представленным применением выходного вала. Особого интереса — вибрационная производительность и крутильная жесткость валов. Источник | Dynexa

«Фокус разработки был на влиянии на power hop более высокого крутильного демпфирования в CFRP выходных валах по сравнению со стальными валами с той же крутильной жесткостью», — продолжает Зенгер. CFRP валы демонстрировали в 5–10 раз большее крутильное демпфирование стальных валов. Это демпфирующее поведение настраивается под требования применения».

Обычно автодизайнеры ищут модифицировать вибрационные характеристики автомобильных компонентов для минимизации шума, вибрации и жесткости (NVH). «Когда вы нажимаете на газ», — объясняет Маркус Шварц, глава разработки продукта в Dynexa, — «это увеличивает силу и вибрацию в системе, вызывая NVH». Команда Dynexa опытна в оптимизации вибрационных характеристик CFRP компонентов. «Проектируя структуру волокнистого композита и настраивая слоистую структуру, можно достичь желаемой частоты для влияния на динамику детали во время работы», — говорит Шварц.

Различающиеся вибрационные характеристики CFRP и стали центральны для исследования выходного вала Зенгер. Чтобы протестировать, поможет ли CFRP вибрационное демпфирование снизить интенсивность power hop, Зенгер предоставила Dynexe набор дизайн-параметров для CFRP выходного вала. Поскольку тест проводился на существующей сборке для бензинового автомобиля, включая соединение с коробкой передач и шарниры, CFRP вал должен был быть спроектирован как прямая замена металлического вала.

Dynexa спроектировала CFRP вал для соответствия способности металлического вала выдерживать статическую крутильную нагрузку до 3000 Ньютон-метров. Важно, CFRP вал также должен был соответствовать низкой крутильной жесткости металлического вала 225 Ньютон-метров на градус. «Низкая жесткость выходных валов в бензиновых автомобилях необходима из-за вращательной неравномерности коленчатого вала», — объясняет Зенгер. «Крутильные вибрации вызывают вибрацию силовой установки и всех смежных компонентов; с низкой жесткостью можно снизить вибрацию и шум».

Оптимизация дизайна с использованием параметров, указанных командой Зенгер, привела к выходному валу длиной 350 мм с диаметром 80 мм. Стальной вал, который сплошной, имеет меньший диаметр, чем полый трубчатый CFRP вал, но достаточное пространство доступно для размещения большего CFRP вала.

Также критично для дизайна вала — то, как он соединяется с другими — обычно металлическими — компонентами в приводе. «Нужно знать, какие силы учитывать, как спроектировать вал, как подготовить металл и как собрать его», — говорит Шварц. Металлический выходной вал передает крутящий момент через сварное соединение между валом и другими металлическими компонентами. С CFRP валом, с другой стороны, соединение делается пресс-сидением, в котором металлическая деталь вставляется в CFRP трубу. Внешний диаметр металлической детали немного больше внутреннего диаметра CFRP трубы, создавая давление соединения, необходимое для передачи крутящего момента. Клей не используется. Dynexa поддерживает своё CFRP-металлическое соединение внешними CFRP поддерживающими кольцами и внутренним специально спроектированным пресс-сиденьем коннектором. Шварц объясняет, что последний, технология Dynexa, проверенная более 20 лет, обеспечивает передачу крутящего момента через комбинацию трения, генерируемого давлением соединения, и позитивного замыкания, созданного микрозубцами (зазубринами) на металлической детали. Гальваническая коррозия минимизируется посредством зазорной уплотнения между CFRP трубой и металлической деталью. Технология пресс-сиденья Dynexa «объединяет легкий дизайн с высокой крутильной производительностью, как под статическими нагрузками, так и за длительные периоды под установочными нагрузками», — заявляет Брукхофф.

По сравнению со стальной сборкой выходного вала, CFRP версия на 20–30% легче. Экономия веса включает как более легкий вал (несмотря на добавленный вес внешних поддерживающих колец, которые не являются частью металл-металл соединения), так и устранение вибрационных поглотителей, требуемых для металлической версии. Хотя реальная экономия веса не имеет значимого значения для бензиновых автомобилей, она может быть полезна в электрических автомобилях, которые могут достичь большего запаса хода даже с небольшими снижениями веса.

Выявление потенциальной ценности

Тестирование CFRP вала с низкой крутильной жесткостью в итоге продемонстрировало, насколько важна крутильная жесткость для снижения power hop. Соответствуя более низкой крутильной жесткости стального вала, прототип CFRP выходного вала не улучшил производительность power hop, сообщает Зенгер. «Водительские тесты показывают, что power hop автомобиля имеет ту же интенсивность с CFRP валами, как когда установлены стальные валы».

Исследование предполагает, что для бензиновых автомобилей, требующих более низкой крутильной жесткости в выходном вале, успешное снижение power hop потребует модификаций геометрии трубы. «Для достижения дополнительной добавленной стоимости, использование более длинной CFRP трубы необходимо», — заключает Брукхофф. «Снижение внешнего диаметра также желательно для входа в крупносерийные автомобили с композитными стандартными компонентами».

Крутильная жесткость делает разницу. Симуляция с использованием Matlab Simulink предполагает, что CFRP выходной вал с высокой крутильной жесткостью может устранить явление power hop. Смоделированное водительское маневр — разгон переднеприводного бензинового автомобиля с места на мокрой и ровной дорожной поверхности. Хотя бензиновые автомобили могут быть лучше обслужены более низкой крутильной жесткостью для других вопросов вождения, электрические автомобили — сильные кандидаты для дальнейшей разработки CFRP выходного вала.

В электрических автомобилях, однако, Зенгер верит, что ключ к успеху CFRP выходных валов — высокая крутильная жесткость, которую CFRP способен обеспечить. «Высокая жесткость создает более прямую отзывчивость автомобиля, и таким образом улучшает динамику вождения», — говорит она. Электрифицированные силовустановки могут использовать валы с высокой крутильной жесткостью, потому что они не испытывают ту же неравномерность коленчатого вала, что в бензиновых автомобилях. Это процесс сгорания бензинового двигателя и результирующие силы на коленчатый вал, которые создают неравномерность, а электрическая мощность не генерирует эти же силы.

Более жесткий выходной вал увеличивает крутильную собственную частоту силовой установки (частоту, на которой операционная вибрация вызывает резонанс компонента и усиливает эту вибрацию). «Вибрационный режим вала с высокой крутильной жесткостью вызывает гораздо более низкие нагрузки на все компоненты, возбуждаемые феноменом power hop», — указывает Зенгер. Симуляция показала, что при тех же вождении условиях CFRP выходной вал с высокой крутильной жесткостью устранит power hop, испытываемый металлическим валом с низкой крутильной жесткостью.

Движение вперед

Размышляя о работе с выходным валом до сих пор, Брукхофф говорит: «Группа продуктов CFRP выходного вала создает новую добавленную стоимость в терминах вождения характеристик и комфорта. Вместе с нашими партнерами мы проработаем эти преимущества и реализуем продукт, оптимизированный в терминах требований и цены».

Больше исследований потенциальных применений CFRP выходного вала еще не объявлены OEM, но кажутся вероятными. Что касается команды Dynexa, этот предразработочный проект предоставил новые инсайты в CFRP применения; в частности, автомобильные тесты валидируют теоретические предположения и непрерывно улучшают дизайн-компетенцию. «Важно, что мы продолжаем и продолжаем развивать эту группу продуктов вместе с нашими OEM партнерами», — поддерживает Брукхофф. «Наша цель — перенести успешные разработки шаг за шагом в серийное применение».