Composiet uitgaande as klaar voor automotive testterrein

In veel voertuigen met vierwielaandrijving en vierwielaandrijving zijn stalen aandrijfassen gesegmenteerd om de nodige koppel- en trillingsprestaties te leveren. In tegenstelling tot deze gesegmenteerde stalen tegenhangers, kan een aandrijfas van koolstofvezelversterkt polymeer (CFRP) uit één stuk de vereiste prestaties leveren, aangezien deze de volledige afstand van transmissie tot differentieel overspant, meestal tussen 1.000 millimeter (personenauto's) en 3.000 millimeter ( commerciële voertuigen). Een enkele CFRP-aandrijfas kan daarom niet alleen de stalen aandrijfas vervangen, maar ook de flenzen en tussenlagers die de twee segmenten verbinden. Als een verenigd onderdeel verbetert de CFRP-aandrijfas de prestaties, draagt ​​hij bij aan minder gewicht en heeft hij bewezen concurrerend te zijn in high-performance voertuigen.

Maar is CFRP nog steeds een haalbare optie als span niet langer een factor is?

Dit is het geval als het gaat om uitgaande assen, die de korte afstand (meestal 250 tot 500 millimeter) van de aandrijflijn met de wielen verbinden. Toen het ontwerpteam van Dynexa (Laudenbach, Duitsland) onderzocht of de uitgaande assen van CFRP van toepassing zijn op productievoertuigen, was het aangenaam - en toegegeven - verrast door de resultaten.

Dynexa, een bedrijf op het gebied van filamentwikkeling en aandrijflijn en een lid van de Avanco Group (Herford, Duitsland), heeft het ontwerp en de demonstratie van een uitgaande as van CFRP uitgevoerd als onderdeel van een voorontwikkelingsonderzoek dat is uitgevoerd met een Duitse OEM. In 2014 begon Dynexa de OEM te voorzien van CFRP-aandrijfassen die een gewichtsvermindering van 40% bereikten in vergelijking met een gesegmenteerde stalen as en tussenlagers. De daarmee gepaard gaande vermindering van de roterende massa verbeterde ook het rijgedrag van het voertuig.

Sinds 2006 heeft Dynexa meer dan 100.000 CFRP-buizen en -assen met filament gewikkeld voor toepassingen in de automobielprototypes en serieproductie. Het bedrijf gebruikt doorgaans een epoxymatrix geleverd door Huntsman (The Woodlands, Texas, V.S.) of Hexion (Columbus, Ohio, V.S.). Dynexa werkt samen met veel grote leveranciers van koolstofvezel, waaronder Teijin (Chiyoda-ku, Japan), Toray (Tokyo, Japan), SGL (Wiesbaden, Duitsland), Mitsubishi (Tokyo, Japan) en Nippon Graphite Fiber Corp. (Himeji, Japan ). (Vezel voor elke toepassing wordt geselecteerd op basis van product- en productievereisten, waarbij optimaal gebruik wordt gemaakt van materiaaleigenschappen.) Zelfs met deze geschiedenis en brede ervaring koesterde het Dynexa-team aanvankelijk twijfels over het gebruik van CFRP voor uitgaande assen.

Van twijfel naar demo

Een solide metalen uitgaande as is tegenwoordig de norm in productievoertuigen, en in het begin was het Dynexa-team er niet zeker van welke waarde een CFRP-alternatief zou kunnen hebben. "In tegenstelling tot meerdelige metalen aandrijfassen, zouden we hier geen grote gewichtsbesparing bereiken", merkt Matthias Bruckhoff op, hoofd verkoop en marketing bij Dynexa.

Waarom overstappen op CFRP uitgaande assen? De hoge prestaties van CFRP kunnen mogelijk nuttig zijn in elektrische voertuigen, waarbij uitgaande assen onderhevig zijn aan ongewoon hoge krachten. Bovendien kan de uitgaande as van CFRP ook nuttig zijn op zowel elektrische als gasaangedreven voertuigen vanwege een fenomeen dat alle soorten aandrijflijnen van auto's gemeen heeft. Dit fenomeen wordt 'power hop' genoemd en treedt op wanneer wegdek met lage wrijving ervoor zorgt dat de banden in voertuigen met voorwielaandrijving cyclisch grip verliezen op het rijoppervlak tijdens hoge motoracceleratie. "De bestuurder hoort een luid, cyclisch geratel van de vooras en voelt een sterke trilling op de stoel en het stuur", legt Linda Senger uit, BMW-onderzoek naar hybride aandrijflijn, mechanica en structuur. Het optreden van powerhop is sterk afhankelijk van de uitgaande as en zijn torsiestijfheid.

Filamentwinding applicatie. Dynexa heeft meer dan 100.000 CFRP-buizen en -assen met filament gewikkeld voor toepassingen in de automobielprototypes en serieproductie en paste deze ervaring toe op de nieuwe uitdagingen die de toepassing van de uitgaande as bood. Van bijzonder belang zijn de trillingsprestaties en torsiestijfheid van de assen. Bron | Dynexa

"De focus van de ontwikkeling was de invloed op de powerhop van hogere torsiedemping in uitgaande CFRP-assen in vergelijking met stalen assen met dezelfde torsiestijfheid", vervolgt Senger. Van CFRP-assen is aangetoond dat ze vijf tot tien keer de torsiedemping van stalen assen hebben. Dit dempingsgedrag is aanpasbaar aan de eisen van de toepassing.”

Over het algemeen proberen auto-ontwerpers de trillingskenmerken van voertuigcomponenten aan te passen om geluid, trillingen en hardheid (NVH) te minimaliseren. "Als je het gaspedaal indrukt", legt Marcus Schwarz, hoofd productontwikkeling bij Dynexa uit, "verhoogt het de kracht en trillingen in het systeem, waardoor NVH ontstaat." Het team van Dynexa heeft ervaring met het optimaliseren van de trillingseigenschappen van CFRP-componenten. "Door de vezelcomposietstructuur te ontwerpen en de laagstructuur aan te passen, kan een gewenste frequentie worden bereikt om de dynamiek van het onderdeel tijdens de run te beïnvloeden", zegt Schwarz.

De verschillende trillingskenmerken van CFRP en staal staan ​​centraal in Senger's onderzoek naar de uitgaande as. Om te testen of CFRP-trillingsdemping zou helpen de intensiteit van de powerhop te verminderen, heeft Senger Dynexa een reeks ontwerpparameters voor de uitgaande as van CFRP geleverd. Omdat de test zou worden uitgevoerd op een bestaande montage voor een gasaangedreven voertuig, inclusief de versnellingsbakverbinding en verbindingen, moest de CFRP-as worden ontworpen als een directe vervanging voor de metalen as.

Dynexa ontwierp de CFRP-as om te voldoen aan het vermogen van de metalen as om een ​​statische torsiebelasting tot 3.000 Newtonmeter aan te kunnen. Belangrijk is dat de CFRP-as ook moest overeenkomen met de lage torsiestijfheid van de metalen as van 225 Newton-meter per graad. "De lage stijfheid van uitgaande assen in voertuigen op gas is noodzakelijk vanwege de ongelijkmatige rotatie van de krukas", legt Senger uit. “Torsietrillingen veroorzaken een trilling van de aandrijflijn en alle aangrenzende componenten; met een lage stijfheid kun je zowel de trillingen als het geluid verminderen.”

Ontwerpoptimalisatie met behulp van de parameters die het team van Senger heeft gespecificeerd, resulteerde in een uitgaande as van 350 millimeter lang met een diameter van 80 millimeter. De stalen as, die massief is, heeft een kleinere diameter dan de holle, buisvormige CFRP-as, maar er is voldoende ruimte beschikbaar voor de grotere CFRP-as.

Ook van cruciaal belang voor het ontwerp van de as is hoe het aansluit op andere - meestal metalen - componenten in de aandrijflijn. "Je moet weten met welke krachten je rekening moet houden, hoe je de as moet ontwerpen, hoe je het metaal moet voorbereiden en hoe je het moet monteren", zegt Schwarz. Een metalen uitgaande as brengt koppel over via een gelaste verbinding tussen de as en andere metalen componenten. Bij de CFRP-as daarentegen wordt de verbinding gemaakt met een perspassing, waarbij een metalen deel in de CFRP-buis wordt gestoken. De buitendiameter van het metalen onderdeel is iets groter dan de binnendiameter van de CFRP-buis, waardoor er gezamenlijke druk ontstaat die nodig is voor koppeloverdracht. Er wordt geen lijm gebruikt. Dynexa ondersteunt zijn CFRP-naar-metaalverbinding met buitenste CFRP-steunringen en een binnenste, speciaal ontworpen press-fit connector. Schwarz legt uit dat de laatste, een Dynexa-technologie die zich gedurende 20 jaar heeft bewezen, zorgt voor koppeloverdracht door een combinatie van de wrijving die wordt gegenereerd door gewrichtsdruk en positieve vergrendeling die wordt gecreëerd door microtanden (vertanding) op het metalen onderdeel. Galvanische corrosie wordt geminimaliseerd door middel van een spleetafdichting tussen de CFRP-buis en het metalen onderdeel. Dynexa's press-fit technologie "combineert een lichtgewicht ontwerp met hoge torsieprestaties, zowel onder statische belasting als gedurende lange perioden onder vermoeiingsbelasting", stelt Bruckhoff.

Vergeleken met de stalen uitgaande as is de CFRP-versie 20% tot 30% lichter. Gewichtsbesparingen omvatten zowel de lichtere as (ondanks het extra gewicht van de buitenste steunringen, die geen deel uitmaken van de metaal-op-metaal verbinding) en de eliminatie van trillingsdempers die vereist zijn voor de metalen versie. Hoewel de werkelijke gewichtsbesparing niet van grote waarde is voor voertuigen op gas, kan het nuttig zijn in elektrische voertuigen, die een groter rijbereik kunnen bereiken, zelfs met een kleine gewichtsvermindering.

Identificatie van potentiële waarde

Het testen van de CFRP-as met een lage torsiestijfheid toonde uiteindelijk aan hoe belangrijk torsiestijfheid is voor het verminderen van de hop. In overeenstemming met de lagere torsiestijfheid van de stalen as, verbeterde de prototype CFRP-uitgangsas de prestaties van de powerhop niet, meldt Senger. "Rijtesten tonen aan dat de powerhop van het voertuig dezelfde intensiteit heeft met de CFRP-assen als wanneer de stalen assen zijn geïnstalleerd."

De studie suggereert dat voor voertuigen met gasmotor die een lagere torsiestijfheid in de uitgaande as nodig hebben, een succesvolle vermindering van de powerhop aanpassingen aan de buisgeometrie zou vereisen. “Om een ​​verdere meerwaarde te realiseren, is het gebruik van een langere CFRP-buis noodzakelijk”, besluit Bruckhoff. “De verkleining van de buitendiameter is ook wenselijk voor de instap in grote serievoertuigen met samengestelde standaardcomponenten.”

Torsiestijfheid maakt het verschil. Een simulatie met Matlab Simulink suggereert dat een CFRP-uitgangsas met hoge torsiestijfheid het powerhop-fenomeen kan elimineren. De gesimuleerde rijmanoeuvre is de acceleratie van een voorwielaangedreven gasaangedreven voertuig vanuit stilstand op een nat en vlak wegdek. Hoewel voertuigen op gas wellicht beter gediend zijn met een lagere torsiestijfheid voor andere problemen met de rijprestaties, zijn elektrisch aangedreven voertuigen sterke kandidaten voor de verdere ontwikkeling van de uitgaande as van CFRP. Bron | Linda Senger

In elektrische auto's is Senger echter van mening dat de sleutel tot succes voor uitgaande assen van CFRP de hoge torsiestijfheid is die CFRP kan bieden. "Een hoge stijfheid zorgt voor een directer reactievermogen van het voertuig en verbetert zo de rijdynamiek", zegt ze. Geëlektrificeerde aandrijflijnen kunnen gebruikmaken van assen met een hoge torsiestijfheid omdat ze niet dezelfde ongelijkmatigheid van de krukas ervaren als in voertuigen op gas. Het is het verbrandingsproces van de gasmotor en de resulterende krachten op de krukas die de niet-uniformiteit creëren, en elektrisch vermogen genereert niet dezelfde krachten.

Een stijvere uitgaande as verhoogt de natuurlijke torsiefrequentie van de aandrijflijn (de frequentie waarmee een operationele trilling ervoor zorgt dat het onderdeel gaat resoneren en die trilling versterkt). "De trillingsmodus van een as met een hoge torsiestijfheid veroorzaakt veel lagere belastingen op alle componenten die worden opgewekt door het powerhop-fenomeen", benadrukt Senger. Een simulatie heeft aangetoond dat, onder dezelfde rijomstandigheden, een uitgaande as van CFRP met een hoge torsiestijfheid de krachtsprong zal elimineren die wordt ervaren door een metalen as met een lage torsiestijfheid.

Vooruit gaan

Terugkijkend op het werk aan de uitgaande as tot nu toe, zegt Bruckhoff:“De productgroep uitgaande as van CFRP creëert nieuwe toegevoegde waarde op het gebied van rijeigenschappen en comfort. Samen met onze partners werken we deze voordelen uit en realiseren we een product dat geoptimaliseerd is qua eisen en prijs.”

Meer onderzoeken naar mogelijke toepassingen van uitgaande CFRP-assen zijn nog niet aangekondigd door de OEM, maar lijken waarschijnlijk. Wat het Dynexa-team betreft, heeft dit pre-ontwikkelingsproject nieuwe inzichten opgeleverd in CFRP-toepassingen; in het bijzonder valideren voertuigtests theoretische veronderstellingen en verbeteren ze voortdurend de ontwerpcompetentie. “Het is belangrijk dat we deze productgroep vasthouden en samen met onze OEM-partners blijven ontwikkelen”, stelt Bruckhoff. “Ons doel is om succesvolle ontwikkelingen stap voor stap om te zetten in een serietoepassing.”