Eénstuk CFRP aandrijfas slaagt automobiel proving ground tests

In veel vierwielaandrijving en all-wheel drive voertuigen, zijn staalaandrijfassen gesegmenteerd om de benodigde koppel en trillingprestaties te leveren. In tegenstelling tot deze gesegmenteerde staal tegenhangers, is een eenstuk koolstofvezel-versterkt polymere (CFRP) auto-aandrijfas in staat om de vereiste prestaties te leveren terwijl het de volledige afstand van transmissie tot differentieel overspant, typisch tussen 1.000 millimeter (personenauto's) en 3.000 millimeter (commerciële voertuigen). Een enkele CFRP aandrijfas kan daarom niet alleen de staalaandrijfas vervangen, maar ook de flenzen en tussengelegen lagers die de twee segmenten verbinden. Als een geünificeerd onderdeel verbetert de CFRP aandrijfas de prestaties, draagt minder gewicht bij en heeft zich als kosteneffectief in hoogpresterende voertuigen bewezen.

Maar is CFRP nog steeds een levensvatbare optie wanneer de overspanning geen factor meer is?

Dit is het geval bij uitaandrijfassen, die de korte afstand (typisch 250 tot 500 millimeter) van de aandrijving naar de wielen overbruggen. Onderzoekt of het geval gemaakt kon worden voor CFRP uitaandrijfassen op productievoertuigen, was het ontwerpteam bij Dynexa (Laudenbach, Duitsland) aangenaam – en erkend – verrast door de resultaten.

Dynexa, een filament winding en aandrijftechnologiebedrijf en lid van de Avanco Groep (Herford, Duitsland), ondernam zijn ontwerp en demonstratie van een CFRP uitaandrijfas als onderdeel van een vooraf-ontwikkelingsstudie uitgevoerd met een Duitse OEM. In 2014 begon Dynexa de OEM te leveren met CFRP aandrijfasssen die een 40% gewichtsreductie bereikten ten opzichte van een gesegmenteerde staalaas en tussengelegen lagers. De bijbehorende reductie in rotatie massa verbeterde ook het rijgedrag van het voertuig.

Sinds 2006 heeft Dynexa meer dan 100.000 CFRP buizen en assen gefilamenteerd voor auto-prototype en seriële productietoepassingen. Het bedrijf gebruikt typisch een epoxy matrix geleverd door Huntsman (The Woodlands, Texas, VS) of Hexion (Columbus, Ohio, VS). Dynexa werkt met veel grote koolstofvezelleveranciers, inclusief 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 volgens product- en productie-eisen, wat het beste gebruik maakt van materiaaleigenschappen.) Ondanks deze geschiedenis en breedte aan ervaring, had het Dynexa-team aanvankelijk twijfels over het gebruik van CFRP voor uitaandrijfassen.

Van twijfel tot demo

Een massieve metaal uitaandrijfas is de norm vandaag in productievoertuigen, en aanvankelijk was het Dynexa-team onzeker welke waarde een CFRP alternatief zou brengen. “In tegenstelling tot multi-onderdeel metaal aandrijfasssen, zouden we hier geen hoge gewichtsbesparing halen,” merkt Matthias Bruckhoff, hoofd van sales en marketing voor Dynexa, op.

Waarom overschakelen naar CFRP uitaandrijfassen? CFRP's hoge prestaties zouden potentiëel nuttig kunnen zijn in elektrische voertuigen, waarin uitaandrijfassen blootgesteld zijn aan ongewone hoge krachten. Daarnaast kan de CFRP uitaandrijfas ook nuttig blijken op zowel elektrische als benzine-aangedreven voertuigen vanwege een verschijnsel dat gemeenschappelijk is aan alle typen auto-aandrijvingen. Genoemd “power hop,” treedt het verschijnsel op wanneer laag-wrijving wegoppervlakken ervoor zorgen dat de banden in voorwielaangedreven voertuigen cyclisch grip verliezen met de rijbaan tijdens hoge motorversnelling. “De bestuurder hoort een luid, cyclisch ratelen van de vooras en voelt een sterke trilling op de zit en het stuur,” legt Linda Senger, BMW onderzoeker van hybride aandrijving, mechanica en structuur, uit. Power hop optreden is sterk afhankelijk van de uitaandrijfas en zijn torsiestevigheid.

Filament winding applicatie. Na het filament winden van meer dan 100.000 CFRP buizen en assen voor auto-prototype en seriële productietoepassingen, paste Dynexa deze ervaring toe op de nieuwe uitdagingen die de uitaandrijfas applicatie presenteerde. Van bijzonder belang zijn de trillingsprestaties en torsiestevigheid van de assen. Bron | Dynexa

“De focus van de ontwikkeling was de invloed op power hop van hogere torsie demping in CFRP uitaandrijfassen vergeleken met staalassen met dezelfde torsiestevigheid,” vervolgt Senger. CFRP assen hebben bewezen vijf tot 10 keer de torsie demping van staalassen te bezitten. Deze dempingsgedrag is aanpasbaar aan de eisen van de toepassing.”

Over het algemeen zoeken auto-ontwerpers de trillingskenmerken van voertuigcomponenten te wijzigen om geluid, trilling en ruwheid (NVH) te minimaliseren. “Als je de gaspedaal indrukt,” legt Marcus Schwarz, hoofd productontwikkeling bij Dynexa, uit, “verhoogt het de kracht en trilling in het systeem, wat NVH veroorzaakt.” Dynexa's team is ervaren in het optimaliseren van de trillingskenmerken van CFRP componenten. “Door het ontwerpen van de vezelcomposietstructuur en het aanpassen van de laagstructuur, kan een gewenste frequentie bereikt worden om de dynamica van het onderdeel tijdens de rit te beïnvloeden,” aldus Schwarz.

De verschillende trillingskenmerken van CFRP en staal zijn centraal in Senger's uitaandrijfasstudie. Om te testen of CFRP trillingsdemping zou helpen de power hop intensiteit te verminderen, leverde Senger Dynexa een set ontwerpparameters voor de CFRP uitaandrijfas. Omdat de test uitgevoerd zou worden op een bestaande assemblage voor een benzinevoertuig, inclusief de tandwielkastverbinding en gewrichten, moest de CFRP as ontworpen worden als een directe vervanging voor de metaalas.

Dynexa ontwierp de CFRP as om de metaalas's vermogen te matchen om een statische torsionele belasting van tot 3.000 Newton-meter aan te kunnen. Belangrijk is dat de CFRP as ook de metaalas's lage torsiestevigheid van 225 Newton-meter per graad moest matchen. “De lage stijfheid van uitaandrijfassen in benzinevoertuigen is noodzakelijk vanwege de rotatie non-uniformiteit van de krukas,” legt Senger uit. “Torsie trillingen veroorzaken een trilling van de aandrijving en alle aangrenzende componenten; met een lage stijfheid kun je de trilling en ook geluid verminderen.”

Ontwerpoptimalisatie met de parameters die Senger's team specificerde, resulteerde in een uitaandrijfas van 350 millimeter lang met een 80-millimeter diameter. De staalas, die massief is, heeft een kleinere diameter dan de holle, buisvormige CFRP as, maar voldoende ruimte is beschikbaar om de grotere CFRP as te accommoderen.

Ook cruciaal voor asontwerp is hoe het verbindt met andere – meestal metaal – componenten in de aandrijving. “Je moet weten welke krachten te rekening houden, hoe de as te ontwerpen, hoe het metaal voor te bereiden en hoe te monteren,” aldus Schwarz. Een metaal uitaandrijfas overdraagt koppel via een gelaste verbinding tussen de as en andere metalen componenten. Met de CFRP as, aan de andere kant, wordt de verbinding gemaakt met een perspas verbinding, waarin een metaal onderdeel in de CFRP buis geperst wordt. Het metaal onderdeel's buitendiameter is iets groter dan de CFRP buis's binnendiameter, wat de verbindingsdruk creëert die nodig is voor koppeloverdracht. Geen lijm wordt gebruikt. Dynexa ondersteunt zijn CFRP-naar-metaal verbinding met outer CFRP steunringen en een innerlijk, speciaal ontworpen perspas connector. Schwarz legt uit dat de laatste, een Dynexa technologie bewezen over 20 jaar, koppeloverdracht biedt via een combinatie van de wrijving gegenereerd door verbindingsdruk en positieve vergrendeling gecreëerd door micro-tanden (zagering) op het metaal onderdeel. Galvanische corrosie wordt geminimaliseerd door middel van een gatafdichting tussen de CFRP buis en het metaal onderdeel. Dynexa's perspas technologie “combineert lichtgewicht ontwerp met hoge torsionele prestaties, zowel onder statische belasting als over lange periodes onder vermoeidingsbelasting,” stelt Bruckhoff.

Vergeleken met de staal uitaandrijfas assemblage, is de CFRP versie 20% tot 30% lichter. Gewichtsbesparing omvat zowel de lichtere as (ondanks het toegevoegde gewicht van de outer steunringen, die geen deel uitmaken van de metaal-naar-metaal verbinding) als de eliminatie van trillingsdempers vereist voor de metaalversie. Hoewel de daadwerkelijke gewichtsbesparing geen significante waarde is voor benzinevoertuigen, kan het nuttig zijn in elektrische voertuigen, die groter bereik kunnen bereiken zelfs met kleine gewichtsreducties.

Potentiële waarde identificeren

Testen van de CFRP as met lage torsiestevigheid eindigde in het demonstreren hoe belangrijk torsiestevigheid is voor power hop reductie. Door de lagere torsiestevigheid van de staalas te matchen, verbeterde de prototype CFRP uitaandrijfas de power hop prestaties niet, rapporteert Senger. “Rijtesten tonen aan dat de power hop van het voertuig dezelfde intensiteit heeft met de CFRP assen als wanneer de staalassen geïnstalleerd zijn.”

De studie suggereert dat, voor benzine-gevoede voertuigen die lagere torsiestevigheid in de uitaandrijfas nodig hebben, succesvolle reductie in power hop aanpassingen aan buisgeometrie zou vereisen. “Om verdere toegevoegde waarde te bereiken, is het gebruik van een langere CFRP buis noodzakelijk,” concludeert Bruckhoff. “De reductie van de buitendiameter is ook wenselijk voor de instap in grote series voertuigen met composiet standaardcomponenten.”

Torsiestevigheid maakt het verschil. Een simulatie met Matlab Simulink suggereert dat een CFRP uitaandrijfas met hoge torsiestevigheid het power hop fenomeen kan elimineren. De gesimuleerde rijmanoeuvre is versnelling van een voorwielaangedreven, benzinevoertuig vanaf stilstand op een nat en glad wegoppervlak. Hoewel benzinevoertuigen beter bediend kunnen worden door lagere torsiestevigheid voor andere rijprestatiekwesties, zijn elektrisch-aangedreven voertuigen sterke kandidaten voor verdere ontwikkeling van de CFRP uitaandrijfas.

In elektrische auto's, gelooft Senger dat de sleutel tot succes voor CFRP uitaandrijfassen de hoge torsiestevigheid is die CFRP kan bieden. “Hoge stijfheid creëert een meer directe responsiviteit van het voertuig, en verbetert dus de rijddynamica,” aldus zij. Geëlektrificeerde aandrijvingen kunnen assen met hoge torsiestevigheid gebruiken omdat ze niet dezelfde non-uniformiteit van de krukas ervaren als in benzinevoertuigen. Het is de benzine motor's verbrandingsproces en de resulterende krachten op de krukas die de non-uniformiteit creëren, en elektrische energie genereert niet dezelfde krachten.

Een stijvere uitaandrijfas verhoogt de aandrijving's torsionele natuurfrequentie (de frequentie waarop een operationele trilling het onderdeel doet resoneren en die trilling versterkt). “De trillingsmodus van een as met hoge torsiestevigheid veroorzaakt veel lagere belasting op alle componenten die geëxciteerd worden door het power hop fenomeen,” wijst Senger. Een simulatie heeft getoond dat, onder dezelfde rijomstandigheden, een CFRP uitaandrijfas met hoge torsiestevigheid de power hop die ervaren wordt door een metaalas met lage torsiestevigheid, elimineert.

Vooruitgaan

Reflecterend op het uitaandrijfaswerk tot nu toe, zegt Bruckhoff, “De CFRP uitaandrijfas productgroep creëert nieuwe toegevoegde waarde in termen van rijkenmerken en comfort. Samen met onze partners zullen we deze voordelen uitwerken en een product realiseren geoptimaliseerd in termen van eisen en prijs.”

Meer studies van potentiële CFRP uitaandrijfas toepassingen zijn nog niet aangekondigd door de OEM maar lijken waarschijnlijk. Wat het Dynexa-team betreft, heeft dit vooraf-ontwikkelingsproject nieuwe inzichten in CFRP toepassingen opgeleverd; met name voertuigtests valideren theoretische aannames en verbeteren continu ontwerpcompetentie. “Het is belangrijk dat we erbij blijven en deze productgroep samen met onze OEM-partners blijven ontwikkelen,” houdt Bruckhoff vol. “Ons doel is om succesvolle ontwikkelingen stap voor stap over te dragen naar een seriële applicatie.”