【复材资讯】可减轻汽车重量的复合材料输出轴

发布时间:2022-01-19 06:24:22

来源:ladbrokes官网中国 作者:ladbrokes官网中文网

  在许多四轮驱动和全轮驱动车辆中,钢驱动轴被分段以提供必要的扭矩和振动性能特征。不同于这些分段的钢制对应件,整体式碳纤维增强聚合物(CFRP)汽车驱动轴,能够提供所需的性能,因为它跨越了从变速器到差速器的整个距离,通常在1000毫米(乘用车)和3000毫米(商用车)之间。因此,一个单一的碳纤维复材传动轴不仅可以取代钢制传动轴,而且可以取代连接两个部分的法兰和中间轴承。作为一个统一的部件,碳纤维驱动轴提高了性能,减轻了重量,并证明在高性能车辆中具有成本竞争力。CFRP 输出轴,如图所示为两个完整的总成,展示了可定制的刚度,具有改善车辆驾驶行为的潜力。

  当涉及到输出轴时就是这样,输出轴将传动系与车轮之间的短距离(通常可减轻汽车重量的复合输出轴为250至500毫米)连接起来。为了探索这种情况是否可以用于生产车辆上的CFRP输出轴,德国公司的设计团队对他们的结果毫无疑问感到了惊喜。

  作为与德国原始设备制造商进行的预开发研究的一部分,此公司承担了CFRP输出轴的设计和演示。2014年,此公司开始为OEM提供碳纤维增强塑料传动轴,与分割钢轴和中间轴承相比,这种传动轴减少了40%的重量。伴随着旋转质量的减少也改善了车辆的驾驶行为。

  自2006年以来,此公司已经为汽车原型和系列生产应用提供了超过100,000条碳纤维增强塑料管和轴。该公司通常使用环氧树脂基体。根据产品和生产要求,充分利用材料性能,选择不同用途的纤维。尽管有这样的历史和丰富的经验,Dynexa团队最初对碳纤维增强塑料用于输出轴还是心存疑虑。

  实心金属输出轴是当今生产车辆的标准,起初团队不确定碳纤维增强塑料会带来什么样的价值。相关人员指出:“与多部件金属传向轴相比,我们在这里无法实现很多的重量节省。”

  为什么要换成碳纤维增强塑料(CFRP)输出轴?碳纤维复合材料的高性能可能在电动汽车中有潜在的用途。在电动汽车中,输出轴承受着异常高的力。此外,CFRP输出轴也可能证明在电动和燃气驱动车辆上都是有用的,因为这是所有类型汽车动力系统的常见现象。这种现象被称为“动力跳跃”,当低摩擦路面导致前轮驱动车辆的轮胎在发动机高加速时周期性地失去与驱动路面的抓地力。相关人员解释说:“驾驶员听到前轴发出的周期性的响声,并感觉到座椅和方向盘上有强烈的振动。”动力跳跃的发生高度依赖于输出轴及其扭转刚度。

  开发的重点是,与具有相同扭转刚度的钢制轴相比,CFRP输出轴具有较高的扭转阻尼,从而影响动力跳跃。CFRP轴的扭转阻尼显示为钢制轴的5至10倍。这种阻尼性能可根据应用要求进行调整。

  一般来说,汽车设计师试图改变车辆部件的振动特性,以尽量减少噪声、振动和声振粗糙度(NVH)。相关人员解释道:“当你踩下油门时,会增加进入系统的压力和振动,从而导致振动噪声NVH。”团队在优化CFRP组件的振动特性方面经验丰富。相关人员说:“通过设计纤维复合材料结构和调整层结构,可以达到所需的频率,从而在运行过程中影响部件的动态特性。”

  CFRP和钢的不同振动特性是输出轴研究的中心。为了测试CFRP振动阻尼是否有助于降低功率跳跳强度,研究人员提供了一套CFRP输出轴的设计参数。由于该测试将在现有的燃气动力汽车总成上进行,包括变速箱连接和接头,因此需要设计CFRP轴作为金属轴的直接替代品。

  此公司拥有超过 100,000 条用于汽车原型和批量生产应用的缠绕 CFRP 管和轴,于是将此经验应用于输出轴应用带来的新挑战。

  这家公司设计了CFRP轴,以匹配金属轴承受高达3,000牛顿米的静态扭转载荷的能力。重要的是,CFRP轴还必须与金属轴的低扭转刚度(225牛顿米/度)相匹配。相关人员解释说:“由于曲轴的旋转不均匀性,燃气动力汽车输出轴的低刚度是必要的。”扭振会引起动力传动系统和所有相邻部件的振动;刚度低,可以降低振动和噪音。

  对团队指定的参数进行设计优化,得到了一个350毫米长、80毫米直径的输出轴。钢轴是实心的,比中空的管状碳纤维增强塑料轴直径小,但空间较大,足够容纳碳纤维增强塑料轴。

  轴设计的关键还在于它如何与传动系中的其他部件(通常是金属部件)连接。你需要知道要考虑哪些力;如何设计轴;如何准备金属以及如何组装。金属输出轴通过轴和其他金属部件之间的焊接连接传递扭矩。与CFRP轴的连接采用压合接头,在压合接头中将金属件插入CFRP管中。

  金属部件的外径略大于CFRP管的内径,从而产生扭矩传递所需的连接压力。不使用粘合剂。用外部CFRP支撑环和内部特殊设计的压合接头支撑其CFRP与金属的接头。

  后者是一种经过20多年验证的技术,通过结合压力产生的摩擦力和金属零件上的微齿(锯齿)产生的正锁紧力来提供扭矩传递。通过CFRP管和金属部件之间的间隙密封将电偶腐蚀降至最低。压装技术将轻量化设计与高扭转性能完美地结合在一起,既可以承受静态载荷,也可以承受长期疲劳载荷。

  与钢输出轴组件相比,CFRP版本的重量减轻了20%到30%。减轻重量包括减轻轴的重量(尽管增加了外部支撑环的重量,而外部支撑环不是金属-金属接头的一部分),并且省去了金属版本所需的减震器。尽管实际的重量减轻对汽油动力汽车而言意义不大,但对于电动汽车可能会有所帮助,即使减少轻量化,电动汽车也可以实现更大的行驶里程。

  对低扭转刚度CFRP轴的测试结果表明扭转刚度对降低动力跳跃有多重要。报告称,与钢轴较低的扭转刚度相匹配,CFRP原型输出轴并没有改善动力输出轴的性能。驾驶试验表明,车辆的动力跳跃与安装钢轴时的CFRP轴强度相同。

  研究表明,对于需要较低输出轴扭转刚度的燃气动力汽车,要想成功地降低动力跳跃,就需要对管子的几何形状进行修改。为了实现进一步的附加值,有必要使用更长的碳纤维增强塑料管。“对于采用复合标准部件的大系列车辆,减小外径也是可取的。”

  连接技术。输出轴两端的外部 CFRP 支撑环和内部“压配合连接器”的组合确保了足够的联合压力,可将所需的扭矩从动力传动系统传递到车轮。

  通过仿真表明,采用高扭转刚度的碳纤维布输出轴可以消除功率跳变现象。模拟的驾驶动作是前轮驱动的燃气驱动车辆在潮湿平坦的路面上从静止状态加速。尽管燃气动力汽车在其他驾驶性能问题上可能更适合较低的扭转刚度,但电动汽车是进一步发展CFRP输出轴的有力竞争者。

  然而,在电动汽车中,研究人员认为CFRP输出轴成功的关键在于CFRP能够提供的高扭转刚度。她认为,高刚度使车辆具有更直接的响应能力,从而改善了行驶动力学。电动动力总成可以采用具有高扭转刚度的轴,因为它们不会遇到与汽油动力车辆相同的曲轴不均匀性。燃气发动机的燃烧过程以及曲轴上的合力会造成不均匀性,而电力不会产生这些相同的力。

  较硬的输出轴会增加动力总成的扭转固有频率(在这种频率下,操作振动会导致组件产生共振并放大该振动)。研究人员指出:“具有高抗扭刚度的轴的振动模式会给受动力跳变现象激发的所有组件带来更低的负载。”仿真表明,在相同的行驶条件下,具有高扭转刚度的CFRP输出轴将消除具有低扭转刚度的金属轴所经历的动力跳跃。

  回顾迄今为止的输出轴的工作情况,研究人员说:“CFRP输出轴产品组在驾驶特性和舒适性方面创造了新的附加值。我们将与合作伙伴一道,发挥出这些优势,生产出性价比最优的产品。”

  对于研究团队来说,这个预开发项目为碳纤维增强塑料的应用提供了新的见解。特别是,车辆测试验证了理论假设,并不断提高设计能力。“重要的是我们要坚持下去,并继续与OEM合作伙伴一起发展这个产品组。”研究人员说,“我们的目标是将成功的研发成果逐步转化为一系列的应用。