准备用于汽车试验场的复合输出轴

在许多四轮驱动和全轮驱动车辆中，钢制传动轴被分段以提供必要的扭矩和振动性能特征。与这些分段钢对应物不同，一体式碳纤维增强聚合物 (CFRP) 汽车传动轴能够提供所需的性能，因为它跨越从变速器到差速器的整个距离，通常在 1,000 毫米（乘用车）和 3,000 毫米之间（商用车）。因此，单个 CFRP 传动轴不仅可以取代钢制传动轴，还可以取代连接两个部分的法兰和中间轴承。作为一个统一的组件，CFRP 传动轴提高了性能，减轻了重量，并已被证明在高性能车辆中具有成本竞争力。

但是当跨度不再是一个因素时，CFRP 仍然是一个可行的选择吗？

输出轴就是这种情况，它连接从传动系统到车轮的短距离（通常为 250 到 500 毫米）。 Dynexa（德国劳登巴赫）的设计团队在探索该案例是否适用于量产车辆的 CFRP 输出轴时，对结果感到非常惊喜，而且无可否认。

Dynexa 是一家纤维缠绕和传动系统公司，也是 Avanco 集团（德国赫福德）的成员，作为与德国 OEM 进行的预开发研究的一部分，进行了 CFRP 输出轴的设计和演示。 2014 年，Dynexa 开始向 OEM 供应 CFRP 传动轴，与分段钢轴和中间轴承相比，该传动轴的重量减轻了 40%。随之而来的旋转质量的减少也改善了车辆的驾驶行为。

自 2006 年以来，Dynexa 已为汽车原型和批量生产应用提供超过 100,000 根纤维缠绕的 CFRP 管和轴。该公司通常采用 Huntsman（美国德克萨斯州伍德兰兹）或 Hexion（美国俄亥俄州哥伦布市）提供的环氧树脂基质。 Dynexa 与许多主要的碳纤维供应商合作，包括 Teijin（日本千代田区）、Toray（日本东京）、SGL（德国威斯巴登）、Mitsubishi（日本东京）和 Nippon Graphite Fiber Corp.（日本姬路） ）。 （根据产品和生产要求选择用于每种应用的纤维，充分利用材料特性。）尽管如此，即使有这样的历史和广泛的经验，Dynexa 团队最初还是对输出轴使用 CFRP 抱有怀疑。

从怀疑到演示

实心金属输出轴是当今生产车辆的标准配置，起初 Dynexa 团队不确定 CFRP 替代品可能带来什么价值。 Dynexa 销售和营销主管马蒂亚斯·布鲁克霍夫 (Matthias Bruckhoff) 指出：“与多部件金属传动轴相比，我们不会在这里实现大幅减重。

为什么要改用 CFRP 输出轴？ CFRP 的高性能可能对电动汽车有用，在电动汽车中，输出轴会受到异常高的力。此外，由于所有类型的汽车动力系统都存在这种现象，因此 CFRP 输出轴也可能在电动汽车和燃气动力汽车上都有用。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期间周期性地失去对驱动表面的抓地力时，就会发生这种现象。 “驾驶员会听到前轴发出响亮的周期性咔嗒声，并感觉到座椅和方向盘的强烈振动，”宝马混合动力系统、力学和结构研究的琳达·森格 (Linda Senger) 解释道。动力跳跃的发生高度依赖于输出轴及其扭转刚度。

纤维缠绕应用。 Dynexa 为汽车原型和批量生产应用缠绕了超过 100,000 根 CFRP 管和轴，将这一经验应用于输出轴应用提出的新挑战。特别令人感兴趣的是轴的振动性能和扭转刚度。来源 |达力士

“与具有相同扭转刚度的钢轴相比，开发的重点是 CFRP 输出轴中更高的扭转阻尼对动力跳的影响，”Senger 继续说道。已证明 CFRP 轴的扭转阻尼是钢轴的 5 到 10 倍。这种阻尼行为可根据应用要求进行调整。”

通常，汽车设计师寻求修改车辆部件的振动特性，以最大限度地减少噪音、振动和粗糙度 (NVH)。 “当你踩油门时，”Dynexa 产品开发主管 Marcus Schwarz 解释说，“它会增加进入系统的力和振动，从而导致 NVH。” Dynexa 的团队在优化 CFRP 部件的振动特性方面经验丰富。 “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，以在运行过程中影响零件的动力学，”施瓦茨说。

CFRP 和钢的不同振动特性是 Senger 输出轴研究的核心。为了测试 CFRP 振动阻尼是否有助于降低动力跳跃强度，Senger 向 Dynexa 提供了一组 CFRP 输出轴的设计参数。由于测试将在燃气动力车辆的现有组件上进行，包括变速箱连接和接头，因此需要将 CFRP 轴设计为金属轴的直接替代品。

Dynexa 设计的 CFRP 轴与金属轴处理高达 3,000 牛顿米的静态扭转载荷的能力相匹配。重要的是，CFRP 杆身还必须与金属杆身的低扭转刚度相匹配，即每度 225 牛顿米。 Senger 解释说：“由于曲轴的旋转不均匀性，燃气动力车辆中输出轴的低刚度是必要的。” “扭转振动会引起动力系统和所有相邻部件的振动；刚度低，可以减少振动和噪音。”

使用 Senger 团队指定的参数进行设计优化，得到了 350 毫米长、80 毫米直径的输出轴。实心钢轴比空心管状 CFRP 轴的直径小，但有足够的空间容纳更大的 CFRP 轴。

轴设计的另一个关键是它如何连接到传动系统中的其他部件——通常是金属部件。 “您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它，”施瓦茨说。金属输出轴通过轴与其他金属部件之间的焊接连接传递扭矩。另一方面，对于 CFRP 轴，连接是通过压配合接头实现的，其中金属部件插入 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接头压力。不使用粘合剂。 Dynexa 使用外部 CFRP 支撑环和内部专门设计的压配合连接器来支撑其 CFRP 与金属的接头。 Schwarz 解释说，后者是一项经过 20 多年验证的 Dynexa 技术，通过结合压力产生的摩擦和金属部件上的微齿（锯齿）产生的正锁定来传递扭矩。通过 CFRP 管和金属部件之间的间隙密封，可以最大限度地减少电偶腐蚀。 Dynexa 的压接技术“将轻量化设计与高扭转性能相结合，无论是在静态负载下还是在长时间的疲劳负载下，”布鲁克霍夫说。

与钢制输出轴组件相比，CFRP 版本的重量减轻了 20% 到 30%。重量减轻包括更轻的轴（尽管外支撑环增加了重量，它不是金属对金属接头的一部分）和消除金属版本所需的减振器。虽然实际减重对于汽油动力汽车来说意义不大，但它可能对电动汽车有所帮助，即使重量减轻很小，也可以实现更大的行驶里程。

识别潜在价值

对具有低扭转刚度的 CFRP 杆身进行的测试最终证明了扭转刚度对于减少动力跳跃的重要性。 Senger 报告说，与钢轴的较低扭转刚度相匹配，原型 CFRP 输出轴没有提高动力跳跃性能。 “驾驶测试表明，CFRP 轴的车辆动力跳跃强度与安装钢轴时的强度相同。”

该研究表明，对于需要较低输出轴扭转刚度的燃气动力车辆，成功降低动力跳跃需要修改管几何形状。 “为了实现进一步的附加值，必须使用更长的 CFRP 管，”布鲁克霍夫总结道。 “外径的减小对于进入具有复合标准部件的大型系列车辆也是可取的。”

扭转刚度有所不同。 使用 Matlab Simulink 进行的仿真表明，具有高扭转刚度的 CFRP 输出轴可以消除动力跳跃现象。模拟的驾驶操作是前轮驱动的汽油动力车辆在潮湿甚至平坦的路面上从静止状态加速。尽管在其他驾驶性能问题上较低的扭转刚度可能会更好地服务于汽油动力车辆，但电动车辆是进一步开发 CFRP 输出轴的有力候选者。来源 |琳达·森格

然而，在电动汽车中，Senger 认为 CFRP 输出轴成功的关键是 CFRP 能够提供的高扭转刚度。 “高刚度为车辆创造了更直接的响应能力，从而改善了驾驶动态，”她说。电气化动力系统可以使用具有高扭转刚度的轴，因为它们不会遇到与燃气动力车辆相同的曲轴不均匀性。是燃气发动机的燃烧过程和曲轴上产生的力造成了不均匀性，而电力不会产生这些相同的力。

更硬的输出轴会增加动力系统的扭转固有频率（运行振动导致部件共振并放大振动的频率。）。 “具有高扭转刚度的轴的振动模式会导致所有受动力跳跃现象激发的部件的负载低得多，”Senger 指出。仿真表明，在相同的驱动条件下，高扭转刚度的CFRP输出轴将消除低扭转刚度的金属轴所经历的动力跳跃。

继续前进

回顾迄今为止的输出轴工作，Bruckhoff 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起发挥这些优势，实现需求和价格方面的优化产品。”

OEM 尚未宣布对潜在 CFRP 输出轴应用的更多研究，但似乎很有可能。对于 Dynexa 团队来说，这个预开发项目提供了对 CFRP 应用的新见解；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并继续与我们的 OEM 合作伙伴一起开发这个产品组，”Bruckhoff 坚持道。 “我们的目标是将成功的开发逐步转化为系列应用。”