一体化CFRP传动轴通过汽车试验场验证

许多四驱和全驱车辆，钢传动轴分段以提供必要扭矩和振动性能。不同于分段钢轴，一体化碳纤维增强聚合物（CFRP）汽车传动轴能跨越变速箱到差速器全距离（典型1000mm乘用车至3000mm商用车）提供所需性能。单根CFRP传动轴可替代钢传动轴及连接两段的法兰和中间轴承。作为统一组件，CFRP传动轴提升性能、减重、在高性能车中证明具成本竞争力。

但跨度不再是因素时CFRP仍可行？

输出轴即此情况，连接动力总成到车轮短距离（典型250-500mm）。探索量产车CFRP输出轴可行性，Dynexa（德国劳登巴赫）设计团队令人愉快且坦承地对结果惊讶。

Dynexa为丝缠绕传动轴公司、Avanco Group（德国黑尔福德）成员，作为与德国OEM预开发研究一部分承担CFRP输出轴设计演示。2014年起Dynexa向OEM供应CFRP传动轴，较分段钢轴和中间轴承减重40%，旋转质量减轻改善驾驶行为。

2006年以来Dynexa丝缠绕超10万根CFRP管材和轴用于汽车原型和量产应用。典型用Huntsman（美国德州伍德兰兹）或Hexion（美国俄亥俄哥伦布）环氧基体。与众多主流碳纤维供应商合作，含Teijin（日本千代田区）、Toray（日本东京）、SGL（德国威斯巴登）、Mitsubishi（日本东京）、Nippon Graphite Fiber Corp.（日本姬路）。（各应用按产品生产要求选纤维，最大化利用材料性能。）即使有此历史广度经验，Dynexa团队最初仍对CFRP输出轴存疑。

从质疑到演示

实心金属输出轴是量产车常态，Dynexa团队起初不确定CFRP替代能带来何价值。“不同于多部件金属传动轴，此处无法实现大幅减重，”Dynexa销售营销主管Matthias Bruckhoff注。

为何转CFRP输出轴？CFRP高性能潜在用于电动车，其输出轴承受异常高力。此外CFRP输出轴在电/燃油车均潜在有用，因所有汽车动力总成共有现象。“扭矩跳动”发生于低摩擦路面致前驱车高加速时轮胎周期性失去驱动面抓地力。“驾驶员听到前轴巨大周期性咔哒声、感座椅方向盘强振动，”宝马混合动力总成机制结构研究员Linda Senger解释。扭矩跳动高度依赖输出轴扭转刚度。

丝缠绕应用。 缠绕超10万CFRP管轴经验，Dynexa应用于输出轴新挑战。特别关注轴振动性能和扭转刚度。来源 | Dynexa

“开发重点是CFRP输出轴较同扭转刚度钢轴的更高扭转阻尼对扭矩跳动影响，”Senger续称。CFRP轴扭转阻尼是钢轴5-10倍，阻尼行为可按应用调节。

汽车设计师通常改零件振动特性以最小化噪振声（NVH）。“踩油门，”Dynexa产品开发主管Marcus Schwarz解释，“增大力和振动入系统致NVH。”Dynexa团队擅长优化CFRP部件振动特性。“通过设计纤维复合结构调整层结构，可实现期望频率影响运行中部件动力学，”Schwarz说。

CFRP与钢不同振动特性是Senger输出轴研究核心。测试CFRP振动阻尼是否减轻扭矩跳动强度，Senger提供CFRP输出轴设计参数。因在现有燃油车总成测试含变速箱连接和接头，CFRP轴需设计为金属轴直接替代。

Dynexa设计CFRP轴匹配金属轴静态扭转载荷达3000 N·m能力。关键是CFRP轴也须匹配金属轴低扭转刚度225 N·m/度。“燃油车输出轴低刚度必要因曲柄轴旋转不均匀性，”Senger解释。“扭转振动致动力总成及相邻部件振动；低刚度可减振降噪。”

用Senger团队指定参数设计优化得输出轴长350mm、直径80mm。实心钢轴直径小于中空管状CFRP轴，但有足够空间容纳更大CFRP轴。

轴设计关键在于如何连接动力总成中通常金属部件。“须知核算何种力、如何设计轴、如何处理金属、如何组装，”Schwarz说。金属输出轴通过轴与其他金属部件焊接连接传递扭矩。CFRP轴则用过盈配合，金属件插入CFRP管内。金属件外径略大于CFRP管内径，产生传递扭矩所需接头压力。无胶粘剂。Dynexa用外CFRP支撑环和内部专用过盈配合连接器支持CFRP-金属接头。Schwarz解释后者为Dynexa验证20年技术，通过接头压力产生摩擦和金属件微齿（锯齿）正锁紧组合传递扭矩。镀锌腐蚀通过CFRP管与金属件间间隙密封最小化。Dynexa过盈配合技术“兼顾轻量化设计与高扭转性能，静载和长期疲劳载荷下均适用，”Bruckhoff称。

对比钢输出轴总成，CFRP版轻20-30%。减重含更轻轴（虽增外支撑环重、非金属-金属接头一部分）和消除金属版所需振动吸收器。虽实际减重对燃油车价值不大，但对电动车或助增续航即使微小减重。

识别潜在价值

低扭转刚度CFRP轴测试最终演示扭转刚度对扭矩跳动减轻之重要。匹配钢轴低扭转刚度，原型CFRP输出轴未改善扭矩跳动性能，Senger报告。“驾驶测试显示装CFRP轴车辆扭矩跳动强度与装钢轴相同。”

研究表明，需低扭转刚度输出轴的燃油车，成功减轻扭矩跳动需修改管几何。“为实现进一步增值，需用更长CFRP管，”Bruckhoff总结。“减小外径也利于大批量车型引入复合材料标准件。”

扭转刚度定乾坤。 Matlab Simulink仿真显示高扭转刚度CFRP输出轴可消除扭矩跳动现象。模拟工况：前驱燃油车湿滑平坦路面静止加速。虽燃油车因其他驾驶性能需低扭转刚度，但电动车是CFRP输出轴进一步开发强候选。来源 | Linda Senger

电动车中，Senger认为CFRP输出轴成功关键在于CFRP能提供的高扭转刚度。“高刚度创造更直接车辆响应性，改善驾驶动态，”她说。电气化动力总成可用高扭转刚度轴，因无燃油车曲柄轴同样不均匀性。燃烧过程及曲柄轴受力产生不均匀性，电力不产生同类力。

更硬输出轴提高动力总成扭转固有频率（运行振动致部件共振放大振动的频率）。“高扭转刚度轴振动模式致受扭矩跳动激励所有部件承受更低载荷，”Senger指。仿真显示同等工况下高扭转刚度CFRP输出轴将消除低扭转刚度金属轴经历的扭矩跳动。

前行

反思输出轴工作至今，Bruckhoff说：“CFRP输出轴产品群在驾驶特性和舒适性创造新增值。与合作伙伴共同发掘这些优势，实现按需求和价格优化的产品。”

OEM未宣布更多潜在CFRP输出轴应用研究但似可能。对Dynexa团队，此预开发项目提供CFRP应用新洞见；车辆测试验证理论假设、持续提升设计能力。“重要的是持续推进并与OEM合作伙伴共同开发此产品群，”Bruckhoff坚持。“目标分步将成功开发转入量产应用。”