자동차 성능 시험장을 위해 준비된 복합 출력 샤프트

많은 4륜 구동 및 4륜 구동 차량에서 강철 구동축은 필요한 토크 및 진동 성능 특성을 제공하기 위해 분할됩니다. 이러한 세그먼트화된 강철 부품과 달리 일체형 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 자동차 구동축은 변속기에서 차동 장치까지의 전체 거리(일반적으로 1,000밀리미터(승용차)에서 3,000밀리미터)에 걸쳐 필요한 성능을 제공할 수 있습니다. 상업용 차량). 따라서 단일 CFRP 구동축은 강철 구동축뿐만 아니라 두 세그먼트를 연결하는 플랜지와 중간 베어링도 대체할 수 있습니다. 통합 구성 요소인 CFRP 구동축은 성능을 향상시키고 무게를 줄이며 고성능 차량에서 비용 경쟁력이 있는 것으로 입증되었습니다.

하지만 스팬이 더 이상 요소가 아닌 경우에도 CFRP가 여전히 실행 가능한 옵션입니까?

이것은 구동계에서 바퀴까지 짧은 거리(일반적으로 250~500mm)를 연결하는 출력 샤프트의 경우입니다. Dynexa(독일 라우덴바흐 소재)의 설계 팀은 생산 차량의 CFRP 출력 샤프트에 적용할 수 있는지 여부를 조사한 결과 결과에 매우 놀랐습니다.

필라멘트 와인딩 및 드라이브라인 회사이자 Avanco Group(독일 Herford 소재)의 일원인 Dynexa는 독일 OEM과 함께 수행한 사전 개발 연구의 일환으로 CFRP 출력 샤프트의 설계 및 시연을 착수했습니다. 2014년에 Dynexa는 세그먼트 강철 샤프트 및 중간 베어링에 비해 40% 무게 감소를 달성한 CFRP 드라이브 샤프트를 OEM에 공급하기 시작했습니다. 이에 수반되는 회전 질량 감소는 차량의 주행 동작도 개선했습니다.

2006년부터 Dynexa는 자동차 프로토타입 및 연속 생산 애플리케이션을 위해 필라멘트로 감긴 100,000개 이상의 CFRP 튜브 및 샤프트를 보유하고 있습니다. 이 회사는 일반적으로 Huntsman(미국 텍사스주 우드랜즈) 또는 Hexion(미국 오하이오주 콜럼버스)에서 공급하는 에폭시 매트릭스를 사용합니다. Dynexa는 Teijin(일본 치요다구), Toray(일본 도쿄), SGL(독일 Wiesbaden), Mitsubishi(일본 도쿄), Nippon Graphite Fiber Corp.(일본 히메지) 등 주요 탄소 섬유 공급업체와 협력하고 있습니다. ). (각 용도의 섬유는 제품 및 생산 요구 사항에 따라 선택되어 재료 특성을 최대한 활용합니다.) 그러나 이러한 역사와 경험의 폭에도 불구하고 Dynexa 팀은 처음에 출력 샤프트에 CFRP를 사용하는 것에 대해 의구심을 품었습니다.

의심에서 데모로

견고한 금속 출력 샤프트는 오늘날 생산 차량의 표준이며 Dynexa 팀은 처음에 CFRP 대안이 어떤 가치를 가져올지 확신하지 못했습니다. Dynexa의 영업 및 마케팅 책임자인 Matthias Bruckhoff는 "여러 부품으로 구성된 금속 구동축과 달리 여기서는 높은 중량 감소를 달성하지 못할 것입니다."라고 말합니다.

왜 CFRP 출력 샤프트로 전환합니까? CFRP의 고성능은 출력 샤프트가 비정상적으로 높은 힘을 받는 전기 자동차에 잠재적으로 유용할 수 있습니다. 또한 CFRP 출력 샤프트는 모든 유형의 자동차 파워트레인에 공통적인 현상으로 인해 전기 및 가스 구동 차량 모두에 유용할 수 있습니다. 파워 홉(power hop)이라고 불리는 이 현상은 마찰이 적은 노면으로 인해 전륜구동 차량의 타이어가 높은 엔진 가속 시 주기적으로 주행면에서 접지력을 잃을 때 발생합니다. BMW의 하이브리드 파워트레인, 역학 및 구조 연구 책임자인 Linda Senger는 "운전자는 앞 차축의 크고 주기적으로 덜거덕거리는 소리를 듣고 시트와 스티어링 휠에서 강한 진동을 느낍니다."라고 설명합니다. 파워 홉 발생은 출력 샤프트와 비틀림 강성에 크게 의존합니다.

필라멘트 와인딩 애플리케이션. 자동차 프로토타입 및 연속 생산 애플리케이션을 위해 필라멘트로 감긴 100,000개 이상의 CFRP 튜브와 샤프트를 보유한 Dynexa는 이 경험을 출력 샤프트 애플리케이션이 제시한 새로운 과제에 적용했습니다. 특히 흥미로운 것은 샤프트의 진동 성능과 비틀림 강성입니다. 출처 | 다이넥사

"개발의 초점은 동일한 비틀림 강성을 가진 강철 샤프트와 비교하여 CFRP 출력 샤프트의 더 높은 비틀림 감쇠가 파워 홉에 미치는 영향이었습니다."라고 Senger는 계속합니다. CFRP 샤프트는 강철 샤프트의 비틀림 감쇠가 5~10배인 것으로 나타났습니다. 이 감쇠 동작은 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 조정할 수 있습니다.”

일반적으로 자동차 설계자는 NVH(잡음, 진동 및 거칠기)를 최소화하기 위해 차량 구성 요소의 진동 특성을 수정하려고 합니다. Dynexa의 제품 개발 책임자인 Marcus Schwarz는 "스로틀을 밀면 시스템에 힘과 진동이 증가하여 NVH가 발생합니다."라고 설명합니다. Dynexa의 팀은 CFRP 구성 요소의 진동 특성을 최적화하는 데 경험이 있습니다. Schwarz는 "섬유 복합 구조를 설계하고 레이어 구조를 조정하여 원하는 주파수를 달성하여 부품의 역학에 영향을 줄 수 있습니다"라고 말합니다.

CFRP와 강철의 서로 다른 진동 특성은 Senger의 출력 샤프트 연구의 핵심입니다. CFRP 진동 감쇠가 파워 홉 강도를 줄이는 데 도움이 되는지 테스트하기 위해 Senger는 Dynexa에 CFRP 출력 샤프트에 대한 설계 매개변수 세트를 제공했습니다. 테스트는 기어박스 연결 및 조인트를 포함하여 가스 구동 차량용 기존 어셈블리에 대해 수행되기 때문에 CFRP 샤프트는 금속 샤프트를 직접 교체할 수 있도록 설계해야 했습니다.

Dynexa는 최대 3,000뉴턴 미터의 정적 비틀림 하중을 처리할 수 있는 금속 샤프트의 기능과 일치하도록 CFRP 샤프트를 설계했습니다. 중요하게도 CFRP 샤프트는 1도당 225뉴턴 미터라는 금속 샤프트의 낮은 비틀림 강성과 일치해야 했습니다. "크랭크 샤프트의 회전 불균일함 때문에 가솔린 차량에서 출력 샤프트의 낮은 강성이 필요합니다."라고 Senger는 설명합니다. “비틀림 진동은 파워트레인과 모든 인접 부품의 진동을 유발합니다. 낮은 강성으로 진동과 소음을 줄일 수 있습니다.”

Senger의 팀이 지정한 매개변수를 사용하여 설계를 최적화한 결과 길이 350mm, 직경 80mm의 출력 샤프트가 생성되었습니다. 중실의 강철 샤프트는 중공 관형 CFRP 샤프트보다 직경이 작지만 더 큰 CFRP 샤프트를 수용할 수 있는 충분한 공간이 있습니다.

또한 샤프트 설계에서 중요한 것은 드라이브 트레인의 다른 구성 요소(일반적으로 금속)에 연결하는 방법입니다. Schwarz는 "어떤 힘을 설명해야 하는지, 샤프트를 설계하는 방법, 금속을 준비하는 방법, 조립하는 방법을 알아야 합니다."라고 말합니다. 금속 출력 샤프트는 샤프트와 다른 금속 부품 사이의 용접 연결을 통해 토크를 전달합니다. 반면에 CFRP 샤프트는 금속 부품이 CFRP 튜브에 삽입되는 압입 조인트로 연결됩니다. 금속 부품의 외경은 CFRP 튜브의 내경보다 약간 커서 토크 전달에 필요한 조인트 압력을 생성합니다. 접착제는 사용하지 않습니다. Dynexa는 외부 CFRP 지지 링과 내부 특수 설계된 압입 커넥터로 CFRP-금속 조인트를 지원합니다. Schwarz는 20년 이상 입증된 Dynexa 기술인 후자가 조인트 압력에 의해 생성된 마찰과 금속 부품의 미세 톱니(세레이션)에 의해 생성된 포지티브 잠금의 조합을 통해 토크 전달을 제공한다고 설명합니다. 갈바닉 부식은 CFRP 튜브와 금속 부품 사이의 갭 씰을 통해 최소화됩니다. Dynexa의 압입 기술은 "정하중 및 피로 하중 하에서 장기간에 걸쳐 높은 비틀림 성능과 경량 설계를 결합합니다."라고 Bruckhoff는 말합니다.

강철 출력 샤프트 어셈블리와 비교하여 CFRP 버전은 20%에서 30% 더 가볍습니다. 무게 감소에는 더 가벼운 샤프트(금속 대 금속 조인트의 일부가 아닌 외부 지지 링의 추가된 무게에도 불구하고)와 금속 버전에 필요한 진동 흡수 장치의 제거가 포함됩니다. 실제 무게 감소는 휘발유 차량의 경우 큰 가치가 없지만 약간의 무게 감소로도 더 넓은 주행 거리를 달성할 수 있는 전기 자동차에서는 도움이 될 수 있습니다.

잠재적 가치 파악

비틀림 강성이 낮은 CFRP 샤프트의 테스트는 결국 비틀림 강성이 파워 홉 감소에 얼마나 중요한지를 보여주었습니다. 강철 샤프트의 낮은 비틀림 강성과 일치하는 프로토타입 CFRP 출력 샤프트는 파워 홉 성능을 향상시키지 못했다고 Senger는 보고합니다. "주행 테스트에서 차량의 파워 홉은 강철 샤프트가 설치된 경우와 CFRP 샤프트에서 동일한 강도를 나타냅니다."

이 연구는 출력 샤프트에서 더 낮은 비틀림 강성을 필요로 하는 가스 동력 차량의 경우 동력 도약을 성공적으로 줄이려면 튜브 형상을 수정해야 한다고 제안합니다. Bruckhoff는 "추가 부가가치를 달성하려면 더 긴 CFRP 튜브를 사용해야 합니다."라고 결론지었습니다. "외경의 감소는 복합 표준 구성 요소를 사용하는 대형 시리즈 차량에 진입하는 데에도 바람직합니다."

비틀림 강성이 차이를 만듭니다. Matlab Simulink를 사용한 시뮬레이션은 비틀림 강성이 높은 CFRP 출력 샤프트가 파워 홉 현상을 제거할 수 있음을 시사합니다. 시뮬레이션된 운전 기동은 젖고 평평한 노면에서 정지 상태에서 앞바퀴 굴림, 가스 구동 차량의 가속입니다. 휘발유 차량은 다른 주행 성능 문제에 대한 낮은 비틀림 강성으로 더 잘 작동할 수 있지만 전기 차량은 CFRP 출력 샤프트의 추가 개발을 위한 강력한 후보입니다. 출처 | 린다 센저

그러나 전기 자동차에서 Senger는 CFRP 출력 샤프트의 성공 비결은 CFRP가 제공할 수 있는 높은 비틀림 강성이라고 믿습니다. "높은 강성은 차량의 보다 직접적인 반응성을 생성하여 드라이빙 다이내믹스를 향상시킵니다."라고 그녀는 말합니다. 전동 파워트레인은 비틀림 강성이 높은 샤프트를 사용할 수 있는데, 이는 휘발유 차량에서 볼 수 있는 크랭크 샤프트와 동일한 불균일성을 경험하지 않기 때문입니다. 불균일성을 만드는 것은 가스 엔진의 연소 과정과 그에 따른 크랭크 샤프트의 힘이며, 전력은 이와 같은 힘을 생성하지 않습니다.

더 단단한 출력 샤프트는 파워트레인의 비틀림 고유 주파수(작동 진동으로 인해 구성 요소가 공명하고 해당 진동을 증폭시키는 주파수)가 증가합니다. "비틀림 강성이 높은 샤프트의 진동 모드는 파워 홉 현상에 의해 여기되는 모든 구성 요소에 훨씬 더 낮은 부하를 유발합니다."라고 Senger가 지적합니다. 시뮬레이션에 따르면 동일한 주행 조건에서 높은 비틀림 강성을 가진 CFRP 출력 샤프트는 낮은 비틀림 강성을 가진 금속 샤프트에서 경험하는 파워 홉을 제거합니다.

앞으로

Bruckhoff는 지금까지의 출력 샤프트 작업을 반영하여 "CFRP 출력 샤프트 제품군은 주행 특성과 편안함 측면에서 새로운 부가가치를 창출합니다. 파트너와 함께 이러한 이점을 해결하고 요구 사항 및 가격 측면에서 최적화된 제품을 실현할 것입니다.”

잠재적인 CFRP 출력 샤프트 애플리케이션에 대한 더 많은 연구는 아직 OEM에서 발표하지 않았지만 가능성이 있는 것 같습니다. Dynexa 팀의 경우 이 사전 개발 프로젝트는 CFRP 애플리케이션에 대한 새로운 통찰력을 제공했습니다. 특히 차량 테스트는 이론적 가정을 검증하고 설계 능력을 지속적으로 개선합니다. Bruckhoff는 "이를 유지하고 OEM 파트너와 함께 이 제품 그룹을 계속 개발하는 것이 중요합니다."라고 말합니다. "우리의 목표는 성공적인 개발을 단계별로 시리즈 응용 프로그램으로 전송하는 것입니다."