일체형 CFRP 드라이브샤프트, 자동차 시험장 테스트 통과

많은 4륜 구동 및 전륜 구동 차량에서 강철 드라이브샤프트는 필요한 토크와 진동 성능 특성을 제공하기 위해 분할됩니다. 이러한 분할 강철 제품과 달리, 일체형 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP) 자동차 드라이브샤프트는 변속기에서 디퍼렌셜까지 일반적으로 1,000mm(승용차)~3,000mm(상용차) 전 거리를 커버하며 필요한 성능을 제공할 수 있습니다. 단일 CFRP 드라이브샤프트는 강철 드라이브샤프트뿐만 아니라 두 세그먼트를 연결하는 플랜지와 중간 베어링도 대체할 수 있습니다. 통합 부품으로서 CFRP 드라이브샤프트는 성능을 향상시키고 무게를 줄이며 고성능 차량에서 비용 경쟁력이 입증되었습니다.

하지만 스팬이 더 이상 요인이 아닐 때 CFRP는 여전히 실행 가능한 옵션일까요?

이는 출력 샤프트의 경우로, 드라이브트레인에서 바퀴까지 짧은 거리(일반적으로 250~500mm)를 연결합니다. 양산 차량에서 CFRP 출력 샤프트의 타당성을 탐구하며, 다이나마(Dynexa, 독일 라우덴바흐) 설계 팀은 즐겁게, 그리고 인정하건대 놀라운 결과를 얻었습니다.

다이나마는 필라멘트 와인딩 및 드라이브라인 회사이자 아반코 그룹(Avanco Group, 독일 헤르포르트) 회원으로, 독일 OEM과 사전 개발 연구의 일환으로 CFRP 출력 샤프트 설계 및 시연을 수행했습니다. 2014년 다이나마는 분할 강철 샤프트와 중간 베어링 대비 40% 중량 감소를 달성한 CFRP 드라이브샤프트를 OEM에 공급하기 시작했습니다. 회전 질량 감소로 차량 주행 거동도 개선되었습니다.

2006년부터 다이나마는 자동차 프로토타입 및 양산 응용 분야를 위해 100,000개 이상의 CFRP 튜브와 샤프트를 필라멘트 와인딩했습니다. 회사는 일반적으로 헌츠맨(Huntsman, 미국 텍사스주 더 우드랜즈) 또는 헥시온(Hexion, 미국 오하이오주 콜럼버스) 공급 에폭시 매트릭스를 사용합니다. 다이나마는 테이진(Teijin, 일본 치요다구), 도레이(Toray, 일본 도쿄), SGL(독일 비스바덴), 미쓰비시(일본 도쿄), 닛폰 그라파이트 파이버(Nippon Graphite Fiber Corp., 일본 히메지) 등 주요 탄소섬유 공급업체들과 협력합니다. (각 응용 분야의 섬유는 제품 및 생산 요구사항에 따라 선택돼 소재 물성을 최적으로 활용합니다.) 이 역사와 폭넓은 경험에도 불구하고, 다이나마 팀은 처음에 CFRP 출력 샤프트 사용에 의문을 가졌습니다.

의심에서 시연으로

솔리드 금속 출력 샤프트가 오늘날 양산 차량의 표준이며, 처음에는 다이나마 팀이 CFRP 대안이 어떤 가치를 가져올지 확신하지 못했습니다. "다중 부품 금속 드라이브샤프트와 달리 여기서는 높은 중량 절감을 달성하지 못합니다."라고 다이나마 영업 및 마케팅 책임자 마티아스 브루크호프(Matthias Bruckhoff)는 말합니다.

왜 CFRP 출력 샤프트로 전환할까요? CFRP의 고성능은 출력 샤프트가 비정상적으로 높은 힘에 노출되는 전기차에서 잠재적으로 유용할 수 있습니다. 또한 모든 유형의 자동차 파워트레인에 공통적인 현상 때문에 전기차와 가스 차량 모두에서 CFRP 출력 샤프트가 유용할 수 있습니다. "파워 홉(power hop)"이라고 불리는 이 현상은 저마찰 노면에서 전륜 구동 차량의 타이어가 고엔진 가속 중 구동면과의 그립을 주기적으로 잃을 때 발생합니다. "운전자는 앞 차축의 시끄러운 주기적 덜거덕거림을 듣고 시트와 핸들에 강한 진동을 느낍니다."라고 BMW 하이브리드 파워트레인, 역학 및 구조 연구원 린다 센거(Linda Senger)는 설명합니다. 파워 홉 발생은 출력 샤프트와 그 비틀림 강성에 크게 의존합니다.

필라멘트 와인딩 적용. 자동차 프로토타입 및 양산 응용 분야를 위해 100,000개 이상의 CFRP 튜브와 샤프트를 필라멘트 와인딩한 경험을 새로운 출력 샤프트 응용 분야의 도전에 적용했습니다. 특히 샤프트의 진동 성능과 비틀림 강성이 관심사입니다. 출처 | 다이나마

"개발 초점은 강철 샤프트와 동일한 비틀림 강성을 가진 CFRP 출력 샤프트의 더 높은 비틀림 댐핑이 파워 홉에 미치는 영향이었습니다."라고 센거는 계속합니다. "CFRP 샤프트는 강철 샤프트의 5~10배 비틀림 댐핑을 가진 것으로 나타났습니다. 이 댐핑 행동은 응용 분야 요구사항에 맞게 조정 가능합니다."

일반적으로 자동차 설계자는 차량 부품의 진동 특성을 수정해 소음, 진동, 거칠기(NVH)를 최소화하려 합니다. "스로틀을 밟으면" 다이나마 제품 개발 책임자 마르쿠스 슈바르츠(Marcus Schwarz)는 설명합니다, "힘과 진동이 시스템으로 증가해 NVH를 유발합니다." 다이나마 팀은 CFRP 구성요소의 진동 특성 최적화에 경험이 있습니다. "섬유 복합재 구조를 설계하고 레이어 구조를 조정해 원하는 주파수를 달성하면 운행 중 부품 역학에 영향을 줄 수 있습니다."라고 슈바르츠는 말합니다.

CFRP와 강철의 서로 다른 진동 특성은 센거의 출력 샤프트 연구 핵심입니다. CFRP 진동 댐핑이 파워 홉 강도 감소에 도움이 되는지 테스트하기 위해 센거는 다이나마에 CFRP 출력 샤프트 설계 매개변수 세트를 제공했습니다. 테스트가 가스 차량용 기존 조립품(기어박스 연결 및 조인트 포함)에서 수행되므로 CFRP 샤프트는 금속 샤프트의 직접 교체품으로 설계되어야 했습니다.

다이나마는 CFRP 샤프트가 금속 샤프트의 정적 비틀림 하중 최대 3,000Nm 처리 능력과 일치하도록 설계했습니다. 중요하게, CFRP 샤프트는 금속 샤프트의 낮은 비틀림 강성 225Nm/도도 일치해야 했습니다. "가스 차량 출력 샤프트의 낮은 강성은 크랭크 샤프트의 회전 불균일성 때문에 필요합니다."라고 센거는 설명합니다. "비틀림 진동은 파워트레인과 인접 모든 구성요소에 진동을 일으키며, 낮은 강성으로 진동과 소음을 줄일 수 있습니다."

센거 팀이 지정한 매개변수를 사용한 설계 최적화 결과, 길이 350mm, 직경 80mm 출력 샤프트가 나왔습니다. 솔리드 강철 샤프트는 중공 관형 CFRP 샤프트보다 직경이 작지만, 더 큰 CFRP 샤프트를 수용할 충분한 공간이 있습니다.

샤프트 설계에서 또한 중요한 것은 드라이브트레인의 다른(보통 금속) 구성요소와 어떻게 연결되는가입니다. "어떤 힘을 고려해야 하는지, 샤프트를 어떻게 설계할지, 금속을 어떻게 준비할지, 어떻게 조립할지 알아야 합니다."라고 슈바르츠는 말합니다. 금속 출력 샤프트는 샤프트와 다른 금속 구성요소 간 용접 연결로 토크를 전달합니다. CFRP 샤프트의 경우, 금속 부품을 CFRP 튜브에 삽입하는 프레스 핏 조인트로 연결합니다. 금속 부품 외경이 CFRP 튜브 내경보다 약간 커 토크 전달에 필요한 조인트 압력을 생성합니다. 접착제는 사용되지 않습니다. 다이나마는 외부 CFRP 서포트 링과 특수 설계된 내부 프레스 핏 커넥터로 CFRP-금속 조인트를 지지합니다. 슈바르츠는 후자가 20년간 검증된 다이나마 기술로, 조인트 압력에 의한 마찰과 금속 부품의 마이크로 티스(serration)에 의한 정적 잠금 조합으로 토크를 전달한다고 설명합니다. 갈바닉 부식은 CFRP 튜브와 금속 부품 간 갭 실로 최소화됩니다. 다이나마의 프레스 핏 기술은 "경량 설계와 높은 비틀림 성능을 정적 하중 하에서뿐만 아니라 장기간 피로 하중 하에서도 결합합니다."라고 브루크호프는 말합니다.

강철 출력 샤프트 어셈블리와 비교해 CFRP 버전은 20~30% 더 가볍습니다. 중량 절감에는 더 가벼운 샤프트(외부 서포트 링 추가 중량 포함, 금속-금속 조인트에는 없는 부분)와 금속 버전에 필요한 진동 흡수기 제거가 포함됩니다. 실제 중량 절감은 가스 차량에서 큰 가치는 아니지만, 작은 중량 감소로도 더 긴 주행 거리를 달성할 수 있는 전기차에서는 도움이 될 수 있습니다.

잠재적 가치 확인

낮은 비틀림 강성의 CFRP 샤프트 테스트는 결국 비틀림 강성이 파워 홉 감소에 얼마나 중요한지 보여주었습니다. 강철 샤프트의 낮은 비틀림 강성을 맞춘 프로토타입 CFRP 출력 샤프트는 파워 홉 성능을 개선하지 못했다고 센거는 보고합니다. "주행 테스트 결과, CFRP 샤프트 장착 시 차량의 파워 홉 강도가 강철 샤프트 장착 시와 동일했습니다."

이 연구는 가스 차량이 출력 샤프트에 낮은 비틀림 강성을 필요로 하는 경우, 파워 홉 성공적 감소를 위해 튜브 기하학 수정이 필요함을 시사합니다. "추가 가치를 달성하려면 더 긴 CFRP 튜브 사용이 필요합니다."라고 브루크호프는 결론짓습니다. "외경 감소도 복합재 표준 부품으로 대량 양산 차량 진입에 바람직합니다."

비틀림 강성이 차이를 만듭니다. Matlab Simulink 시뮬레이션에 따르면 높은 비틀림 강성의 CFRP 출력 샤프트는 파워 홉 현상을 제거할 수 있습니다. 시뮬레이션된 주행 기동은 정지 상태에서 젖은 평탄한 노면에서 전륜 구동 가스 차량 가속입니다. 가스 차량은 다른 주행 성능 이슈로 낮은 비틀림 강성이 더 나을 수 있지만, 전기차는 CFRP 출력 샤프트 추가 개발의 강력한 후보입니다.

전기차에서 센거는 CFRP 출력 샤프트 성공의 열쇠는 CFRP가 제공할 수 있는 높은 비틀림 강성이라고 믿습니다. "높은 강성은 차량의 더 직접적인 반응성을 만들어 주행 역학을 개선합니다."라고 그녀는 말합니다. 전기 파워트레인은 가스 차량의 크랭크 샤프트에서 발견되는 같은 불균일성을 경험하지 않으므로 높은 비틀림 강성의 샤프트를 사용할 수 있습니다. 가스 엔진의 연소 과정과 그로 인한 크랭크 샤프트 힘이 불균일성을 만들며, 전력은 이러한 힘을 생성하지 않습니다.

더 강한 출력 샤프트는 파워트레인의 비틀림 고유 주파수(작동 진동이 구성요소를 공명시켜 그 진동을 증폭시키는 주파수)를 증가시킵니다. "높은 비틀림 강성 샤프트의 진동 모드는 파워 홉 현상에 의해 여기되는 모든 구성요소에 훨씬 낮은 하중을 유발합니다."라고 센거는 지적합니다. 시뮬레이션에 따르면, 동일한 주행 조건에서 높은 비틀림 강성의 CFRP 출력 샤프트는 낮은 비틀림 강성의 금속 샤프트가 경험하는 파워 홉을 제거합니다.

앞으로 나아가기

지금까지의 출력 샤프트 작업을 되돌아보며 브루크호프는 "CFRP 출력 샤프트 제품군은 주행 특성과 편안함 측면에서 새로운 부가가치를 창출합니다. 파트너들과 함께 이 장점들을 구체화하고 요구사항과 가격에 최적화된 제품을 실현할 것입니다."라고 말합니다.

잠재적 CFRP 출력 샤프트 응용 분야에 대한 추가 연구는 아직 OEM에서 발표되지 않았지만 가능성이 있어 보입니다. 다이나마 팀에게 이 사전 개발 프로젝트는 CFRP 응용 분야에 대한 새로운 통찰을 제공했습니다. 특히 차량 테스트가 이론적 가정을 검증하고 설계 역량을 지속적으로 개선합니다. "성공적인 개발을 단계적으로 양산 적용으로 이전하기 위해 계속 이 제품군을 OEM 파트너들과 함께 개발하는 것이 중요합니다."라고 브루크호프는 말합니다. "우리의 목표는 성공적인 개발을 단계적으로 양산 적용으로 이전하는 것입니다."