Eje de salida compuesto listo para el campo de pruebas automotrices

En muchos vehículos con tracción en las cuatro ruedas y tracción total, los ejes de transmisión de acero están segmentados para proporcionar el par necesario y las características de rendimiento vibratorio. A diferencia de estas contrapartes de acero segmentado, un eje de transmisión automotriz de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) de una sola pieza puede proporcionar el rendimiento requerido ya que abarca la distancia completa desde la transmisión hasta el diferencial, generalmente entre 1,000 milímetros (automóviles de pasajeros) y 3,000 milímetros ( vehículos comerciales). Por lo tanto, un solo eje de transmisión de CFRP puede reemplazar no solo el eje de transmisión de acero, sino también las bridas y los cojinetes intermedios que unen los dos segmentos. Como componente unificado, el eje de transmisión de CFRP mejora el rendimiento, aporta menos peso y ha demostrado ser rentable en vehículos de alto rendimiento.

Pero, ¿el CFRP sigue siendo una opción viable cuando la amplitud ya no es un factor?

Este es el caso cuando se trata de ejes de salida, que conectan la corta distancia (típicamente de 250 a 500 milímetros) desde el tren motriz a las ruedas. Al explorar si se podía argumentar a favor de los ejes de salida de CFRP en los vehículos de producción, el equipo de diseño de Dynexa (Laudenbach, Alemania) quedó gratamente, y es cierto, sorprendido por los resultados.

Dynexa, una empresa de línea de transmisión y bobinado de filamentos y miembro del Grupo Avanco (Herford, Alemania), llevó a cabo el diseño y la demostración de un eje de salida de CFRP como parte de un estudio previo al desarrollo realizado con un OEM alemán. En 2014, Dynexa comenzó a suministrar al OEM ejes de transmisión de CFRP que lograron una reducción de peso del 40% en comparación con un eje de acero segmentado y rodamientos intermedios. La consiguiente reducción de la masa giratoria también mejoró el comportamiento de conducción del vehículo.

Desde 2006, Dynexa ha enrollado con filamento más de 100,000 tubos y ejes de CFRP para prototipos automotrices y aplicaciones de producción en serie. La empresa normalmente emplea una matriz epoxi suministrada por Huntsman (The Woodlands, Texas, EE. UU.) O Hexion (Columbus, Ohio, EE. UU.). Dynexa trabaja con muchos de los principales proveedores de fibra de carbono, incluidos Teijin (Chiyoda-ku, Japón), Toray (Tokio, Japón), SGL (Wiesbaden, Alemania), Mitsubishi (Tokio, Japón) y Nippon Graphite Fiber Corp. (Himeji, Japón). ). (La fibra para cada aplicación se selecciona de acuerdo con los requisitos del producto y la producción, haciendo el mejor uso de las propiedades del material). Sin embargo, incluso con esta historia y amplia experiencia, el equipo de Dynexa inicialmente albergaba dudas sobre el uso de CFRP para ejes de salida.

De la duda a la demostración

Un eje de salida de metal sólido es la norma hoy en día en los vehículos de producción y, al principio, el equipo de Dynexa no estaba seguro del valor que podría aportar una alternativa de CFRP. “A diferencia de los ejes de transmisión de metal de varias piezas, aquí no obtendríamos grandes ahorros de peso”, señala Matthias Bruckhoff, director de ventas y marketing de Dynexa.

¿Por qué cambiar a ejes de salida de CFRP? El alto rendimiento de CFRP podría ser potencialmente útil en vehículos eléctricos, en los que los ejes de salida están sujetos a fuerzas inusualmente altas. Además, el eje de salida de CFRP también puede resultar útil en vehículos eléctricos y de gasolina debido a un fenómeno común a todos los tipos de sistemas de propulsión de automóviles. Este fenómeno, denominado "salto de potencia", se produce cuando las superficies de las carreteras de baja fricción hacen que los neumáticos de los vehículos con tracción delantera pierdan adherencia cíclicamente con la superficie de conducción durante una aceleración alta del motor. “El conductor escucha un traqueteo fuerte y cíclico del eje delantero y siente una fuerte vibración en el asiento y el volante”, explica Linda Senger, investigación de BMW sobre tren motriz híbrido, mecánica y estructura. La ocurrencia de salto de potencia depende en gran medida del eje de salida y su rigidez torsional.

Aplicación de bobinado de filamentos. Con más de 100.000 tubos CFRP enrollados en filamento y ejes para aplicaciones de producción en serie y prototipos de automóviles, Dynexa aplicó esta experiencia a los nuevos desafíos que presentaba la aplicación del eje de salida. De particular interés son el comportamiento vibratorio y la rigidez a la torsión de los ejes. Fuente | Dynexa

“El enfoque del desarrollo fue la influencia en el salto de potencia de una mayor amortiguación torsional en los ejes de salida de CFRP en comparación con los ejes de acero con la misma rigidez torsional”, continúa Senger. Se ha demostrado que los ejes de CFRP poseen entre cinco y diez veces la amortiguación de torsión de los ejes de acero. Este comportamiento de amortiguación se puede ajustar a los requisitos de la aplicación ”.

Generalmente, los diseñadores de automóviles buscan modificar las características de vibración de los componentes del vehículo para minimizar el ruido, la vibración y la dureza (NVH). "Cuando presionas el acelerador", explica Marcus Schwarz, jefe de desarrollo de productos de Dynexa, "aumenta la fuerza y ​​la vibración en el sistema, lo que provoca NVH". El equipo de Dynexa tiene experiencia en optimizar las características vibratorias de los componentes de CFRP. “Al diseñar la estructura del compuesto de fibra y ajustar la estructura de la capa, se puede lograr una frecuencia deseada para influir en la dinámica de la pieza durante la ejecución”, dice Schwarz.

Las diferentes características vibratorias del CFRP y el acero son fundamentales para el estudio del eje de salida de Senger. Para probar si la amortiguación de vibraciones de CFRP ayudaría a reducir la intensidad del salto de potencia, Senger proporcionó a Dynexa un conjunto de parámetros de diseño para el eje de salida de CFRP. Debido a que la prueba se llevaría a cabo en un ensamblaje existente para un vehículo a gasolina, incluida la conexión y las juntas de la caja de cambios, el eje de CFRP debía diseñarse como un reemplazo directo del eje de metal.

Dynexa diseñó el eje de CFRP para adaptarse a la capacidad del eje de metal para manejar una carga de torsión estática de hasta 3000 Newton-metros. Es importante destacar que el eje de CFRP también tenía que coincidir con la baja rigidez a la torsión del eje de metal de 225 Newton-metros por grado. “La baja rigidez de los ejes de salida en los vehículos a gasolina es necesaria debido a la falta de uniformidad de rotación del cigüeñal”, explica Senger. “Las vibraciones de torsión provocan una vibración del tren motriz y todos los componentes adyacentes; con una rigidez baja, puede reducir la vibración y el ruido ”.

La optimización del diseño utilizando los parámetros que el equipo de Senger especificó dio como resultado un eje de salida de 350 milímetros de largo con un diámetro de 80 milímetros. El eje de acero, que es sólido, tiene un diámetro más pequeño que el eje tubular hueco de CFRP, pero hay suficiente espacio disponible para acomodar el eje de CFRP más grande.

También es fundamental para el diseño del eje cómo se conecta a otros componentes, generalmente metálicos, en el tren de transmisión. “Necesita saber qué fuerzas tener en cuenta, cómo diseñar el eje, cómo preparar el metal y cómo ensamblarlo”, dice Schwarz. Un eje de salida de metal transmite el par a través de una conexión soldada entre el eje y otros componentes metálicos. Con el eje de CFRP, por otro lado, la conexión se realiza con una junta a presión, en la que se inserta una pieza de metal en el tubo de CFRP. El diámetro exterior de la pieza metálica es un poco más grande que el diámetro interior del tubo de CFRP, lo que genera la presión de unión necesaria para la transmisión del par. No se utiliza adhesivo. Dynexa soporta su junta de CFRP a metal con anillos de soporte externos de CFRP y un conector interno de ajuste a presión especialmente diseñado. Schwarz explica que esta última, una tecnología de Dynexa probada durante 20 años, proporciona transmisión de par a través de una combinación de la fricción generada por la presión de la junta y el bloqueo positivo creado por microdentados (dentado) en la pieza metálica. La corrosión galvánica se minimiza mediante un sello de espacio entre el tubo de CFRP y la parte metálica. La tecnología de ajuste a presión de Dynexa "combina un diseño liviano con un alto rendimiento de torsión, tanto bajo cargas estáticas como durante largos períodos de tiempo bajo cargas de fatiga", afirma Bruckhoff.

En comparación con el conjunto del eje de salida de acero, la versión CFRP es entre un 20% y un 30% más ligera. El ahorro de peso incluye tanto el eje más ligero (a pesar del peso añadido de los anillos de soporte exteriores, que no forman parte de la junta metal-metal) como la eliminación de los amortiguadores de vibraciones necesarios para la versión metálica. Aunque el ahorro de peso real no tiene un valor significativo para los vehículos a gasolina, podría ser útil en los vehículos eléctricos, que pueden lograr una mayor autonomía de conducción incluso con pequeñas reducciones de peso.

Identificación del valor potencial

Las pruebas del eje de CFRP con baja rigidez a la torsión terminaron demostrando cuán importante es la rigidez a la torsión para la reducción del salto de potencia. Al igualar la rigidez torsional más baja del eje de acero, el eje de salida de CFRP prototipo no mejoró el rendimiento del salto de potencia, informa Senger. "Las pruebas de manejo muestran que el salto de potencia del vehículo tiene la misma intensidad con los ejes de CFRP que cuando se instalan los ejes de acero".

El estudio sugiere que, para los vehículos propulsados ​​por gas que necesitan menor rigidez torsional en el eje de salida, la reducción exitosa del salto de potencia requeriría modificaciones en la geometría del tubo. “Para lograr un valor agregado adicional, es necesario el uso de un tubo de CFRP más largo”, concluye Bruckhoff. “La reducción del diámetro exterior también es deseable para la entrada en vehículos de grandes series con componentes estándar compuestos”.

La rigidez torsional marca la diferencia. Una simulación que utiliza Matlab Simulink sugiere que un eje de salida de CFRP con alta rigidez torsional puede eliminar el fenómeno de salto de potencia. La maniobra de conducción simulada es la aceleración de un vehículo de gasolina con tracción delantera desde un punto muerto sobre una superficie de carretera húmeda y uniforme. Aunque los vehículos a gasolina pueden beneficiarse mejor con una rigidez torsional más baja para otros problemas de rendimiento de conducción, los vehículos eléctricos son buenos candidatos para un mayor desarrollo del eje de salida de CFRP. Fuente | Linda Senger

En los coches eléctricos, sin embargo, Senger cree que la clave del éxito de los ejes de salida de CFRP es la alta rigidez a la torsión que el CFRP puede proporcionar. "La alta rigidez crea una capacidad de respuesta más directa del vehículo y, por lo tanto, mejora la dinámica de conducción", dice. Los trenes de potencia electrificados pueden emplear ejes con alta rigidez a la torsión porque no experimentan la misma falta de uniformidad del cigüeñal que se encuentra en los vehículos a gasolina. Es el proceso de combustión del motor de gas y las fuerzas resultantes en el cigüeñal lo que crea la falta de uniformidad, y la energía eléctrica no genera estas mismas fuerzas.

Un eje de salida más rígido aumenta la frecuencia natural de torsión del tren motriz (la frecuencia a la que una vibración operativa hace que el componente resuene y amplifique esa vibración). “El modo de vibración de un eje con alta rigidez a la torsión provoca cargas mucho más bajas en todos los componentes que están excitados por el fenómeno del salto de potencia”, señala Senger. Una simulación ha demostrado que, en las mismas condiciones de conducción, un eje de salida de CFRP con alta rigidez a la torsión eliminará el salto de potencia experimentado por un eje de metal con baja rigidez a la torsión.

Avanzando

Reflexionando sobre el trabajo del eje de salida hasta ahora, Bruckhoff dice:“El grupo de productos de eje de salida de CFRP crea un nuevo valor agregado en términos de características de conducción y comodidad. Junto con nuestros socios, trabajaremos en estas ventajas y realizaremos un producto optimizado en términos de requisitos y precio ”.

El OEM aún no ha anunciado más estudios de posibles aplicaciones del eje de salida de CFRP, pero parece probable. En cuanto al equipo de Dynexa, este proyecto de desarrollo previo ha proporcionado nuevos conocimientos sobre las aplicaciones de CFRP; en particular, las pruebas de vehículos validan los supuestos teóricos y mejoran continuamente la competencia en el diseño. “Es importante que sigamos y sigamos desarrollando este grupo de productos junto con nuestros socios OEM”, sostiene Bruckhoff. "Nuestro objetivo es transferir los desarrollos exitosos paso a paso a una aplicación en serie".