Eje de transmisión CFRP monobloque pasa tests en pista de pruebas automotriz

En muchos vehículos de tracción total y a las cuatro ruedas, los ejes de transmisión de acero son segmentados para proporcionar características necesarias de par y rendimiento vibratorio. A diferencia de estos homólogos de acero segmentados, un eje de transmisión monobloque de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) puede proporcionar el rendimiento requerido al cubrir la distancia completa desde transmisión a diferencial, típicamente entre 1.000 mm (turismos) y 3.000 mm (vehículos comerciales). Un solo eje CFRP puede reemplazar no solo el eje de acero, sino también bridas y cojinetes intermedios que unen los dos segmentos. Como componente unificado, el eje CFRP mejora rendimiento, aporta menos peso y ha demostrado ser competitivo en coste en vehículos de alto rendimiento.

Pero, ¿sigue siendo CFRP opción viable cuando el vano ya no es factor?

Este es el caso de ejes de salida, que conectan la corta distancia (típicamente 250-500 mm) desde el tren motriz a las ruedas. Explorando si podía hacerse caso para ejes de salida CFRP en vehículos de producción, el equipo de diseño de Dynexa (Laudenbach, Alemania) se sorprendió gratamente —y admitidamente— por los resultados.

Dynexa, empresa de bobinado de filamento y transmisión y miembro del Grupo Avanco (Herford, Alemania), emprendió diseño y demostración de eje de salida CFRP como parte de estudio de pre-desarrollo con OEM alemán. En 2014, Dynexa comenzó suministrando al OEM ejes de transmisión CFRP que lograban 40% reducción de peso vs eje de acero segmentado y cojinetes intermedios. La reducción acompañante de masa rotante también mejoró comportamiento de conducción del vehículo.

De la duda a la demostración

Un eje de salida macizo metálico es la norma hoy en vehículos de producción, y al principio el equipo de Dynexa no estaba seguro de qué valor podría aportar alternativa CFRP. “En contraste con ejes de transmisión multi-pieza metálicos, no lograríamos grandes ahorros de peso aquí”, señala Matthias Bruckhoff, jefe de ventas y marketing de Dynexa.

¿Por qué cambiar a ejes de salida CFRP? El alto rendimiento de CFRP podría ser potencialmente útil en vehículos eléctricos, donde ejes de salida están sujetos a fuerzas inusualmente altas. Además, el eje de salida CFRP también puede ser útil en vehículos eléctricos y de gasolina por fenómeno común a todos los tipos de trenes motrices. Llamado “power hop” (salto de potencia), ocurre cuando superficies de baja fricción causan que neumáticos en vehículos de tracción delantera pierdan cíclicamente agarre con superficie de rodadura durante alta aceleración del motor. “El conductor oye un fuerte traqueteo cíclico del eje delantero y siente fuerte vibración en asiento y volante”, explica Linda Senger, investigación BMW de tren híbrido, mecánica y estructura. La ocurrencia de power hop depende altamente del eje de salida y su rigidez torsional.

“El foco del desarrollo fue la influencia en power hop de mayor amortiguamiento torsional en ejes de salida CFRP vs ejes de acero con misma rigidez torsional”, continúa Senger. Los ejes CFRP han mostrado poseer 5-10 veces el amortiguamiento torsional de ejes de acero. Este comportamiento de amortiguamiento es ajustable a requisitos de aplicación.

Generalmente, diseñadores automotrices buscan modificar características vibratorias de componentes para minimizar ruido, vibración y dureza (NVH). “Cuando pisas el acelerador”, explica Marcus Schwarz, jefe de desarrollo de producto en Dynexa, “aumenta fuerza y vibración en el sistema, causando NVH.” El equipo de Dynexa tiene experiencia optimizando características vibratorias de componentes CFRP. “Diseñando estructura de compuesto de fibra y ajustando estructura de capas, se puede lograr frecuencia deseada para influir dinámica de la pieza durante marcha”, dice Schwarz.

Las diferentes características vibratorias de CFRP y acero son centrales en estudio de eje de salida de Senger. Para testar si amortiguamiento vibratorio CFRP ayudaría a reducir intensidad de power hop, Senger proporcionó a Dynexa parámetros de diseño para eje de salida CFRP. Como el test se conduciría en ensamblaje existente para vehículo de gasolina, incluyendo conexión a caja de cambios y juntas, el eje CFRP necesitaba diseñarse como reemplazo directo del eje metálico.

Dynexa diseñó el eje CFRP para igualar capacidad del eje metálico de manejar carga torsional estática hasta 3.000 Nm. Importante, el eje CFRP también tenía que igualar la baja rigidez torsional del eje metálico de 225 Nm/grado. “La baja rigidez de ejes de salida en vehículos de gasolina es necesaria por la no-uniformidad rotacional del cigüeñal”, explica Senger. “Vibraciones torsionales causan vibración del tren motriz y componentes adyacentes; con baja rigidez, reduces vibración y ruido.”

Optimización de diseño usando parámetros que equipo de Senger especificó resultó en eje de salida 350 mm largo con diámetro 80 mm. El eje de acero, que es macizo, tiene diámetro menor que el eje CFRP hueco tubular, pero hay espacio suficiente para acomodar el mayor eje CFRP.

También crítico para diseño del eje es cómo conecta a otros —usualmente metálicos— componentes en el tren motriz. “Necesitas saber qué fuerzas contabilizar, cómo diseñar el eje, cómo preparar el metal y cómo ensamblarlo”, dice Schwarz. Un eje metálico transmite par via conexión soldada entre eje y otros componentes metálicos. Con eje CFRP, la conexión se hace con junta a presión (press-fit), donde pieza metálica se inserta en tubo CFRP. El diámetro exterior de la pieza metálica es ligeramente mayor que diámetro interior del tubo CFRP, creando presión de junta necesaria para transmisión de par. No se usa adhesivo. Dynexa soporta su junta CFRP-metal con anillos de soporte CFRP externos y conector press-fit interno especialmente diseñado. Schwarz explica que este último, tecnología Dynexa probada 20 años, transmite par mediante combinación de fricción generada por presión de junta y bloqueo positivo creado por micro-dientes (serrado) en pieza metálica. Corrosión galvánica se minimiza mediante sello de junta entre tubo CFRP y pieza metálica. La tecnología press-fit de Dynexa “combina diseño ligero con alto rendimiento torsional, tanto bajo cargas estáticas como largos períodos bajo cargas de fatiga”, afirma Bruckhoff.

Comparado con ensamblaje de eje de salida de acero, la versión CFRP es 20-30% más ligera. Ahorro de peso incluye tanto eje más ligero (pese a peso añadido de anillos soporte externos, que no son parte de junta metal-metal) como eliminación de absorbedores de vibración requeridos para versión metálica. Aunque ahorro real de peso no es valor significativo para vehículos de gasolina, podría ayudar en eléctricos, que pueden lograr mayor autonomía incluso con pequeñas reducciones de peso.

Identificando valor potencial

Test del eje CFRP con baja rigidez torsional demostró finalmente cuán importante es la rigidez torsional para reducción de power hop. Igualando la menor rigidez torsional del eje de acero, el prototipo de eje de salida CFRP no mejoró rendimiento de power hop, reporta Senger. “Tests de conducción muestran que power hop del vehículo tiene misma intensidad con ejes CFRP que cuando se instalan ejes de acero.”

El estudio sugiere que, para vehículos de gasolina que necesitan menor rigidez torsional en eje de salida, reducción exitosa de power hop requeriría modificaciones a geometría del tubo. “Para lograr valor añadido, uso de tubo CFRP más largo es necesario”, concluye Bruckhoff. “La reducción del diámetro exterior también es deseable para entrada en vehículos de gran serie con componentes compuestos estándar.”

En coches eléctricos, sin embargo, Senger cree que clave para éxito de ejes de salida CFRP es la alta rigidez torsional que CFRP puede proporcionar. “Alta rigidez crea respuesta más directa del vehículo, mejorando dinámica de conducción”, dice. Trenes motrices electrificados pueden emplear ejes con alta rigidez torsional porque no experimentan la misma no-uniformidad del cigüeñal de vehículos de gasolina. Es el proceso de combustión del motor de gas y las fuerzas resultantes en el cigüeñal lo que crea la no-uniformidad, y la energía eléctrica no genera esas mismas fuerzas.

Un eje de salida más rígido aumenta la frecuencia natural torsional del tren motriz (frecuencia a la que vibración operacional causa que componente resuene y amplifique esa vibración). “El modo de vibración de un eje con alta rigidez torsional causa cargas mucho menores a todos los componentes excitados por fenómeno power hop”, señala Senger. Una simulación ha mostrado que, bajo mismas condiciones de conducción, un eje de salida CFRP con alta rigidez torsional eliminará el power hop experimentado por eje metálico con baja rigidez torsional.

Avanzando

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

Más estudios de potenciales aplicaciones de eje de salida CFRP no han sido anunciados aún por el OEM pero parecen probables. Para el equipo de Dynexa, este proyecto de pre-desarrollo ha dado nuevos insights en aplicaciones CFRP; en particular, tests de vehículo validan suposiciones teóricas y mejoran continuamente competencia de diseño. “Es importante que sigamos y continuemos desarrollando este grupo de producto junto con nuestros socios OEM”, mantiene Bruckhoff. “Nuestro objetivo es transferir desarrollos exitosos paso a paso a aplicación en serie.”