Poros Penggerak CFRP Sepotong Lulus Uji Lapangan Otomotif
Dalam banyak kendaraan four-wheel drive dan all-wheel drive, poros penggerak baja difragmentasi untuk menyediakan karakteristik torsi dan getaran yang diperlukan. Tidak seperti kontrapart baja yang difragmentasi ini, poros penggerak otomotif komposit terkatup serat karbon (CFRP) sepotong mampu menyediakan performa yang diperlukan saat menjangkau jarak penuh dari transmisi ke diferensial, biasanya antara 1.000 milimeter (mobil penumpang) dan 3.000 milimeter (kendaraan komersial). Satu poros penggerak CFRP dapat dengan mengganti tidak hanya poros penggerak baja, tetapi juga flang dan bearing perantara yang menyambungkan kedua segmen. Sebuah komponen terpadu, poros penggerak CFRP meningkatkan performa, berkontribusi lebih sedikit berat dan terbukti hemat biaya dalam kendaraan berkinerja tinggi.
Tetapi apakah CFRP masih opsi yang layak ketika jarak tidak lagi merupakan faktor?
Ini adalah kasus ketika datang ke poros output, yang menghubungkan jarak pendek (biasanya 250 hingga 500 milimeter) dari drivetrain ke roda. Mengeksplorasi apakah kasus dapat dibuat untuk poros output CFRP pada kendaraan produksi, tim desain Dynexa (Laudenbach, Jerman) dengan senang hati — dan itu diakui — terkejut dengan hasilnya.
Dynexa, perusahaan filament winding dan driveline dan anggota Avanco Group (Herford, Jerman), melakukan desain dan demonstrasi poros output CFRP sebagai bagian dari studi predevelopment yang dilakukan dengan OEM Jerman. Pada 2014, Dynexa mulai menyediakan OEM dengan poros penggerak CFRP yang mencapai pengurangan berat 40% dibandingkan poros baja yang difragmentasi dan bearing perantara. Pengurangan massa rotasi yang menyertai juga memperbaiki perilaku berkendara kendaraan.
Sejak 2006, Dynexa telah filament-wound lebih dari 100.000 tabung dan poros CFRP untuk aplikasi prototipe dan produksi seri otomotif. Perusahaan biasanya menggunakan epoxy matrix yang disediakan oleh Huntsman (The Woodlands, Texas, AS) atau Hexion (Columbus, Ohio, AS). Dynexa bekerja dengan banyak pemasok serat karbon besar, termasuk Teijin (Chiyoda-ku, Jepang), Toray (Tokyo, Jepang), SGL (Wiesbaden, Jerman), Mitsubishi (Tokyo, Jepang), dan Nippon Graphite Fiber Corp. (Himeji, Jepang). (Serat untuk setiap aplikasi dipilih sesuai persyaratan produk dan produksi, memanfaatkan properti material dengan maksud.) Meskipun dengan sejarah dan luas pengalaman ini, meskipun tim Dynexa awalnya meragukan penggunaan CFRP untuk poros output.
Dari Keraguan ke Demo
Poros output logam padat adalah norma saat ini dalam kendaraan produksi, dan awalnya tim Dyneqa tidak yakin nilai apa yang mungkin dibawa oleh alternatif CFRP. "Diberikan multi-part logam poros penggerak, kami tidak akan mencapai penghematan berat tinggi di sini," catat Matthias Bruckhoff, kepala penjualan dan pemasaran Dynexa.
Mengapa beralih ke poros output CFRP? Performa tinggi CFRP mungkin berguna pada kendaraan listrik, di mana poros output tunduk pada gaya yang secara tidak biasa tinggi. Selain itu, poros output CFRP juga mungkin terbukti berguna pada kendaraan listrik dan bermotor gas karena fenomena yang umum untuk semua jenis powertrain otomotif. Disebut "power hop," fenomena ini terjadi ketika permukaan jalan dengan gesekan rendah menyebabkan roda pada kendaraan front-wheel-drive kehilangan geseran dengan permukaan drive secara siklus selama percepatan mesin tinggi. "Pengemudi mendengar dering siklus keras dari poros depan dan merasa getaran kuat pada kursi dan stir," menjelaskan Linda Senger, peneliti BMW powertrain hibrid, mekanika dan struktur. Kejadian power hop sangat tergantung pada poros output dan kekakuan torsinya.
Aplikasi filament winding. Setelah filament-wound lebih dari 100.000 tabung dan poros CFRP untuk aplikasi prototipe dan produksi seri otomotif, Dynexa menerapkan pengalaman ini ke tantangan baru yang ditampilkan oleh aplikasi poros output. Yang khusus menarik adalah performa getaran dan kekakuan torsi poros. Sumber | Dynexa
"Fokus pengembangan adalah pengaruh pada power hop dari damping torsi yang lebih tinggi dalam poros output CFRP dibandingkan poros baja dengan kekakuan torsi yang sama," Senger melanjutkan. Poros CFRP telah terbukti memiliki damping torsi lima hingga sepuluh kali poros baja. Perilaku damping ini dapat disesuaikan dengan persyaratan aplikasi.
Secara umum, desainer otomotif mencoba memodifikasi karakteristik getaran komponen kendaraan untuk meminimalkan noise, vibration dan harshness (NVH). "Ketika Anda menekan gas," menjelaskan Marcus Schwarz, kepala pengembangan produk di Dynexa, "ia meningkatkan gaya dan getaran ke dalam sistem, menyebabkan NVH." Tim Dynexa berpengalaman dalam mengoptimalkan karakteristik getaran komponen CFRP. "Dengan merancang struktur komposit serat dan menyesuaikan struktur lapisan, frekuensi yang diinginkan dapat dicapai untuk mempengaruhi dinamika bagian selama berjalan," kata Schwarz.
Karakteristik getaran yang berbeda antara CFRP dan baja adalah sentral dalam studi poros output Senger. Untuk menguji apakah damping getaran CFRP akan membantu mengurangi intensitas power hop, Senger memberikan Dynexa dengan sejumlah parameter desain untuk poros output CFRP. Karena uji akan dilakukan pada assembly yang ada untuk kendaraan bermotor gas, termasuk koneksi gearbox dan sambungan, poros CFRP perlu dirancang sebagai pengganti langsung untuk poros logam.
Dynexa merancang poros CFRP untuk mencocokkan kemampuan poros logam untuk menangani beban torsi statis hingga 3.000 Newton-meter. Pentingnya, poros CFRP juga harus mencocokkan kekakuan torsi rendah poros logam sebesar 225 Newton-meter per derajat. "Kekakuan rendah poros output pada kendaraan bermotor gas diperlukan karena non-uniformitas rotasi crankshaft," Senger menjelaskan. "Getaran torsi menyebabkan getaran pada powertrain dan semua komponen di sekitarnya; dengan kekakuan rendah, Anda dapat mengurangi getaran serta kebisingan."
Optimasi desain menggunakan parameter yang ditentukan oleh tim Senger menghasilkan poros output panjang 350 milimeter dengan diameter 80 milimeter. Poros baja, yang padat, memiliki diameter yang lebih kecil dari poros CFRP tubular rongga, tetapi ruang yang cukup tersedia untuk menampung poros CFRP yang lebih besar.
Penting juga dalam desain poros adalah cara ia terhubung ke komponen lain — biasanya logam — dalam drivetrain. "Anda perlu mengetahui gaya mana yang harus diperhitungkan, cara merancang poros, cara menyiapkan logam dan cara merakitnya," kata Schwarz. Poros output logam mentransmisi torsi melalui koneksi las antara poros dan komponen logam lainnya. Dengan poros CFRP, di sisi lain, koneksi dibuat dengan sambungan press-fit, di mana bagian logam dimasukkan ke dalam tabung CFRP. Diameter luar bagian logam sedikit lebih besar dari diameter dalam tabung CFRP, menciptakan tekanan sambungan yang diperlukan untuk transmisi torsi. Tidak ada lem yang digunakan. Dynexa mendukung sambungan CFRP-ke-logamnya dengan cinderam CFRP luar dan konektor press-fit khusus dalam. Schwarz menjelaskan bahwa yang terakhir, teknologi Dynexa yang terbukti selama 20 tahun, menyediakan transmisi torsi melalui kombinasi gesekan yang dihasilkan oleh tekanan sambungan dan locking positif yang diciptakan oleh mikro-gigi (serration) pada bagian logam. Korosi galvanik diminimalkan melalui gap seal antara tabung CFRP dan bagian logam. Teknologi press-fit Dynexa "menggabungkan desain ringan dengan performa torsi tinggi, baik di bawah beban statis maupun selama waktu yang lama di bawah beban fatigue," katanya Bruckhoff.
Dibandingkan assembly poros output baja, versi CFRP lebih ringan 20% hingga 30%. Penghematan berat termasuk poros yang lebih ringan (meskipun dengan berat tambahan cinderam pendukung luar, yang bukan bagian dari sambungan logam-ke-logam) dan eliminasi absorber getaran yang diperlukan untuk versi logam. Meskipun penghematan aktual tidak berarti untuk kendaraan bermotor gas, ini dapat membantu pada kendaraan listrik, yang dapat mencapai jarak tempuh lebih jauh bahkan dengan pengurangan berat kecil.
Mengidentifikasi Potensi Nilai
Pengujian poros CFRP dengan kekakuan torsi rendah akhirnya menunjukkan betapa pentingnya kekakuan torsi untuk pengurangan power hop. Cocok dengan kekakuan torsi rendah poros baja, prototipe poros output CFRP tidak meningkatkan performa power hop, melaporkan Senger. "Uji coba berkendara menunjukkan bahwa power hop kendaraan memiliki intensitas yang sama dengan poros CFRP seperti saat poros baja dipasang."
Studi ini menunjukkan bahwa, untuk kendaraan bermotor gas yang membutuhkan kekakuan torsi rendah pada poros output, pengurangan yang berhasil dalam power hop akan memerlukan modifikasi geometri tabung. "Untuk mencapai nilai tambah lebih lanjut, penggunaan tabung CFRP yang lebih panjang diperlukan," kesimpulan Bruckhoff. "Pengurangan diameter luar juga diinginkan untuk masuk ke kendaraan serangkaian besar dengan komponen standar komposit."
Kekakuan torsi membuat perbedaan. Simulasi menggunakan Matlab Simulink menunjukkan bahwa poros output CFRP dengan kekakuan torsi tinggi dapat menghilangkan fenomena power hop. Manöver berkendara yang disimulasikan adalah percepatan kendaraan bermotor gas front-wheel-drive dari berhenti pada permukaan jalan basah dan rata. Meskipun kendaraan bermotor gas mungkin lebih baik disajikan oleh kekakuan torsi rendah untuk masalah performa berkendara lain, kendaraan listrik adalah calon kuat untuk pengembangan lebih lanjut poros output CFRP. Sumber | Linda Senger
Dalam mobil listrik, Senger percaya bahwa kunci keberhasilan poros output CFRP adalah kekakuan torsi tinggi yang dapat disediakan oleh CFRP. "Kekakuan tinggi menciptakan responsivitas yang lebih langsung dari kendaraan, dan oleh karena itu meningkatkan dinamika berkendara," katanya. Powertrain terelektrifikasi dapat menggunakan poros dengan kekakuan torsi tinggi karena mereka tidak mengalami non-uniformitas crankshaft yang sama yang ditemukan pada kendaraan bermotor gas. Ini adalah proses pembakaran mesin gas dan gaya yang dihasilkan pada crankshaft yang menciptakan non-uniformitas, dan daya listrik tidak menghasilkan gaya yang sama.
Poros output yang lebih kaku meningkatkan frekuensi alami torsi powertrain (frekuensi di mana getaran operasional menyebabkan komponen berezonansi dan memperkuat getaran tersebut). "Mode getaran poros dengan kekakuan torsi tinggi menyebabkan beban yang jauh lebih rendah pada semua komponen yang terangsang oleh fenomena power hop," Senger menegaskan. Simulasi telah menunjukkan bahwa, dalam kondisi berkendara yang sama, poros output CFRP dengan kekakuan torsi tinggi akan menghilangkan power hop yang dialami oleh poros logam dengan kekakuan torsi rendah.
Bergerak Maju
Merefleksikan pekerjaan poros output sejauh ini, Bruckhoff berkata, "Grup produk poros output CFRP menciptakan nilai tambah baru dalam hal karakteristik berkendara dan kenyamanan. Bersama mitra kami, kami akan mengungkapkan keuntungan ini dan mewujudkan produk yang dioptimalkan dalam hal persyaratan dan harga."
Studi lebih lanjut tentang aplikasi potensi poros output CFRP belum diumumkan oleh OEM tetapi tampaknya mungkin. Seperti yang dikatakan tim Dynexa, proyek predevelopment ini telah memberikan wawasan baru tentang aplikasi CFRP; khususnya, uji coba kendaraan memvalidasi asumsi teoretis dan terus meningkatkan kompetensi desain. "Penting bagi kami untuk terus melakukannya dan terus mengembangkan grup produk ini bersama mitra OEM kami," menegaskan Bruckhoff. "Tujuan kami adalah mentransfer perkembangan yang berhasil secara bertahap ke dalam aplikasi seri."
