Eixo de saída composto pronto para campo de provas automotivo

Em muitos veículos com tração nas quatro e quatro rodas, os eixos de transmissão de aço são segmentados para fornecer o torque necessário e as características de desempenho vibracional. Ao contrário dessas contrapartes de aço segmentado, um eixo de transmissão automotivo de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) de uma peça é capaz de fornecer o desempenho necessário, pois abrange toda a distância da transmissão ao diferencial, normalmente entre 1.000 milímetros (carros de passageiros) e 3.000 milímetros ( veículos comerciais). Um único eixo de transmissão CFRP pode, portanto, substituir não apenas o eixo de transmissão de aço, mas também os flanges e rolamentos intermediários que unem os dois segmentos. Como um componente unificado, o eixo de transmissão CFRP melhora o desempenho, contribui com menos peso e provou ser competitivo em termos de custo em veículos de alto desempenho.

Mas o CFRP ainda é uma opção viável quando a amplitude não é mais um fator?

Este é o caso quando se trata de eixos de saída, que conectam a curta distância (normalmente 250 a 500 milímetros) do trem de força às rodas. Explorando se o caso poderia ser feito para eixos de saída CFRP em veículos de produção, a equipe de design da Dynexa (Laudenbach, Alemanha) ficou agradavelmente - e admitidamente - surpresa com os resultados.

A Dynexa, uma empresa de enrolamento de filamentos e linha de transmissão e membro do Grupo Avanco (Herford, Alemanha), realizou seu projeto e demonstração de um eixo de saída CFRP como parte de um estudo de pré-desenvolvimento conduzido com um OEM alemão. Em 2014, a Dynexa começou a fornecer ao OEM com eixos de transmissão CFRP que alcançaram uma redução de peso de 40% em comparação com um eixo de aço segmentado e rolamentos intermediários. A redução associada na massa giratória também melhorou o comportamento de direção do veículo.

Desde 2006, a Dynexa enrolou mais de 100.000 tubos e eixos CFRP para protótipos automotivos e aplicações de produção em série. A empresa normalmente emprega uma matriz epóxi fornecida por Huntsman (The Woodlands, Texas, EUA) ou Hexion (Columbus, Ohio, EUA). A Dynexa trabalha com muitos dos principais fornecedores de fibra de carbono, incluindo Teijin (Chiyoda-ku, Japão), Toray (Tóquio, Japão), SGL (Wiesbaden, Alemanha), Mitsubishi (Tóquio, Japão) e Nippon Graphite Fiber Corp. (Himeji, Japão) ) (A fibra para cada aplicação é selecionada de acordo com os requisitos do produto e da produção, fazendo o melhor uso das propriedades do material.) Mesmo com essa história e amplitude de experiência, a equipe da Dynexa inicialmente tinha dúvidas sobre o uso de CFRP para eixos de saída.

Da dúvida à demonstração

Um eixo de saída de metal sólido é a norma hoje em dia em veículos de produção, e no início a equipe Dynexa não tinha certeza do valor que uma alternativa de CFRP poderia trazer. “Em contraste com os eixos de transmissão de metal com várias peças, não obteríamos uma grande economia de peso aqui”, observa Matthias Bruckhoff, chefe de vendas e marketing da Dynexa.

Por que mudar para eixos de saída CFRP? O alto desempenho do CFRP pode ser potencialmente útil em veículos elétricos, nos quais os eixos de saída estão sujeitos a forças excepcionalmente altas. Além disso, o eixo de saída CFRP também pode ser útil em veículos elétricos e a gás devido a um fenômeno comum a todos os tipos de motorizações automotivas. Chamado de “salto de potência”, o fenômeno ocorre quando as superfícies de baixa fricção fazem com que os pneus dos veículos com tração dianteira percam ciclicamente a aderência à superfície de tração durante a alta aceleração do motor. “O motorista ouve um barulho alto e cíclico do eixo dianteiro e sente uma forte vibração no assento e no volante”, explica Linda Senger, pesquisadora da BMW de trem de força híbrido, mecânica e estrutura. A ocorrência de salto de potência é altamente dependente do eixo de saída e de sua rigidez torcional.

Aplicação de enrolamento de filamento. Tendo enrolado mais de 100.000 tubos CFRP e eixos para aplicações de protótipo automotivo e produção em série, a Dynexa aplicou essa experiência aos novos desafios que a aplicação de eixo de saída apresentava. De particular interesse são o desempenho vibracional e a rigidez torcional dos eixos. Fonte | Dynexa

“O foco do desenvolvimento foi a influência no salto de potência de um maior amortecimento de torção nos eixos de saída de CFRP em comparação com os eixos de aço com a mesma rigidez torcional”, continua Senger. Foi demonstrado que os eixos CFRP possuem de cinco a 10 vezes o amortecimento torcional dos eixos de aço. Este comportamento de amortecimento é ajustável aos requisitos da aplicação. ”

Geralmente, os projetistas automotivos procuram modificar as características de vibração dos componentes do veículo para minimizar o ruído, vibração e aspereza (NVH). “Quando você pressiona o acelerador”, explica Marcus Schwarz, chefe de desenvolvimento de produtos da Dynexa, “aumenta a força e a vibração no sistema, causando NVH”. A equipe da Dynexa tem experiência na otimização das características vibracionais dos componentes CFRP. “Projetando a estrutura composta de fibra e ajustando a estrutura da camada, uma frequência desejada pode ser alcançada para influenciar a dinâmica da peça durante a execução”, diz Schwarz.

As diferentes características vibracionais de CFRP e aço são centrais para o estudo do eixo de saída da Senger. Para testar se o amortecimento vibracional CFRP ajudaria a reduzir a intensidade do salto de energia, Senger forneceu à Dynexa um conjunto de parâmetros de projeto para o eixo de saída CFRP. Como o teste seria conduzido em um conjunto existente para um veículo movido a gás, incluindo a conexão e as juntas da caixa de câmbio, o eixo de CFRP precisava ser projetado como uma substituição direta do eixo de metal.

A Dynexa projetou o eixo CFRP para corresponder à capacidade do eixo metálico de lidar com uma carga de torção estática de até 3.000 Newton-metros. É importante ressaltar que o eixo de CFRP também teve que corresponder à baixa rigidez de torção do eixo de metal de 225 Newton-metros por grau. “A baixa rigidez dos eixos de saída em veículos movidos a gás é necessária devido à não uniformidade rotacional do virabrequim”, explica Senger. “As vibrações de torção causam uma vibração do trem de força e de todos os componentes adjacentes; com uma baixa rigidez, você pode reduzir a vibração, bem como o ruído. ”

A otimização do projeto usando os parâmetros especificados pela equipe de Senger resultou em um eixo de saída de 350 milímetros de comprimento com um diâmetro de 80 milímetros. O eixo de aço, que é sólido, tem um diâmetro menor do que o eixo oco e tubular de CFRP, mas há espaço suficiente disponível para acomodar o eixo maior de CFRP.

Também crítico para o projeto do eixo é como ele se conecta a outros componentes - geralmente de metal - no trem de força. “Você precisa saber quais forças são responsáveis, como projetar o eixo, como preparar o metal e como montá-lo”, diz Schwarz. Um eixo de saída de metal transmite torque por meio de uma conexão soldada entre o eixo e outros componentes de metal. Já no eixo de CFRP, a conexão é feita por meio de uma junta press-fit, na qual uma peça metálica é inserida no tubo de CFRP. O diâmetro externo da peça de metal é ligeiramente maior do que o diâmetro interno do tubo CFRP, criando a pressão da junta necessária para a transmissão de torque. Nenhum adesivo é usado. Dynexa suporta sua junta CFRP-metal com anéis de suporte CFRP externos e um conector interno de encaixe sob pressão especialmente projetado. Schwarz explica que esta última, tecnologia Dynexa comprovada ao longo de 20 anos, proporciona transmissão de torque por meio da combinação do atrito gerado pela pressão da junta e do travamento positivo gerado pelos microdentes (serrilhados) na peça metálica. A corrosão galvânica é minimizada por meio de uma vedação entre o tubo de CFRP e a parte metálica. A tecnologia press-fit da Dynexa "combina um design leve com alto desempenho de torção, tanto sob cargas estáticas quanto por longos períodos sob cargas de fadiga", afirma Bruckhoff.

Em comparação com o conjunto do eixo de saída de aço, a versão CFRP é 20% a 30% mais leve. A economia de peso inclui o eixo mais leve (apesar do peso adicional dos anéis de suporte externos, que não fazem parte da junta metal com metal) e a eliminação dos amortecedores de vibração necessários para a versão metálica. Embora a economia de peso real não seja de valor significativo para veículos movidos a gás, pode ser útil em veículos elétricos, que podem alcançar uma maior autonomia de direção, mesmo com pequenas reduções de peso.

Identificando valor potencial

Os testes do eixo CFRP com baixa rigidez torcional acabaram demonstrando a importância da rigidez torcional para a redução do salto de potência. Combinando a menor rigidez de torção do eixo de aço, o protótipo do eixo de saída CFRP não melhorou o desempenho do power hop, relata Senger. “Os testes de direção mostram que o salto de potência do veículo tem a mesma intensidade com os eixos de CFRP como quando os eixos de aço são instalados.”

O estudo sugere que, para veículos movidos a gás que precisam de menor rigidez torcional no eixo de saída, a redução bem-sucedida no salto de potência exigiria modificações na geometria do tubo. “Para alcançar maior valor agregado, o uso de um tubo CFRP mais longo é necessário”, conclui Bruckhoff. “A redução do diâmetro externo também é desejável para a entrada em veículos de grandes séries com componentes padrão compostos.”

A rigidez torcional faz a diferença. Uma simulação usando Matlab Simulink sugere que um eixo de saída CFRP com alta rigidez torcional pode eliminar o fenômeno do salto de potência. A manobra de direção simulada é a aceleração de um veículo movido a gás com tração dianteira a partir de uma paralisação em piso molhado e plano. Embora os veículos movidos a gás possam ser melhor atendidos por menor rigidez de torção para outros problemas de desempenho de direção, os veículos movidos a eletricidade são fortes candidatos para um maior desenvolvimento do eixo de saída CFRP. Fonte | Linda Senger

Em carros elétricos, no entanto, Senger acredita que a chave para o sucesso dos eixos de saída de CFRP é a alta rigidez torcional que o CFRP é capaz de fornecer. “A alta rigidez cria uma capacidade de resposta mais direta do veículo e, portanto, melhora a dinâmica de direção”, diz ela. Os trens de força eletrificados podem empregar eixos com alta rigidez torcional, porque eles não experimentam a mesma não uniformidade do eixo da manivela encontrada em veículos movidos a gás. É o processo de combustão do motor a gás e as forças resultantes no eixo da manivela que criam a não uniformidade, e a energia elétrica não gera essas mesmas forças.

Um eixo de saída mais rígido aumenta a frequência natural de torção do trem de força (a frequência na qual uma vibração operacional faz com que o componente ressoe e amplifique essa vibração). “O modo de vibração de um eixo com alta rigidez torcional causa cargas muito mais baixas para todos os componentes que são excitados pelo fenômeno do salto de potência”, destaca Senger. Uma simulação mostrou que, nas mesmas condições de acionamento, um eixo de saída CFRP com alta rigidez torcional eliminará o salto de potência experimentado por um eixo metálico com baixa rigidez torcional.

Seguindo em frente

Refletindo sobre o trabalho do eixo de saída até agora, Bruckhoff diz:“O grupo de produtos de eixo de saída CFRP cria um novo valor agregado em termos de características de direção e conforto. Junto com nossos parceiros, trabalharemos essas vantagens e realizaremos um produto otimizado em termos de requisitos e preço. ”

Mais estudos de aplicações potenciais de eixo de saída CFRP ainda não foram anunciados pelo OEM, mas parecem prováveis. Quanto à equipe Dynexa, este projeto de pré-desenvolvimento forneceu novos insights sobre os aplicativos CFRP; em particular, os testes de veículos validam suposições teóricas e melhoram continuamente a competência de design. “É importante que persistamos e continuemos a desenvolver este grupo de produtos junto com nossos parceiros OEM”, afirma Bruckhoff. “Nosso objetivo é transferir desenvolvimentos bem-sucedidos passo a passo para uma aplicação em série.”