Eixo Cardan CFRP Monobloco Passa em Testes em Campo de Provas Automotivo

Em muitos veículos de tração nas quatro rodas e tração integral, eixos cardan de aço são segmentados para fornecer as características necessárias de torque e desempenho vibratório. Ao contrário desses equivalentes de aço segmentados, um eixo cardan automotivo de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) monobloco é capaz de fornecer o desempenho requerido ao percorrer a distância total da transmissão ao diferencial, tipicamente entre 1.000 mm (carros de passeio) e 3.000 mm (veículos comerciais). Um único eixo cardan CFRP pode, portanto, substituir não apenas o eixo cardan de aço, mas também as flanges e mancais intermediários que unem os dois segmentos. Como componente unificado, o eixo cardan CFRP melhora o desempenho, contribui com menos peso e provou ser competitivo em custo em veículos de alto desempenho.

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

Este é o caso quando se trata de eixos de saída, que conectam a curta distância (tipicamente 250 a 500 mm) 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) foi agradavelmente — e admitidamente — surpreendida pelos resultados.

Da dúvida à demonstração

A Dynexa, empresa de filamento contínuo e linha de transmissão e membro do Grupo Avanco (Herford, Alemanha), empreendeu seu design 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 eixos cardan CFRP que alcançaram redução de peso de 40% comparado a um eixo de aço segmentado e mancais intermediários. A redução acompanhante na massa rotativa também melhorou o comportamento de direção do veículo.

Desde 2006, a Dynexa filamento-continuou mais de 100.000 tubos e eixos CFRP para aplicações de protótipo e produção em série automotiva. A empresa tipicamente emprega uma matriz epóxi fornecida pela 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 requisitos de produto e produção, fazendo o melhor uso das propriedades do material.) Mesmo com esta história e amplitude de experiência, a equipe da Dynexa inicialmente abrigava dúvidas sobre o uso de CFRP para eixos de saída.

Aplicação de filamento contínuo. Tendo filamento-continuado mais de 100.000 tubos e eixos CFRP para aplicações de protótipo e produção em série automotiva, a Dynexa aplicou esta experiência aos novos desafios que a aplicação de eixo de saída apresentou. De particular interesse são o desempenho vibratório e a rigidez torcional dos eixos. Fonte | Dynexa

"Em contraste com eixos cardan metálicos de múltiplas partes, não alcançaríamos alta 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 poderia ser potencialmente útil em veículos elétricos, nos quais eixos de saída estão sujeitos a forças incomumente altas. Além disso, o eixo de saída CFRP também pode se mostrar útil tanto em veículos elétricos quanto a gás devido a um fenômeno comum a todos os tipos de trens de força automotivos. Chamado de "power hop (salto de potência)", o fenômeno ocorre quando superfícies de estrada de baixo atrito fazem com que os pneus em veículos de tração dianteira percam ciclicamente a aderência com a superfície de rodagem durante alta aceleração do motor. "O motorista ouve um forte chocalhar cíclico do eixo dianteiro e sente uma forte vibração no assento e volante", explica Linda Senger, pesquisa da BMW sobre trem de força híbrido, mecânica e estrutura. A ocorrência de power hop é altamente dependente do eixo de saída e sua rigidez torcional.

"O foco do desenvolvimento foi a influência no power hop de maior amortecimento torcional em eixos de saída CFRP comparados a eixos de aço com a mesma rigidez torcional", continua Senger. "Eixos CFRP demonstraram possuir de cinco a 10 vezes o amortecimento torcional de eixos de aço. Este comportamento de amortecimento é ajustável aos requisitos da aplicação."

Geralmente, projetistas automotivos buscam modificar as características vibratórias de componentes do veículo para minimizar ruído, vibração e aspereza (NVH). "Quando você acelera", explica Marcus Schwarz, chefe de desenvolvimento de produto na Dynexa, "aumenta a força e vibração no sistema, causando NVH." A equipe da Dynexa é experiente em otimizar as características vibratórias de componentes CFRP. "Ao projetar a estrutura de compósito de fibra e ajustar a estrutura de camadas, uma frequência desejada pode ser alcançada para influenciar a dinâmica da peça durante o funcionamento", diz Schwarz.

As diferentes características vibratórias de CFRP e aço são centrais para o estudo de eixo de saída de Senger. Para testar se o amortecimento vibratório do CFRP ajudaria a reduzir a intensidade do power hop, Senger forneceu à Dynexa um conjunto de parâmetros de design para o eixo de saída CFRP. Como o teste seria conduzido em um conjunto existente para um veículo a gás, incluindo a conexão da caixa de câmbio e juntas, o eixo CFRP precisava ser projetado como substituição direta do eixo metálico.

A Dynexa projetou o eixo CFRP para igualar a capacidade do eixo metálico de lidar com uma carga torcional estática de até 3.000 Newton-metros. Importante, o eixo CFRP também tinha que igualar a baixa rigidez torcional do eixo metálico de 225 Newton-metros por grau. "A baixa rigidez dos eixos de saída em veículos a gás é necessária devido à não uniformidade rotacional do virabrequim", explica Senger. "Vibrações torcionais causam vibração do trem de força e de todos os componentes adjacentes; com baixa rigidez, você pode reduzir a vibração assim como o ruído."

A otimização de design usando os parâmetros que a equipe de Senger especificou resultou em um eixo de saída de 350 mm de comprimento com diâmetro de 80 mm. O eixo de aço, que é sólido, tem diâmetro menor que o eixo CFRP oco e tubular, mas espaço suficiente está disponível para acomodar o maior eixo CFRP.

Também crítico para o design do eixo é como ele se conecta a outros — geralmente metálicos — componentes no trem de força. "Você precisa saber quais forças contabilizar, como projetar o eixo, como preparar o metal e como montá-lo", diz Schwarz. Um eixo de saída metálico transmite torque via conexão soldada entre o eixo e outros componentes metálicos. Com o eixo CFRP, por outro lado, a conexão é feita com uma junta de press-fit (ajuste por pressão), na qual uma peça metálica é inserida no tubo CFRP. O diâmetro externo da peça metálica é ligeiramente maior que o diâmetro interno do tubo CFRP, criando pressão de junta necessária para transmissão de torque. Nenhum adesivo é usado. A Dynexa suporta sua junta CFRP-metal com anéis de suporte CFRP externos e um conector de press-fit interno especialmente projetado. Schwarz explica que este último, uma tecnologia Dynexa comprovada por mais de 20 anos, fornece transmissão de torque através de uma combinação do atrito gerado pela pressão da junta e travamento positivo criado por micro-dentes (serrilha) na peça metálica. Corrosão galvânica é minimizada por meio de uma vedação de folga entre o tubo CFRP e a peça metálica. A tecnologia de press-fit da Dynexa "combina design leve com alto desempenho torcional, tanto sob cargas estáticas quanto por longos períodos sob cargas de fadiga", afirma Bruckhoff.

Comparado ao conjunto de eixo de saída de aço, a versão CFRP é 20% a 30% mais leve. A economia de peso inclui tanto o eixo mais leve (apesar do peso adicionado dos anéis de suporte externos, que não fazem parte da junta metal-metal) quanto a eliminação de absorvedores de vibração necessários para a versão metálica. Embora a economia de peso real não seja de valor significativo para veículos a gás, poderia ser útil em veículos elétricos, que podem alcançar maior autonomia mesmo com pequenas reduções de peso.

Identificando valor potencial

O teste do eixo CFRP com baixa rigidez torcional acabou demonstrando quão importante a rigidez torcional é para redução do power hop. Igualando a menor rigidez torcional do eixo de aço, o protótipo de eixo de saída CFRP não melhorou o desempenho do power hop, relata Senger. "Testes de direção mostram que o power hop do veículo tem a mesma intensidade com os eixos CFRP como quando os eixos de aço estão instalados."

O estudo sugere que, para veículos a gás que precisam de menor rigidez torcional no eixo de saída, redução bem-sucedida no power hop exigiria modificações na geometria do tubo. "Para alcançar valor agregado adicional, o uso de um tubo CFRP mais longo é necessário", conclui Bruckhoff. "A redução do diâmetro externo também é desejável para entrada em veículos de grande série com componentes compósitos padrão."

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 power hop. A manobra de direção simulada é aceleração de um veículo de tração dianteira a gás a partir da imobilidade em superfície de estrada molhada e plana. Embora veículos a gás possam ser melhor servidos por menor rigidez torcional para outros problemas de desempenho de direção, veículos elétricos são candidatos fortes para maior desenvolvimento do eixo de saída CFRP. Fonte | Linda Senger

Em carros elétricos, no entanto, Senger acredita que a chave para o sucesso de eixos de saída CFRP é a alta rigidez torcional que o CFRP é capaz de fornecer. "Alta rigidez cria uma capacidade de resposta mais direta do veículo, e assim melhora a dinâmica de direção", diz ela. Trem de força eletrificados podem empregar eixos com alta rigidez torcional porque não experimentam a mesma não uniformidade do virabrequim encontrada em veículos a gás. É o processo de combustão do motor a gás e as forças resultantes no virabrequim que criam a não uniformidade, e a energia elétrica não gera essas mesmas forças.

Um eixo de saída mais rígido aumenta a frequência natural torcional do trem de força (a frequência na qual uma vibração operacional faz o componente ressoar e amplificar essa vibração). "O modo de vibração de um eixo com alta rigidez torcional causa cargas muito menores em todos os componentes excitados pelo fenômeno power hop", aponta Senger. Uma simulação mostrou que, sob as mesmas condições de direção, um eixo de saída CFRP com alta rigidez torcional eliminará o power hop experimentado por um eixo metálico com baixa rigidez torcional.

Avançando

Refletindo sobre o trabalho do eixo de saída até agora, Bruckhoff diz: "O grupo de produto eixo de saída CFRP cria novo valor agregado em termos de características de direção e conforto. Junto com nossos parceiros, trabalharemos estas 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 da Dynexa, este projeto de pré-desenvolvimento forneceu novos insights sobre aplicações CFRP; em particular, testes de veículo validam suposições teóricas e continuamente melhoram a competência de design. "É importante que continuemos e continuemos a desenvolver este grupo de produto junto com nossos parceiros OEM", mantém Bruckhoff. "Nosso objetivo é transferir desenvolvimentos bem-sucedidos passo a passo para uma aplicação em série."