В отличие от карданных валов, в выходных валах нельзя максимально эффективно использовать всю длину вала, когда речь идет о композиционных материалах. Однако композитные выходные валы обладают другими преимуществами, которые позволили им конкурировать с металлическими валами, особенно в электромобилях.
Во многих полноприводных автомобилях стальные карданные валы разделены на составные части, чтобы обеспечить необходимый крутящий момент и вибрационные характеристики.
В отличие от этих стальных аналогов, цельный карданный вал из углепластика может обеспечивать требуемые характеристики, поскольку он располагается по всей длине от трансмиссии до дифференциала, что обычно составляет от 1000 мм (легковые автомобили) до 3000 мм (грузовые автомобили). Таким образом, один карданный вал из углепластика может заменить не только стальной карданный вал, но и фланцы, и промежуточные опоры, соединяющие две части. Будучи унифицированным компонентом, карданный вал из углепластика повышает эксплуатационные характеристики, снижает вес и при этом обладает конкурентоспособной ценой.
Но остается ли углепластик целесообразным вариантом, если длина больше не имеет значения?
Это относится к выходным валам, которые соединяют трансмиссию и колеса на небольшом расстоянии (обычно от 250 до 500 мм). Изучая возможность использования выходных валов из углепластика на серийных автомобилях, команда проектировщиков компании Dynexa (Лауденбах, Германия) была приятно удивлена результатами.
Готовы к работе. Выходные валы из углепластика, представленные здесь в сборе, продемонстрировали заданную жесткость, которая в потенциале может улучшить управление автомобилем. Источник: компания Dynexa.
Компания Dynexa, занимающаяся намоткой волокна и автомобильными трансмиссиями и входящая в состав группы компаний Avanco Group (Херфорд, Германия), взяла на себя проектировку и демонстрацию выходного вала из углепластика в рамках предпроектного исследования, проведенного совместно с немецким производителем оборудования. В 2014 году компания Dynexa начала поставлять этому производителю карданные валы из углепластика, которые были на 40% легче по сравнению с составными стальными валами и промежуточными опорами. Сопутствующее снижение вращающейся массы также улучшило управление автомобилем.
С 2006 года компания Dynexa изготовила методом намотки волокна более 100 тысяч труб и валов для опытного и серийного производства автомобилей. Компания обычно использует эпоксидную матрицу, поставляемую фирмой Huntsman (Те-Вудлендс, штат Техас, США) или Hexion (Колумбус, штат Огайо, США). Компания Dynexa сотрудничает с многими крупными поставщиками углеродного волокна, включая Teijin (Тиёда, Япония), Toray (Токио, Япония), SGL Carbon (Висбаден, Германия), Mitsubishi (Токио, Япония) и Nippon Graphite Fiber Corp. (Химедзи, Япония). (Волокно для каждой конкретной области применения выбирают согласно требованиям к продукции и производству, что позволяет максимально эффективно использовать свойства материалов) Однако даже несмотря на свою богатую историю и обширный опыт, команда Dynexa изначально выражала сомнения относительно использования углепластика для выходных валов.
ОТ СОМНЕНИЙ ДО ПРОТОТИПА
Цельнометаллический выходной вал в серийных автомобилях сейчас можно встретить часто, и поначалу команда Dynexa не была уверена, какие преимущества может дать альтернатива из углепластика. «В отличие от многосоставных металлических карданных валов, здесь не получилось бы добиться существенного снижения веса», — отмечает Маттиас Брукхофф, руководитель отдела продаж и маркетинга в компании Dynexa.
Зачем переходить на выходные валы из углепластика? Свойства углепластика потенциально могут оказаться полезными в электромобилях, в которых выходные валы подвергаются чрезмерно высоким нагрузкам. Кроме того, выходные валы из углепластика могут оказаться полезными как в электромобилях, так и в автомобилях с газовым двигателем в связи с явлением, характерным для всех типов силовых агрегатов.
Это явление, называемое «резонансным колебанием», возникает, когда из-за низкого коэффициента трения дорожного покрытия шины переднеприводного автомобиля циклически теряют сцепление с сопряженными поверхностями, передающими крутящий момент, при разгоне двигателя. «Водитель слышит громкое, цикличное дребезжание передней оси и чувствует сильную вибрацию сиденья и руля», — объясняет Линда Сенгер, специалист по трансмиссии гибридных автомобилей в исследовательском отделе компании BMW. Возникновение резонансного колебания напрямую зависит от выходного вала и его жесткости при кручении.
Намотка волокна. Изготовив методом намотки волокна более 100 тысяч труб и валов из углепластика для опытного и серийного производства автомобилей, компания Dynexa применила этот опыт для решения новых задач, связанных с производством выходного вала. Особый интерес представляют вибрационные характеристики и жесткость при кручении. Источник: компания Dynexa
«В ходе разработки особое внимание уделялось влиянию повышенного демпфирования крутильных колебаний на резонансное колебание в выходных валах из углепластика в сравнении со стальными валами с той же жесткостью при кручении», — продолжает Сенгер. Валы из углепластика продемонстрировали в 5-10 раз более высокое демпфирование крутильных колебаний по сравнению со стальными валами. Это демпфирование регулируется в зависимости от требований конкретной области применения».
Как правило, конструкторы автомобилей стремятся скорректировать вибрационные характеристики компонентов, чтобы свести к минимуму шум, вибрацию и жесткость. «Когда вы нажимаете на дроссель, — объясняет Маркус Шварц, глава отдела разработки продукции в компании Dynexa, — это повышает интенсивность вибрации в системе, а также шум и жесткость езды». Команда Dynexa имеет большой опыт оптимизации вибрационных характеристик компонентов из углепластика. «Проектируя структуру волокнистого композиционного материала и регулируя структуру слоев, можно добиться необходимой частоты, чтобы воздействовать на динамические характеристики деталей во время поездки», — говорит Шварц.
Технология соединения. Сочетание внешнего опорного кольца из углепластика и внутреннего соединителя с тугой посадкой на каждом конце выходного вала обеспечило достаточное давление для передачи необходимого крутящего момента от трансмиссии к колесу автомобиля. Источник: компания Dynexa
Центральное место в исследовании выходных валов занимали различия в вибрационных характеристиках углепластика и стали. Чтобы проверить, может ли демпфирование вибраций углепластика снизить интенсивность резонансного колебания, Сенгер предоставила компании Dynexa набор конструктивных параметров выходного вала из углепластика. Поскольку испытание планировалось проводить на существующем узле для газового автомобиля, включая соединения и шарниры коробки передач, вал из углепластика должен был стать непосредственной заменой металлического вала.
В компании Dynexa спроектировали вал из углепластика таким образом, чтобы он, как и металлический вал, мог выдерживать статическую нагрузку на кручение до 3 000 Ньютон-метров. Важно, что вал из углепластика также должен был иметь низкую жесткость при кручении 225 Н-м/град, как и металлический вал.
“Для газовых автомобилей необходима низкая жесткость из-за неравномерности вращения коленчатого вала”, — объясняет Сенгер. “Крутильные колебания вызывают вибрацию силового агрегата и всех соседних компонентов; низкая жесткость позволяет снизить вибрацию и уровень шума”.
Оптимизация конструкции с использованием параметров, предложенных командой Сенгер, привела к созданию выходного вала длиной 350 мм и диаметром 80 мм. Цельный стальной вал имеет меньший диаметр, чем полый трубчатый вал из углепластика, однако для его размещения было достаточно места.
В конструкции вала также было важно, как он соединяется с другими, обычно металлическими, компонентами трансмиссии. “Вы должны знать, какие силы учитывать, как спроектировать вал, как подготовить металл и как собрать узел”, — говорит Шварц. Металлический выходной вал передает крутящий момент через сварное соединение между валом и другими металлическими компонентами. В случае с валом из углепластика используется запрессованное соединение, при котором металлическая деталь вставляется в трубку из углепластика. Наружный диаметр металлической детали чуть больше, чем внутренний диаметр трубы из углепластика, что создает давление, необходимое для передачи крутящего момента. Клей не используется. Компания Dynexa обеспечивает соединение углепластик/металл с помощью внешних опорных колец из углепластика и внутреннего, специально разработанного соединителя с тугой посадкой. Шварц объясняет, что эта технология Dynexa, испытанная на практике в течение 20 лет, обеспечивает передачу крутящего момента благодаря сочетанию трения, создаваемого сжимающим усилием соединения, и принудительной блокировки, создаваемой микрозубьями (зазубривание) на металлической детали. Электрохимическая коррозия сводится к минимуму благодаря уплотнению зазора между трубкой из углепластика и металлической деталью. Технология запрессованного соединения от компании Dynexa обеспечивает сочетание облегченной конструкции и высоких характеристик при кручении как при статических нагрузках, так и при длительных усталостных нагрузках”, — говорит Брукхофф.
Жесткость при кручении имеет значение. Моделирование в среде Matlab Simulink демонстрирует, что выходной вал из углепластика с высокой жесткостью при кручении может устранить резонансное колебание. При моделировании производится разгон с места переднеприводного автомобиля с газовым двигателем на мокром и ровном дородном покрытии. Хотя для улучшения ходовых характеристик газовых автомобилей лучше, чтобы жесткость при кручении была ниже, электромобили могут получить определенные преимущества при дальнейших разработках валов из углепластика. Источник: Линда Сенгер
По сравнению со стальным выходным валом в сборе, вал из углепластика на 20-30% легче. Снижение веса обеспечивается как за счет облегченной конструкции вала (несмотря на дополнительный вес внешних опорных колец, которые не используются при соединении металлических элементов), так и за счет исключения виброгасителей, которые используются в металлическом узле. Хотя фактическое снижение веса не имеет существенного значения для автомобилей с газовыми двигателями, это может быть важным для электромобилей, дальность пробега которых увеличивается даже при небольшом снижении веса.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЦЕННОСТИ
Испытания вала из углепластика с низкой жесткостью при кручении в конечном итоге продемонстрировали, насколько важна эта характеристика для снижения резонансного колебания. По словам Сенгер, имея такую же низкую жесткость при кручении, что и стальной вал, прототип выходного вала из углепластика не обеспечил улучшения с точки зрения резонансного колебания. “Эксплуатационные испытания показали, что интенсивность резонансного колебания автомобиля одинакова как при использовании валов из углепластика, так и при использовании стальных валов”.
Согласно исследованиям, для газовых автомобилей, для которых важна более низкая жесткость при кручении выходного вала, успешное снижение резонансного колебания требует изменения геометрии трубы. “Для получения дополнительной добавленной стоимости необходимо использовать более длинную трубу из углепластика”, — заключает Брукхофф. “Уменьшение наружного диаметра также желательно для крупносерийного производства транспортных средств со стандартными компонентами из композиционных материалов».
Однако Сенгер считает, что для электромобилей основным преимуществом выходных валов из углепластика является высокая жесткость при кручении, которую способен обеспечить углепластик. “Высокая жесткость улучшает чувствительность автомобиля к действиям водителя и динамику вождения в целом”, — говорит она.
На электрифицированных силовых агрегатах можно использовать валы с высокой жесткостью при кручении, поскольку они не подвержены такой неравномерности вращения коленчатого вала, как в газовых автомобилях. Именно процесс сгорания в газовом двигателе и возникающие в результате этого силы на коленчатом валу создают неравномерность, а в электрическом двигателе такого не происходит.
Более жесткий выходной вал увеличивает собственную частоту крутильных колебаний силового агрегата (частота, при которой колебания при эксплуатации заставляют компонент резонировать и усиливать вибрацию). “Режим вибрации вала с высокой жесткостью при кручении дает гораздо более низкие нагрузки на все компоненты, которые связаны с явлением резонансного колебания”, — отмечает Сенгер. Моделирование показало, что при одних и тех же условиях вождения выходной вал из углепластика с высокой жесткостью при кручении устраняет резонансное колебание, характерное для металлического вала с низкой жесткостью при кручении.
ПЕРСПЕКТИВЫ
Размышляя о текущей работе над выходными валами, Брукхофф говорит: “Линейка выходных валов из углепластика может обеспечить дополнительные преимущества с точки зрения ездовых характеристик и комфорта. Мы работаем над этим вместе с партнерами, чтобы внедрить продукт, оптимизированный с точки зрения требований и стоимости”.
О дальнейших исследованиях возможных применений выходных валов из углепластика еще не было объявлено, но их проведение кажется вполне вероятным. Что касается команды Dynexa, то это предпроектное исследование позволило по-новому взглянуть на применение углепластика; в частности, испытания автомобилей подтверждают теоретические предположения и улучшают качество проектирования.
“Важно, что мы не сдаемся и продолжаем работать над этой продукцией совместно с нашими партнерами”, — утверждает Брукхофф. “Наша цель — поэтапно внедрить успешные разработки в серийное производство”.
