Einteiliger CFRP-Antriebswelle besteht Automobil-Prüfstand-Tests

In vielen Allrad- und Vierradantriebsfahrzeugen sind Stahl-Antriebswellen segmentiert, um notwendige Drehmoment- und Schwingungsleistungsmerkmale zu bieten. Im Gegensatz zu diesen segmentierten Stahl-Pendants kann ein einteiliger kohlenstofffaserverstärkter Polymer (CFRP) Automobil-Antriebswelle die erforderliche Leistung erbringen, da sie die volle Distanz von Getriebe zu Differential überbrückt, typischerweise zwischen 1.000 Millimetern (PKW) und 3.000 Millimetern (Nutzfahrzeuge). Ein einzelner CFRP-Antriebswelle kann daher nicht nur die Stahl-Antriebswelle, sondern auch die Flansche und Zwischenlager ersetzen, die die beiden Segmente verbinden. Als einheitliches Bauteil verbessert die CFRP-Antriebswelle die Performance, trägt weniger Gewicht und hat sich in Hochleistungsfahrzeugen als kosteneffizient erwiesen.

Aber ist CFRP noch eine Option, wenn die Spannweite kein Faktor mehr ist?

Dies ist der Fall bei Abtriebswellen, die die kurze Distanz (typischerweise 250 bis 500 Millimeter) vom Antriebsstrang zu den Rädern überbrücken. Ob der Fall für CFRP-Abtriebswellen in Serienfahrzeugen gemacht werden könnte, untersuchte das Designteam bei Dynexa (Laudenbach, Deutschland) – und war angenehm, und zugegeben, von den Ergebnissen überrascht.

Dynexa, ein Filamentwickel- und Antriebsstrang-Unternehmen und Mitglied der Avanco Group (Herford, Deutschland), unternahm Design und Demonstration einer CFRP-Abtriebswelle als Teil einer Vorentwicklungsstudie mit einem deutschen OEM. 2014 begann Dynexa, den OEM mit CFRP-Antriebswellen zu beliefern, die eine 40 % Gewichtsreduktion im Vergleich zu segmentierten Stahlwellen und Zwischenlagern erreichten. Die begleitende Reduktion der rotierenden Masse verbesserte auch das Fahrverhalten des Fahrzeugs.

Seit 2006 hat Dynexa mehr als 100.000 CFRP-Rohre und -Wellen für Automobil-Prototypen- und Serienanwendungen filamentegewickelt. Das Unternehmen setzt typischerweise eine Epoxidmatrix von Huntsman (The Woodlands, Texas, USA) oder Hexion (Columbus, Ohio, USA) ein. Dynexa arbeitet mit vielen großen Carbonfaserlieferanten zusammen, einschließlich Teijin (Chiyoda-ku, Japan), Toray (Tokio, Japan), SGL (Wiesbaden, Deutschland), Mitsubishi (Tokio, Japan) und Nippon Graphite Fiber Corp. (Himeji, Japan). (Faser für jede Anwendung wird gemäß Produkt- und Produktionsanforderungen ausgewählt, um die besten Materialeigenschaften zu nutzen.) Auch mit dieser Historie und Breite an Erfahrung hegte das Dynexa-Team zunächst Zweifel an der Verwendung von CFRP für Abtriebswellen.

Von Zweifel zur Demo

Eine massive Metall-Abtriebswelle ist heute in Serienfahrzeugen die Norm, und zunächst war das Dynexa-Team unsicher, welchen Wert eine CFRP-Alternative bringen könnte. „Im Gegensatz zu Mehrteil-Metall-Antriebswellen würden wir hier keine hohen Gewichtseinsparungen erzielen“, merkt Matthias Bruckhoff, Leiter Vertrieb und Marketing bei Dynexa, an.

Warum auf CFRP-Abtriebswellen umsteigen? CFRPs hohe Leistung könnte potenziell in Elektrofahrzeugen nützlich sein, in denen Abtriebswellen ungewöhnlich hohen Kräften ausgesetzt sind. Zusätzlich könnte die CFRP-Abtriebswelle auch sowohl in Elektro- als auch in Verbrennerfahrzeugen nützlich sein aufgrund eines Phänomens, das allen Arten von Fahrzeugantriebssträngen gemein ist. „Power Hop“ genannt, tritt das Phänomen auf, wenn niedrige Reibungskoeffizienten der Fahrbahn dazu führen, dass die Reifen bei Frontantriebsfahrzeugen bei hoher Motorentlastung zyklisch den Grip zur Fahrbahnoberfläche verlieren. „Der Fahrer hört ein lautes, zyklisches Rasseln der Vorderachse und spürt starke Vibration am Sitz und Lenkrad“, erklärt Linda Senger, BMW-Forscherin für Hybridantriebe, Mechanik und Struktur. Das Auftreten von Power Hop hängt stark von der Abtriebswelle und ihrer Torsionssteifigkeit ab.

„Der Entwicklungsfokus lag auf dem Einfluss auf Power Hop durch höhere Torsionsdämpfung in CFRP-Abtriebswellen im Vergleich zu Stahlwellen mit gleicher Torsionssteifigkeit“, fährt Senger fort. CFRP-Wellen haben gezeigt, dass sie das fünf- bis zehnfache der Torsionsdämpfung von Stahlwellen besitzen. Dieses Dämpfungsverhalten ist an die Anforderungen der Anwendung anpassbar.“

Generell suchen Automobilentwickler, die Schwingungscharakteristiken von Fahrzeugkomponenten zu modifizieren, um Geräusche, Vibrationen und Härte (NVH) zu minimieren. „Wenn man das Gaspedal drückt“, erklärt Marcus Schwarz, Leiter Produktentwicklung bei Dynexa, „erhöht das Kraft und Vibration im System, was NVH verursacht.“ Dynexas Team ist erfahren in der Optimierung der Schwingungscharakteristiken von CFRP-Komponenten. „Durch Design der Faser-Verbundstruktur und Anpassung der Lagenstruktur kann eine gewünschte Frequenz erreicht werden, um die Dynamik des Teils während der Fahrt zu beeinflussen“, sagt Schwarz.

Die unterschiedlichen Schwingungscharakteristiken von CFRP und Stahl sind zentral für Sengers Abtriebswellen-Studie. Um zu testen, ob CFRP-Schwingungsdämpfung helfen würde, Power-Hop-Intensität zu reduzieren, gab Senger Dynexa einen Satz Designparameter für die CFRP-Abtriebswelle. Da der Test an einer bestehenden Baugruppe für ein Verbrennerfahrzeug durchgeführt werden sollte, einschließlich Getriebeverbindung und Gelenken, musste die CFRP-Welle als direkter Ersatz für die Metallwelle ausgelegt werden.

Dynexa designte die CFRP-Welle passend zur Fähigkeit der Metallwelle, eine statische Torsionslast von bis zu 3.000 Newtonmeter zu handhaben. Wichtig war, dass die CFRP-Welle auch die niedrige Torsionssteifigkeit der Metallwelle von 225 Newtonmeter pro Grad matchen musste. „Die niedrige Steifigkeit von Abtriebswellen in Verbrennerfahrzeugen ist notwendig wegen der Rotationsungleichmäßigkeit der Kurbelwelle“, erklärt Senger. „Torsionsschwingungen verursachen eine Vibration des Antriebsstrangs und aller angrenzenden Komponenten; mit niedriger Steifigkeit können Sie Vibration und Geräusch reduzieren.“

Designoptimierung mit den von Sengers Team spezifizierten Parametern resultierte in einer Abtriebswelle 350 Millimeter lang mit 80 Millimeter Durchmesser. Die Stahlwelle, die massiv ist, hat einen kleineren Durchmesser als die hohle, rohrförmige CFRP-Welle, aber ausreichend Platz ist vorhanden, um die größere CFRP-Welle aufzunehmen.

Auch kritisch für Wellendesign ist, wie es mit anderen – meist metallischen – Komponenten im Antriebsstrang verbindet. „Man muss wissen, welche Kräfte zu berücksichtigen sind, wie man die Welle designed, wie man das Metall vorbereitet und wie man es montiert“, sagt Schwarz. Eine Metall-Abtriebswelle überträgt Drehmoment über eine geschweißte Verbindung zwischen Welle und anderen Metallkomponenten. Bei der CFRP-Welle hingegen wird die Verbindung über einen Presspassung gemacht, bei der ein Metallteil in das CFRP-Rohr eingesetzt wird. Der Außendurchmesser des Metallteils ist etwas größer als der Innendurchmesser des CFRP-Rohrs, was den für Drehmomentübertragung nötigen Fugenpressdruck erzeugt. Kein Klebstoff wird verwendet. Dynexa unterstützt seine CFRP-Metall-Verbindung mit äußeren CFRP-Stützringen und einem inneren, speziell designten Presspassungsverbinder. Schwarz erklärt, dass letztere, eine seit 20 Jahren bewährte Dynexa-Technologie, Drehmomentübertragung durch Kombination der durch Fugenpressdruck erzeugten Reibung und Formschluss durch Mikroverzahnung (Serration) am Metallteil bereitstellt. Kontaktkorrosion wird durch eine Fugendichtung zwischen CFRP-Rohr und Metallteil minimiert. Dynexas Presspassungstechnologie „kombiniert Leichtbau mit hoher Torsionsleistung, sowohl unter statischen Lasten als auch über lange Zeiträume unter Ermüdungslasten“, stellt Bruckhoff fest.

Im Vergleich zur Stahl-Abtriebswellen-Baugruppe ist die CFRP-Version 20 % bis 30 % leichter. Gewichtsersparnis umfasst sowohl die leichtere Welle (trotz des zusätzlichen Gewichts der äußeren Stützringe, die nicht Teil der Metall-Metall-Verbindung sind) als auch die Eliminierung der Schwingungsdämpfer, die für die metallische Version erforderlich sind. Obwohl die tatsächliche Gewichtsersparnis für Verbrennerfahrzeuge nicht von signifikantem Wert ist, könnte sie in Elektrofahrzeugen hilfreich sein, die durch kleine Gewichtsreduktionen größere Reichweite erzielen könnten.

Potenzial identifizieren

Tests der CFRP-Welle mit niedriger Torsionssteifigkeit zeigten letztlich, wie wichtig Torsionssteifigkeit für Power-Hop-Reduktion ist. Durch Matching der niedrigeren Torsionssteifigkeit der Stahlwelle verbesserte der Prototyp-CFRP-Abtriebswelle die Power-Hop-Performance nicht, berichtet Senger. „Fahrtests zeigen, dass der Power Hop des Fahrzeugs mit CFRP-Wellen die gleiche Intensität hat wie mit installierten Stahlwellen.“

Die Studie legt nahe, dass für Verbrennerfahrzeuge, die niedrigere Torsionssteifigkeit in der Abtriebswelle benötigen, erfolgreiche Reduktion von Power Hop Modifikationen der Rohrgeometrie erfordern würde. „Um weiteren Mehrwert zu erzielen, ist der Einsatz eines längeren CFRP-Rohrs notwendig“, schließt Bruckhoff. „Die Reduktion des Außendurchmessers ist auch wünschenswert für den Einstieg in Großserienfahrzeuge mit Composite-Standardkomponenten.“

In Elektrofahrzeugen jedoch glaubt Senger, dass der Schlüssel zum Erfolg für CFRP-Abtriebswellen die hohe Torsionssteifigkeit ist, die CFRP bieten kann. „Hohe Steifigkeit schafft direktere Fahrzeugreaktion und verbessert damit Fahrdynamik“, sagt sie. Elektrifizierte Antriebsstränge können Wellen mit hoher Torsionssteifigkeit einsetzen, da sie nicht die gleiche Ungleichmäßigkeit der Kurbelwelle erfahren wie Verbrennerfahrzeuge. Es ist der Verbrennungsprozess des Verbrennungsmotors und die resultierenden Kräfte auf die Kurbelwelle, die die Ungleichmäßigkeit erzeugen, und elektrische Energie erzeugt diese Kräfte nicht.

Eine steifere Abtriebswelle erhöht die torsionale Eigenfrequenz des Antriebsstrangs (die Frequenz, bei der eine Betriebsvibration das Bauteil in Resonanz versetzt und diese Vibration verstärkt). „Der Schwingungsmodus einer Welle mit hoher Torsionssteifigkeit verursacht viel geringere Lasten an allen Komponenten, die durch das Power-Hop-Phänomen angeregt werden“, weist Senger hin. Eine Simulation hat gezeigt, dass unter gleichen Fahrbedingungen eine CFRP-Abtriebswelle mit hoher Torsionssteifigkeit das Power Hop, das eine Metallwelle mit niedriger Torsionssteifigkeit erfährt, eliminieren wird.

Weiterentwicklung

Rückblickend auf die Abtriebswellen-Arbeit bisher sagt Bruckhoff: „Die CFRP-Abtriebswellen-Produktgruppe schafft neuen Mehrwert in puncto Fahreigenschaften und Komfort. Zusammen mit unseren Partnern werden wir diese Vorteile ausarbeiten und ein produktoptimiert in puncto Anforderungen und Preis realisieren.“

Weitere Studien zu potenziellen CFRP-Abtriebswellen-Anwendungen wurden vom OEM noch nicht angekündigt, scheinen aber wahrscheinlich. Für das Dynexa-Team hat dieses Vorentwicklungsprojekt neue Einblicke in CFRP-Anwendungen geliefert; insbesondere validieren Fahrzeugtests theoretische Annahmen und verbessern kontinuierlich die Designkompetenz. „Es ist wichtig, dass wir dranbleiben und diese Produktgruppe weiter mit unseren OEM-Partnern entwickeln“, hält Bruckhoff fest. „Unser Ziel ist es, erfolgreiche Entwicklungen schrittweise in eine Serienanwendung zu überführen.“