與汽車驅動軸不同，汽車輸出軸在制造復合材料外殼時不能將軸長度作為一個因素。取而代之的是，其他有益的特性使得復合材料輸出軸能夠與金屬軸競爭，特別是在電動汽車中。

　　在許多四輪驅動和全輪驅動車輛中，鋼驅動軸被分段以提供必要的扭矩和振動性能特征。不同于這些分段的鋼制對應件，整體式碳纖維增強聚合物（CFRP）汽車驅動軸，能夠提供所需的性能，因為它跨越了從變速器到差速器的整個距離，通常在1000毫米（乘用車）和3000毫米（商用車）之間。因此，一個單一的碳纖維復材傳動軸不僅可以取代鋼制傳動軸，而且可以取代連接兩個部分的法蘭和中間軸承。作為一個統一的部件，碳纖維驅動軸提高了性能，減輕了重量，并證明在高性能車輛中具有成本競爭力。

　　CFRP 輸出軸，如圖所示為兩個完整的總成，展示了可定制的剛度，具有改善車輛駕駛行為的潛力。

　　但是當跨度不再是一個因素時，碳纖維增強復合材料還是一個可行的選擇嗎?

　　當涉及到輸出軸時就是這樣，輸出軸將傳動系與車輪之間的短距離（通?？蓽p輕汽車重量的復合輸出軸為250至500毫米）連接起來。為了探索這種情況是否可以用于生產車輛上的CFRP輸出軸，德國Dynexa公司的設計團隊對他們的結果毫無疑問感到了驚喜。

　　Dynexa是一家纖維纏繞和傳動系統公司，也是德國Avanco集團的成員之一。作為與德國原始設備制造商進行的預開發研究的一部分，Dynexa承擔了CFRP輸出軸的設計和演示。2014年，Dynexa開始為OEM提供碳纖維增強塑料傳動軸，與分割鋼軸和中間軸承相比，這種傳動軸減少了40%的重量。伴隨著旋轉質量的減少也改善了車輛的駕駛行為。

　　自2006年以來，Dynexa已經為汽車原型和系列生產應用提供了超過100,000條碳纖維增強塑料管和軸。該公司通常使用由美國Huntsman或Hexion公司提供的環氧樹脂基體。Dynexa與許多主要的碳纖維供應商合作，包括帝人、東麗、SGL、三菱和日本石墨纖維公司。根據產品和生產要求，充分利用材料性能，選擇不同用途的纖維。盡管有這樣的歷史和豐富的經驗，Dynexa團隊初對碳纖維增強塑料用于輸出軸還是心存疑慮。

　　從懷疑到演示

　　實心金屬輸出軸是當今生產車輛的標準，起初Dynexa團隊不確定碳纖維增強塑料會帶來什么樣的價值。Dynexa銷售和市場主管馬提亞斯?布魯克霍夫(MatthiasBruckhoff)指出：“與多部件金屬傳向軸相比，我們在這里無法實現很多的重量節省。”

　　為什么要換成碳纖維增強塑料（CFRP）輸出軸？碳纖維復合材料的高性能可能在電動汽車中有潛在的用途。在電動汽車中，輸出軸承受著異常高的力。此外，CFRP輸出軸也可能證明在電動和燃氣驅動車輛上都是有用的，因為這是所有類型汽車動力系統的常見現象。這種現象被稱為“動力跳躍”，當低摩擦路面導致前輪驅動車輛的輪胎在發動機高加速時周期性地失去與驅動路面的抓地力。寶馬混合動力系統、機械和結構研究所的琳達?森格（LindaSenger）解釋說：“駕駛員聽到前軸發出的周期性的響聲，并感覺到座椅和方向盤上有強烈的振動。”動力跳躍的發生高度依賴于輸出軸及其扭轉剛度。

　　開發的重點是，與具有相同扭轉剛度的鋼制軸相比，CFRP輸出軸具有較高的扭轉阻尼，從而影響動力跳躍。CFRP軸的扭轉阻尼顯示為鋼制軸的5至10倍。這種阻尼性能可根據應用要求進行調整。

　　一般來說，汽車設計師試圖改變車輛部件的振動特性，以盡量減少噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）。Dynexa產品開發主管馬庫斯?施瓦茲（MarcusSchwarz）解釋道：“當你踩下油門時，會增加進入系統的壓力和振動，從而導致振動噪聲NVH。”Dynexa的團隊在優化CFRP組件的振動特性方面經驗豐富。Schwarz說：“通過設計纖維復合材料結構和調整層結構，可以達到所需的頻率，從而在運行過程中影響部件的動態特性。”

　　CFRP和鋼的不同振動特性是Senger的輸出軸研究的中心。為了測試CFRP振動阻尼是否有助于降低功率跳跳強度，Senger向Dynexa提供了一套CFRP輸出軸的設計參數。由于該測試將在現有的燃氣動力汽車總成上進行，包括變速箱連接和接頭，因此需要設計CFRP軸作為金屬軸的直接替代品。

　　Dynexa 擁有超過 100,000 條用于汽車原型和批量生產應用的纏繞 CFRP 管和軸，Dynexa 將此經驗應用于輸出軸應用帶來的新挑戰。

　　Dynexa設計了CFRP軸，以匹配金屬軸承受高達3,000牛頓米的靜態扭轉載荷的能力。重要的是，CFRP軸還必須與金屬軸的低扭轉剛度（225牛頓米/度）相匹配。Senger解釋說：“由于曲軸的旋轉不均勻性，燃氣動力汽車輸出軸的低剛度是必要的。”扭振會引起動力傳動系統和所有相鄰部件的振動；剛度低，可以降低振動和噪音。

　　對Senger團隊指定的參數進行設計優化，得到了一個350毫米長、80毫米直徑的輸出軸。鋼軸是實心的，比中空的管狀碳纖維增強塑料軸直徑小，但空間較大，足夠容納碳纖維增強塑料軸。

　　CFRP碳纖維復合材料汽車輸出軸

　　軸設計的關鍵還在于它如何與傳動系中的其他部件（通常是金屬部件）連接。你需要知道要考慮哪些力；如何設計軸；如何準備金屬以及如何組裝。金屬輸出軸通過軸和其他金屬部件之間的焊接連接傳遞扭矩。與CFRP軸的連接采用壓合接頭，在壓合接頭中將金屬件插入CFRP管中。

　　金屬部件的外徑略大于CFRP管的內徑，從而產生扭矩傳遞所需的連接壓力。不使用粘合劑。Dynexa用外部CFRP支撐環和內部特殊設計的壓合接頭支撐其CFRP與金屬的接頭。

　　后者是一種經過20多年驗證的Dynexa技術，通過結合壓力產生的摩擦力和金屬零件上的微齒（鋸齒）產生的正鎖緊力來提供扭矩傳遞。通過CFRP管和金屬部件之間的間隙密封將電偶腐蝕降至低。Dynexa的壓裝技術將輕量化設計與高扭轉性能完美地結合在一起，既可以承受靜態載荷，也可以承受長期疲勞載荷。

　　與鋼輸出軸組件相比，CFRP版本的重量減輕了20％到30％。減輕重量包括減輕軸的重量（盡管增加了外部支撐環的重量，而外部支撐環不是金屬-金屬接頭的一部分），并且省去了金屬版本所需的減震器。盡管實際的重量減輕對汽油動力汽車而言意義不大，但對于電動汽車可能會有所幫助，即使減少輕量化，電動汽車也可以實現更大的行駛里程。

　　確定潛在價值

　　對低扭轉剛度CFRP軸的測試結果表明扭轉剛度對降低動力跳躍有多重要。Senger報告稱，與鋼軸較低的扭轉剛度相匹配，CFRP原型輸出軸并沒有改善動力輸出軸的性能。駕駛試驗表明，車輛的動力跳躍與安裝鋼軸時的CFRP軸強度相同。

　　研究表明，對于需要較低輸出軸扭轉剛度的燃氣動力汽車，要想成功地降低動力跳躍，就需要對管子的幾何形狀進行修改。為了實現進一步的附加值，有必要使用更長的碳纖維增強塑料管。“對于采用復合標準部件的大系列車輛，減小外徑也是可取的。”

　　連接技術。輸出軸兩端的外部 CFRP 支撐環和內部“壓配合連接器”的組合確保了足夠的聯合壓力，可將所需的扭矩從動力傳動系統傳遞到車輪。

　　通過MatlabSimulink仿真表明，采用高扭轉剛度的碳纖維布輸出軸可以消除功率跳變現象。模擬的駕駛動作是前輪驅動的燃氣驅動車輛在潮濕平坦的路面上從靜止狀態加速。盡管燃氣動力汽車在其他駕駛性能問題上可能更適合較低的扭轉剛度，但電動汽車是進一步發展CFRP輸出軸的有力競爭者。

　　然而，在電動汽車中，Senger認為CFRP輸出軸成功的關鍵在于CFRP能夠提供的高扭轉剛度。她認為，高剛度使車輛具有更直接的響應能力，從而改善了行駛動力學。電動動力總成可以采用具有高扭轉剛度的軸，因為它們不會遇到與汽油動力車輛相同的曲軸不均勻性。燃氣發動機的燃燒過程以及曲軸上的合力會造成不均勻性，而電力不會產生這些相同的力。

　　較硬的輸出軸會增加動力總成的扭轉固有頻率（在這種頻率下，操作振動會導致組件產生共振并放大該振動）。Senger指出：“具有高抗扭剛度的軸的振動模式會給受動力跳變現象激發的所有組件帶來更低的負載。”仿真表明，在相同的行駛條件下，具有高扭轉剛度的CFRP輸出軸將消除具有低扭轉剛度的金屬軸所經歷的動力跳躍。

　　回顧迄今為止的輸出軸的工作情況，Bruckhoff說：“CFRP輸出軸產品組在駕駛特性和舒適性方面創造了新的附加值。我們將與合作伙伴一道，發揮出這些優勢，生產出性價比優的產品。”

　　OEM還沒有公布更多潛在的CFRP輸出軸應用的研究。對于Dynexa團隊來說，這個預開發項目為碳纖維增強塑料的應用提供了新的見解。特別是，車輛測試驗證了理論假設，并不斷提高設計能力。“重要的是我們要堅持下去，并繼續與OEM合作伙伴一起發展這個產品組。”Bruckhoff說，“我們的目標是將成功的研發成果逐步轉化為一系列的應用。