Arbre de transmission CFRP monobloc passe les tests sur piste d'essais automobile

Dans de nombreux véhicules à transmission intégrale et quatre roues motrices, les arbres de transmission en acier sont segmentés pour fournir les caractéristiques de performance de couple et de vibration nécessaires. Contrairement à ces homologues en acier segmentés, un arbre de transmission automobile monobloc en polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) est capable de fournir la performance requise car il couvre la distance complète de la transmission au différentiel, généralement entre 1 000 millimètres (voitures particulières) et 3 000 millimètres (véhicules commerciaux). Un seul arbre de transmission PRFC peut donc remplacer non seulement l'arbre de transmission en acier, mais aussi les brides et roulements intermédiaires qui relient les deux segments. En tant que composant unifié, l'arbre de transmission PRFC améliore la performance, contribue à moins de poids et s'est avéré compétitif en coût dans les véhicules haute performance.

Mais le PRFC est-il encore une option viable lorsque la portée n'est plus un facteur ?

C'est le cas pour les arbres de sortie, qui relient la courte distance (typiquement 250 à 500 millimètres) du groupe motopropulseur aux roues. Explorer si le cas pouvait être fait pour des arbres de sortie PRFC sur des véhicules de production, l'équipe de conception de Dynexa (Laudenbach, Allemagne) a été agréablement — et admettons-le — surprise par les résultats.

Dynexa, une entreprise de bobinage filamentaire et de ligne de transmission et membre du groupe Avanco (Herford, Allemagne), a entrepris sa conception et démonstration d'un arbre de sortie PRFC dans le cadre d'une étude de pré-développement menée avec un OEM allemand. En 2014, Dynexa a commencé à fournir l'OEM avec des arbres de transmission PRFC qui ont atteint une réduction de poids de 40 % par rapport à un arbre en acier segmenté et roulements intermédiaires. La réduction accompagnante de la masse tournante a aussi amélioré le comportement de conduite du véhicule.

Depuis 2006, Dynexa a bobiné plus de 100 000 tubes et arbres PRFC pour applications de prototype et production de série automobile. L'entreprise utilise généralement une matrice époxy fournie par Huntsman (The Woodlands, Texas, États-Unis) ou Hexion (Columbus, Ohio, États-Unis). Dynexa travaille avec de nombreux fournisseurs majeurs de fibres de carbone, dont Teijin (Chiyoda-ku, Japon), Toray (Tokyo, Japon), SGL (Wiesbaden, Allemagne), Mitsubishi (Tokyo, Japon) et Nippon Graphite Fiber Corp. (Himeji, Japon). (La fibre pour chaque application est sélectionnée selon les exigences de produit et production, faisant le meilleur usage des propriétés du matériau.) Même avec cet historique et cette largeur d'expérience, l'équipe de Dynexa avait initialement des doutes sur l'utilisation du PRFC pour les arbres de sortie.

Du doute à la démo

Un arbre de sortie en métal plein est la norme aujourd'hui dans les véhicules de production, et au début l'équipe Dynexa n'était pas sûre de la valeur qu'une alternative PRFC pourrait apporter. « En contraste avec les arbres de transmission multi-pièces en métal, nous n'obtiendrions pas d'économies de poids élevées ici », note Matthias Bruckhoff, responsable des ventes et marketing pour Dynexa.

Pourquoi passer aux arbres de sortie PRFC ? La haute performance du PRFC pourrait être potentiellement utile dans les véhicules électriques, où les arbres de sortie sont soumis à des forces inhabituellement élevées. De plus, l'arbre de sortie PRFC peut aussi s'avérer utile sur les véhicules électriques et à essence à cause d'un phénomène commun à tous les types de groupes motopropulseurs automobiles. Appelé « power hop » (saut de puissance), le phénomène se produit quand des surfaces de route à faible friction causent aux pneus des véhicules à traction avant de perdre cycliquement l'adhérence avec la surface de roulement pendant une forte accélération moteur. « Le conducteur entend un cliquetis cyclique bruyant de l'essieu avant et ressent une forte vibration sur le siège et le volant », explique Linda Senger, recherche BMW sur groupe motopropulseur hybride, mécanique et structure. L'occurrence du power hop est hautement dépendante de l'arbre de sortie et de sa rigidité torsionnelle.

Application de bobinage filamentaire. Ayant bobiné plus de 100 000 tubes et arbres PRFC pour applications prototype et production de série automobile, Dynexa a appliqué cette expérience aux nouveaux défis que l'application d'arbre de sortie présentait. D'un intérêt particulier sont la performance vibratoire et la rigidité torsionnelle des arbres. Source | Dynexa

« L'objectif du développement était l'influence sur le power hop d'un amortissement torsionnel plus élevé dans les arbres de sortie PRFC comparés aux arbres en acier avec la même rigidité torsionnelle », continue Senger. Les arbres PRFC ont montré posséder cinq à dix fois l'amortissement torsionnel des arbres en acier. Ce comportement d'amortissement est ajustable aux exigences de l'application. »

Généralement, les concepteurs automobiles cherchent à modifier les caractéristiques vibratoires des composants du véhicule pour minimiser le bruit, les vibrations et la dureté (NVH). « Quand vous appuyez sur l'accélérateur », explique Marcus Schwarz, responsable du développement produit chez Dynexa, « cela augmente la force et la vibration dans le système, causant le NVH. » L'équipe de Dynexa est expérimentée dans l'optimisation des caractéristiques vibratoires des composants PRFC. « En concevant la structure composite fibre et en ajustant la structure de couches, une fréquence désirée peut être atteinte pour influencer la dynamique de la pièce pendant le fonctionnement », dit Schwarz.

Les caractéristiques vibratoires différentes du PRFC et de l'acier sont centrales dans l'étude d'arbre de sortie de Senger. Pour tester si l'amortissement vibratoire du PRFC aiderait à réduire l'intensité du power hop, Senger a fourni à Dynexa un ensemble de paramètres de conception pour l'arbre de sortie PRFC. Comme le test serait conduit sur un assemblage existant pour un véhicule à essence, incluant la connexion boîte de vitesses et les joints, l'arbre PRFC devait être conçu comme un remplacement direct de l'arbre en métal.

Dynexa a conçu l'arbre PRFC pour correspondre à la capacité de l'arbre en métal à gérer une charge torsionnelle statique jusqu'à 3 000 Newton-mètres. Important, l'arbre PRFC devait aussi correspondre à la faible rigidité torsionnelle de l'arbre en métal de 225 Newton-mètres par degré. « La faible rigidité des arbres de sortie dans les véhicules à essence est nécessaire à cause de la non-uniformité de rotation du vilebrequin », explique Senger. « Les vibrations torsionnelles causent une vibration du groupe motopropulseur et de tous les composants adjacents ; avec une faible rigidité, vous pouvez réduire la vibration ainsi que le bruit. »

L'optimisation de conception utilisant les paramètres que l'équipe de Senger a spécifiés a résulté en un arbre de sortie de 350 millimètres de long avec un diamètre de 80 millimètres. L'arbre en acier, qui est plein, a un diamètre plus petit que l'arbre PRFC tubulaire creux, mais un espace suffisant est disponible pour accommoder le plus grand arbre PRFC.

Également critique pour la conception de l'arbre est la façon dont il se connecte aux autres — généralement métalliques — composants du groupe motopropulseur. « Vous devez savoir quelles forces prendre en compte, comment concevoir l'arbre, comment préparer le métal et comment l'assembler », dit Schwarz. Un arbre de sortie en métal transmet le couple via une connexion soudée entre l'arbre et les autres composants métalliques. Avec l'arbre PRFC, d'autre part, la connexion est faite avec un joint à pression, dans lequel une pièce métallique est insérée dans le tube PRFC. Le diamètre extérieur de la pièce métallique est légèrement plus grand que le diamètre intérieur du tube PRFC, créant une pression de joint nécessaire pour la transmission du couple. Aucun adhésif n'est utilisé. Dynexa supporte son joint PRFC-métal avec des anneaux de support PRFC externes et un connecteur à pression interne spécialement conçu. Schwarz explique que ce dernier, une technologie Dynexa prouvée sur 20 ans, fournit la transmission de couple par une combinaison du frottement généré par la pression de joint et le verrouillage positif créé par des micro-dents (sérration) sur la pièce métallique. La corrosion galvanique est minimisée par un joint d'étanchéité entre le tube PRFC et la pièce métallique. La technologie de joint à pression de Dynexa « combine design léger avec haute performance torsionnelle, tant sous charges statiques que sur de longues périodes sous charges de fatigue », déclare Bruckhoff.

Comparé à l'ensemble arbre de sortie en acier, la version PRFC est 20 % à 30 % plus légère. L'économie de poids inclut à la fois l'arbre plus léger (malgré le poids ajouté des anneaux de support externes, qui ne font pas partie du joint métal-métal) et l'élimination des absorbeurs de vibration requis pour la version métallique. Bien que l'économie de poids réelle ne soit pas de valeur significative pour les véhicules à essence, elle pourrait être utile dans les véhicules électriques, qui peuvent obtenir une plus grande autonomie même avec de petites réductions de poids.

Identifier la valeur potentielle

Les tests de l'arbre PRFC avec faible rigidité torsionnelle ont fini par démontrer à quel point la rigidité torsionnelle est importante pour la réduction du power hop. En correspondant à la faible rigidité torsionnelle de l'arbre en acier, l'arbre de sortie PRFC prototype n'a pas amélioré la performance du power hop, rapporte Senger. « Les tests de conduite montrent que le power hop du véhicule a la même intensité avec les arbres PRFC que quand les arbres en acier sont installés. »

L'étude suggère que, pour les véhicules à essence qui ont besoin d'une faible rigidité torsionnelle dans l'arbre de sortie, une réduction réussie du power hop nécessiterait des modifications à la géométrie du tube. « Afin d'obtenir une valeur ajoutée supplémentaire, l'utilisation d'un tube PRFC plus long est nécessaire », conclut Bruckhoff. « La réduction du diamètre extérieur est aussi souhaitable pour l'entrée en grande série de véhicules avec composants standards composites. »

La rigidité torsionnelle fait la différence. Une simulation utilisant Matlab Simulink suggère qu'un arbre de sortie PRFC avec haute rigidité torsionnelle peut éliminer le phénomène de power hop. La manœuvre de conduite simulée est l'accélération d'un véhicule à traction avant, à essence, depuis l'arrêt sur une surface de route mouillée et plane. Bien que les véhicules à essence puissent être mieux servis par une faible rigidité torsionnelle pour d'autres problèmes de performance de conduite, les véhicules électriques sont de forts candidats pour le développement futur de l'arbre de sortie PRFC. Source | Linda Senger

Dans les voitures électriques, cependant, Senger croit que la clé du succès pour les arbres de sortie PRFC est la haute rigidité torsionnelle que le PRFC est capable de fournir. « Une rigidité élevée crée une réactivité plus directe du véhicule, et améliore ainsi la dynamique de conduite », dit-elle. Les groupes motopropulseurs électrifiés peuvent employer des arbres avec haute rigidité torsionnelle car ils ne subissent pas la même non-uniformité du vilebrequin trouvée dans les véhicules à essence. C'est le processus de combustion du moteur à essence et les forces résultantes sur le vilebrequin qui créent la non-uniformité, et l'énergie électrique ne génère pas ces mêmes forces.

Un arbre de sortie plus rigide augmente la fréquence naturelle torsionnelle du groupe motopropulseur (la fréquence à laquelle une vibration opérationnelle cause la résonance du composant et amplifie cette vibration). « Le mode de vibration d'un arbre avec haute rigidité torsionnelle cause des charges bien plus faibles à tous les composants excités par le phénomène de power hop », souligne Senger. Une simulation a montré que, sous les mêmes conditions de conduite, un arbre de sortie PRFC avec haute rigidité torsionnelle éliminera le power hop expérimenté par un arbre en métal avec faible rigidité torsionnelle.

Aller de l'avant

En réfléchissant sur le travail d'arbre de sortie jusqu'à présent, Bruckhoff dit : « Le groupe de produits arbre de sortie PRFC crée une nouvelle valeur ajoutée en termes de caractéristiques de conduite et de confort. Avec nos partenaires, nous travaillerons ces avantages et réaliserons un produit optimisé en termes d'exigences et de prix. »

D'autres études d'applications potentielles d'arbres de sortie PRFC n'ont pas encore été annoncées par l'OEM mais semblent probables. Quant à l'équipe Dynexa, ce projet de pré-développement a fourni de nouveaux aperçus sur les applications PRFC ; en particulier, les tests de véhicules valident les hypothèses théoriques et améliorent continuellement la compétence de conception. « Il est important que nous continuions et continuions à développer ce groupe de produits avec nos partenaires OEM », maintient Bruckhoff. « Notre objectif est de transférer les développements réussis étape par étape dans une application de série. »