一体型CFRPドライブシャフト、自動車実証試験をパス

多くの四輪駆動・全輪駆動車では、鋼製ドライブシャフトがセグメント化され、必要なトルクと振動性能特性を提供しています。これらセグメント化された鋼製品とは異なり、一体型炭素繊維強化ポリマー（CFRP）自動車ドライブシャフトは、トランスミッションからデファレンシャルまでの全距離——通常乗用車で1,000mm、商用車で3,000mm——を単一シャフトでカバーし、必要な性能を発揮できます。単一CFRPドライブシャフトは、鋼製ドライブシャフトだけでなく、2セグメントを接続するフランジと中間ベアリングも置き換えられます。統合コンポーネントとして、CFRPドライブシャフトは性能向上、軽量化に寄与し、高性能車両でコスト競争力があることが証明されています。

しかし、スパンが要因でなくなった場合、CFRPは依然として実行可能な選択肢なのでしょうか？

これは、ドライブトレインからホイールへの短距離（典型的に250〜500mm）を接続する出力シャフトの場合に該当します。量産車へのCFRP出力シャフト採用の是非を探る中、ダイネクサ（ドイツ・ラウデンバッハ）の設計チームは、驚き——そして率直に——結果に驚きました。

疑念からデモへ

ダイネクサはフィラメントワインディングとドライブラインの会社で、アバンコ・グループ（ドイツ・ヘルフォルト）の一員です。ドイツOEMとの事前開発研究の一環として、CFRP出力シャフトの設計とデモを実施。2014年から同OEMへCFRPドライブシャフトを供給し、セグメント化鋼シャフトと中間ベアリング比で40%軽量化を達成。回転質量低減で車両走行挙動も改善しました。

2006年以来、ダイネクサは自動車試作・量産用途で10万本以上のCFRPチューブとシャフトをフィラメントワインディング製造。通常ハンツマン（米国テキサス州ザ・ウッドランズ）またはヘキシオン（米国オハイオ州コロンバス）供給のエポキシマトリックスを使用。帝人（日本・千代田区）、東レ（東京）、SGL（ドイツ・ヴィースバーデン）、三菱（東京）、日本グラファイトファイバー（姫路）など多くの主要炭素繊維サプライヤーと協業。用途ごとに製品・生産要件に応じて繊維を選定し、材料特性を最大活用。この歴史と経験の幅があっても、ダイネクサチームは当初CFRP出力シャフト採用に疑念を抱いていました。

量産車ではソリッド金属出力シャフトが標準であり、最初ダイネクサチームはCFRP代替が何の価値をもたらすか不明でした。「マルチパート金属ドライブシャフトと異なり、ここでは大幅な軽量化は達成できません」とダイネクサのセールス・マーケティング責任者マティアス・ブックホフ氏。

CFRP出力シャフトへの切り替え理由

CFRPの高性能は、出力シャフトが異常に高い力を受ける電気自動車で潜在的に有用です。また、全タイプの自動車パワートレインに共通する現象——「パワーホップ」——の観点からも、電気・ガソリン両車でCFRP出力シャフトが有用かもしれません。これは低摩擦路面でフロントホイール駆動車のタイヤが高エンジン加速時に駆動面とのグリップを周期的に失う現象です。「ドライバーはフロントアクスルの大きな周期的ラトル音を聞き、シートとステアリングに強い振動を感じます」とBMWハイブリッドパワートレイン・メカニクス・構造研究のリンダ・ゼンガー氏。パワーホップ発生は出力シャフトとそのねじり剛性に強く依存します。

一般的に自動車設計者は、車両コンポーネントの振動特性を修正し、騒音・振動・ハーシュネス（NVH）を最小化しようとします。「アクセルを踏むと」とダイネクサ製品開発責任者のマルクス・シュワルツ氏、「力と振動がシステムに入力され、NVHを引き起こします。」ダイネクサチームはCFRPコンポーネントの振動特性最適化に経験豊富。「ファイバーコンポジット構造と積層構造を設計し、望ましい周波数を達成することで、走行中の部品ダイナミクスに影響を与えられます」とシュワルツ氏。

CFRPと鋼の異なる振動特性が、ゼンガー氏の出力シャフト研究の中心です。CFRP振動減衰がパワーホップ強度低減に寄与するかテストするため、ゼンガー氏がダイネクサにCFRP出力シャフト設計パラメータセットを提供。既存ガソリン車アセンブリ（ギアボックス接続とジョイント含む）で試験実施のため、CFRPシャフトは金属シャフトの直接置き換えとして設計される必要がありました。

ダイネクサは、金属シャフトの静的ねじり荷重3,000Nm対応能力に合わせてCFRPシャフトを設計。重要なのは、金属シャフトの低ねじり剛性（225Nm/度）にも合わせることでした。「ガソリン車の出力シャフト低剛性は、クランクシャフトの回転不均一性のために必要です」とゼンガー氏。「ねじり振動がパワートレインと全隣接コンポーネントに振動を引き起こし、低剛性で振動と騒音を低減できます。」

ゼンガー氏チーム指定パラメータでの設計最適化結果、長さ350mm、直径80mmの出力シャフトが得られました。ソリッド鋼シャフトは中空チューブラーCFRPシャフトより小径ですが、大径CFRPシャフト収容に十分なスペースがあります。

また、ドライブトレイン内の通常金属コンポーネントへの接続方法もシャフト設計の鍵です。「どの力を考慮し、どうシャフトを設計し、金属をどう準備し、どう組み立てるかを知る必要があります」とシュワルツ氏。金属出力シャフトはシャフトと他金属部品の溶接接続でトルク伝達。CFRPシャフトではプレスフィットジョイントで、金属部品をCFRPチューブ内に挿入。金属部品外径がCFRPチューブ内径よりわずかに大きく、トルク伝達に必要なジョイント圧力を生成。接着剤不使用。ダイネクサは外側CFRPサポートリングと内側特殊設計プレスフィットコネクタでCFRP-金属ジョイントをサポート。後者はダイネクサ技術で20年実績、ジョイント圧力による摩擦と金属部品マイクロティース（セレーション）によるポジティブロックの組み合わせでトルク伝達。CFRPチューブと金属部品間のギャップシールで電食腐食を最小化。ダイネクサのプレスフィット技術は「軽量設計と高ねじり性能を、静的荷負下でも長期疲労荷重下でも両立させます」とブックホフ氏。

鋼製出力シャフトアセンブリ比で、CFRP版は20〜30%軽量化。軽量化には軽量シャフト（外側サポートリング追加重量あり、金属-金属ジョイントにはない）と、金属版で必要な振動吸収装置の削減が含まれます。実際の軽量化価値はガソリン車では大きくないが、電気自動車では小さな軽量化でも航続距離延長に寄与する可能性があります。

潜在価値の特定

低ねじり剛性CFRPシャフト試験は、パワーホップ低減におけるねじり剛性の重要性を実証する結果となりました。鋼シャフトと同等の低ねじり剛性で、試作CFRP出力シャフトはパワーホップ性能を改善しませんでした。「走行試験では、CFRPシャフト装着時も鋼シャフト装着時と同強度のパワーホップが発生しました」とゼンガー氏報告。

この研究は、出力シャフトに低ねじり剛性が必要なガソリン車では、チューブ形状修正なしにパワーホップ低減は困難だと示唆。「更なる付加価値達成には、より長いCFRPチューブ使用が必要」とブックホフ氏。「外径削減も、コンポジット標準部品での大量生産車導入に望ましいです。」

Matlabシミュリンクシミュレーションでは、高ねじり剛性CFRP出力シャフトがパワーホップ現象を排除する可能性を示唆。シミュレーション走行操作は、濡れ平坦路面でのフロントホイール駆動ガソリン車の停止からの加速。ガソリン車は他走行性能問題で低ねじり剛性が好ましい可能性ありますが、電気自動車はCFRP出力シャクトさらに開発の有力候補です。

電気自動車では、CFRPが提供できる高ねじり剛性が成功の鍵だとゼンガー氏。「高剛性は車両のより直接的な応答性を生み、走行ダイナミクスを改善します。」電動パワートレインはガソリン車のクランクシャフトに見られる不均一性を経験しないため、高ねじり剛性シャフトを採用可能。ガソリンエンジンの燃焼プロセスとクランクシャフトへの結果的力が不均一性を生み、電気動力ではこれら力が発生しません。

より剛性の高い出力シャフトは、パワートレインのねじり固有振動数（運転振動がコンポーネントを共振させ、その振動を増幅する周波数）を上昇させます。「高ねじり剛性シャフトの振動モードは、パワーホップ現象で励起される全コンポーネントにはるかに低い荷重を与えます」とゼンガー氏。シミュレーションでは、同一走行条件下で、高ねじり剛性CFRP出力シャフトが、低ねじり剛性金属シャフトで経験されるパワーホップを排除することを示しました。

今後の展開

これまでの出力シャフト作業を振り返り、ブックホフ氏は「CFRP出力シャフト製品群は、走行特性と快適性の観点で新たな付加価値を創出します。パートナーと共にこれら利点を具現化し、要求と価格に最適化された製品を実現します。」と語ります。

OEMによる潜在的CFRP出力シャフト応用の更なる研究は未発表だが、可能性は高い。ダイネクサチームにとって、この事前開発プロジェクトはCFRP応用への新たな洞察を提供。特に車両試験が理論的仮定を検証し、設計能力を継続的に向上させます。「継続的に取り組み、OEMパートナーと共にこの製品群を発展させることが重要です」とブックホフ氏。「目標は、成功した開発を段階的に量産応用へ移行させることです。」