Propeller shafts are automobile powertrain parts transmitting the engine torque to the wheels of rear wheel drive cars. To avoid whirling vibration of the propeller shaft, its fundamental bending natural frequency has to exceed the maximum rotational speed of the shaft. Also, the NVH (Noise, Vibration and Harshness) characteristics can be improved by incorporating elevated damping characteristics.
To develop a propeller shaft meeting the frequency requirement with increased damping and robustness compared to pure composite shafts, a metal shaft is reinforced with composite material inside, where the inner composite material increases the natural frequency, while the outer metal bears the transmitted torque and protects the composite against impact loading, chemicals and moisture.
Usually, the composite inside is laminated and subsequently co-cure bonded to the outer metal shaft in an autoclave. This process, however, requires a long processing time and makes automation unrealizable due to complicated handling of the composite prepreg inside the metal shaft and the requires the application of vacuum bags. Moreover, autoclave-curing is ineffective in terms of energy requirements and initial costs for equipment.
This study concentrates on the development of an automatable production process basing on a novel out-of-autoclave method to produce the metal/composite propeller shaft with increased productivity. The requirements for the propeller shaft production process were investigated based on expert consultations. The adaptability of the production process was ensured by the investigation of design parameters in the shaft design and possible improvement approaches to the hybrid propeller shaft design. The developed out-of-autoclave curing method was experimentally tested and evaluated.
프로펠러샤프트는 엔진의 토크를 후륜 구동 자동차의 바퀴로 전달하는 자동차 파워트레인부분이다. 프로펠러샤프트의 횡진동을 방지하려면기본 고유 굽힘 진동수가 샤프트의 최대 회전속도를 넘어서야 한다. 또한, NVH(소음 (Noise), 진동(Vibration), 하시니스 (Harshness)) 특성은 높은 감쇠특성을 포함하는 것으로 개선될 수 있다. 순수한 합성물 샤프트와 비교했을 때 더 향상된 감쇠와 로버스트함을 가지면서 진동수 요건을 충족하는 프로펠러샤프트를 개발하기 위해서 금속 샤프트의 내부는 복합재료로 보강된다. 이 때, 내부의 복합재료는 고유진동수를 증가시키고, 외부의 금속은 전달된 토크를 견디고복합 재료을 충격하중, 화학물질과 습기로부터 보호한다. 대개 내부의복합 재료은 래미네이트가 입혀져 있고 이는 나중에 오토클레이브에서 외부의 금속 샤프트와 동시경화된다.
하지만 이 방법은 긴 시간을 요하며 자동화를 불가능하게 한다. 그 이유는 금속 샤프트 내의 복합 프리프레그의 핸들링이 복잡하며, 진공 백을 필요로 하기 때문이다.
더구나 오토클레이브 큐어링은 에너지 요구량과 장비의 초기 비용 측면에서 봤을 때 비효율적이다. 생산성이 향상된 금속/합성물 프로펠러샤프트를 생산하는 새로운 오토클레이브를 사용하지 않는 성형공정 (out-of-autoclave method) 방법에 기반한 자동화 가능한 공정에 초점을 맞췄다. 프로펠러샤프트 공정의 요건은 전문가와의 협의를 바탕으로 연구되었다. 공정의 적응성은 샤프트 디자인의 설계 파라미터와 하이브리드 프로펠러샤프트를 향상시킬 수 있는 접근방법의 디자인 연구로 보장받았다. 개발된 오토클레이브를 사용하지 않는 성형공정 (out-of-autoclave method) 큐어링 방법은 테스트 실험을 거치고 평가 받았다.
