Блог

Анализ на леки колела от въглеродни влакна за нова енергия
Превозни средства

Нови енергийни превозни средства Леко колело от въглеродни влакна
Анализ

2023-07-11 06:59:49

Въведение
Новите енергийни превозни средства постепенно заместват традиционните горивни
задвижвани автомобили. Обхватът на електрическите превозни средства се превърна в
най-голямата пречка пред развитието, което прави олекотяването
особено важно.

С нарастващото търсене на защита на околната среда и
енергийната ефективност, световната автомобилна индустрия търси
разнообразни решения за олекотяване. Необходимостта от намаляване на теглото
в нерегулируемата маса е особено забележима и като
важен компонент на неподсилената маса, колелата представляват
представлява значителна част от общото тегло на превозното средство. Един
ефективен начин за намаляване на теглото е използването на въглеродни
колела от фибри. С намаляването на разходите за суровини и производство,
колела от въглеродни влакна, които някога бяха скъпи и се използваха само
в луксозни или свръхлуксозни модели, постепенно стават все
достъпни.

Фигура 1: Колело от въглеродни влакна

Перспективи за приложение на CFRP в автомобилната индустрия
Въглеродните влакна са леки, високоякостни и високомодулни
материал на влакното. Той има по-ниска плътност от метала, но е 16 пъти
по-здрави от стоманата. Нейният модул на Юнг е 2-3 пъти по-висок
от традиционните стъклени влакна, като същевременно запазва гъвкавостта си.
на влакната.

Обикновено колелата от алуминиева сплав тежат около 15 кг,
а колелата от въглеродни влакна могат да намалят теглото до 8 килограма,
което превръща колелата от въглеродни влакна в истински "инструмент за намаляване на теглото".

Благодарение на своите леки и високоякостни свойства въглеродът
винаги е бил предпочитан материал за автомобилната индустрия.
производство. В допълнение към приложенията за колела, въглеродните влакна
се използва също така в автомобилни трансмисии, листови ресори, конструкции,
и корпуси, което осигурява достатъчна здравина и твърдост, като същевременно
намаляване на теглото и разхода на енергия на автомобилите.
Според "2021 г. пазар на въглеродни влакна за автомобилната индустрия
Изследователски доклад", публикуван от MarketaaWatch, световната
размерът на пазара на въглеродни влакна за автомобилната индустрия достигна почти $160
милиона през 2020 г. От 2021 г. до 2027 г. световният автомобилен
Очаква се пазарът на въглеродни влакна да поддържа съставна
годишен темп на растеж от над 5%.

Прилагането на материали от въглеродни влакна в автомобилите не е
само за олекотяване и намаляване на потреблението на енергия, но
също и за подобряване на безопасността на превозните средства. В сравнение с
традиционните джанти от алуминиева сплав, джантите от въглеродни влакна са
по-леки, по-здрави, без умора на метала и значително
намаляване на шума. Пазарът на колела от въглеродни влакна в Китай е
огромен потенциал, но широкото разпространение на въглеродните влакна
колела зависи преди всичко от съображения за разходите.

Фигура 2: Прогноза за търсенето на въглеродни влакна в автомобилната индустрия
Сектор

С непрекъснатото усъвършенстване и мащабното производство
на технологията за производство на въглеродни влакна, цената на въглеродните
влакната постепенно намаляват. Традиционните въглеродни влакна
прекурсорът се произвежда основно от полиакрилонитрил (PAN).
материал, който винаги е бил скъп. Въпреки това, чрез използването на
на асфалтова основа, полиетилен и други материали за производство на
прекурсор, цената на въглеродните влакна може да се намали с повече от
от 30%. Например, Carbon Revolution, австралийска
произвежда колела от въглеродни влакна чрез залепване на
въглеродни влакна със смола, постигане на широкомащабно производство и
намаляване на цената на колелата от въглеродни влакна до ниво, близко до
алуминиеви джанти.

Китайското правителство прилага съответните политики, за да
насърчаване на широкото прилагане на произведени в страната
високоефективни въглеродни влакна. През март 2021 г., "14-ти
Петгодишен план за национална икономическа и социална
Развитие и дългосрочни цели за 2035 г.",
което подчертава необходимостта от засилване на изследванията,
разработване и прилагане на високоефективни влакна като
като въглеродни влакна и техните композити. Това осигурява благоприятни условия за
политическа среда за технологичния напредък на
производството на въглеродни влакна в бъдеще.

Развитието на новите енергийни превозни средства е неудържимо и
колелата от въглеродни влакна може да станат стандартна характеристика на новите
енергийни превозни средства.

Сравнение между колела от CFRP и метални колела:

От изобретяването на автомобилите през 1886 г., което има история
на повече от 100 години автомобилните колела са се развили от
дървени материали до модерни метални материали. Обикновено
използваните материали за джанти в съвременните автомобили включват стоманени джанти,
джанти от алуминиева сплав, джанти от магнезиева сплав, а напоследък
години се появиха колела от въглеродни влакна, особено в
суперавтомобили.

Стоманени колела: Стоманените колела се произвеждат предимно от желязо и други
метали за повишаване на здравината. Те имат следните предимства
по-висока издръжливост, отлична устойчивост на удар и добро натоварване
носимоспособност. Освен това те са сравнително евтини.
Стоманените колела обаче имат някои недостатъци, като например
податливост на ръжда, лошо разсейване на топлината, голямо тегло и
ограничения при спиране и управление.

Алуминиева сплав Колела: Алуминият е основният компонент на
алуминиеви джанти, както и елементи като антимон,
силиций и магнезий за подобряване на цялостното представяне. В
Производственият процес на джанти от алуминиева сплав е по-
сложна от тази на стоманените колела, с повече етапи на обработка.
Колелата от алуминиева сплав се отличават с по-висока цялостна производителност и
значително намаляване на теглото. Поради по-ниската плътност на
алуминиева сплав, те предлагат по-бързо ускорение, по-добра топлинна
разсейване и са подходящи за градски пътни условия.
Въпреки това джантите от алуминиева сплав имат относително по-ниски
издръжливост, устойчивост на удар и умора, което прави
са неподходящи за тежки условия като офроуд
условия.

Магнезиево-алуминиеви сплави Колела: В сравнение с алуминия,
магнезият има по-ниска плътност и е подобен на въглеродните влакна
композитни материали. Колела от магнезиево-алуминиева сплав
включват магнезий като основен компонент, както и
алуминий, цинк, манган и други елементи. Те осигуряват
по-добра еластичност, по-бързо разсейване на топлината и по-силен удар
способност за абсорбиране. Те са подобрена версия на
колела от алуминиева сплав по отношение на издръжливостта. Въпреки това,
колелата от магнезиево-алуминиева сплав са склонни към окисляване и
имат слаба устойчивост на корозия.

Колела от въглеродни влакна: Колелата от въглеродни влакна са сравнително нови
тип колела, които се появиха през последните години. Те имат
чисто черен вид с текстурирана повърхност, която им придава
висок клас и изискан външен вид. Колелата от въглеродни влакна предлагат
мощна производителност, тегло, сравнимо с това на магнезия
колела, висока издръжливост, отлична устойчивост на удар и
устойчивост на корозия и окисляване. Понастоящем те се използват в
мотоциклети, планински велосипеди, шосейни велосипеди и автомобили.

Предимства на колелата от композитни въглеродни влакна
Колелата и гумите на автомобила поемат цялото тегло и играят важна
решаваща роля за управлението на превозното средство под действието на
ос на трансмисията. Като основен структурен компонент, карбонът
колелата от влакнест композит притежават отлична товароносимост
и устойчивост на удар, осигурявайки изключителна производителност.
по време на ускорение и при големи натоварвания. Освен това въглеродните
влакнести колела могат ефективно да намалят инерцията и да позволят по-бързо
ускоряване, спиране и маневриране поради намалената им
тегло.

(1) По-леко тегло, по-висока якост

Широко известно е, че композитните материали от въглеродни влакна са
признат за най-добрия метод за "лекота" и тегло
намаляване на броя на автомобилите. Въглеродните влакна, известни също като "черни
злато," е по-лек от алуминия и същевременно има по-висока якост
от стоманата. Той се отличава с устойчивост на корозия и висок модул
характеристики, което позволява не само намаляване на теглото, но и
укрепване на конструкцията на превозното средство. Данните показват, че 20-
инчово колело от въглеродни влакна тежи приблизително 7,5 кг, което е
повече от 25% по-лек от алуминиева сплав с еквивалентен размер
колело. По отношение на здравината колелата от въглеродни влакна имат
цялостно подобрение от около 30% в сравнение с алуминия
алуминиеви джанти.

(2) Подобрена производителност и управление

Инженери от австралийската марка колела Carbon Revolution
са заявили, че намаляването на теглото на колело с 1 kg при
е равносилно на намаляване на общата маса на превозното средство.
тегло с 15 кг. За всяко намаление на теглото със 10%
ускорението на автомобила може да се подобри с
приблизително 8%. Това показва, че леките колела могат
осигурява по-добра реакция на мощността на автомобила.
Колелата от въглеродни влакна също така отлично абсорбират ударите,
повишен комфорт и подобрено управление.

(3) Енергийна ефективност и намаляване на емисиите

Намаляване на нерегулируемата маса с 1 кг с помощта на въглеродни влакна
композитни колела е равносилно на намаляване на общото тегло на превозното средство
тегло с 15 кг. Намаляването на теглото със 10% може да доведе до 6%-
8% намаление на разхода на гориво и 5% намаление на
емисии. При сценарий, при който превозните средства използват същото количество
бензин, автомобил, оборудван с колела от въглеродни влакна, може да се движи до
до 50 км в час повече в сравнение с автомобил с алуминиева сплав.
колела. Теглото на колелата от въглеродни влакна е 60% по-леко от това на
на джанти от кована алуминиева сплав със същия размер,
намаляване на теглото на превозните средства от гледна точка на околната среда
цели.

(4) Подобрено управление и отлична спирачна ефективност

Колелата от въглеродни влакна имат модул на еластичност до 200 GPa.
Колкото по-висок е модулът на еластичност, толкова по-малък е еластичният
деформация след подлагане на сили, което води до по-добро
комфорт и подобрено управление. След замяната на колелата с
леки карбонови, окачването на автомобила
скоростта на реакция се подобрява значително, което води до по-бързи и
по-плавно ускорение и подобрена спирачна ефективност.

Примери за приложение на колела от въглеродни влакна
Основана през 2007 г., Carbon Revolution е глобална технология
компания и доставчик на оборудване за първоначално вграждане от първо ниво, която успешно
пионерски, комерсиализирани и индустриализирани високи
производителност, технологично усъвършенствани леки въглеродни влакна
колела. В допълнение към джантите за луксозни автомобили, компанията има
обяви разработването на 23- и 24-инчови карбонови
колела от фибри, предназначени за пазарите на електрически камиони и SUV. .
Компанията също така предприема проекти за концептуални и валидиращи решения.
за колелата на хеликоптера CH-47 Chinook на Boeing.

Фигура 3: Ултралека серия въглеродни влакна на Carbon Revolution
Колела

Производството на колела от въглеродни влакна изисква високи
прецизно полагане на въглеродни влакна и формоване под високо налягане
техники. Carbon Revolution притежава около 50 патента
свързани с продукти и производство на колела от въглеродни влакна
и има за цел да подобри ефикасността на процесите чрез
подобрения. За да постигне това, компанията е разработила
високоавтоматизирани производствени линии и широко използва
технологии за машинно обучение и изкуствен интелект, за да
оптимизиране на производствения процес. Средно, колелата
са с 40% до 50% по-леки от стандартните алуминиеви колела в
пазар. Освен това колелата могат да бъдат проектирани с
аеродинамични форми за намаляване на съпротивлението и увеличаване на пробега без
добавяне на тегло.

Италианската компания Bucci Composites представи първия 20-инчов
джанта от въглеродни влакна, специално разработена за
сектора на спортните/суперкарните автомобили. Тя позволява закрепване на колелото към
главината по традиционния начин, като се елиминира рискът от въртящ момент на болтовете.
разхлабване. Това гарантира, че ултралеките колела от въглеродни влакна
са също толкова лесни за сглобяване и поддръжка, колкото и традиционните колела. На адрес
да се справят с високите температури, особено когато
при използване на карбоново-керамични спирачки вътрешната страна на джантата е
покрита с керамичен слой, който предпазва въглеродните влакна и
което позволява джантата да се използва при екстремни температури.

Фигура 4: Въглеродна революция

Bucci Composites също така разполага с най-съвременните
технология за производство от Cannon (High-Pressure RTM-
HP-RTM), единствената компания в Италия, която разполага с технологията за
продължава да разработва повече модели колела за автомобилната индустрия
промишленост.

Фигура 5: Оборудване за HP-RTM процес на Cannon

Решението на Cannon включва оборудването, необходимо за
процес на RTM под високо налягане за производство на композитни материали
материали с матрица от епоксидна смола и въглеродни влакна
подсилване:

(1) Трикомпонентна дозираща единица с високо налягане E-system за
епоксидна смола с трикомпонентен състав LN10
смесваща глава и контрол на изходните съотношения в затворен цикъл.

(2) Преса за пресоване с къс ход със затягане
сила от 25 000 kN, пресоващи плочи с размери 3,6 × 2,4 м и висококачествени
прецизен активен контрол на паралелизма, за да се гарантира плоскостта на формования
части.

Фигура 6: 20″ колело от въглеродни влакна на Bucci Composites

Известният британски производител на автомобили Bentley наскоро
представи иновативни джанти от изцяло въглеродни влакна за своето Bentley
SUV Bentayga, разработен от Bucci Composites. 22-инчовият
колелата от въглеродни влакна станаха най-големите колела от въглеродни влакна
произвеждани някога, гарантиращи иновативен дизайн и изключителна
ефективност, като същевременно се постига намаляване на теглото с 6 кг на
колело.

Фигура 7: 22″ колела, разработени от Bucci за Bentley

Компанията Vision Wheel, базирана в САЩ, представи нов
колело от въглеродни влакна, разработено в сътрудничество с IDI
Composites International и тъкане на композитни материали
експерт A&P Technology. Цената на всяко колело е $2,000 или
още по-ниски.

Друга американска компания, ESE Carbon, пусна на пазара своя E2
интегрирани колела от въглеродни влакна на пазара на резервни части,
обслужва Tesla Model S, Tesla Model 3 и Subaru WRX STI
превозни средства.

Колелата E2 използват усъвършенствани иновативни персонализирани влакна
(TFP) и технология за вливане на смола под високо налягане,
съчетаване на производителност, издръжливост, ефективност и иновации
с красотата на въглеродните влакна, осигурявайки най-високо качество
колела от вторичния пазар.

Колкото по-леки са колелата, толкова по-малка е инерцията на въртене, което води до
по-малка сила, необходима за придвижване на колелата напред. Като
Висококачествено колело от композитни въглеродни влакна, E2 значително
намалява теглото в сравнение с алуминиевите и стоманените колела. Тестове
показват, че всяко колело може да спести 10 килограма тегло,
което води до увеличаване на скоростта на обиколка с 5,3%.

Казано по-просто, по-леките предмети изискват по-малко работа за намаляване на скоростта.
и спрете. Колелата от въглеродни влакна E2 са с 45% по-леки от
еквивалентни стоманени или алуминиеви колела. Тестовете показват, че E2
колелата могат да съкратят спирачния път и пътя на движение от 60 мили в час
до 1 миля от 3,6%.

Намаляването на нерегулираното тегло свежда до минимум силите, упражнявани от
окачване, което държи колелата здраво на пътя. Всеки E2
колелото от въглеродни влакна може да намали до 10 килограма
тегло от системата, което подобрява работата на окачването.
Подобреният контакт с гумата води до подобряване на
реакция на кормилното управление и по-отзивчиво управление. Независимо дали става дума за
на пътя или на пистата, джантите от въглеродни влакна E2 пренасят
изживяване на съвсем ново ниво.

Тестване на пътя

След години на тестване на прототипи, E2, най-технологичният
усъвършенствана автомобилна главина, разработвана някога, е
създаден. Чрез използване на високотехнологично моделиране с помощта на крайни
анализ на елементите, екипът на ESE за инженеринг на композитни материали може
прогнозиране на реакцията на колелото в широк диапазон от реални
сценарии. С това богатство от данни колелата на ESE преминават през
тестване в лабораторни и полеви условия, което потвърждава тяхната
здравина, безопасност и ефективност.

Изпитване на радиално въздействие
Изпитването за радиален удар оценява стабилността на колелото, когато
при среща с дупки или големи препятствия, за да се предотврати сериозна
повреда или отказ. Тъй като пътните условия не винаги са перфектни,
Колелата E2 са преминали през строги тестове, за да издържат на типичните
и са доказали, че превъзхождат еквивалентни стоманени
и алуминиеви джанти.

Изпитване за удар в бордюр
Изпитването за удар в бордюра е важна оценка за оценяване на въздействието
на многократни удари върху статична повърхност, симулирайки превозното средство
удряне в бордюри или други неподвижни обекти при предварително определени скорости.
Дори при ниски скорости контактът между бордюрите и колелата
генерира значителни сили на удара. Колела от въглеродни влакна E2
са проектирани и обстойно тествани, за да издържат на повреди
в деструктивни ситуации, като например удари с бордюр.

Тестване по SAE J3204

E2 е подложен на цялостни тестове и очаква
сертифициране по SAE J3204, нов производствен процес за
колела от композитни материали. ESE си сътрудничи тясно с
на Дружеството на автомобилните инженери (SAE), за да помогне за създаването на
стандарти и еталони за колела от композитни материали. В
Всъщност колелата от въглеродни влакна E2 на ESE надхвърлят минималните изисквания на SAE
препоръки.

Подобно на металните колела, SAE се занимава с проблемите на издръжливостта.
за колела от композитни материали чрез различни уморителни и
тестове за въздействие. SAE въведе и нови изисквания за
да се справят с уникалните екологични въздействия на композитните материали
материали.

Фигура 11: Колела от въглеродни влакна E2, приети от основните производители
производители на автомобили в целия свят.

Колелата от въглеродни влакна E2 са проектирани с помощта на най-новите
Технология за персонализирано разполагане на влакната (TFP). Въглеродни влакна
традиционно е трудоемък процес, включващ
рязане и ръчно формоване на тъкан от въглеродни влакна върху смола
плесен. Това води до прекомерни отпадъци и ръчен труд.
може да създаде затруднения в производството.

Фигура 12: Индивидуално разположение на влакната (TFP)

ПФП постига оптимални структурни характеристики, като използва
машини за подреждане и зашиване на въглеродни влакна в прецизни
позиции. Това намалява времето за полагане на слоеве с 50% и материала
отпадъци от 80%. Той също така позволява на ESE да оптимизира дизайна
чрез прецизно разполагане и ориентация на влакната за
да се адаптират към извивките и спиците на колелата от въглеродни влакна.
Това повишава здравината и издръжливостта на карбона E2.
влакнести колела, които им позволяват ефективно да управляват товари и
стресове.

E2 също така използва патентована форма за трансфер на смола
(RTM) и система от епоксидна смола за производство на
главини, които осигуряват по-голяма здравина и умора на джантата.
устойчивост. ESE използва най-висококачествените, най-бързо втвърдяващи се
смола, осигуряваща ненадмината производителност при водеща в индустрията
Температура на встъкляване (Tg) до 212°C. Влакното-
съотношението между съдържанието на смола и ESE е 60%, с минимална празнота
съдържание на 2%, което го прави един от най-добрите в индустрията.
Освен това ESE може напълно да влее хъба за по-малко от 2
минути.

Фигура 13: Изработване на колело от CFRP чрез RTM процес

Заключение:

При използването на колела от въглеродни влакна теглото на колелата е
значително намалени, което позволява на спортните автомобили да постигат превъзходни
производителност при управление. С по-ниска инерция, колелата от въглеродни влакна
подобрява реакцията на кормилното управление и сцеплението, което води до по-бързо
ускорение и спиране.

Освен това тревожността за обхвата е сериозен проблем за много
потенциалните потребители, когато обмислят покупката на
електрическо превозно средство. Въпреки че пробегът на електромобила
основно зависи от батерията, други фактори също имат влияние
въздействие. Леките колела от въглеродни влакна могат значително да намалят
потребление на енергия, причинено от въртенето на колелата по време на
ускоряване или забавяне, като се увеличава максимално диапазонът на движение на
електрически превозни средства.

 

януари 6, 2024 г.