Blog

Analiza laganih kotača od karbonskih vlakana za novu energiju
Vozila

Lagani kotači od karbonskih vlakana za nova energetska vozila
Analiza

2023-07-11 06:59:49

Uvod
Vozila na nova goriva postepeno zamjenjuju tradicionalna vozila
automobili na električni pogon. Ponuda električnih vozila postala je
najveća prepreka razvoju, što olakšava težinu
posebno važno.

Sa sve većom potražnjom za zaštitom okoliša i
energetska efikasnost, globalna automobilska industrija traži
Raznovrsna rješenja za olakšavanje težine. Potreba za smanjenjem težine
u neoprugenoj masi je posebno istaknuta, i kao
važna komponenta neoprugljene mase, čine kotači
za značajan dio ukupne težine vozila. Jedan
efikasan način za smanjenje težine je upotreba karbona
vlaknasti kotači. Kako se troškovi sirovina i proizvodnje smanjuju,
kotači od karbonskih vlakana, koji su nekada bili skupi i korišteni su samo
u luksuznim ili ultra-luksuznim modelima, postepeno postaju sve više
pristupačan/a.

Slika 1: Točak od karbonskih vlakana

Perspektive primjene CFRP-a u automobilskoj industriji
Karbonska vlakna su lagana, visokočvrsta i visokomodularna
vlaknasti materijal. Ima manju gustoću od metala, ali je 16 puta
jači od čelika. Njegov Youngov modul je 2-3 puta veći
nego tradicionalna staklena vlakna, a istovremeno zadržavaju fleksibilnost
vlakana.

Tipično, aluminijske felge teže oko 15 kilograma,
dok karbonski kotači mogu smanjiti težinu na 8 kilograma,
što čini felge od karbonskih vlakana pravim "alat za smanjenje težine".

Zbog svoje lagane težine i visoke čvrstoće, karbon
Vlakna su oduvijek bila preferirani materijal za automobilsku industriju
proizvodnja. Pored primjene u kotačima, karbonska vlakna
također se koristi u automobilskim pogonskim sklopovima, lisnatim oprugama, konstrukcijama,
i tijela, osiguravajući dovoljnu čvrstoću i krutost dok
smanjenje težine i potrošnje energije vozila.
Prema podacima „Tržišta automobilskih karbonskih vlakana za 2021. godinu“
„Istraživački izvještaj“ koji je objavio MarketaaWatch, globalni
Veličina tržišta automobilskih karbonskih vlakana dostigla je gotovo $160
miliona u 2020. Od 2021. do 2027. godine, globalna automobilska industrija
Očekuje se da će tržište karbonskih vlakana održati složenu
godišnja stopa rasta od preko 5%.

Primjena materijala od karbonskih vlakana u automobilima nije
samo za smanjenje težine i potrošnje energije, ali
također i za poboljšanje sigurnosnih performansi vozila. U poređenju sa
tradicionalni felge od aluminijske legure, felge od karbonskih vlakana
lakši, jači, bez zamora metala i značajno
smanjuju buku. Tržište kotača od karbonskih vlakana u Kini ima
ogroman potencijal, ali široko rasprostranjena primjena karbonskih vlakana
kotači prvenstveno zavise od troškova.

Slika 2: Prognoza potražnje za karbonskim vlaknima u automobilskoj industriji
Sektor

Uz kontinuirano poboljšanje i proizvodnju velikih razmjera
tehnologije proizvodnje karbonskih vlakana, cijena ugljika
vlakana postepeno opadaju. Tradicionalna karbonska vlakna
Prekursor se uglavnom pravi od poliakrilonitrila (PAN) kao sirovine.
materijal, koji je oduvijek bio skup. Međutim, korištenjem
na bazi asfalta, polietilena i drugih materijala za proizvodnju
prethodnik, cijena karbonskih vlakana može se smanjiti za više
nego 30%. Na primjer, Carbon Revolution, australijska
kompanija proizvodi felge od karbonskih vlakana lijepljenjem
karbonska vlakna sa smolom, postižući proizvodnju velikih razmjera i
smanjenje troškova felgi od karbonskih vlakana na nivo blizak
aluminijski felge.

Kineska vlada je implementirala relevantne politike kako bi
promovirati široku primjenu domaće proizvodnje
visokoperformansna karbonska vlakna. U martu 2021. godine, „14.
Petogodišnji plan za nacionalni ekonomski i socijalni
"Razvojni i dugoročni ciljevi za 2035. godinu" je objavljena,
koji je naglasio potrebu za jačanjem istraživanja,
razvoj i primjena visokoperformansnih vlakana kao što su
kao što su karbonska vlakna i njihovi kompoziti. Ovo pruža povoljan
političko okruženje za tehnološki napredak
industrija karbonskih vlakana u budućnosti.

Razvoj vozila na nove energetske pogone je nezaustavljiv i
Karbonske felge bi mogle postati standardna karakteristika u novim...
energetska vozila.

Poređenje između CFRP točkova i metalnih točkova:

Od izuma automobila 1886. godine, koji ima dugu historiju
U periodu od više od 100 godina, automobilski kotači su evoluirali od
drvenih materijala do modernih metalnih materijala. Uobičajeno
Materijali koji se koriste u modernim automobilima uključuju čelične felge,
felge od aluminijske legure, felge od magnezijske legure, a u novije vrijeme
godinama, pojavili su se felge od karbonskih vlakana, posebno u
superautomobili.

Čelični kotači: Čelični kotači su napravljeni prvenstveno od željeza i drugih materijala
metale za povećanje žilavosti. Imaju prednosti
veća žilavost, odlična otpornost na udarce i dobra opterećenja-
nosivost. Osim toga, relativno su jeftini.
Međutim, čelični kotači imaju neke nedostatke, kao što su
podložnost hrđi, loše odvođenje topline, velika težina i
ograničenja pri kočenju i upravljanju.

Aluminijumske felge: Aluminijum je glavna komponenta
aluminijske felge, zajedno s elementima poput antimona,
silicijum i magnezijum za poboljšanje ukupnih performansi.
Proces proizvodnje aluminijskih felgi je više
složeniji od čeličnih kotača, s više koraka obrade.
Aluminijske felge pokazuju veće ukupne performanse i
značajno smanjenje težine. Zbog manje gustoće
aluminijske legure, nude brže ubrzanje, bolje zagrijavanje
disipaciju i pogodni su za gradske uslove na putu.
Međutim, aluminijske felge imaju relativno niže
žilavost, otpornost na udarce i otpornost na zamor, što čini
nisu pogodni za teške uslove poput terenskih
uslovi.

Felne od legure magnezijuma i aluminijuma: U poređenju sa aluminijumom,
Magnezij ima nižu gustoću i sličan je ugljičnim vlaknima
kompozitni materijali. Točkovi od legure magnezija i aluminija
uključuju magnezij kao glavnu komponentu, zajedno sa
aluminij, cink, mangan i drugi elementi. Oni pružaju
bolja elastičnost, brže odvođenje toplote i jači udarni val
sposobnosti apsorpcije. Oni su poboljšana verzija
aluminijske felge u smislu žilavosti. Međutim,
Felne od legure magnezijuma i aluminija sklone su oksidaciji i
imaju slabu otpornost na koroziju.

Karbonske vlaknaste felge: Karbonske vlaknaste felge su relativno nov proizvod.
vrsta kotača koji su se pojavili posljednjih godina. Imaju
čisto crni izgled s teksturiranom površinom, što im daje
Vrhunski i sofisticirani izgled. Karbonski felge nude
Snažne performanse, težina uporediva s magnezijem
kotači, visoka žilavost, odlična otpornost na udarce i
otpornost na koroziju i oksidaciju. Trenutno se koriste u
motocikli, brdski bicikli, cestovni bicikli i automobili.

Prednosti kotača od kompozitnih karbonskih vlakana
Točkovi i gume automobila nose cijelu težinu i igraju ulogu
ključnu ulogu u upravljanju vozilom pod djelovanjem
Prijenosna osovina. Kao glavna strukturna komponenta, karbon
vlaknasto kompozitni kotači imaju odličnu nosivost
i otpornost na udarce, pružajući izvanredne performanse
tokom ubrzanja i pod velikim opterećenjima. Osim toga, ugljik
Fiber kotači mogu efikasno smanjiti inerciju i omogućiti brže
ubrzanje, kočenje i manevrisanje zbog njihovog smanjenog
težina.

(1) Manja težina, veća čvrstoća

Opće je poznato da su kompozitni materijali od karbonskih vlakana
prepoznata kao najbolja metoda za "laganu" i težinsku težinu
smanjenje automobila. Karbonska vlakna, poznata i kao „crna
zlato” je lakše od aluminija, a ima veću čvrstoću
nego čelik. Pokazuje otpornost na koroziju i visoki modul
karakteristike, omogućavajući ne samo smanjenje težine već i
ojačanje strukture vozila. Podaci pokazuju da 20-
Inčni točak od karbonskih vlakana teži približno 7,5 kg, što je
više od 25% lakši od aluminijske legure ekvivalentne veličine
točak. Što se tiče čvrstoće, karbonski kotači pokazuju
ukupno poboljšanje oko 30% u poređenju sa aluminijumom
aluminijske felge.

(2) Poboljšane performanse i upravljanje

Inženjeri australijskog brenda kotača Carbon Revolution
izjavili su da smanjenje težine točka za 1 kg, ispod
neoprugljena masa, ekvivalentna je smanjenju ukupne mase vozila
težina za 15 kg. Za svako smanjenje težine od 10%,
Performanse ubrzanja vozila mogu se poboljšati
približno 8%. To ukazuje na to da lagani kotači mogu
pružaju bolji odziv na performanse snage vozila.
Karbonske vlakna također nude odličnu apsorpciju udara,
povećana udobnost i poboljšano upravljanje.

(3) Energetska efikasnost i smanjenje emisija

Smanjenje neoprugljene mase za 1 kg korištenjem karbonskih vlakana
kompozitni kotači su ekvivalentni smanjenju ukupne težine vozila
težina za 15 kg. Smanjenje težine 10% može rezultirati smanjenjem težine 6%-
smanjenje potrošnje goriva za 8% i smanjenje potrošnje goriva za 5%
emisija. U scenariju u kojem vozila koriste istu količinu
benzin, automobil opremljen kotačima od karbonskih vlakana može se kretati gore
do 50 km više na sat u poređenju sa automobilom od aluminijumske legure
kotači. Težina kotača od karbonskih vlakana je lakša od 60%
od kovanih aluminijskih felgi iste veličine,
što smanjenje težine vozila čini značajnim za okoliš
svrhe.

(4) Poboljšano upravljanje i vrhunske performanse kočenja

Kotači od karbonskih vlakana nude modul elastičnosti do 200 GPa.
Što je modul elastičnosti veći, to je elastičnost manja.
deformacija nakon izlaganja silama, što rezultira boljim
udobnost i poboljšano upravljanje. Nakon zamjene kotača sa
lagane od karbonskih vlakana, ovjes vozila
Brzina odziva se primjetno poboljšava, što dovodi do bržeg i
glatkije ubrzanje i poboljšane performanse kočenja.

Primjeri primjene kotača od kompozitnih karbonskih vlakana
Osnovana 2007. godine, Carbon Revolution je globalna tehnološka kompanija
kompanija i dobavljač originalne opreme prvog nivoa koji je uspješno
pionirski, komercijaliziran i industrijaliziran visoko-
performanse, tehnološki napredna lagana karbonska vlakna
felge. Pored luksuznih automobilskih felgi, kompanija ima
najavio je razvoj karbonskih guma od 23 i 24 inča
Fiber felge namijenjene su tržištima električnih kamiona i SUV-ova.
Kompanija također provodi konceptualne i validacijske projekte
za Boeingove kotače za helikopter CH-47 Chinook.

Slika 3: Ultra-lagana serija karbonskih vlakana kompanije Carbon Revolution
Točkovi

Proizvodnja kotača od karbonskih vlakana zahtijeva visoko-
precizno slaganje karbonskih vlakana i oblikovanje pod visokim pritiskom
tehnike. Carbon Revolution posjeduje otprilike 50 patenata
vezano za proizvode i proizvodnju kotača od karbonskih vlakana
procese i cilj je poboljšanje efikasnosti kroz procese
poboljšanja. Da bi se to postiglo, kompanija je razvila
visoko automatizovane proizvodne linije i široko zapošljava
tehnologije mašinskog učenja i vještačke inteligencije za
optimizirati proizvodni proces. U prosjeku, kotači
Da li su 40% do 50% lakši od standardnih aluminijskih felgi u
tržište. Osim toga, kotači mogu biti dizajnirani sa
aerodinamični oblici za smanjenje otpora i povećanje dometa bez
dodavanje težine.

Italijanska kompanija Bucci Composites predstavila je prvi 20-inčni
Obruč od karbonskih vlakana posebno dizajniran za
sektor sporta/superautomobila. Omogućava fiksiranje volana na
glavčinu na tradicionalan način, eliminirajući rizik od zatezanja vijaka
labavljenje. Ovo osigurava da ultra lagani kotači od karbonskih vlakana
se lako sastavljaju i održavaju kao i tradicionalni kotači.
rješavaju visoke temperature s kojima se susreću, posebno kada
Korištenjem karbonsko-keramičkih kočnica, unutrašnja strana naplatka kotača je
obložen keramičkim slojem, koji štiti karbonska vlakna i
omogućavajući upotrebu naplatka kotača pri ekstremnim temperaturama.

Slika 4: Ugljična revolucija

Bucci Composites se također opremio najsavremenijom
proizvodna tehnologija kompanije Cannon (RTM visokog pritiska)
HP-RTM), jedina kompanija u Italiji koja posjeduje tehnologiju za
nastaviti razvoj više modela kotača za automobilsku industriju
industrija.

Slika 5: Cannonova HP-RTM procesna oprema

Cannonovo rješenje uključuje opremu potrebnu za
RTM proces pod visokim pritiskom za proizvodnju kompozita
materijali s matricom epoksidne smole i ugljičnim vlaknima
ojačanje:

(1) Trokomponentna E-sistemska jedinica za doziranje visokog pritiska za
formulacija epoksidne smole, koja sadrži trokomponentni LN10
miješajuća glava i kontrola izlaznih omjera u zatvorenoj petlji.

(2) Presa za brizganje plastike kratkog hoda sa steznim mehanizmom
sila od 25.000 kN, ploče za pritiskanje dimenzija 3,6×2,4 m i visoko
Precizna aktivna kontrola paralelizma kako bi se osigurala ravnost oblikovanog dijela
dijelovi.

Slika 6: Bucci Compositesov 20-inčni točak od karbonskih vlakana

Poznati britanski proizvođač automobila Bentley nedavno je
predstavio inovativne felge od karbonskih vlakana za svoj Bentley
Bentayga SUV, razvijen od strane Bucci Composites. 22-inčni...
Karbonski felge su postale najveće karbonske felge
ikada proizvedenih, što garantuje inovativan dizajn i izuzetan
performanse, uz postizanje smanjenja težine od 6 kg po
točak.

Slika 7: 22-inčne felge koje je Bucci razvio za Bentley

Vision Wheel, sa sjedištem u Sjedinjenim Američkim Državama, predstavio je novi
Karbonski točak razvijen u saradnji sa IDI-jem
Composites International i tkanje kompozitnih materijala
Stručna A&P tehnologija. Cijena svakog točka je $2.000 ili
još niže.

Još jedna američka kompanija, ESE Carbon, lansirala je svoj E2
integrirani kotači od kompozitnih karbonskih vlakana na tržištu dodatne opreme,
Opslužuje Teslu Model S, Teslu Model 3 i Subaru WRX STI
vozila.

E2 kotači koriste napredna inovativna prilagođena vlakna
postavljanje (TFP) i tehnologija infuzije smole pod visokim pritiskom,
kombinirajući performanse, izdržljivost, efikasnost i inovaciju
s ljepotom karbonskih vlakana, pružajući vrhunski kvalitet
aftermarket felge.

Što su kotači lakši, to je manja rotacijska inercija, što rezultira
s manjom silom potrebnom za pomicanje kotača naprijed. Kao
vrhunska felga od kompozitnih karbonskih vlakana, E2 značajno
smanjuje težinu u poređenju sa aluminijskim i čeličnim felgama. Testovi
su pokazali da svaki točak može uštedjeti 10 funti težine,
što je rezultiralo povećanjem brzine kruga za 5.3%.

Jednostavno rečeno, lakšim objektima je potrebno manje rada za usporavanje.
i zaustavite se. E2 felge od karbonskih vlakana su lakše od 45%
ekvivalentne čelične ili aluminijske felge. Testovi su pokazali da E2
kotači mogu smanjiti put kočenja i kretanja bez pritiska od 60 mph
do 1 milje pomoću 3.6%.

Smanjenje neoprugljene težine minimizira sile koje vrši
ovjes kako bi kotači čvrsto prianjali na cestu. Svaki E2
Točak od karbonskih vlakana može smanjiti neoprugljenu masu do 10 kilograma
težina sa sistema, poboljšavajući performanse ovjesa.
Rezultirajuće poboljšanje kontakta guma dovodi do poboljšanog
odziv upravljanja i responzivnije upravljanje. Bilo da je uključeno
Bilo da je riječ o cesti ili stazi, E2 karbonski kotači vode vašu vožnju
iskustvo na potpuno novi nivo.

Ispitivanje na cesti

Nakon godina testiranja prototipa, E2, tehnološki najnapredniji
napredna automobilska glavčina kotača ikada razvijena, bila je
kreirano. Korištenjem visoko naprednog modeliranja pomoću konačnih
analiza elemenata, ESE-ov tim za kompozitne inženjere može
predvidjeti odgovor točka u širokom rasponu stvarnih uslova
scenarija. S ovim bogatstvom podataka, ESE-ovi kotači prolaze
testiranje u laboratorijskim i terenskim uslovima, validirajući njihove
snaga, sigurnost i performanse.

Ispitivanje radijalnog udara
Ispitivanje radijalnog udara procjenjuje stabilnost točka kada
nailaženje na rupe ili velike prepreke kako bi se spriječile ozbiljne
oštećenje ili kvar. Budući da uslovi na putu nisu uvijek savršeni,
E2 kotači su prošli rigorozne testove kako bi izdržali tipične
opasnosti na putu i dokazali su se superiornijim od ekvivalentnog čelika
i aluminijske felge.

Ispitivanje udara o ivičnjak
Test udara u ivičnjak je ključna evaluacija za procjenu efekata
ponovljenih udara na statičnu površinu, simulirajući vozilo
udaranje u ivičnjake ili druge fiksne objekte pri unaprijed određenim brzinama.
Čak i pri malim brzinama, kontakt između ivičnjaka i kotača
generira značajne udarne sile. E2 kotači od karbonskih vlakana
dizajnirani su i opsežno testirani da izdrže kvarove
u destruktivnim situacijama kao što su udari u ivičnjak.

SAE J3204 testiranje

E2 je prošao sveobuhvatno testiranje i čeka
certifikaciju prema SAE J3204, novi proizvodni proces za
kotači od kompozitnih materijala. ESE blisko surađuje sa
Društvo automobilskih inženjera (SAE) kako bi pomoglo u uspostavljanju
standardi i mjerila za kotače od kompozitnih materijala. U
U stvari, ESE-ovi E2 felge od karbonskih vlakana premašuju SAE-ove minimalne standarde.
preporuke.

Slično metalnim felgama, SAE se bavi pitanjima izdržljivosti.
za kotače od kompozitnih materijala kroz različite zamore i
testovi udara. SAE je također uvela nove zahtjeve za
baviti se jedinstvenim utjecajima kompozitnih materijala na okoliš
materijali.

Slika 11: E2 felge od karbonskih vlakana koje su usvojili glavni proizvođači
proizvođači automobila širom svijeta.

E2 felge od karbonskih vlakana dizajnirane su korištenjem najnovijih tehnologija
Tehnologija prilagođenog postavljanja vlakana (TFP). Karbonska vlakna
Slaganje je tradicionalno bio radno intenzivan proces koji je uključivao
rezanje i ručno oblikovanje tkanine od karbonskih vlakana na smolu
plijesan. To je rezultiralo prekomjernim otpadom i ručnim radom
može stvoriti uska grla u proizvodnji.

Slika 12: Prilagođeno postavljanje vlakana (TFP)

TFP postiže optimalne strukturne performanse korištenjem
mašine za slaganje i šivanje karbonskih vlakana u precizne
pozicije. Ovo smanjuje vrijeme nanošenja slojeva za 50% i materijal
otpad od strane 80%. To također omogućava ESE-u da optimizira dizajn
kroz precizno postavljanje i orijentaciju vlakana do
prilagoditi zakrivljenost i žbice kotača od karbonskih vlakana.
Ovo poboljšava čvrstoću i izdržljivost E2 karbona.
vlaknaste kotače, što im omogućava efikasno upravljanje teretima i
stresovi.

E2 također koristi vlasnički sistem za transfer smole.
(RTM) proces i sistem epoksidne smole za proizvodnju
glavčine, pružajući veću čvrstoću naplatka kotača i otpornost na zamor
otpornost. ESE koristi najkvalitetnije, najbrže stvrdnjavajuće
smola, pružajući neusporedive performanse po vodećoj cijeni u industriji
Tg (temperatura staklastog prijelaza) do 212°C. Vlakna-
Odnos sadržaja ESE i smole je 60%, sa minimalnim šupljinama
sadržaj 2%, što ga čini jednim od najboljih u industriji.
Osim toga, ESE može u potpunosti napuniti čvorište za manje od 2
minuta.

Slika 13: Proizvodnja CFRP kotača korištenjem RTM procesa

Zaključak:

Korištenjem kotača od karbonskih vlakana, težina kotača je
značajno smanjeno, što omogućava sportskim automobilima da postignu vrhunske
performanse upravljanja. Sa nižom inercijom, točkovi od karbonskih vlakana
poboljšavaju odziv upravljanja i trakciju, što rezultira bržim
ubrzanje i kočenje.

Nadalje, anksioznost zbog dometa predstavlja značajnu zabrinutost za mnoge
potencijalne potrošače prilikom razmatranja kupovine
električno vozilo. Dok je domet vožnje električnog vozila
prvenstveno zavisi od baterije, ali i drugi faktori imaju uticaj
udar. Lagani kotači od karbonskih vlakana mogu znatno smanjiti
potrošnja energije uzrokovana rotacijom kotača tokom
ubrzanje ili usporavanje, maksimizirajući domet vožnje
električnih vozila.

 

6. januar 2024.