Blog

Analýza lehkých kol z uhlíkových vláken pro novou energii
Vozidla

Nová energetická vozidla Lehká kola z uhlíkových vláken
Analýza

2023-07-11 06:59:49

Úvod
Nová energetická vozidla postupně nahrazují tradiční vozidla na pohonné hmoty.
poháněné automobily. Dojezd elektromobilů se stal
největší překážkou vývoje, díky čemuž se odlehčení
obzvláště důležité.

S rostoucími požadavky na ochranu životního prostředí a
celosvětový automobilový průmysl se snaží
různorodá odlehčovací řešení. Potřeba snížení hmotnosti
v neodpružené hmotnosti je obzvláště výrazná a jako
důležitou složkou neodpružené hmotnosti, kola představují
tvoří podstatnou část celkové hmotnosti vozidla. Jeden
účinným způsobem snížení hmotnosti je použití uhlíkových vláken.
kola s vlákny. S klesajícími náklady na suroviny a výrobu,
kola z uhlíkových vláken, která byla kdysi drahá a používala se pouze
v luxusních nebo ultra-luxusních modelech, se postupně stávají více
přístupné.

Obrázek 1: Kolo z uhlíkových vláken

Perspektivy použití CFRP v automobilovém průmyslu
Uhlíkové vlákno je lehké, vysoce pevné a vysoce modulární vlákno.
materiál vláken. Má nižší hustotu než kov, ale je 16krát hustší než kov.
pevnější než ocel. Její Youngův modul je 2-3krát vyšší.
než tradiční skleněná vlákna, a přitom si zachovává pružnost.
vláken.

Kola z hliníkové slitiny obvykle váží kolem 15 kilogramů,
zatímco kola z uhlíkových vláken mohou snížit hmotnost na 8 kg,
kola z uhlíkových vláken se tak stávají skutečným "nástrojem pro snížení hmotnosti".

Díky své nízké hmotnosti a vysoké pevnosti je uhlík
vlákna byla vždy preferovaným materiálem pro automobilový průmysl.
výroba. Kromě aplikací pro kola se uhlíková vlákna
se používá také v automobilových hnacích ústrojích, listových pružinách a konstrukcích,
a tělesa, což zajišťuje dostatečnou pevnost a tuhost a zároveň
snížení hmotnosti a spotřeby energie vozidel.
Podle studie "2021 Automotive Carbon Fiber Market".
Výzkumná zpráva", kterou zveřejnila společnost MarketaaWatch, globální
velikost trhu s uhlíkovými vlákny pro automobilový průmysl dosáhla téměř $160
milionů v roce 2020. Od roku 2021 do roku 2027 bude celosvětový automobilový průmysl
očekává se, že trh s uhlíkovými vlákny si udrží složený
roční tempo růstu přes 5%.

Použití materiálů z uhlíkových vláken v automobilech není
pouze pro odlehčení a snížení spotřeby energie.
také pro zlepšení bezpečnostních vlastností vozidla. V porovnání s
tradiční kola z hliníkové slitiny, kola z uhlíkových vláken jsou
lehčí, pevnější, bez únavy kovu a s výraznou
snížit hlučnost. Trh s koly z uhlíkových vláken v Číně
obrovský potenciál, ale široké přijetí uhlíkových vláken je velmi obtížné.
kola závisí především na nákladech.

Obrázek 2: Prognóza poptávky po uhlíkových vláknech v automobilovém průmyslu
Sektor

S neustálým zlepšováním a velkovýrobou
technologie výroby uhlíkových vláken, náklady na uhlíkové
vlákniny postupně klesá. Tradiční uhlíková vlákna
prekurzor se vyrábí převážně z polyakrylonitrilové (PAN) suroviny.
materiál, který byl vždy nákladný. Použitím
na bázi asfaltu, polyethylenu a dalších materiálů k výrobě.
prekurzoru, lze náklady na uhlíková vlákna snížit o více než 10 %.
než 30%. Například australská společnost Carbon Revolution
vyrábí kola z uhlíkových vláken lepením.
uhlíkových vláken s pryskyřicí, čímž se dosáhne velkoobjemové výroby a
snížení nákladů na kola z uhlíkových vláken na úroveň blízkou
hliníková kola.

Čínská vláda zavedla příslušné politiky, aby
podpořit široké uplatnění domácích produktů.
vysoce výkonná uhlíková vlákna. V březnu 2021 se uskuteční "14.
Pětiletý plán národního hospodářství a sociálních věcí
Vývoj a dlouhodobé cíle do roku 2035",
která zdůraznila potřebu posílit výzkum,
vývoj a použití vysoce výkonných vláken, jako jsou například
jako jsou uhlíková vlákna a jejich kompozity. To poskytuje příznivé
politické prostředí pro technologický rozvoj
průmyslu uhlíkových vláken v budoucnosti.

Vývoj nových energetických vozidel je nezastavitelný a
kola z uhlíkových vláken se mohou stát standardním prvkem v nových
energetická vozidla.

Srovnání kol z CFRP a kovových kol:

Od vynálezu automobilu v roce 1886, který má historii
více než 100 let se automobilová kola vyvíjela od
dřevěných materiálů až po moderní kovové materiály. Běžně
používané materiály kol v moderních automobilech zahrnují ocelová kola,
kola z hliníkové slitiny, kola z hořčíkové slitiny a v poslední době i
let se objevila kola z uhlíkových vláken, zejména v oblasti
superautomobily.

Ocelová kola: Ocelová kola se vyrábějí převážně ze železa a jiných materiálů.
kovů pro zvýšení houževnatosti. Jejich výhodou je, že
vyšší houževnatost, vynikající odolnost proti nárazu a dobrou zatížitelnost.
nosnost. Navíc jsou relativně levné.
Ocelová kola však mají některé nevýhody, např.
náchylnost ke korozi, špatný odvod tepla, vysoká hmotnost a...
omezení při brzdění a řízení.

Kola z hliníkové slitiny: Hliník je hlavní složkou kol.
kola z hliníkové slitiny a prvky jako antimon,
křemík a hořčík, které zlepšují celkový výkon. Stránky
výrobní proces kol z hliníkové slitiny je více
složitější než u ocelových kol a zahrnuje více kroků zpracování.
Kola z hliníkové slitiny vykazují vyšší celkový výkon a
výrazné snížení hmotnosti. Vzhledem k nižší hustotě
hliníkové slitiny, nabízejí rychlejší akceleraci, lepší tepelné
a jsou vhodné pro městské silnice.
Kola z hliníkové slitiny však mají relativně nižší
houževnatost, odolnost proti nárazu a únavě, což umožňuje
nevhodné pro drsné prostředí, jako je terén.
podmínky.

Kola z hořčíko-hliníkové slitiny: V porovnání s hliníkem,
hořčík má nižší hustotu a je podobný uhlíkovým vláknům.
kompozitní materiály. Kola z hořčíkové a hliníkové slitiny
obsahují hořčík jako hlavní složku spolu s
hliník, zinek, mangan a další prvky. Poskytují
lepší pružnost, rychlejší odvod tepla a silnější nárazy.
absorpční schopnosti. Jedná se o vylepšenou verzi
kola z hliníkové slitiny, pokud jde o odolnost. Nicméně,
kola z hořčíkové a hliníkové slitiny jsou náchylná k oxidaci a
mají nízkou odolnost proti korozi.

Kola z uhlíkových vláken: Kola z uhlíkových vláken jsou relativně nová
typ kol, která se objevila v posledních letech. Mají
čistě černý vzhled s texturovaným povrchem, který jim dodává
špičkový a sofistikovaný vzhled. Kola z uhlíkových vláken nabízejí
silný výkon, srovnatelná hmotnost s hořčíkem
kola, vysokou houževnatost, vynikající odolnost proti nárazu a...
odolnost proti korozi a oxidaci. V současné době se používají v
motocykly, horská kola, silniční kola a automobily.

Výhody kol z uhlíkových vláken
Kola a pneumatiky automobilu nesou celou hmotnost a hrají důležitou roli v
rozhodující roli při řízení vozidla pod vlivem
převodová náprava. Karbon jako základní konstrukční prvek
kola z kompozitních vláken mají vynikající nosnost.
a odolnost proti nárazu, což přináší vynikající výkon
při zrychlení a velkém zatížení. Kromě toho karbon
vláknová kola mohou účinně snížit setrvačnost a umožnit rychlejší
zrychlování, brzdění a manévrování díky jejich menšímu počtu.
hmotnost.

(1) Nižší hmotnost, vyšší pevnost

Je všeobecně známo, že kompozitní materiály z uhlíkových vláken jsou
považována za nejlepší metodu pro "odlehčení" a zvýšení hmotnosti.
snížení počtu automobilů. Uhlíková vlákna, známá také jako "černá
zlato," je lehčí než hliník a zároveň má vyšší pevnost.
než ocel. Vykazuje odolnost proti korozi a vysoký modul pružnosti.
vlastnosti, které umožňují nejen snížení hmotnosti, ale také
zpevnění konstrukce vozidla. Údaje ukazují, že 20
palcové kolo z uhlíkových vláken váží přibližně 7,5 kg, což je
o více než 25% lehčí než hliníková slitina stejné velikosti.
kolo. Co se týče pevnosti, kola z uhlíkových vláken vykazují
celkové zlepšení přibližně 30% ve srovnání s hliníkem.
kola z lehké slitiny.

(2) Vylepšený výkon a manipulace

Inženýři australské značky kol Carbon Revolution
uvedli, že snížení hmotnosti kola o 1 kg pod
neodpružené hmotnosti se rovná snížení celkové hmotnosti vozidla.
hmotnost o 15 kg. Za každé snížení hmotnosti o 10% se sníží
výkon vozidla při zrychlení se může zlepšit o
přibližně 8%. To naznačuje, že lehká kola mohou
lépe reagovat na výkon vozidla.
Kola z uhlíkových vláken také výborně tlumí nárazy,
vyšší komfort a lepší jízdní vlastnosti.

(3) Energetická účinnost a snižování emisí

Snížení neodpružené hmotnosti o 1 kg pomocí uhlíkových vláken
kompozitních kol se rovná snížení celkové hmotnosti vozidla.
hmotnost o 15 kg. Snížení hmotnosti o 10% může mít za následek 6%-
snížení spotřeby paliva o 8% a snížení spotřeby paliva o 5%.
emise. Ve scénáři, kdy vozidla spotřebovávají stejné množství
benzinem, může vůz vybavený koly z uhlíkových vláken urazit až
až o 50 km za hodinu více ve srovnání s automobilem s hliníkovou slitinou.
kola. Hmotnost kol z uhlíkových vláken je o 60% nižší než hmotnost kol z uhlíkových vláken.
jako u ráfků z kované hliníkové slitiny stejné velikosti,
snížení hmotnosti vozidla je významné pro životní prostředí.
účely.

(4) Lepší ovladatelnost a vynikající brzdný výkon

Kola z uhlíkových vláken mají modul pružnosti až 200 GPa.
Čím vyšší je modul pružnosti, tím menší je elasticita.
deformace po působení sil, což vede k lepšímu
pohodlí a lepší ovladatelnost. Po výměně kol za
lehká karbonová vlákna, zavěšení vozidla
rychlost odezvy se znatelně zvyšuje, což vede k rychlejšímu a rychlejšímu
plynulejší zrychlení a lepší brzdný výkon.

Příklady použití kol z uhlíkových vláken
Společnost Carbon Revolution byla založena v roce 2007 a je globální technologickou společností.
společnost a dodavatel Tier 1 OEM, který úspěšně
Průkopníkem, komercializátorem a průmyslovým výrobcem vysoce kvalitních
výkonné, technologicky vyspělé lehké uhlíkové vlákno
kola. Kromě luxusních kol pro automobily má společnost v nabídce také
oznámila vývoj 23palcových a 24palcových karbonových modelů.
kola s vlákny zaměřená na trh s elektrickými nákladními vozidly a SUV. Na stránkách
společnost rovněž realizuje koncepční a ověřovací projekty.
pro kola vrtulníku CH-47 Chinook společnosti Boeing.

Obrázek 3: Uhlíkové vlákno Carbon Revolution z ultralehké řady
Kola

Výroba kol z uhlíkových vláken vyžaduje vysokou
přesné vrstvení uhlíkových vláken a vysokotlaké lisování.
techniky. Společnost Carbon Revolution je držitelem přibližně 50 patentů
související s výrobky a výrobou kol z uhlíkových vláken
a usiluje o zlepšení efektivity prostřednictvím procesů
vylepšení. Za tímto účelem společnost vyvinula
vysoce automatizované výrobní linky a rozsáhle využívá
strojového učení a technologií umělé inteligence, aby
optimalizovat výrobní proces. Průměrně se kola
jsou o 40% až 50% lehčí než standardní hliníková kola v.
trh. Kola mohou být navíc navržena s
aerodynamické tvary pro snížení odporu vzduchu a zvýšení dojezdu bez
přidání hmotnosti.

Italská společnost Bucci Composites představila první 20palcový
ráfek kola z uhlíkových vláken speciálně navržený pro
v oblasti sportovních/supercarů. Umožňuje připevnění kola k ráfku
náboje tradičním způsobem, čímž se eliminuje riziko utahovacího momentu šroubu.
uvolnění. Tím je zajištěno, že ultralehká kola z uhlíkových vláken
se montují a udržují stejně snadno jako tradiční kola. Na
řešit vysoké teploty, které se vyskytují zejména při
při použití karbon-keramických brzd je vnitřní strana ráfku kola
potažené keramickou vrstvou, která chrání uhlíková vlákna a
umožňuje použití ráfku kola při extrémních teplotách.

Obrázek 4: Uhlíková revoluce

Společnost Bucci Composites se také vybavila nejmodernějšími technologiemi pro
technologie výroby od společnosti Cannon (vysokotlaký RTM-
HP-RTM), jediná společnost v Itálii, která disponuje technologií pro
pokračovat ve vývoji dalších modelů kol pro automobilový průmysl
průmysl.

Obrázek 5: Procesní zařízení HP-RTM společnosti Cannon

Řešení společnosti Cannon zahrnuje vybavení potřebné pro
vysokotlaký proces RTM pro výrobu kompozitních materiálů
materiály s matricí z epoxidové pryskyřice a uhlíkových vláken.
posílení:

(1) Třísložková vysokotlaká dávkovací jednotka systému E pro
složení epoxidové pryskyřice s třísložkovou pryskyřicí LN10.
směšovací hlavice a řízení výstupních poměrů v uzavřené smyčce.

(2) Lis na lisování s krátkým zdvihem s upínacím lisem
síla 25 000 kN, lisovací desky o rozměrech 3,6 × 2,4 m a vysoce odolné lisovací desky.
přesná aktivní kontrola rovnoběžnosti pro zajištění rovinnosti výlisků.
díly.

Obrázek 6: 20″ kolo z uhlíkových vláken společnosti Bucci Composites

Renomovaná britská automobilka Bentley nedávno
představila inovativní celokarbonová kola pro svůj vůz Bentley.
SUV Bentayga, vyvinuté společností Bucci Composites. 22palcový
kola z uhlíkových vláken se stala největšími koly z uhlíkových vláken
kdy byly vyrobeny, což zaručuje inovativní design a výjimečnou
výkon a zároveň se snížila hmotnost o 6 kg na
kolo.

Obrázek 7: 22″ kola vyvinutá společností Bucci pro Bentley

Společnost Vision Wheel se sídlem ve Spojených státech představila nový model.
kolo z uhlíkových vláken vyvinuté ve spolupráci s IDI
Composites International a tkaní kompozitních materiálů
expert A&P Technology. Cena každého kola je $2,000 nebo
ještě nižší.

Další americká společnost, ESE Carbon, uvedla na trh svůj produkt E2
integrovaná kola z uhlíkových vláken na trhu s náhradními díly,
slouží pro Tesla Model S, Tesla Model 3 a Subaru WRX STI
vozidla.

Kola E2 využívají pokročilá inovativní vlákna na míru.
(TFP) a technologie vysokotlaké infuze pryskyřice,
kombinace výkonu, trvanlivosti, účinnosti a inovací.
s krásou uhlíkových vláken, které poskytují špičkovou kvalitu.
kola z náhradních dílů.

Čím lehčí jsou kola, tím menší je jejich setrvačnost, což vede k tomu.
menší síla potřebná k pohybu kol vpřed. Jako
prémiové kolo z uhlíkových vláken, E2 výrazně
snižuje hmotnost ve srovnání s hliníkovými a ocelovými koly. Testy
ukázaly, že každé kolo může ušetřit 10 kg hmotnosti,
Výsledkem je zvýšení rychlosti na kolo o 5,3%.

Zjednodušeně řečeno, lehčí předměty potřebují ke zpomalení méně práce.
a zastavit. Kola E2 z uhlíkových vláken jsou o 45% lehčí než kola E2 z uhlíkových vláken.
ekvivalentní ocelová nebo hliníková kola. Testy prokázaly, že E2
kola mohou zkrátit brzdnou a dojezdovou dráhu z rychlosti 60 km/h.
na 1 míli o 3,6%.

Snížení neodpružené hmotnosti minimalizuje síly působící na vozidlo.
odpružení, které udržuje kola pevně na vozovce. Každý model E2
kolo z uhlíkových vláken může snížit neodpružené zatížení až o 10 kg.
hmotnost systému, což zlepšuje výkon odpružení.
Výsledné zlepšení kontaktu s pneumatikou vede k lepšímu
odezva řízení a citlivější ovládání. Ať už na
na silnici nebo na závodní dráze, kola z uhlíkových vláken E2 vám umožní řídit
na zcela novou úroveň.

Testování na silnici

Po letech testování prototypů se E2, technologicky nejvyspělejší model na světě.
vyspělý náboj kola pro automobily, který byl kdy vyvinut.
vytvořeno. Použitím vysoce pokročilého modelování s využitím konečných
tým ESE pro kompozitní inženýrství může díky analýze prvků
předpovídat reakce kola v širokém rozsahu reálných situací.
scénáře. S tímto množstvím dat prochází kola ESE těmito procesy
testování v laboratorních i terénních podmínkách, čímž se ověřuje jejich účinnost.
pevnost, bezpečnost a výkon.

Radiální nárazová zkouška
Radiální nárazová zkouška hodnotí stabilitu kola při
setkání s výmoly nebo velkými překážkami, aby se zabránilo vážným
poškození nebo selhání. Protože podmínky na silnicích nejsou vždy dokonalé,
Kola E2 prošla náročným testováním, aby odolala typickým
nebezpečí na silnici a prokázaly, že jsou lepší než ekvivalentní ocelové konstrukce.
a hliníkovými koly.

Nárazová zkouška na obrubník
Zkouška nárazu na obrubník je klíčovým hodnocením pro posouzení účinků
opakovaných nárazů na statický povrch, simulující vozidlo.
náraz do obrubníků nebo jiných pevných objektů při předem stanovených rychlostech.
Kontakt mezi obrubníky a koly se projevuje i při nízkých rychlostech.
vytváří značné nárazové síly. Kola z uhlíkových vláken E2
byly navrženy a důkladně testovány tak, aby odolaly poruchám.
v destruktivních situacích, jako jsou nárazy do obrubníků.

Testování SAE J3204

E2 prošel komplexním testováním a čeká na
certifikace podle SAE J3204, nový výrobní proces pro
kola z kompozitního materiálu. ESE úzce spolupracuje s
Společnost automobilových inženýrů (SAE), aby pomohla vytvořit
normy a měřítka pro kola z kompozitních materiálů. Na adrese
kola ESE E2 z uhlíkových vláken překračují minimální požadavky SAE.
doporučení.

Podobně jako u kovových kol řeší SAE problémy s trvanlivostí.
pro kola z kompozitních materiálů v důsledku různých únavových a
nárazové zkoušky. SAE také zavedla nové požadavky na
řešit jedinečné dopady kompozitních materiálů na životní prostředí
materiály.

Obrázek 11: Kola z uhlíkových vláken E2 přijatá významnými společnostmi
výrobci automobilů po celém světě.

Kola E2 z uhlíkových vláken jsou navržena s využitím nejnovějších technologií.
Technologie Tailored Fiber Placement (TFP). Uhlíková vlákna
pokládka je tradičně pracný proces zahrnující
řezání a ruční tvarování tkaniny z uhlíkových vláken na pryskyřici.
plísně. To vedlo k nadměrnému plýtvání a ruční práci.
může způsobit úzká místa ve výrobě.

Obrázek 12: Umístění vláken na míru (TFP)

TFP dosahuje optimálního strukturálního výkonu pomocí
stroje na uspořádání a sešití uhlíkových vláken do přesných tvarů.
pozice. Tím se zkracuje doba vrstvení o 50% a materiál
odpad od 80%. Umožňuje také ESE optimalizovat design.
přesným umístěním a orientací vláken, aby
přizpůsobit zakřivení a paprskům kol z uhlíkových vláken.
Tím se zvyšuje pevnost a odolnost uhlíku E2.
vlákna, což jim umožňuje efektivně manipulovat s břemeny a
stresy.

Model E2 rovněž využívá patentovanou technologii Resin Transfer Molding.
(RTM) a systém epoxidové pryskyřice k výrobě.
náboje, které zajišťují vyšší pevnost a únavu ráfků kol.
odolnost. ESE používá nejkvalitnější, nejrychleji vytvrzující
pryskyřice, která poskytuje bezkonkurenční výkon za nejlepší cenu v oboru.
teplota Tg (skelného přechodu) až 212 °C. Vlákna
poměr obsahu pryskyřice v ESE je 60%, s minimálním obsahem prázdných míst v ESE.
2%, což z něj činí jeden z nejlepších v oboru.
Kromě toho může ESE plně naplnit náboj za méně než 2 hodiny.
minut.

Obrázek 13: Výroba kol z CFRP pomocí procesu RTM

Závěr:

Použitím kol z uhlíkových vláken se hmotnost kol snižuje.
výrazně snížena, což umožňuje sportovním vozům dosahovat vynikajících
manipulační výkon. Kola z uhlíkových vláken mají nižší setrvačnost.
zlepšuje odezvu řízení a trakci, což vede k rychlejšímu
zrychlování a brzdění.

Kromě toho je pro mnoho lidí významným problémem úzkost z dojezdové vzdálenosti.
potenciálních spotřebitelů při zvažování nákupu
elektrické vozidlo. Zatímco dojezd elektromobilu
závisí především na baterii, ale vliv mají i další faktory.
dopad. Lehká kola z uhlíkových vláken mohou výrazně snížit
spotřeba energie způsobená otáčením kola během
zrychlování nebo zpomalování, maximalizuje jízdní rozsah
elektrická vozidla.

 

Leden 6, 2024