Blog

Analysis of Lightweight Carbon Fiber Wheels for New Energy
Vehicles

New Energy Vehicles Carbon Fiber Wheel Lightweight
Analysis

2023-07-11 06:59:49

Introduction
New energy vehicles are gradually replacing traditional fuel-
powered cars. The range of electric vehicles has become the
biggest development obstacle, making lightweighting
particularly important.

With the increasing demand for environmental protection and
energy efficiency, the global automotive industry is seeking
diverse lightweighting solutions. The need for weight reduction
in the unsprung mass is particularly prominent, and as an
important component of the unsprung mass, wheels account
for a significant proportion of the overall vehicle weight. One
effective way to reduce weight is through the use of carbon
fiber wheels. As raw material and manufacturing costs decrease,
carbon fiber wheels, which were once expensive and only used
in luxury or ultra-luxury models, are gradually becoming more
accessible.

Figure 1: Carbon Fiber Wheel

Application Prospects of CFRP in the Automotive Field
Carbon fiber is a lightweight, high-strength, and high-modulus
fiber material. It has a lower density than metal but is 16 times
stronger than steel. Its Young’s modulus is 2-3 times higher
than traditional glass fiber, while still maintaining the flexibility
of fibers.

Typically, aluminum alloy wheels weigh around 15 kilograms,
while carbon fiber wheels can reduce the weight to 8 kilograms,
making carbon fiber wheels a true “weight-reducing tool.”

Due to its lightweight and high-strength properties, carbon
fiber has always been a preferred material for automotive
manufacturing. In addition to wheel applications, carbon fiber
is also used in automotive drivelines, leaf springs, structures,
and bodies, ensuring sufficient strength and rigidity while
reducing the weight and energy consumption of vehicles.
According to the “2021 Automotive Carbon Fiber Market
Research Report” published by MarketaaWatch, the global
automotive carbon fiber market size reached nearly $160
million in 2020. From 2021 to 2027, the global automotive
carbon fiber market is expected to maintain a compound
annual growth rate of over 5%.

The application of carbon fiber materials in automobiles is not
only for lightweighting and energy consumption reduction but
also for improving vehicle safety performance. Compared to
traditional aluminum alloy wheels, carbon fiber wheels are
lighter, stronger, free from metal fatigue, and significantly
reduce noise. The carbon fiber wheel market in China has
enormous potential, but widespread adoption of carbon fiber
wheels is primarily dependent on cost considerations.

Figure 2: Forecast of Carbon Fiber Demand in the Automotive
Sector

With the continuous improvement and large-scale production
of carbon fiber manufacturing technology, the cost of carbon
fiber is gradually decreasing. The traditional carbon fiber
precursor is mainly made from polyacrylonitrile (PAN) raw
material, which has always been costly. However, by using
asphalt-based, polyethylene, and other materials to produce the
precursor, the cost of carbon fiber can be reduced by more
than 30%. For example, Carbon Revolution, an Australian
company, manufactures carbon fiber wheels by bonding
carbon fiber with resin, achieving large-scale production and
reducing the cost of carbon fiber wheels to a level close to
aluminum wheels.

The Chinese government has implemented relevant policies to
promote the widespread application of domestically produced
high-performance carbon fiber. In March 2021, the “14th
Five-Year Plan for National Economic and Social
Development and Long-Term Goals for 2035” was released,
which emphasized the need to strengthen the research,
development, and application of high-performance fibers such
as carbon fiber and their composites. This provides a favorable
policy environment for the technological advancement of the
carbon fiber industry in the future.

The development of new energy vehicles is unstoppable, and
carbon fiber wheels may become a standard feature in new
energy vehicles.

Comparison between CFRP Wheels and Metal Wheels:

Since the invention of automobiles in 1886, which has a history
of more than 100 years, automobile wheels have evolved from
wooden materials to modern metal materials. The commonly
used wheel materials in modern cars include steel wheels,
aluminum alloy wheels, magnesium alloy wheels, and in recent
years, carbon fiber wheels have emerged, particularly in
supercars.

Steel Wheels: Steel wheels are made primarily of iron and other
metals to enhance toughness. They have the advantages of
higher toughness, excellent impact resistance, and good load-
bearing capacity. Additionally, they are relatively inexpensive.
However, steel wheels have some drawbacks, such as
susceptibility to rust, poor heat dissipation, heavy weight, and
limitations on braking and handling.

Aluminum Alloy Wheels: Aluminum is the main component of
aluminum alloy wheels, along with elements like antimony,
silicon, and magnesium to improve overall performance. The
manufacturing process of aluminum alloy wheels is more
complex than that of steel wheels, with more processing steps.
Aluminum alloy wheels exhibit higher overall performance and
significant weight reduction. Due to the lower density of
aluminum alloy, they offer faster acceleration, better heat
dissipation, and are suitable for urban road conditions.
However, aluminum alloy wheels have relatively lower
toughness, impact resistance, and fatigue resistance, making
them unsuitable for harsh environments like off-road
conditions.

Magnesium-Aluminum Alloy Wheels: Compared to aluminum,
magnesium has a lower density and is similar to carbon fiber
composite materials. Magnesium-aluminum alloy wheels
include magnesium as the primary component, along with
aluminum, zinc, manganese, and other elements. They provide
better elasticity, faster heat dissipation, and stronger shock
absorption capabilities. They are an enhanced version of
aluminum alloy wheels in terms of toughness. However,
magnesium-aluminum alloy wheels are prone to oxidation and
have poor corrosion resistance.

Carbon Fiber Wheels: Carbon fiber wheels are a relatively new
type of wheels that have appeared in recent years. They have a
pure black appearance with a textured surface, giving them a
high-end and sophisticated look. Carbon fiber wheels offer
powerful performance, comparable weight to magnesium
wheels, high toughness, excellent impact resistance, and
corrosion and oxidation resistance. They are currently used in
motorcycles, mountain bikes, road bicycles, and automobiles.

Advantages of Carbon Fiber Composite Wheels
The wheels and tires of a car bear the entire weight and play a
crucial role in driving the vehicle under the action of the
echel trosglwyddo. Fel y gydran strwythurol graidd, carbon
mae gan olwynion cyfansawdd ffibr gapasiti llwyth rhagorol
a gwrthsefyll effaith, gan ddarparu perfformiad rhagorol
yn ystod cyflymiad a than lwythi trwm. Yn ogystal, carbon
gall olwynion ffibr leihau inertia yn effeithiol a galluogi cyflymach
cyflymiad, brecio, a symud oherwydd eu gostyngiad
pwysau.

(1) Pwysau Ysgafnach, Cryfder Uwch

Mae'n hysbys iawn bod deunyddiau cyfansawdd ffibr carbon yn
wedi'i gydnabod fel y dull gorau ar gyfer “pwysau ysgafn” a phwysau
gostyngiad mewn ceir. Ffibr carbon, a elwir hefyd yn “ddu
"aur," yn ysgafnach nag alwminiwm tra bod ganddo gryfder uwch
na dur. Mae'n arddangos ymwrthedd cyrydiad a modwlws uchel
nodweddion, gan alluogi nid yn unig i leihau pwysau ond hefyd
cryfhau strwythur y cerbyd. Mae data'n dangos bod 20-
Mae olwyn ffibr carbon modfedd yn pwyso tua 7.5 kg, sef
mwy na 25% yn ysgafnach nag aloi alwminiwm o'r un maint
olwyn. O ran cryfder, mae olwynion ffibr carbon yn arddangos
gwelliant cyffredinol o tua 30% o'i gymharu ag alwminiwm
olwynion aloi.

(2) Perfformiad a Thrin Gwell

Peirianwyr o'r brand olwynion Australian Carbon Revolution
wedi datgan bod lleihau pwysau olwyn o 1 kg, o dan
màs heb ei sbringio, yn cyfateb i leihau cyfanswm y cerbyd
pwysau o 15 kg. Am bob gostyngiad o 10% mewn pwysau, y
gall perfformiad cyflymiad y cerbyd wella trwy
tua 8%. Mae hyn yn dangos y gall olwynion ysgafn
darparu ymateb gwell i berfformiad pŵer y cerbyd.
Mae olwynion ffibr carbon hefyd yn cynnig amsugno sioc rhagorol,
mwy o gysur, a thrin gwell.

(3) Effeithlonrwydd Ynni a Lleihau Allyriadau

Lleihau'r màs heb ei sbringio 1 kg gan ddefnyddio ffibr carbon
mae olwynion cyfansawdd yn gyfwerth â lleihau cyfanswm y cerbyd
pwysau o 15 kg. Gall gostyngiad pwysau 10% arwain at 6%-
Gostyngiad o 8% yn y defnydd o danwydd a gostyngiad o 5% yn
allyriadau. Mewn senario lle mae cerbydau'n defnyddio'r un faint o
gasoline, gall car sydd ag olwynion ffibr carbon deithio i fyny
i 50 km yn fwy yr awr o'i gymharu â char gydag aloi alwminiwm
olwynion. Mae pwysau olwynion ffibr carbon yn 60% yn ysgafnach na
olwynion aloi alwminiwm ffug o'r un maint,
gan wneud lleihau pwysau cerbydau yn arwyddocaol ar gyfer yr amgylchedd
dibenion.

(4) Triniaeth Well a Pherfformiad Brecio Uwchraddol

Mae olwynion ffibr carbon yn cynnig modwlws elastigedd o hyd at 200 GPa.
Po uchaf yw'r modwlws elastig, y lleiaf yw'r elastigrwydd
anffurfiad ar ôl cael ei destun grymoedd, gan arwain at well
cysur a thrin gwell. Ar ôl disodli olwynion gyda
rhai ffibr carbon ysgafn, ataliad y cerbyd
mae cyflymder ymateb yn gwella'n sylweddol, gan arwain at gyflymach a
cyflymiad llyfnach a pherfformiad brecio gwell.

Enghreifftiau Cymwysiadau o Olwynion Cyfansawdd Ffibr Carbon
Wedi'i sefydlu yn 2007, mae Carbon Revolution yn dechnoleg fyd-eang
cwmni a chyflenwr OEM Haen 1 sydd wedi llwyddo i
arloesi, masnacheiddio, a diwydiannu uchel-
perfformiad, ffibr carbon ysgafn datblygedig yn dechnolegol
olwynion. Yn ogystal ag olwynion ceir moethus, mae gan y cwmni
cyhoeddodd ddatblygiad carbon 23 modfedd a 24 modfedd
olwynion ffibr sy'n targedu marchnadoedd tryciau trydan ac SUVs.
mae'r cwmni hefyd yn ymgymryd â phrosiectau cysyniadol a dilysu
ar gyfer olwynion hofrennydd CH-47 Chinook Boeing.

Ffigur 3: Ffibr Carbon Cyfres Ultra-Ysgafn Carbon Revolution
Olwynion

Mae gweithgynhyrchu olwynion ffibr carbon yn gofyn am uchel-
gosodiad ffibr carbon manwl gywir a mowldio pwysedd uchel
technegau. Mae gan Carbon Revolution tua 50 o batentau
yn gysylltiedig â chynhyrchion a gweithgynhyrchu olwynion ffibr carbon
prosesau ac mae'n anelu at wella effeithlonrwydd trwy brosesau
gwelliannau. I gyflawni hyn, mae'r cwmni wedi datblygu
llinellau cynhyrchu hynod awtomataidd ac yn cyflogi'n helaeth
dysgu peirianyddol a thechnolegau deallusrwydd artiffisial i
optimeiddio'r broses weithgynhyrchu. Ar gyfartaledd, yr olwynion
a yw 40% i 50% yn ysgafnach nag olwynion alwminiwm safonol yn y
marchnad. Yn ogystal, gellir dylunio'r olwynion gyda
siapiau aerodynamig i leihau llusgiad a chynyddu ystod heb
ychwanegu pwysau.

Cyflwynodd y cwmni Eidalaidd Bucci Composites y 20 modfedd cyntaf
ymyl olwyn ffibr carbon wedi'i gynllunio'n benodol ar gyfer y
sector chwaraeon/uwch-geir. Mae'n caniatáu i'r olwyn gael ei gosod i'r
canolbwynt mewn ffordd draddodiadol, gan ddileu'r risg o dorc bollt
llacio. Mae hyn yn sicrhau bod yr olwynion ffibr carbon ysgafn iawn
mor hawdd i'w cydosod a'u cynnal ag olwynion traddodiadol.
mynd i'r afael â'r tymereddau uchel a geir, yn enwedig pan
gan ddefnyddio breciau ceramig carbon, mae ochr fewnol ymyl yr olwyn yn
wedi'i orchuddio â haen seramig, gan amddiffyn y ffibr carbon a
gan ganiatáu i ymyl yr olwyn gael ei ddefnyddio o dan dymheredd eithafol.

Ffigur 4: Chwyldro Carbon

Mae Bucci Composites hefyd wedi cyfarparu ei hun â'r dechnoleg arloesol
technoleg gynhyrchu gan Cannon (Pwysedd Uchel RTM-
HP-RTM), yr unig gwmni yn yr Eidal sydd â'r dechnoleg i
parhau i ddatblygu mwy o fodelau olwyn ar gyfer y diwydiant modurol
diwydiant.

Ffigur 5: Offer Prosesu HP-RTM Cannon

Mae datrysiad Cannon yn cynnwys yr offer sydd ei angen ar gyfer y
proses RTM pwysedd uchel i gynhyrchu cyfansawdd
deunyddiau gyda matrics resin epocsi a ffibr carbon
atgyfnerthu:

(1) Uned dosio pwysedd uchel tair cydran E-system ar gyfer
fformiwleiddiad resin epocsi, sy'n cynnwys LN10 tair cydran
pen cymysgu a rheolaeth dolen gaeedig o gymhareb allbwn.

(2) Gwasg mowldio cywasgu strôc fer gyda chlampio
grym o 25,000 kN, platiau gwasgu 3.6 × 2.4m, ac yn hynod
rheolaeth weithredol gyfochrogrwydd manwl gywir i sicrhau gwastadrwydd mowldio
rhannau.

Ffigur 6: Olwyn Ffibr Carbon 20″ Bucci Composites

Yn ddiweddar, y gwneuthurwr ceir Prydeinig enwog Bentley
cyflwynodd olwynion ffibr carbon arloesol ar gyfer ei Bentley
Bentayga SUV, a ddatblygwyd gan Bucci Composites. Y 22 modfedd
daeth olwynion ffibr carbon yn olwynion ffibr carbon mwyaf
a gynhyrchwyd erioed, gan warantu dyluniad arloesol ac eithriadol
perfformiad, gan gyflawni gostyngiad pwysau o 6 kg y
olwyn.

Ffigur 7: Olwynion 22″ a ddatblygwyd gan Bucci ar gyfer Bentley

Mae Vision Wheel, sydd wedi'i leoli yn yr Unol Daleithiau, wedi cyflwyno system newydd
olwyn ffibr carbon wedi'i datblygu mewn cydweithrediad ag IDI
Composites International a gwehyddu deunyddiau cyfansawdd
Technoleg A&P arbenigol. Cost pob olwyn yw $2,000 neu
hyd yn oed yn is.

Mae cwmni Americanaidd arall, ESE Carbon, wedi lansio ei E2
olwynion cyfansawdd ffibr carbon integredig yn yr ôl-farchnad,
yn gwasanaethu Tesla Model S, Tesla Model 3, a Subaru WRX STI
cerbydau.

Mae olwynion E2 yn defnyddio ffibr wedi'i deilwra'n arloesol ac uwch
lleoli (TFP) a thechnoleg trwytho resin pwysedd uchel,
yn cyfuno perfformiad, gwydnwch, effeithlonrwydd ac arloesedd
gyda harddwch ffibr carbon, gan ddarparu ansawdd uchaf
olwynion ôl-farchnad.

Po ysgafnach yw'r olwynion, yr isaf yw'r inertia cylchdro, gan arwain at
mewn llai o rym sydd ei angen i symud yr olwynion ymlaen. Fel
olwyn gyfansawdd ffibr carbon premiwm, yr E2 yn sylweddol
yn lleihau pwysau o'i gymharu ag olwynion alwminiwm a dur. Profion
wedi dangos y gall pob olwyn arbed 10 pwys o bwysau,
gan arwain at gynnydd o 5.3% yng nghyflymder y lap.

Yn syml, mae angen llai o waith i arafu gwrthrychau ysgafnach
a stopio. Mae olwynion ffibr carbon E2 yn 45% yn ysgafnach na
olwynion dur neu alwminiwm cyfatebol. Mae profion wedi dangos bod E2
gall olwynion leihau pellteroedd brecio a chodi o 60 mya
i 1 filltir gan 3.6%.

Mae lleihau pwysau heb ei sbringio yn lleihau'r grymoedd a roddir gan y
ataliad i gadw'r olwynion yn gadarn ar y ffordd. Pob E2
gall olwyn ffibr carbon leihau hyd at 10 pwys o sbringiau heb eu sbringio
pwysau o'r system, gan wella perfformiad ataliad.
Mae'r gwelliant canlyniadol mewn cyswllt â theiars yn arwain at well
ymateb llywio a thrin mwy ymatebol. Boed ymlaen
y ffordd neu'r trac, mae olwynion ffibr carbon E2 yn mynd â'ch gyrru
profiad i lefel hollol newydd.

Profi Ffordd

Ar ôl blynyddoedd o brofi prototeipiau, E2, y mwyaf technolegol
canolbwynt olwyn modurol uwch a ddatblygwyd erioed, wedi bod
wedi'i greu. Drwy ddefnyddio modelu hynod ddatblygedig gan ddefnyddio meidraidd
dadansoddi elfennau, gall tîm peirianneg cyfansawdd ESE
rhagweld ymateb yr olwyn mewn ystod eang o fyd go iawn
senarios. Gyda'r cyfoeth hwn o ddata, mae olwynion ESE yn mynd trwy
profi mewn amodau labordy a maes, gan ddilysu eu
cryfder, diogelwch a pherfformiad.

Profi Effaith Radial
Mae prawf effaith rheiddiol yn gwerthuso sefydlogrwydd yr olwyn pan
dod ar draws tyllau yn y ffordd neu rwystrau mawr i atal difrifol
difrod neu fethiant. Gan nad yw amodau'r ffyrdd bob amser yn berffaith,
Mae olwynion E2 wedi cael profion trylwyr i wrthsefyll nodweddiadol
peryglon ffyrdd ac wedi profi eu bod yn well na dur cyfatebol
ac olwynion alwminiwm.

Prawf Effaith y Palmant
Mae prawf effaith y palmant yn werthusiad hanfodol i asesu'r effeithiau
o effeithiau dro ar ôl tro ar arwyneb statig, gan efelychu'r cerbyd
taro cyrbau neu wrthrychau sefydlog eraill ar gyflymderau penodedig ymlaen llaw.
Hyd yn oed ar gyflymderau isel, mae'r cyswllt rhwng y cyrbau a'r olwynion
yn cynhyrchu grymoedd effaith sylweddol. olwynion ffibr carbon E2
wedi'u cynllunio a'u profi'n helaeth i wrthsefyll methiannau
mewn sefyllfaoedd dinistriol fel gwrthdrawiadau ar y palmant.

Profi SAE J3204

Mae'r E2 wedi cael profion cynhwysfawr ac mae'n aros
ardystiad o dan SAE J3204, proses gynhyrchu newydd ar gyfer
olwynion deunydd cyfansawdd. Mae ESE yn cydweithio'n agos â
Cymdeithas y Peirianwyr Modurol (SAE) i helpu i sefydlu
safonau a meincnodau ar gyfer olwynion deunydd cyfansawdd.
mewn gwirionedd, mae olwynion ffibr carbon E2 ESE yn rhagori ar isafswm yr SAE
argymhellion.

Yn debyg i olwynion metel, mae'r SAE yn mynd i'r afael â phryderon gwydnwch
ar gyfer olwynion deunydd cyfansawdd trwy amrywiol flinder a
profion effaith. Mae'r SAE hefyd wedi cyflwyno gofynion newydd i
mynd i'r afael ag effeithiau amgylcheddol unigryw cyfansawdd
deunyddiau.

Ffigur 11: Olwynion ffibr carbon E2 wedi'u mabwysiadu gan gwmnïau mawr
gweithgynhyrchwyr modurol ledled y byd.

Mae olwynion ffibr carbon E2 wedi'u cynllunio gan ddefnyddio'r diweddaraf
Technoleg Lleoliad Ffibr wedi'i Deilwra (TFP). Ffibr carbon
yn draddodiadol, mae gosod wedi bod yn broses llafur-ddwys sy'n cynnwys
torri a mowldio ffabrig ffibr carbon â llaw ar resin
llwydni. Mae hyn wedi arwain at wastraff gormodol, a llafur llaw
gall greu tagfeydd mewn cynhyrchu.

Ffigur 12: Lleoliad Ffibr wedi'i Deilwra (TFP)

Mae TFP yn cyflawni perfformiad strwythurol gorau posibl trwy ddefnyddio
peiriannau i drefnu a gwnïo ffibrau carbon yn fanwl gywir
safleoedd. Mae hyn yn lleihau amser haenu gan 50% a deunydd
gwastraff gan 80%. Mae hefyd yn caniatáu i ESE optimeiddio'r dyluniad
trwy osod a chyfeiriadedd ffibr manwl gywir i
darparu ar gyfer crymedd a sbociau olwynion ffibr carbon.
Mae hyn yn gwella cryfder a gwydnwch y carbon E2
olwynion ffibr, gan eu galluogi i reoli llwythi'n effeithlon a
straenau.

Mae'r E2 hefyd yn defnyddio Mowldio Trosglwyddo Resin perchnogol.
proses (RTM) a system resin epocsi i gynhyrchu'r
canolbwyntiau, gan ddarparu cryfder a blinder ymyl olwyn uwch
ymwrthedd. Mae ESE yn defnyddio'r ansawdd uchaf, y cyflymaf i wella
resin, gan ddarparu perfformiad heb ei ail ar lefel sy'n arwain y diwydiant
tymheredd Tg (trawsnewidiad gwydr) hyd at 212°C. Y ffibr-
Mae cymhareb cynnwys resin ESE yn 60%, gyda gwagle lleiaf posibl
cynnwys 2%, gan ei wneud yn un o'r goreuon yn y diwydiant.
Yn ogystal, gall ESE drwytho'r canolbwynt yn llwyr mewn llai na 2
munudau.

Ffigur 13: Gweithgynhyrchu Olwynion CFRP gan ddefnyddio Proses RTM

Casgliad:

Drwy ddefnyddio olwynion ffibr carbon, mae pwysau'r olwynion yn
wedi'i leihau'n sylweddol, gan ganiatáu i geir chwaraeon gyflawni uwchraddol
perfformiad trin. Gyda llai o inertia, olwynion ffibr carbon
gwella ymateb llywio a gafael, gan arwain at gyflymach
cyflymiad a brecio.

Ar ben hynny, mae pryder ynghylch amrediad yn bryder sylweddol i lawer.
defnyddwyr posibl wrth ystyried prynu
cerbyd trydan. Er bod ystod gyrru cerbyd trydan
yn dibynnu'n bennaf ar y batri, mae ffactorau eraill hefyd yn cael effaith
effaith. Gall olwynion ffibr carbon ysgafn leihau effaith yn fawr
defnydd ynni a achosir gan gylchdroi olwynion yn ystod
cyflymiad neu arafiad, gan wneud y mwyaf o ystod gyrru
cerbydau trydan.

 

Ionawr 6, 2024