Blog

Analyse af letvægtshjul af kulfiber til ny energi
Køretøjer

Nye energikøretøjer Carbon Fiber Wheel Lightweight
Analyse

2023-07-11 06:59:49

Introduktion
Nye energikøretøjer erstatter gradvist traditionelle brændstofbiler.
drevne biler. Rækkevidden af elektriske køretøjer er blevet
største udviklingshindring, hvilket gør letvægt
særligt vigtigt.

Med den stigende efterspørgsel efter miljøbeskyttelse og
energieffektivitet, søger den globale bilindustri
forskellige letvægtsløsninger. Behovet for vægtreduktion
i den uaffjedrede masse er særlig fremtrædende, og som en
vigtig del af den uaffjedrede masse, hjul udgør
for en betydelig del af køretøjets samlede vægt. En
effektiv måde at reducere vægten på er ved at bruge kulstof.
fiberhjul. I takt med at råvare- og produktionsomkostningerne falder,
kulfiberhjul, som engang var dyre og kun blev brugt
i luksus- eller ultraluksusmodeller, bliver gradvist mere og mere
tilgængelig.

Figur 1: Hjul af kulfiber

Anvendelsesmuligheder for CFRP inden for bilindustrien
Kulfiber er et letvægtsmateriale med høj styrke og højt modul.
fibermateriale. Det har en lavere tæthed end metal, men er 16 gange
stærkere end stål. Dets Young's modul er 2-3 gange højere.
end traditionelle glasfibre, mens de stadig bevarer fleksibiliteten
af fibre.

Typisk vejer aluminiumsfælge omkring 15 kg,
mens kulfiberhjul kan reducere vægten til 8 kg,
hvilket gør kulfiberhjul til et ægte "vægtreducerende værktøj".

På grund af sin lette vægt og høje styrke kan kulstof
fiber har altid været et foretrukket materiale til bilindustrien.
fremstilling. Ud over hjulapplikationer er kulfiber
bruges også i bilers drivlinjer, bladfjedre og strukturer,
og kroppe, hvilket sikrer tilstrækkelig styrke og stivhed, mens
reducere køretøjernes vægt og energiforbrug.
Ifølge "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Forskningsrapport" udgivet af MarketaaWatch, den globale
Markedets størrelse for kulfiber til biler nåede næsten $160
millioner kroner i 2020. Fra 2021 til 2027 vil den globale bilindustri
kulfibermarkedet forventes at opretholde en sammensat
årlig vækstrate på over 5%.

Anvendelsen af kulfibermaterialer i biler er ikke
kun for at lette vægten og reducere energiforbruget, men
også for at forbedre køretøjets sikkerhed. Sammenlignet med
traditionelle aluminiumsfælge, kulfiberfælge er
lettere, stærkere, fri for metaltræthed og betydeligt
reducere støj. Markedet for kulfiberhjul i Kina har
enormt potentiale, men udbredt anvendelse af kulfiber
hjul er primært afhængig af omkostningsovervejelser.

Figur 2: Prognose for efterspørgslen på kulfiber i bilindustrien
Sektor

Med løbende forbedringer og produktion i stor skala
af kulfiberproduktionsteknologi, er omkostningerne til kulstof
fiber er gradvist faldende. Den traditionelle kulfiber
Forstadiet er hovedsageligt fremstillet af polyacrylonitril (PAN) råmateriale.
materiale, som altid har været dyrt. Men ved at bruge
asfaltbaseret, polyethylen og andre materialer til at producere
forløber, kan omkostningerne til kulfiber reduceres med mere
end 30%. For eksempel har Carbon Revolution, en australsk
virksomhed, fremstiller kulfiberhjul ved at binde
kulfiber med harpiks, opnåelse af storskalaproduktion og
reducere prisen på kulfiberhjul til et niveau tæt på
aluminiumsfælge.

Den kinesiske regering har implementeret relevante politikker for at
fremme udbredt anvendelse af indenlandsk producerede
højtydende kulfiber. I marts 2021 blev den "14.
Femårsplan for national økonomisk og social udvikling
Development and Long-Term Goals for 2035" blev udgivet,
hvilket understregede behovet for at styrke forskningen,
udvikling og anvendelse af højtydende fibre såsom
som kulfiber og deres kompositter. Dette giver en gunstig
politiske rammer for teknologisk udvikling af
kulfiberindustrien i fremtiden.

Udviklingen af nye energikøretøjer er ustoppelig, og
kulfiberfælge kan blive standard i nye biler
energikøretøjer.

Sammenligning mellem CFRP-hjul og metalhjul:

Siden opfindelsen af biler i 1886, som har en historie
På mere end 100 år har bilhjul udviklet sig fra
træmaterialer til moderne metalmaterialer. De almindelige
De brugte hjulmaterialer i moderne biler omfatter stålhjul,
aluminiumsfælge, magnesiumfælge og på det seneste
år er kulfiberhjul dukket op, især inden for
superbiler.

Hjul af stål: Stålhjul er primært fremstillet af jern og andre
metaller for at øge sejheden. De har fordelene ved
højere sejhed, fremragende slagfasthed og god belastningsevne.
bæreevne. Derudover er de relativt billige.
Stålfælge har dog nogle ulemper, f.eks.
modtagelighed for rust, dårlig varmeafledning, tung vægt og
begrænsninger på bremsning og håndtering.

Alufælge af aluminium: Aluminium er hovedkomponenten i
aluminiumsfælge sammen med elementer som antimon,
silicium og magnesium for at forbedre den samlede ydeevne. Den
Fremstillingsprocessen for aluminiumsfælge er mere
kompleks end for stålhjul, med flere forarbejdningstrin.
Fælge af aluminiumslegering har en højere samlet ydeevne og
betydelig vægtreduktion. På grund af den lavere tæthed af
aluminiumslegering, de giver hurtigere acceleration, bedre varme
og er velegnede til vejforhold i byer.
Fælge af aluminiumslegering har dog relativt lavere
sejhed, slagfasthed og udmattelsesmodstand, hvilket gør
de er uegnede til barske miljøer som off-road
betingelser.

Alufælge af magnesium-aluminium: Sammenlignet med aluminium,
Magnesium har en lavere massefylde og ligner kulfiber.
kompositmaterialer. Alufælge i magnesium-aluminium
inkluderer magnesium som den primære komponent sammen med
aluminium, zink, mangan og andre elementer. De giver
bedre elasticitet, hurtigere varmeafledning og stærkere stød
absorptionsevne. De er en forbedret version af
aluminiumsfælge med hensyn til hårdhed. Men det er det ikke,
Magnesium-aluminiumsfælge er tilbøjelige til at blive oxideret og
har dårlig korrosionsbestandighed.

Hjul af kulfiber: Kulfiberhjul er et relativt nyt
type hjul, der er dukket op i de senere år. De har en
rent sort udseende med en struktureret overflade, der giver dem et
avanceret og sofistikeret look. Fælge i kulfiber giver
kraftig ydeevne, sammenlignelig vægt med magnesium
hjul, høj sejhed, fremragende slagfasthed og
korrosions- og oxidationsbestandighed. De bruges i øjeblikket i
motorcykler, mountainbikes, landevejscykler og biler.

Fordele ved kulfiberkomposit-hjul
Hjulene og dækkene på en bil bærer hele vægten og spiller en
afgørende rolle i at køre køretøjet under påvirkning af
transmissionsaksel. Som den centrale strukturelle komponent er kulstof
Hjul af fiberkomposit har fremragende bæreevne
og slagfasthed, hvilket giver en enestående ydeevne
under acceleration og tung belastning. Derudover er kulstof
fiberhjul kan effektivt reducere inerti og muliggøre hurtigere
acceleration, opbremsning og manøvrering på grund af deres reducerede
vægt.

(1) Lettere vægt, højere styrke

Det er almindeligt kendt, at kulfiberkompositmaterialer er
anerkendt som den bedste metode til "letvægt" og vægt
reduktion i biler. Kulfiber, også kendt som "sort
guld," er lettere end aluminium og har samtidig højere styrke
end stål. Det udviser korrosionsbestandighed og høj modulus
egenskaber, der ikke kun muliggør vægtreduktion, men også
styrkelse af køretøjets struktur. Data viser, at en 20-
tommer kulfiberhjul vejer cirka 7,5 kg, hvilket er
mere end 25% lettere end en aluminiumslegering i samme størrelse
hjul. Med hensyn til styrke udviser kulfiberhjul en
samlet forbedring på omkring 30% i forhold til aluminium
Alufælge.

(2) Forbedret ydeevne og håndtering

Ingeniører fra det australske hjulmærke Carbon Revolution
har udtalt, at hvis man reducerer vægten af et hjul med 1 kg, under
uaffjedret masse, svarer til at reducere køretøjets samlede
vægt med 15 kg. For hver 10% reduktion i vægt, vil
Bilens accelerationsevne kan forbedres med
cirka 8%. Dette indikerer, at letvægtshjul kan
giver bedre respons på køretøjets kraftpræstation.
Kulfiberhjul giver også fremragende stødabsorbering,
øget komfort og forbedret håndtering.

(3) Energieffektivitet og reduktion af emissioner

Reducerer den uaffjedrede masse med 1 kg ved hjælp af kulfiber
komposithjul svarer til at reducere køretøjets samlede
vægt med 15 kg. En vægtreduktion på 10% kan resultere i en 6%-...
8% fald i brændstofforbruget og en 5% reduktion i
udledning. I et scenarie, hvor køretøjer bruger den samme mængde
benzin, kan en bil udstyret med kulfiberhjul køre op til
til 50 km mere i timen sammenlignet med en bil med aluminiumslegering
hjul. Vægten af kulfiberhjul er 60% lettere end
som smedede aluminiumsfælge i samme størrelse,
hvilket gør vægtreduktion af køretøjer vigtig for miljøet
formål.

(4) Forbedret håndtering og overlegen bremseevne

Kulfiberhjul har et elasticitetsmodul på op til 200 GPa.
Jo højere det elastiske modul er, desto mindre er det elastiske
deformation efter at være blevet udsat for kræfter, hvilket resulterer i bedre
komfort og bedre køreegenskaber. Efter udskiftning af hjul med
letvægts kulfiber, køretøjets ophæng
reaktionshastigheden forbedres mærkbart, hvilket fører til hurtigere og
Jævnere acceleration og bedre bremseevne.

Eksempler på anvendelse af kulfiberkomposithjul
Carbon Revolution blev grundlagt i 2007 og er en global teknologivirksomhed.
virksomhed og Tier 1 OEM-leverandør, der med succes har
banede vejen for, kommercialiserede og industrialiserede høje
ydeevne, teknologisk avanceret letvægts kulfiber
hjul. Ud over fælge til luksusbiler har virksomheden
annoncerede udviklingen af 23-tommer og 24-tommer carbon
fiberhjul rettet mod markedet for elektriske lastbiler og SUV'er. De
Virksomheden er også i gang med koncept- og valideringsprojekter
til Boeings CH-47 Chinook-helikopterhjul.

Figur 3: Carbon Revolutions ultra-lette serie af kulfiber
Hjul

Fremstillingen af kulfiberhjul kræver høj
Præcisionsoplægning af kulfiber og højtryksstøbning
teknikker. Carbon Revolution har omkring 50 patenter
relateret til produkter og fremstilling af kulfiberhjul
processer og sigter mod at forbedre effektiviteten gennem processer
forbedringer. For at opnå dette har virksomheden udviklet
højt automatiserede produktionslinjer og anvender i vid udstrækning
maskinlæring og kunstig intelligens-teknologier til at
optimere fremstillingsprocessen. I gennemsnit er hjulene
er 40% til 50% lettere end standard aluminiumsfælge i
marked. Derudover kan hjulene designes med
aerodynamiske former for at reducere luftmodstanden og øge rækkevidden uden
tilføje vægt.

Det italienske firma Bucci Composites introducerede den første 20-tommer
kulfiberfælg specielt designet til
sports-/superbilssektoren. Det gør det muligt at fastgøre hjulet til
på en traditionel måde, hvilket eliminerer risikoen for boltens drejningsmoment
løsner sig. Dette sikrer, at de ultralette kulfiberhjul
er lige så nemme at montere og vedligeholde som traditionelle hjul. Til
håndtere de høje temperaturer, der opstår, især når
med kulfiberkeramiske bremser, er den indvendige side af fælgen
belagt med et keramisk lag, der beskytter kulfiberen og
så fælgen kan bruges under ekstreme temperaturer.

Figur 4: Kulstofrevolution

Bucci Composites har også udstyret sig med den nyeste teknologi.
produktionsteknologi fra Cannon (High-Pressure RTM-...
HP-RTM), den eneste virksomhed i Italien, der har teknologien til at
fortsætte med at udvikle flere hjulmodeller til bilindustrien
industri.

Figur 5: Cannons HP-RTM-procesudstyr

Cannons løsning omfatter det nødvendige udstyr til
Højtryks-RTM-proces til fremstilling af komposit
materialer med en epoxyharpiksmatrix og kulfiber
forstærkning:

(1) En trekomponent E-system højtryksdoseringsenhed til
epoxyharpiksformulering med en LN10 trekomponent
blandehoved og closed-loop kontrol af output-ratioer.

(2) En kompressionsstøbningspresse med kort slaglængde med en fastspænding
kraft på 25.000 kN, 3,6×2,4 m presseplader og meget høje
præcis parallelisme aktiv kontrol for at sikre fladhed af støbte
dele.

Figur 6: Bucci Composites' 20″ kulfiberhjul

Den anerkendte britiske bilproducent Bentley har for nylig
introducerede innovative fælge helt i kulfiber til sin Bentley
Bentayga SUV, udviklet af Bucci Composites. De 22 tommer
kulfiberfælge blev de største kulfiberfælge
nogensinde produceret, hvilket garanterer innovativt design og enestående
ydeevne, samtidig med at der opnås en vægtreduktion på 6 kg pr.
hjul.

Figur 7: 22″-hjul udviklet af Bucci for Bentley

Vision Wheel, der er baseret i USA, har introduceret en ny
kulfiberhjul udviklet i samarbejde med IDI
Composites International og vævning af kompositmaterialer
ekspert i A&P Technology. Prisen for hvert hjul er $2.000 eller
endnu lavere.

En anden amerikansk virksomhed, ESE Carbon, har lanceret sin E2
integrerede kulfiberkomposithjul på eftermarkedet,
serverer Tesla Model S, Tesla Model 3 og Subaru WRX STI
køretøjer.

E2-hjulene bruger avancerede innovative skræddersyede fibre
placering (TFP) og højtryks resin-infusionsteknologi,
kombinerer ydeevne, holdbarhed, effektivitet og innovation
med skønheden i kulfiber, hvilket giver topkvalitet
eftermarkedshjul.

Jo lettere hjulene er, jo lavere er rotationsinertien, hvilket resulterer i
i mindre kraft, der kræves for at bevæge hjulene fremad. Som en
premium kulfiberkomposithjul, E2 betydeligt
reducerer vægten i forhold til aluminiums- og stålhjul. Test
har vist, at hvert hjul kan spare 10 kilo vægt,
hvilket resulterede i en stigning på 5,3% i omgangshastighed.

Enkelt sagt kræver lettere genstande mindre arbejde for at blive bremset.
og stoppe. E2 kulfiberhjul er 45% lettere end
tilsvarende stål- eller aluminiumsfælge. Test har vist, at E2
Hjulene kan reducere bremse- og rulleafstandene fra 60 km/t
til 1 mile med 3,6%.

Ved at reducere den uaffjedrede vægt minimeres de kræfter, der udøves af
affjedring for at holde hjulene fast på vejen. Hver E2
kulfiberhjul kan reducere op til 10 pund af uaffjedret
vægt fra systemet, hvilket forbedrer affjedringens ydeevne.
Den resulterende forbedring af dækkontakten fører til forbedret
Styrerespons og mere responsiv håndtering. Uanset om det er på
vejen eller banen, E2 kulfiberfælge tager din kørsel
oplevelsen til et helt nyt niveau.

Test på vej

Efter flere års test af prototyper er E2, den mest teknologiske
avancerede hjulnav til biler, der nogensinde er udviklet, er blevet
skabt. Ved at anvende meget avanceret modellering ved hjælp af finite
elementanalyse kan ESE's team af kompositingeniører
forudsige hjulets reaktion i en lang række situationer i den virkelige verden
scenarier. Med dette væld af data gennemgår ESE's hjul
test under både laboratorie- og feltforhold, hvilket validerer deres
styrke, sikkerhed og ydeevne.

Test af radial påvirkning
Radial kollisionstest evaluerer hjulets stabilitet, når
støder på huller eller store forhindringer for at forhindre alvorlige
skader eller fejl. Da vejforholdene ikke altid er perfekte,
E2-hjul har gennemgået strenge tests for at modstå typiske
trafikfarer og har vist sig at være bedre end tilsvarende stål
og aluminiumsfælge.

Test for påvirkning af kantsten
Kantstenstesten er en afgørende evaluering for at vurdere effekterne
af gentagne stød på en statisk overflade, der simulerer køretøjet
rammer kantsten eller andre faste genstande ved forudbestemte hastigheder.
Selv ved lave hastigheder er der kontakt mellem kantsten og hjul.
genererer betydelige slagkræfter. E2-hjul i kulfiber
er blevet designet og grundigt testet til at modstå fejl
i destruktive situationer som f.eks. kantstenspåkørsler.

SAE J3204-testning

E2 har gennemgået omfattende test og afventer...
certificering under SAE J3204, en ny produktionsproces for
hjul af kompositmateriale. ESE arbejder tæt sammen med
Society of Automotive Engineers (SAE) for at hjælpe med at etablere
standarder og benchmarks for hjul af kompositmaterialer. I
Faktisk overgår ESE's E2 kulfiberhjul SAE's minimumskrav.
anbefalinger.

I lighed med metalhjul løser SAE problemer med holdbarhed
for kompositmaterialehjul gennem forskellige udmattelses- og
stødtest. SAE har også indført nye krav til
håndtere de unikke miljøpåvirkninger fra kompositmaterialer
materialer.

Figur 11: E2-kulfiberhjul anvendt af store virksomheder
bilproducenter over hele verden.

E2-kulfiberhjulene er designet ved hjælp af de nyeste
Skræddersyet fiberplacerings-teknologi (TFP). Kulfiber
Layup har traditionelt været en arbejdskrævende proces, der involverer
Skæring og håndstøbning af kulfiberstof på en harpiks
skimmel. Det har resulteret i for meget spild og manuelt arbejde.
kan skabe flaskehalse i produktionen.

Figur 12: Skræddersyet fiberplacering (TFP)

TFP opnår optimal strukturel ydeevne ved at bruge
maskiner til at arrangere og sy kulfibre i præcise
positioner. Dette reducerer lagdelingstiden med 50% og materialet
spild af 80%. Det giver også ESE mulighed for at optimere designet
gennem præcis fiberplacering og -orientering for at
passer til kulfiberhjulenes krumning og eger.
Dette forbedrer styrken og holdbarheden af E2-kulstoffet.
fiberhjul, der gør dem i stand til effektivt at håndtere belastninger og
stresser.

E2 bruger også en proprietær Resin Transfer Molding.
(RTM)-proces og epoxyharpikssystem til fremstilling af
nav, hvilket giver højere fælgstyrke og træthed
modstandsdygtighed. ESE anvender den højeste kvalitet, den hurtigst hærdende
harpiks, der leverer uovertruffen ydeevne til en brancheførende
Tg (glasovergangstemperatur) på op til 212 °C. Den fiber-
til harpiksindhold i ESE er 60%, med et minimalt hulrum
indhold af 2%, hvilket gør den til en af de bedste i branchen.
Derudover kan ESE fylde hubben helt op på mindre end 2
minutter.

Figur 13: Fremstilling af CFRP-hjul ved hjælp af RTM-processen

Konklusion:

Ved at bruge kulfiberhjul er vægten af hjulene
betydeligt reduceret, hvilket gør det muligt for sportsvogne at opnå overlegen
håndteringsevne. Med lavere inerti er kulfiberhjul
forbedre styretøjets respons og trækkraft, hvilket resulterer i hurtigere
acceleration og opbremsning.

Desuden er angst for rækkevidde en væsentlig bekymring for mange
potentielle forbrugere, når de overvejer at købe en
elektrisk køretøj. Mens rækkevidden for et elektrisk køretøj
afhænger primært af batteriet, men andre faktorer har også betydning.
påvirkning. Letvægtshjul i kulfiber kan i høj grad reducere
energiforbrug forårsaget af hjulets rotation under
acceleration eller deceleration, hvilket maksimerer køreområdet for
elektriske køretøjer.

 

6. januar 2024