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Analyse von leichten Kohlefaserrädern für neue Energie
Fahrzeuge

Neue Energiefahrzeuge Carbon Fiber Rad Leichtbau
Analyse

2023-07-11 06:59:49

Einführung
Fahrzeuge mit neuer Energie ersetzen allmählich die traditionellen Kraftstoff-
angetriebene Autos. Die Reichweite von Elektrofahrzeugen hat sich zum
größte Hindernis bei der Entwicklung, so dass das Lightweighting
besonders wichtig.

Mit der steigenden Nachfrage nach Umweltschutz und
Energieeffizienz sucht die globale Automobilindustrie nach
verschiedene Leichtbaulösungen. Der Bedarf an Gewichtsreduzierung
der ungefederten Masse ist besonders ausgeprägt, und als
wichtige Komponente der ungefederten Masse, die Räder machen
einen erheblichen Anteil am Gesamtgewicht des Fahrzeugs. Eine
effektiver Weg zur Gewichtsreduzierung ist die Verwendung von Carbon
Faserräder. Da die Rohstoff- und Herstellungskosten sinken,
Kohlefaserräder, die früher teuer waren und nur
in Luxus- oder Ultraluxusmodellen, werden allmählich immer mehr
zugänglich.

Abbildung 1: Carbonfaser-Rad

Anwendungsperspektiven von CFK im Automobilbereich
Kohlefaser ist ein leichtes, hochfestes und hochmoduliges Material.
Fasermaterial. Es hat eine geringere Dichte als Metall, ist aber 16 Mal
stärker als Stahl. Sein Elastizitätsmodul ist 2-3 Mal höher
als herkömmliche Glasfasern, ohne dabei die Flexibilität zu verlieren.
von Fasern.

Normalerweise wiegen Alufelgen etwa 15 Kilogramm,
während Kohlefaserräder das Gewicht auf 8 Kilogramm reduzieren können,
Das macht Kohlefaserräder zu einem echten "Gewichtsreduktionswerkzeug".

Aufgrund seiner leichten und hochfesten Eigenschaften
Faser ist seit jeher ein bevorzugtes Material für Automobil
Herstellung. Zusätzlich zu den Radanwendungen werden Kohlefaser
wird auch in Antriebssträngen, Blattfedern und Strukturen verwendet,
und Karosserien, um eine ausreichende Festigkeit und Steifigkeit zu gewährleisten, während
Verringerung des Gewichts und des Energieverbrauchs von Fahrzeugen.
Laut der Studie "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Research Report", veröffentlicht von MarketaaWatch, dem globalen
Der Markt für Carbonfasern in der Automobilindustrie erreichte fast $160
Millionen im Jahr 2020. Von 2021 bis 2027 wird die globale Automobil
Der Markt für Kohlefasern wird voraussichtlich weiterhin ein
jährliche Wachstumsrate von über 5%.

Die Anwendung von Kohlefasermaterialien in Automobilen ist nicht
nur zur Gewichtsreduzierung und Reduzierung des Energieverbrauchs, sondern
auch zur Verbesserung der Fahrzeugsicherheit. Im Vergleich zu
traditionellen Aluminiumrädern, sind Räder aus Kohlefaser
leichter, stärker, frei von Metallermüdung und deutlich
Lärm reduzieren. Der Markt für Kohlefaserräder in China hat
enormes Potenzial, aber der breite Einsatz von Kohlefaser
Rädern hängt in erster Linie von Kostenüberlegungen ab.

Abbildung 2: Prognose für die Nachfrage nach Carbonfasern in der Automobilindustrie
Sektor

Mit der kontinuierlichen Verbesserung und der groß angelegten Produktion
der Technologie zur Herstellung von Kohlenstofffasern, die Kosten für Kohlenstoff
Faser nimmt allmählich ab. Die traditionelle Kohlefaser
Vorprodukt wird hauptsächlich aus Polyacrylnitril (PAN) hergestellt.
Material, das schon immer kostspielig war. Doch durch die Verwendung von
Asphalt, Polyethylen und anderen Materialien zur Herstellung der
Vorprodukts können die Kosten für Kohlenstofffasern um mehr als
als 30%. Zum Beispiel hat Carbon Revolution, eine australische
Unternehmen stellt Räder aus Kohlefaser her, indem es die
Kohlefasern mit Harz, wodurch eine großtechnische Produktion und
die Kosten für Kohlefaserräder auf ein Niveau zu senken, das
Aluminiumräder.

Die chinesische Regierung hat entsprechende Maßnahmen ergriffen, um
die breite Anwendung von im Inland produzierten
Hochleistungs-Kohlefaser. Im März 2021 wird die "14.
Fünf-Jahres-Plan für nationale wirtschaftliche und soziale
Entwicklung und langfristige Ziele für 2035" wurde veröffentlicht,
die die Notwendigkeit betonten, die Forschung zu stärken,
Entwicklung und Anwendung von Hochleistungsfasern wie
wie Kohlenstofffasern und deren Verbundstoffe. Dies bietet eine günstige
politischen Rahmenbedingungen für den technologischen Fortschritt der
Kohlefaserindustrie in der Zukunft.

Die Entwicklung von Fahrzeugen mit neuer Energie ist unaufhaltsam, und
Räder aus Kohlefaser könnten zum Standard in neuen
Energiefahrzeuge.

Vergleich zwischen CFK-Rädern und Metallrädern:

Seit der Erfindung des Automobils im Jahr 1886, die eine Geschichte
von mehr als 100 Jahren haben sich die Autoräder von
Holzmaterialien bis hin zu modernen Metallmaterialien. Die üblicherweise
Zu den verwendeten Radmaterialien in modernen Autos gehören Stahlräder,
Aluminiumfelgen, Magnesiumfelgen und in letzter Zeit auch
Jahren haben sich Räder aus Kohlefaser durchgesetzt, vor allem in
Supercars.

Stahlräder: Stahlräder werden hauptsächlich aus Eisen und anderen
Metalle, um die Zähigkeit zu erhöhen. Sie haben die folgenden Vorteile
höhere Zähigkeit, ausgezeichnete Schlagfestigkeit und gute Belastbarkeit
Tragfähigkeit. Außerdem sind sie relativ preiswert.
Stahlräder haben jedoch einige Nachteile, wie zum Beispiel
Rostanfälligkeit, schlechte Wärmeableitung, hohes Gewicht und
Einschränkungen beim Bremsen und Handling.

Räder aus Aluminiumlegierung: Aluminium ist der Hauptbestandteil von
Aluminiumfelgen, zusammen mit Elementen wie Antimon,
Silizium und Magnesium, um die Gesamtleistung zu verbessern. Die
Der Herstellungsprozess von Rädern aus Aluminiumlegierungen ist mehr
komplexer als die von Stahlrädern, mit mehr Bearbeitungsschritten.
Räder aus Aluminiumlegierung bieten eine höhere Gesamtleistung und
erhebliche Gewichtsreduzierung. Aufgrund der geringeren Dichte von
Aluminiumlegierung, bieten sie eine schnellere Beschleunigung, bessere
und sind für städtische Straßenverhältnisse geeignet.
Aluminiumfelgen haben jedoch relativ geringere
Zähigkeit, Schlagzähigkeit und Ermüdungsfestigkeit, wodurch
sie für raue Umgebungen wie Off-Road ungeeignet
Bedingungen.

Magnesium-Aluminium-Räder: Im Vergleich zu Aluminium,
Magnesium hat eine geringere Dichte und ist der Kohlefaser ähnlich
Verbundwerkstoffe. Magnesium-Aluminium-Leichtmetallräder
enthalten Magnesium als Hauptbestandteil, zusammen mit
Aluminium, Zink, Mangan und andere Elemente. Sie bieten
bessere Elastizität, schnellere Wärmeableitung und stärkere Stöße
Absorptionsfähigkeit. Sie sind eine verbesserte Version von
Räder aus Aluminiumlegierung in Bezug auf ihre Widerstandsfähigkeit. Dennoch,
Magnesium-Aluminium-Leichtmetallräder sind anfällig für Oxidation und
haben eine schlechte Korrosionsbeständigkeit.

Carbonfaser-Räder: Räder aus Kohlefaser sind eine relativ neue
Art von Rädern, die in den letzten Jahren aufgetaucht sind. Sie haben eine
rein schwarzes Aussehen mit einer strukturierten Oberfläche, die ihnen ein
hochwertiges und anspruchsvolles Aussehen. Räder aus Kohlefaser bieten
starke Leistung, vergleichbares Gewicht zu Magnesium
Räder, hohe Zähigkeit, hervorragende Schlagfestigkeit und
Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit. Sie werden derzeit verwendet in
Motorrädern, Mountainbikes, Rennrädern und Autos.

Vorteile von Rädern aus Kohlefaserverbundwerkstoff
Die Räder und Reifen eines Autos tragen das gesamte Gewicht und spielen eine
entscheidende Rolle beim Antrieb des Fahrzeugs unter der Einwirkung der
Getriebeachse. Als zentrale Strukturkomponente ist Carbon
Räder aus Faserverbundwerkstoff besitzen eine hervorragende Tragfähigkeit
und Schlagzähigkeit und bietet eine hervorragende Leistung
bei der Beschleunigung und unter schweren Lasten. Außerdem ist Carbon
Faserräder können die Trägheit effektiv reduzieren und ermöglichen schnellere
Beschleunigung, Bremsen und Manövrieren aufgrund ihrer geringeren
Gewicht.

(1) Leichteres Gewicht, höhere Festigkeit

Es ist allgemein bekannt, dass Kohlefaserverbundwerkstoffe
anerkannt als die beste Methode für "Leichtgewicht" und Gewicht
Reduktion in Automobilen. Kohlefaser, auch bekannt als "schwarz
Gold", ist leichter als Aluminium und hat eine höhere Festigkeit
als Stahl. Es weist Korrosionsbeständigkeit und einen hohen Modul auf
Eigenschaften, die nicht nur eine Gewichtsreduzierung, sondern auch
Verstärkung der Struktur des Fahrzeugs. Die Daten zeigen, dass ein 20-.
Zoll-Kohlefaserrad wiegt etwa 7,5 kg, was einer
mehr als 25% leichter als eine gleich große Aluminiumlegierung
Rad. In Bezug auf die Festigkeit weisen Kohlefaserräder eine
Gesamtverbesserung von etwa 30% im Vergleich zu Aluminium
Leichtmetallräder.

(2) Verbesserte Leistung und Handhabung

Ingenieure der australischen Radmarke Carbon Revolution
haben festgestellt, dass die Verringerung des Gewichts eines Rades um 1 kg, unter
ungefederten Massen ist gleichbedeutend mit einer Verringerung der Gesamtmasse des Fahrzeugs.
Gewicht um 15 kg. Für jede Gewichtsreduktion von 10% wird die
Die Beschleunigungsleistung des Fahrzeugs kann sich um
etwa 8%. Dies zeigt, dass leichte Räder
bieten eine bessere Reaktion auf die Leistung des Fahrzeugs.
Räder aus Kohlefaser bieten außerdem eine hervorragende Stoßdämpfung,
mehr Komfort und ein verbessertes Fahrverhalten.

(3) Energieeffizienz und Emissionsreduzierung

Reduzierung der ungefederten Masse um 1 kg durch Kohlefaser
Räder aus Verbundwerkstoff ist gleichbedeutend mit einer Verringerung des Gesamtfahrzeugs
Gewicht um 15 kg. Eine Gewichtsreduktion von 10% kann zu einer 6%-
8% weniger Kraftstoffverbrauch und 5% weniger
Emissionen. In einem Szenario, in dem Fahrzeuge die gleiche Menge an
Benzin kann ein mit Kohlefaserrädern ausgestattetes Auto bis zu
bis 50 km mehr pro Stunde im Vergleich zu einem Auto mit Aluminiumlegierung
Räder. Das Gewicht der Kohlefaserräder ist 60% leichter als
der von geschmiedeten Aluminiumfelgen derselben Größe,
Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts ist wichtig für die Umwelt
Zwecke.

(4) Verbessertes Handling und überlegene Bremsleistung

Kohlefaserräder haben einen Elastizitätsmodul von bis zu 200 GPa.
Je höher der Elastizitätsmodul ist, desto kleiner ist die elastische
Verformung nach der Einwirkung von Kräften, was zu einer besseren
Komfort und verbesserte Handhabung. Nach dem Austausch der Räder durch
leichte Karbonfasern, die Aufhängung des Fahrzeugs
Die Reaktionsgeschwindigkeit verbessert sich spürbar, was zu schnelleren und
eine sanftere Beschleunigung und eine verbesserte Bremsleistung.

Anwendungsbeispiele für Räder aus Kohlefaserverbundwerkstoff
Carbon Revolution wurde 2007 gegründet und ist ein globales Technologie
Unternehmen und Tier-1-OEM-Lieferant, der erfolgreich
Pionierarbeit geleistet, kommerzialisiert und industrialisiert
Leistung, technologisch fortschrittliche leichte Kohlefaser
Räder. Neben den Rädern für Luxusautos hat das Unternehmen auch
die Entwicklung von 23-Zoll- und 24-Zoll-Carbon
Faserräder, die auf den Markt für elektrische Lkw und SUVs abzielen. Die
Das Unternehmen führt auch Konzeptions- und Validierungsprojekte durch
für die Räder des CH-47 Chinook-Hubschraubers von Boeing.

Abbildung 3: Carbon Revolution's Ultra-Light Series Carbon Fiber
Räder

Die Herstellung von Kohlefaserrädern erfordert hohe
Präzisions-Carbonfaser-Layup und Hochdruckguss
Techniken. Carbon Revolution hält etwa 50 Patente
im Zusammenhang mit Kohlenstofffaser-Radprodukten und deren Herstellung
Prozesse und zielt darauf ab, die Effizienz durch Prozess
Erweiterungen. Um dies zu erreichen, hat das Unternehmen Folgendes entwickelt
hochautomatisierte Produktionslinien und setzt in großem Umfang
Technologien für maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz
den Herstellungsprozess zu optimieren. Im Durchschnitt sind die Räder
sind 40% bis 50% leichter als Standard-Aluminiumräder in der
Markt. Außerdem können die Räder mit
aerodynamische Formen, um den Luftwiderstand zu verringern und die Reichweite zu erhöhen, ohne
Gewicht hinzufügen.

Das italienische Unternehmen Bucci Composites hat den ersten 20-Zoll
Kohlefaserfelge, die speziell für die
Sport-/Supercar-Bereich. Es ermöglicht die Befestigung des Rades an der
Nabe auf herkömmliche Art und Weise, wodurch das Risiko eines Schraubendrehmoments entfällt
Lockerung. Dies stellt sicher, dass die ultraleichten Kohlefaserräder
sind genauso einfach zu montieren und zu warten wie herkömmliche Räder. An
gegen die hohen Temperaturen vorgehen, besonders wenn
Wenn du Carbon-Keramik-Bremsen verwendest, ist die Innenseite der Felge
mit einer Keramikschicht überzogen, die die Kohlefaser schützt und
damit die Felge auch bei extremen Temperaturen verwendet werden kann.

Abbildung 4: Kohlenstoffrevolution

Bucci Composites hat sich auch mit den modernsten
Produktionstechnologie von Cannon (High-Pressure RTM-
HP-RTM), das einzige Unternehmen in Italien, das über die Technologie verfügt, um
weitere Radmodelle für die Automobilbranche zu entwickeln
Industrie.

Abbildung 5: Cannon's HP-RTM Prozessausrüstung

Die Lösung von Cannon umfasst die erforderliche Ausrüstung für die
Hochdruck-RTM-Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen
Materialien mit einer Epoxidharzmatrix und Kohlefaser
Verstärkung:

(1) Ein Drei-Komponenten-Hochdruck-Dosiergerät des E-Systems für
Epoxidharzformulierung, die eine LN10-Dreikomponenten
Mischkopf und die Regelung des Leistungsverhältnisses.

(2) Eine Kurzhub-Pressformpresse mit einer Spannvorrichtung
Kraft von 25.000 kN, 3,6×2,4 m große Pressplatten und hoch
präzise Parallelität aktive Kontrolle, um die Ebenheit der geformten
Teile.

Abbildung 6: Bucci Composites' 20″ Kohlefaserrad

Der renommierte britische Autohersteller Bentley hat kürzlich
hat für seinen Bentley innovative Räder aus Vollkohlefaser eingeführt
Bentayga SUV, entwickelt von Bucci Composites. Die 22-Zoll
Kohlefaserräder wurden die größten Kohlefaserräder
die jemals produziert wurden, garantieren innovatives Design und außergewöhnliche
Leistung und gleichzeitig eine Gewichtsreduzierung von 6 kg pro
Rad.

Abbildung 7: 22″-Räder, entwickelt von Bucci für Bentley

Vision Wheel mit Sitz in den Vereinigten Staaten hat eine neue
Carbonfaser-Rad, entwickelt in Zusammenarbeit mit IDI
Composites International und Verbundwerkstoffweberei
Experte für A&P-Technik. Die Kosten für jedes Rad betragen $2.000 oder
noch niedriger.

Ein weiteres amerikanisches Unternehmen, ESE Carbon, hat sein E2
integrierte Räder aus Kohlefaserverbundwerkstoff auf dem Nachrüstmarkt,
für Tesla Model S, Tesla Model 3 und Subaru WRX STI
Fahrzeuge.

Die E2-Räder nutzen fortschrittliche innovative maßgeschneiderte Faser
Platzierung (TFP) und die Hochdruckharzinfusionstechnologie,
eine Kombination aus Leistung, Langlebigkeit, Effizienz und Innovation
mit der Schönheit von Karbonfasern und bietet hochwertige
Aftermarket-Räder.

Je leichter die Räder sind, desto geringer ist die Rotationsträgheit, was zu
weniger Kraft erforderlich, um die Räder vorwärts zu bewegen. Als
Premium-Rad aus Kohlefaserverbundwerkstoff, das E2 deutlich
reduziert das Gewicht im Vergleich zu Aluminium- und Stahlrädern. Tests
haben gezeigt, dass jedes Rad 10 Pfund an Gewicht einsparen kann,
was zu einer Steigerung der Rundengeschwindigkeit um 5,3% führt.

Einfach ausgedrückt: Leichtere Objekte benötigen weniger Arbeit zum Abbremsen
und stoppen. Die E2 Kohlefaserräder sind 45% leichter als
gleichwertige Stahl- oder Aluminiumräder. Tests haben gezeigt, dass E2
Räder können den Brems- und Ausrollweg aus 60 mph verkürzen
auf 1 Meile um 3,6%.

Die Verringerung der ungefederten Massen minimiert die Kräfte, die von den
Federung, um die Räder fest auf der Straße zu halten. Jeder E2
Carbonfaser-Rad kann bis zu 10 Pfund ungefederte Masse reduzieren.
Gewicht aus dem System und verbessert die Federungsleistung.
Die daraus resultierende Verbesserung des Reifenkontakts führt zu einer verbesserten
Lenkansprechen und ein reaktionsschnelleres Fahrverhalten. Ob auf
Ob auf der Straße oder auf der Rennstrecke, die E2 Kohlefaserräder bringen dein
Erfahrung auf eine ganz neue Ebene.

Straßenprüfung

Nach jahrelangen Prototypentests ist E2, der technologisch fortschrittlichste
fortschrittlichste Radnabe, die je entwickelt wurde, wurde
erstellt. Durch den Einsatz hochentwickelter Modellierung mit finiten
Elementanalyse kann das ESE-Team für Verbundwerkstoffe
die Reaktion des Rades in einer Vielzahl von realen
Szenarien. Mit dieser Fülle an Daten werden die Räder der ESE
Labor- und Feldtests, die ihre Leistungsfähigkeit unter
Stärke, Sicherheit und Leistung.

Radiale Schlagprüfung
Der Radialschlagtest bewertet die Stabilität des Rades, wenn
Schlaglöchern oder großen Hindernissen zu verhindern.
Schäden oder Ausfälle. Da die Straßenverhältnisse nicht immer perfekt sind,
Die E2-Räder wurden strengen Tests unterzogen, um den typischen
Gefahren im Straßenverkehr und haben sich als besser erwiesen als gleichwertige Stahl
und Aluminiumräder.

Bordsteinaufpralltest
Der Bordsteinaufpralltest ist eine entscheidende Bewertung zur Beurteilung der Auswirkungen
von wiederholten Stößen auf eine statische Oberfläche, die das Fahrzeug simuliert
bei vorgegebenen Geschwindigkeiten gegen Bordsteine oder andere feste Objekte zu fahren.
Selbst bei niedrigen Geschwindigkeiten ist der Kontakt zwischen Bordsteinen und Rädern
erzeugt erhebliche Aufprallkräfte. E2 Räder aus Kohlefaser
wurden entwickelt und ausgiebig getestet, um Ausfällen zu widerstehen
in zerstörerischen Situationen wie Bordsteinkanten.

SAE J3204 Prüfung

Der E2 wurde umfassenden Tests unterzogen und wartet auf
Zertifizierung nach SAE J3204, einem neuen Produktionsverfahren für
Räder aus Verbundwerkstoff. ESE arbeitet eng zusammen mit
der Society of Automotive Engineers (SAE), um bei der Einführung von
Standards und Maßstäbe für Räder aus Verbundwerkstoffen. In
Tatsächlich übertreffen die E2 Kohlefaserräder von ESE die SAE-Mindestanforderungen
Empfehlungen.

Ähnlich wie bei Metallrädern geht es bei SAE um die Haltbarkeit
für Räder aus Verbundwerkstoffen durch verschiedene Ermüdungs- und
Aufpralltests. Die SAE hat auch neue Anforderungen eingeführt, um
die einzigartigen Umweltauswirkungen von Verbundwerkstoffen
Materialien.

Abbildung 11: E2-Kohlefaserräder, die von großen
Automobilhersteller weltweit.

Die E2 Kohlefaser-Räder wurden mit den neuesten
Tailored Fiber Placement (TFP) Technologie. Kohlefaser
Das Legen ist traditionell ein arbeitsintensiver Prozess, der
Schneiden und Handformen von Kohlefasergewebe auf einem Harz
Schimmel. Das hat zu übermäßigem Abfall und manueller Arbeit geführt.
kann zu Engpässen in der Produktion führen.

Abbildung 12: Maßgeschneiderte Faserplatzierung (TFP)

TFP erreicht eine optimale strukturelle Leistung durch den Einsatz von
Maschinen, die Kohlenstofffasern zu präzisen Formen anordnen und vernähen
Positionen. Dies reduziert die Schichtungszeit um 50% und das Material
Abfall durch 80%. Außerdem ermöglicht es ESE, das Design zu optimieren
durch präzise Faserplatzierung und -ausrichtung zu
die Krümmung und die Speichen von Kohlefaserrädern anpassen.
Dies erhöht die Festigkeit und Haltbarkeit des E2 Carbon
Faserräder, die es ihnen ermöglichen, Lasten effizient zu bewältigen und
belastet.

Der E2 nutzt auch ein proprietäres Resin Transfer Molding
(RTM)-Verfahren und Epoxidharzsystem zur Herstellung der
Naben, die eine höhere Felgenfestigkeit und Ermüdung
Widerstand. ESE verwendet die hochwertigsten und am schnellsten aushärtenden
Harz, das eine unübertroffene Leistung zu einem branchenführenden Preis bietet.
Tg (Glasübergangstemperatur) von bis zu 212°C. Die Faser-
Verhältnis von ESE zu Harzgehalt ist 60%, mit einem minimalen Hohlraum
Gehalt von 2%, was ihn zu einem der besten in der Branche macht.
Außerdem kann ESE die Nabe in weniger als 2 Stunden vollständig mit
Minuten.

Abbildung 13: CFK-Radherstellung im RTM-Verfahren

Fazit:

Durch die Verwendung von Kohlefaserrädern wird das Gewicht der Räder
deutlich reduziert, wodurch die Sportwagen eine höhere
Fahrverhalten. Mit geringerer Trägheit, Räder aus Kohlefaser
verbessern das Lenkansprechen und die Traktion, was zu einer schnelleren
Beschleunigung und Bremsen.

Außerdem ist die Reichweitenangst für viele Menschen ein wichtiges Thema.
potenzielle Verbraucher, wenn sie den Kauf eines
Elektrofahrzeug. Während die Reichweite eines Elektrofahrzeugs
hängt in erster Linie von der Batterie ab, aber auch andere Faktoren haben einen
Auswirkungen. Leichte Räder aus Kohlefaser können den
Energieverbrauch, der durch die Raddrehung während
Beschleunigung oder Abbremsung und maximiert so den Fahrbereich von
Elektrofahrzeuge.

 

Januar 6, 2024