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Análisis de ruedas ligeras de fibra de carbono para nuevas energías
Vehículos

Vehículos de nueva energía Rueda de fibra de carbono Ligera
Análisis

2023-07-11 06:59:49

Introducción
Los vehículos de nueva energía están sustituyendo gradualmente a los
coches eléctricos. La autonomía de los vehículos eléctricos se ha
mayor obstáculo para el desarrollo, lo que
especialmente importante.

Con la creciente demanda de protección del medio ambiente y
eficiencia energética, la industria automovilística mundial busca
diversas soluciones de aligeramiento. La necesidad de reducir el peso
en la masa no suspendida es particularmente prominente, y como
componente importante de la masa no suspendida, las ruedas suponen
para una proporción significativa del peso total del vehículo. Un
manera eficaz de reducir el peso es mediante el uso de carbono.
ruedas de fibra. A medida que disminuyen los costes de materias primas y fabricación,
ruedas de fibra de carbono, que antes eran caras y sólo se utilizaban
en modelos de lujo o ultralujo, se van haciendo cada vez más
accesible.

Figura 1: Rueda de fibra de carbono

Perspectivas de aplicación del CFRP en automoción
La fibra de carbono es un material ligero, de alta resistencia y alto módulo.
material de fibra. Tiene una densidad menor que el metal pero es 16 veces
más resistente que el acero. Su módulo de Young es 2-3 veces mayor
que la fibra de vidrio tradicional, manteniendo la flexibilidad
de fibras.

Normalmente, las llantas de aleación de aluminio pesan unos 15 kilogramos,
mientras que las ruedas de fibra de carbono pueden reducir el peso a 8 kilogramos,
haciendo de las ruedas de fibra de carbono una verdadera "herramienta de reducción de peso".

Gracias a sus propiedades de ligereza y alta resistencia, el carbono
La fibra siempre ha sido el material preferido para
fabricación. Además de las aplicaciones en ruedas, la fibra de carbono
también se utiliza en transmisiones de automoción, ballestas y estructuras,
y cuerpos, garantizando una resistencia y rigidez suficientes a la vez que
reducir el peso y el consumo energético de los vehículos.
Según el informe "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Informe de investigación" publicado por MarketaaWatch, la
El mercado de la fibra de carbono para automoción alcanzó casi $160
millones de euros en 2020. De 2021 a 2027, el sector mundial de la automoción
Se prevé que el mercado de la fibra de carbono mantenga una
tasa de crecimiento anual de más de 5%.

La aplicación de materiales de fibra de carbono en los automóviles no es
sólo para aligerar el peso y reducir el consumo de energía, sino
también para mejorar las prestaciones de seguridad del vehículo. En comparación con
tradicionales de aleación de aluminio, las llantas de fibra de carbono son
más ligeros, más resistentes, libres de fatiga metálica y significativamente
reducir el ruido. El mercado de las ruedas de fibra de carbono en China ha
enorme potencial, pero la adopción generalizada de la fibra de carbono
ruedas depende principalmente de consideraciones de coste.

Figura 2: Previsión de la demanda de fibra de carbono en automoción
Sector

Con la mejora continua y la producción a gran escala
de la tecnología de fabricación de fibra de carbono, el coste de la
está disminuyendo gradualmente. La fibra de carbono tradicional
se fabrica principalmente a partir de materias primas de poliacrilonitrilo (PAN).
material, que siempre ha sido costoso. Sin embargo, al utilizar
a base de asfalto, polietileno y otros materiales para producir el
precursor, el coste de la fibra de carbono puede reducirse en más
que 30%. Por ejemplo, Carbon Revolution, una empresa australiana
fabrica ruedas de fibra de carbono mediante la unión de
fibra de carbono con resina, logrando una producción a gran escala y
reducir el coste de las ruedas de fibra de carbono a un nivel cercano al
Llantas de aluminio.

El Gobierno chino ha puesto en marcha políticas
promover la aplicación generalizada de la producción
fibra de carbono de alto rendimiento. En marzo de 2021, el "14
Plan Quinquenal Nacional Económico y Social
Desarrollo y objetivos a largo plazo para 2035",
que hizo hincapié en la necesidad de reforzar la investigación,
desarrollo y aplicación de fibras de alto rendimiento como las
como la fibra de carbono y sus compuestos. Esto proporciona una favorable
entorno político para el avance tecnológico de la
industria de la fibra de carbono en el futuro.

El desarrollo de vehículos de nueva energía es imparable, y
Las llantas de fibra de carbono podrían ser un elemento
vehículos energéticos.

Comparación entre ruedas de CFRP y ruedas metálicas:

Desde la invención del automóvil en 1886, que tiene una historia
de más de 100 años, las ruedas de los automóviles han evolucionado de
materiales de madera a los modernos materiales metálicos. Los materiales
Entre los materiales utilizados en las ruedas de los coches modernos se encuentran las llantas de acero,
llantas de aleación de aluminio, llantas de aleación de magnesio, y en los últimos
años, han surgido las ruedas de fibra de carbono, sobre todo en
supercoches.

Ruedas de acero: Las ruedas de acero se fabrican principalmente con hierro y otros
metales para aumentar la tenacidad. Tienen las ventajas de
mayor tenacidad, excelente resistencia al impacto y buena capacidad de carga.
capacidad de carga. Además, son relativamente baratos.
Sin embargo, las ruedas de acero tienen algunos inconvenientes, como
susceptibilidad a la oxidación, escasa disipación del calor, gran peso, y
limitaciones de frenado y manejo.

Llantas de aleación de aluminio: El aluminio es el principal componente de
llantas de aleación de aluminio, junto con elementos como el antimonio,
silicio y magnesio para mejorar el rendimiento general. El sitio
proceso de fabricación de llantas de aleación de aluminio es más
complejo que el de las ruedas de acero, con más fases de procesamiento.
Las llantas de aleación de aluminio presentan un mayor rendimiento general y
reducción significativa del peso. Debido a la menor densidad de
aleación de aluminio, ofrecen una aceleración más rápida, un mejor calentamiento
disipación, y son adecuados para las condiciones de las carreteras urbanas.
Sin embargo, las llantas de aleación de aluminio tienen
dureza, resistencia al impacto y resistencia a la fatiga.
no son aptos para entornos difíciles, como los todoterreno.
condiciones.

Llantas de aleación de magnesio y aluminio: Comparadas con las de aluminio,
el magnesio tiene una densidad menor y es similar a la fibra de carbono
materiales compuestos. Llantas de aleación de magnesio y aluminio
incluyen magnesio como componente principal, junto con
aluminio, zinc, manganeso y otros elementos. Proporcionan
mejor elasticidad, disipación más rápida del calor y mayor resistencia a los golpes
capacidad de absorción. Son una versión mejorada de
llantas de aleación de aluminio en términos de resistencia. Sin embargo,
las llantas de aleación de magnesio y aluminio son propensas a la oxidación y
tienen poca resistencia a la corrosión.

Ruedas de fibra de carbono: Las llantas de fibra de carbono son una
tipo de ruedas que han aparecido en los últimos años. Tienen un
aspecto negro puro con una superficie texturizada, lo que les da un
aspecto sofisticado y de alta gama. Las llantas de fibra de carbono ofrecen
potente rendimiento, peso comparable al magnesio
ruedas, gran tenacidad, excelente resistencia al impacto y
resistencia a la corrosión y a la oxidación. Actualmente se utilizan en
motocicletas, bicicletas de montaña, bicicletas de carretera y automóviles.

Ventajas de las ruedas compuestas de fibra de carbono
Las ruedas y los neumáticos de un coche soportan todo el peso y desempeñan un
papel crucial en la conducción del vehículo bajo la acción del
eje de transmisión. Como componente estructural principal, el carbono
las ruedas de compuestos de fibra poseen una excelente capacidad de carga
y resistencia a los impactos, ofreciendo un rendimiento excepcional
durante la aceleración y bajo cargas pesadas. Además, el carbono
ruedas de fibra pueden reducir eficazmente la inercia y permitir
aceleración, frenado y maniobras debido a su reducida
peso.

(1) Menor peso, mayor resistencia

Es bien sabido que los materiales compuestos de fibra de carbono son
reconocido como el mejor método para la "ligereza" y el peso
en los automóviles. La fibra de carbono, también conocida como "negro
El "oro" es más ligero que el aluminio, pero más resistente.
que el acero. Presenta resistencia a la corrosión y un alto módulo
características, lo que permite no sólo reducir el peso sino también
refuerzo de la estructura del vehículo. Los datos muestran que un 20-
pulgadas de fibra de carbono pesa aproximadamente 7,5 kg.
más de 25% más ligero que una aleación de aluminio de tamaño equivalente
rueda. En términos de resistencia, las ruedas de fibra de carbono presentan una
mejora global de unos 30% en comparación con el aluminio
llantas de aleación.

(2) Mayor rendimiento y manejabilidad

Ingenieros de la marca australiana de ruedas Carbon Revolution
han afirmado que reducir el peso de una rueda en 1 kg, bajo
masa no suspendida, equivale a reducir el peso total del vehículo.
en 15 kg. Por cada 10% de reducción de peso, el
El rendimiento de aceleración del vehículo puede mejorar
aproximadamente 8%. Esto indica que las ruedas ligeras pueden
proporcionan una mejor respuesta a la potencia del vehículo.
Las ruedas de fibra de carbono también ofrecen una excelente absorción de impactos,
un mayor confort y una mejor maniobrabilidad.

(3) Eficiencia energética y reducción de emisiones

Reducción de la masa no suspendida en 1 kg mediante fibra de carbono
ruedas de material compuesto equivale a reducir el peso total del vehículo.
en 15 kg. Una reducción de peso de 10% puede dar lugar a una de 6%-.
8% en consumo de combustible y una reducción de 5% en
. En un escenario en el que los vehículos utilizan la misma cantidad de
gasolina, un coche equipado con ruedas de fibra de carbono puede viajar hasta
a 50 km más por hora en comparación con un coche con aleación de aluminio.
ruedas. El peso de las ruedas de fibra de carbono es 60% más ligero que
el de las llantas de aleación de aluminio forjado del mismo tamaño,
lo que hace que la reducción del peso del vehículo sea importante para el medio ambiente.
propósitos.

(4) Mejor maniobrabilidad y mejores prestaciones de frenado

Las ruedas de fibra de carbono ofrecen un módulo elástico de hasta 200 GPa.
Cuanto mayor sea el módulo elástico, menor será la
deformación tras ser sometido a fuerzas, lo que se traduce en una mejor
confort y una mejor maniobrabilidad. Tras sustituir las ruedas por
ligeros de fibra de carbono, la suspensión del vehículo
mejora notablemente la velocidad de respuesta, lo que permite
una aceleración más suave y un mejor rendimiento de frenado.

Ejemplos de aplicación de las ruedas compuestas de fibra de carbono
Fundada en 2007, Carbon Revolution es una empresa global de tecnología
empresa y proveedor OEM de primer nivel que ha
pionera, comercializadora e industrializadora de alta
rendimiento, fibra de carbono ligera y tecnológicamente avanzada
ruedas. Además de llantas para coches de lujo, la empresa cuenta con
ha anunciado el desarrollo de dos modelos de carbono de 23 y 24 pulgadas.
destinadas a los mercados de camiones y todoterrenos eléctricos. El sitio
La empresa también está llevando a cabo proyectos conceptuales y de validación
para las ruedas del helicóptero CH-47 Chinook de Boeing.

Figura 3: Fibra de carbono ultraligera de Carbon Revolution
Ruedas

La fabricación de ruedas de fibra de carbono requiere
laminado de precisión de fibra de carbono y moldeado de alta presión
técnicas. Carbon Revolution es titular de unas 50 patentes
productos y fabricación de ruedas de fibra de carbono
procesos y pretende mejorar la eficacia mediante procesos
mejoras. Para ello, la empresa ha desarrollado
líneas de producción altamente automatizadas y emplea ampliamente
tecnologías de aprendizaje automático e inteligencia artificial para
optimizar el proceso de fabricación. Por término medio, las ruedas
son de 40% a 50% más ligeras que las llantas de aluminio estándar del
mercado. Además, las ruedas pueden diseñarse con
formas aerodinámicas para reducir la resistencia y aumentar la autonomía sin
añadiendo peso.

La empresa italiana Bucci Composites ha presentado el primer
llanta de fibra de carbono diseñada específicamente para el
sector de los deportivos/supercoches. Permite fijar la rueda al
cubo de forma tradicional, eliminando el riesgo de que el par de apriete de los tornillos
aflojamiento. Esto garantiza que las ruedas ultraligeras de fibra de carbono
son tan fáciles de montar y mantener como las ruedas tradicionales. Para
las altas temperaturas, especialmente cuando
utilizar frenos cerámicos de carbono, el lado interior de la llanta se
recubierto con una capa de cerámica, protegiendo la fibra de carbono y
permitiendo el uso de la llanta bajo temperaturas extremas.

Figura 4: Revolución del carbono

Bucci Composites también se ha equipado con la última tecnología
tecnología de producción de Cannon (High-Pressure RTM-
HP-RTM), la única empresa en Italia que dispone de la tecnología para
seguir desarrollando más modelos de ruedas para el
industria.

Figura 5: Equipo de proceso HP-RTM de Cannon

La solución de Cannon incluye el equipo necesario para la
proceso RTM de alta presión para fabricar materiales compuestos
materiales con una matriz de resina epoxi y fibra de carbono
refuerzo:

(1) Una unidad de dosificación de alta presión de tres componentes E-system para
formulación de resina epoxi, con un LN10 de tres componentes
cabezal mezclador y control en bucle cerrado de las relaciones de salida.

(2) Una prensa de moldeo por compresión de carrera corta con una sujeción
fuerza de 25.000 kN, placas de prensado de 3,6×2,4 m, y altamente
control activo del paralelismo preciso para garantizar la planitud del moldeado
partes.

Figura 6: Rueda de fibra de carbono de 20″ de Bucci Composites

El prestigioso fabricante británico de automóviles Bentley
presentó unas innovadoras llantas totalmente de fibra de carbono para su Bentley
SUV Bentayga, desarrollado por Bucci Composites. Las 22 pulgadas
las ruedas de fibra de carbono se convirtieron en las mayores ruedas de fibra de carbono
jamás fabricado, garantizando un diseño innovador y
al tiempo que se consigue una reducción de peso de 6 kg por litro.
rueda.

Figura 7: Ruedas de 22″ desarrolladas por Bucci para Bentley

Vision Wheel, con sede en Estados Unidos, ha presentado un nuevo
rueda de fibra de carbono desarrollada en colaboración con IDI
Composites International y el tejido de materiales compuestos
experto en tecnología A&P. El coste de cada rueda es de $2.000 o
aún más bajo.

Otra empresa estadounidense, ESE Carbon, ha lanzado su E2
ruedas integradas de compuesto de fibra de carbono en el mercado de recambios,
al servicio del Tesla Model S, el Tesla Model 3 y el Subaru WRX STI
vehículos.

Las ruedas E2 utilizan una innovadora fibra a medida
(TFP) y la tecnología de infusión de resina a alta presión,
combinando rendimiento, durabilidad, eficiencia e innovación
con la belleza de la fibra de carbono, proporcionando
ruedas de repuesto.

Cuanto más ligeras sean las ruedas, menor será la inercia rotacional, lo que se traduce en
en menos fuerza necesaria para hacer avanzar las ruedas. Como
de fibra de carbono de alta calidad, la rueda E2
reduce el peso en comparación con las llantas de aluminio y acero. Pruebas
han demostrado que cada rueda puede ahorrar 5 kilos de peso,
lo que supone un aumento de 5,3% en la velocidad por vuelta.

En términos sencillos, los objetos más ligeros requieren menos trabajo para desacelerar
y se detienen. Las ruedas de fibra de carbono E2 son 45% más ligeras que
ruedas equivalentes de acero o aluminio. Las pruebas han demostrado que el E2
las ruedas pueden reducir las distancias de frenado y de avance por inercia a partir de 100 km/h.
a 1 milla por 3,6%.

La reducción del peso no suspendido minimiza las fuerzas ejercidas por el
suspensión para mantener las ruedas firmes en la carretera. Cada E2
La rueda de fibra de carbono puede reducir hasta 10 libras de peso no suspendido.
peso del sistema, mejorando el rendimiento de la suspensión.
La mejora resultante en el contacto con los neumáticos se traduce en
respuesta de la dirección y un manejo más ágil. Ya sea en
ya sea en carretera o en circuito, las llantas de fibra de carbono E2 te permiten conducir
a un nivel completamente nuevo.

Pruebas en carretera

Tras años de pruebas con prototipos, E2, la tecnología más
el cubo de rueda de automóvil más avanzado jamás desarrollado.
creado. Mediante el uso de modelos muy avanzados utilizando
análisis de elementos, el equipo de ingeniería de materiales compuestos del ESE puede
predecir la respuesta de la rueda en una amplia gama de situaciones reales.
escenarios. Con este caudal de datos, las ruedas del ESE se someten a
en laboratorio y sobre el terreno, validando sus resultados.
resistencia, seguridad y rendimiento.

Pruebas de impacto radial
El ensayo de impacto radial evalúa la estabilidad de la rueda cuando
baches u obstáculos de gran tamaño para evitar que las
daños o averías. Dado que las condiciones de la carretera no siempre son perfectas,
Las ruedas E2 han sido sometidas a rigurosas pruebas para resistir las típicas
peligros de la carretera y han demostrado ser superiores a los de acero equivalentes
y llantas de aluminio.

Prueba de impacto en bordillo
La prueba de impacto en el bordillo es una evaluación crucial para valorar los efectos
de impactos repetidos sobre una superficie estática, simulando el vehículo
chocar contra bordillos u otros objetos fijos a velocidades predeterminadas.
Incluso a baja velocidad, el contacto entre los bordillos y las ruedas
genera importantes fuerzas de impacto. Ruedas de fibra de carbono E2
se han diseñado y probado exhaustivamente para resistir fallos
en situaciones destructivas, como impactos contra bordillos.

Pruebas SAE J3204

El E2 ha sido sometido a pruebas exhaustivas y está a la espera de
certificación SAE J3204, un nuevo proceso de producción de
ruedas de material compuesto. El ESE colabora estrechamente con
la Sociedad de Ingenieros de Automoción (SAE) para ayudar a establecer
normas y puntos de referencia para ruedas de material compuesto. En
De hecho, las llantas de fibra de carbono E2 de ESE superan los requisitos mínimos de la SAE.
recomendaciones.

Al igual que las ruedas metálicas, la SAE aborda los problemas de durabilidad
para ruedas de material compuesto a través de diversas pruebas de fatiga y
pruebas de impacto. La SAE también ha introducido nuevos requisitos para
abordar los impactos medioambientales únicos de los materiales compuestos
materiales.

Figura 11: Ruedas de fibra de carbono E2 adoptadas por los principales
fabricantes de automóviles de todo el mundo.

Las ruedas de fibra de carbono E2 están diseñadas con los últimos
Tecnología Tailored Fiber Placement (TFP). Fibra de carbono
El laminado ha sido tradicionalmente un proceso intensivo en mano de obra que implicaba
cortar y moldear a mano un tejido de fibra de carbono sobre una resina
moho. Esto ha dado lugar a un exceso de residuos, y el trabajo manual
pueden crear cuellos de botella en la producción.

Figura 12: Colocación de fibra a medida (TFP)

El TFP consigue un rendimiento estructural óptimo utilizando
máquinas para disponer y coser fibras de carbono en precisas
posiciones. Esto reduce el tiempo de estratificación en 50% y el material
residuos por 80%. También permite a ESE optimizar el diseño
mediante la colocación y orientación precisas de las fibras para
acomodar la curvatura y los radios de las ruedas de fibra de carbono.
Esto aumenta la resistencia y durabilidad del carbono E2
ruedas de fibra, lo que les permite gestionar eficazmente cargas y
tensiones.

El E2 también utiliza un sistema patentado de moldeo por transferencia de resina.
(RTM) y el sistema de resina epoxi para fabricar el
bujes, que proporcionan una mayor resistencia y fatiga a la llanta
resistencia. ESE emplea la más alta calidad, el curado más rápido
que ofrece un rendimiento inigualable a un precio líder en el sector.
Tg (transición vítrea) de hasta 212°C. La fibra
de contenido de resina de ESE es 60%, con un vacío mínimo.
contenido de 2%, lo que la convierte en una de las mejores del sector.
Además, el ESE puede infundir completamente el cubo en menos de 2
minutos.

Figura 13: Fabricación de ruedas de CFRP mediante el proceso RTM

Conclusión:

Al utilizar ruedas de fibra de carbono, el peso de las ruedas es
significativamente reducida, lo que permite a los coches deportivos
prestaciones de manejo. Con menor inercia, las ruedas de fibra de carbono
mejoran la respuesta de la dirección y la tracción, lo que permite
aceleración y frenado.

Además, la ansiedad por la autonomía es una preocupación importante para muchos
consumidores potenciales a la hora de considerar la compra de un
vehículo eléctrico. Aunque la autonomía de un vehículo eléctrico
depende principalmente de la batería, otros factores también influyen.
impacto. Las ruedas ligeras de fibra de carbono pueden reducir
consumo de energía causado por la rotación de las ruedas durante
aceleración o deceleración, maximizando el rango de conducción de
vehículos eléctricos.

 

6 de enero de 2024