Blogi

Kergete süsinikkiust rataste analüüs uue energia jaoks
Sõidukid

Uued energiasõidukid süsinikkiust ratta kergekaalu
Analüüs

2023-07-11 06:59:49

Sissejuhatus
Uued energiasõidukid asendavad järk-järgult traditsioonilisi kütuse- ja
mootorsõidukid. Elektriautode tootevalik on muutunud
suurimaks arengutakistuseks, mis muudab kergekaalu
eriti oluline.

Seoses suureneva nõudlusega keskkonnakaitse ja
energiatõhusust, otsib globaalne autotööstus
mitmekesised kergenduslahendused. Vajadus kaalu vähendamise järele
vedrustuseta massis on eriti silmatorkav ja kui
oluline osa vedrustuseta massist, rataste arvele langeb
märkimisväärse osa sõiduki kogumassist. Üks
tõhus viis kaalu vähendamiseks on süsiniku kasutamine
kiudoptilised rattad. Kuna tooraine- ja tootmiskulud vähenevad,
süsinikkiust rattad, mis olid kunagi kallid ja mida kasutati ainult
luksus- või ultraluksuse mudelid, muutuvad järk-järgult rohkem
kättesaadav.

Joonis 1: süsinikkiust ratas

CFRP rakendusperspektiivid autovaldkonnas
Süsinikkiud on kerge, suure tugevusega ja suure modulusega
kiudmaterjal. See on väiksema tihedusega kui metall, kuid on 16 korda suurem kui metall.
tugevam kui teras. Selle Youngi moodul on 2-3 korda suurem.
kui traditsiooniline klaaskiud, säilitades samas paindlikkuse
kiududest.

Tavaliselt kaaluvad alumiiniumsulamist veljed umbes 15 kilogrammi,
samas kui süsinikkiust rattad võivad vähendada kaalu 8 kilogrammini,
muutes süsinikkiust rattad tõeliseks "kaalu vähendavaks vahendiks".

Tänu oma kergusele ja suure tugevusega omadustele on süsiniku
kiud on alati olnud eelistatud materjal autode jaoks.
tootmine. Lisaks rataste rakendustele on süsinikkiust
kasutatakse ka mootorsõidukite jõuülekandesüsteemides, lehtvedrudes ja konstruktsioonides,
ja korpused, tagades piisava tugevuse ja jäikuse, samal ajal kui
vähendada sõidukite kaalu ja energiatarbimist.
Vastavalt "2021 Automotive Carbon Fiber Market".
Research Report" avaldatud MarketaaWatch, globaalne
mootorsõidukite süsinikkiust turu suurus jõudis peaaegu $160ni
miljonit eurot 2020. aastal. Aastatel 2021-2027 on globaalne autotööstuse
süsinikkiust turul on oodata, et säilitada ühend
aastane kasvumäär üle 5%.

Süsinikkiudmaterjalide kasutamine autodes ei ole
ainult kergendamiseks ja energiatarbimise vähendamiseks, kuid
ka sõiduki ohutuse parandamiseks. Võrreldes
traditsioonilised alumiiniumist veljed, süsinikkiust veljed on
kergem, tugevam, metalliväsimusevaba ja märkimisväärselt
vähendada müra. Hiina süsinikkiust rataste turg on
tohutu potentsiaal, kuid süsinikkiu laialdane kasutuselevõtt
rattad sõltuvad peamiselt kulukaalutlustest.

Joonis 2: Prognoos süsinikkiudude nõudluse kohta autotööstuses
Sektor

Pidev täiustamine ja suuremahuline tootmine
süsinikkiu tootmise tehnoloogia, süsiniku maksumus
kiudained vähenevad järk-järgult. Traditsiooniline süsinikkiud
lähteaine on valmistatud peamiselt polüakrüülnitriili (PAN) toorainest.
materjal, mis on alati olnud kulukas. Kuid kasutades
asfaldil põhinev, polüetüleenist ja muudest materjalidest, et toota
lähteaine, saab süsinikkiu maksumust vähendada rohkem kui
kui 30%. Näiteks Carbon Revolution, Austraalia
ettevõte, toodab süsinikkiust rattaid liimides
süsinikkiust vaiguga, saavutades suuremahulise tootmise ja
vähendada süsinikkiust rataste maksumust tasemele, mis on lähedane
alumiiniumveljed.

Hiina valitsus on rakendanud asjakohast poliitikat, et
edendada kodumaise toodangu laialdast kasutamist
suure jõudlusega süsinikkiust. Märtsis 2021 toimub "14.
Viieaastane riiklik majandus- ja sotsiaalkava
Development and Long-Term Goals for 2035" (areng ja pikaajalised eesmärgid aastaks 2035),
mis rõhutas vajadust tugevdada teadusuuringuid,
arendus ja rakendamine kõrgtehnoloogiliste kiudude, nagu näiteks
nagu süsinikkiud ja nende komposiitmaterjalid. See annab soodsa
poliitiline keskkond tehnoloogilise arengu jaoks
süsinikkiustööstus tulevikus.

Uute energiasõidukite areng on peatamatu ja
süsinikkiust veljed võivad saada standardvarustuseks uutes
energiasõidukid.

Võrdlus CFRP- ja metallrataste vahel:

Alates autode leiutamisest 1886. aastal, mille ajalugu on
rohkem kui 100 aasta jooksul on autode rattad arenenud alates
puitmaterjalidest kuni kaasaegsete metallmaterjalideni. Üldiselt
kaasaegsetes autodes kasutatavad veljematerjalid on terasest veljed,
alumiiniumsulamist veljed, magneesiumsulamist veljed ja viimasel ajal ka
aastat, süsinikkiust rattad on tekkinud, eriti
superautod.

Terasrattad: Terasrattad on valmistatud peamiselt rauast ja muudest
metallid, et suurendada sitkust. Nende eelised on järgmised
suurem sitkus, suurepärane löögikindlus ja hea koormuskoormuse-
kandevõime. Lisaks on need suhteliselt odavad.
Terasratastel on siiski mõningaid puudusi, näiteks
vastuvõtlikkus roostetamisele, halb soojusjuhtimine, suur kaal ja
piirangud pidurdamise ja käsitsemise osas.

Alumiiniumveljed: Alumiinium on peamine komponent
alumiiniumsulamist veljed koos selliste elementidega nagu antimon,
räni ja magneesiumi, et parandada üldist jõudlust. .
alumiiniumsulamist rataste tootmisprotsess on rohkem
keerulisem kui terasrataste puhul, kus on rohkem töötlusetappe.
Alumiiniumsulamist veljed näitavad suuremat üldist jõudlust ja
märkimisväärne kaalu vähendamine. Tänu madalamale tihedusele
alumiiniumsulamist, pakuvad nad kiiremat kiirendust, paremat soojuse
hajumine ja sobivad linnatänavatel kasutamiseks.
Kuid alumiiniumist veljed on suhteliselt madalamad
sitkus, löögikindlus ja väsimuskindlus, mis muudab
need ei sobi karmidesse keskkondadesse, nagu näiteks maastikusõidud.
tingimused.

Magneesium-alumiiniumveljed: Võrreldes alumiiniumiga,
magneesium on väiksema tihedusega ja sarnaneb süsinikkiuga
komposiitmaterjalid. Magneesium-alumiiniumveljed
sisaldavad magneesiumi kui põhikomponenti koos
alumiinium, tsink, mangaan ja muud elemendid. Nad annavad
parem elastsus, kiirem soojuse hajumine ja tugevam löögisignaal.
neeldumisvõime. Need on täiustatud versioon
alumiiniumsulamist veljed vastupidavuse poolest. Siiski,
magneesium-alumiiniumist veljed on oksüdeerumisele ja
on vähese korrosioonikindlusega.

Süsinikkiust rattad: Süsinikkiust veljed on suhteliselt uus
tüüpi rattad, mis on viimastel aastatel ilmunud. Neil on
puhas must välimus ja tekstureeritud pind, mis annab neile
kõrgekvaliteediline ja rafineeritud välimus. Süsinikkiust veljed pakuvad
võimas jõudlus, võrreldav kaal magneesiumiga
rattad, suur vastupidavus, suurepärane löögikindlus ja
korrosiooni- ja oksüdatsioonikindlus. Neid kasutatakse praegu
mootorrattad, mägijalgrattad, maanteerattad ja autod.

Süsinikkiust komposiitrataste eelised
Auto rattad ja rehvid kannavad kogu kaalu ja mängivad
otsustavat rolli sõiduki juhtimisel alluvuses toimuva
jõuülekande telg. Põhilise konstruktsioonikomponendina on süsiniku
kiudkomposiitrattad on suurepärase kandevõimega
ja löögikindlus, pakkudes silmapaistvat jõudlust
kiirendamisel ja suure koormuse korral. Lisaks sellele on süsiniku
kiudoptilised rattad võivad tõhusalt vähendada inertsust ja võimaldada kiiremat
kiirendus, pidurdamine ja manööverdamine tänu nende vähendatud
kaal.

(1) Kergem kaal, suurem tugevus

On laialdaselt teada, et süsinikkiust komposiitmaterjalid on
tunnustatud parimaks meetodiks "kerguse" ja kaalu saavutamiseks
autode arvu vähendamine. Süsinikkiud, mida tuntakse ka kui "musta
kuld" on alumiiniumist kergem, kuid samas suurema tugevusega.
kui teras. Sellel on korrosioonikindlus ja kõrge elastsusmoodul.
omadused, mis võimaldab mitte ainult kaalu vähendamist, vaid ka
sõiduki konstruktsiooni tugevdamine. Andmed näitavad, et 20-
tolline süsinikkiust ratas kaalub umbes 7,5 kg, mis on
rohkem kui 25% kergem kui samaväärse suurusega alumiiniumsulam
ratas. Tugevuse poolest on süsinikkiust ratastel näha ette
üldine paranemine umbes 30% võrreldes alumiiniumiga
valuveljed.

(2) Suurendatud jõudlus ja käsitsemine

Austraalia süsinikrevolutsiooni rattamargi insenerid
on väitnud, et ratta kaalu vähendamine 1 kg võrra alla
vedrustuseta mass, on samaväärne sõiduki üldise massi vähendamisega.
kaal 15 kg võrra. Iga 10% kaaluvähenduse puhul on
sõiduki kiirendusvõime võib paraneda
umbes 8%. See näitab, et kergeid rattaid saab
pakkuda paremat reageerimist sõiduki võimsusele.
Süsinikkiust rattad pakuvad ka suurepärast löögisummutust,
suurem mugavus ja parem juhitavus.

(3) Energiatõhusus ja heitkoguste vähendamine

Süsinikkiu abil vedrustuseta massi vähendamine 1 kg võrra
komposiitrattad on samaväärne sõiduki üldise sõiduki mahu vähendamisega
kaal 15 kg võrra. 10% kaaluvähenduse tulemuseks võib olla 6%-
8% kütusekulu vähenemine ja 5% vähenemine
heitkogused. Stsenaariumis, kus sõidukid kasutavad sama koguse
bensiini, auto, mis on varustatud süsinikkiust ratastega, võib sõita kuni
kuni 50 km tunnis rohkem kui alumiiniumsulamiga auto puhul
rattad. Süsinikkiust rataste kaal on 60% kergem kui
sama suurusega sepistatud alumiiniumsulamist velgedel,
mis muudab sõiduki kaalu vähendamise keskkonna seisukohalt oluliseks
eesmärkidel.

(4) Parem juhitavus ja paremad pidurdusvõimsused

Süsinikkiust rataste elastsusmoodul on kuni 200 GPa.
Mida suurem on elastsusmoodul, seda väiksem on elastne
deformatsioon pärast jõudude rakendamist, mille tulemuseks on paremad
mugavus ja parem juhitavus. Pärast rataste asendamist
kerged süsinikkiust, sõiduki vedrustus
reageerimiskiirus paraneb märgatavalt, mis viib kiirema ja
sujuvam kiirendus ja paremad pidurdustõhusused.

Süsinikkiust komposiitrataste rakenduste näited
2007. aastal asutatud Carbon Revolution on ülemaailmne tehnoloogiline
ettevõte ja Tier 1 OEM tarnija, kes on edukalt
teerajaja, kommertsialiseeritud ja industrialiseeritud kõrgekvaliteediline
jõudlus, tehnoloogiliselt arenenud kerge süsinikkiud
rattad. Lisaks luksuslike autovelgedele on ettevõttel ka
teatas 23-tollise ja 24-tollise süsiniku arendamisest
kiudoptilised rattad, mis on suunatud elektriautode ja maasturite turule. .
ettevõte teostab ka kontseptuaalseid ja valideerimisprojekte
Boeingi CH-47 Chinooki helikopteri rataste jaoks.

Joonis 3: Carbon Revolutioni ülikerge seeria süsinikkiudude ultra-kerge seeria
Rattad

Süsinikkiust rataste valmistamine nõuab kõrgekvaliteedilist
täppissüsinikkiu kihistamise ja kõrgsurvevormimisega
tehnikaid. Carbon Revolution omab ligikaudu 50 patenti
mis on seotud süsinikkiust rataste toodete ja tootmisega
protsessid ja eesmärk on parandada tõhusust protsessi kaudu
täiustused. Selle saavutamiseks on ettevõte välja töötanud
kõrgelt automatiseeritud tootmisliinid ja kasutab ulatuslikult
masinõppe ja tehisintellekti tehnoloogiaid, et
optimeerida tootmisprotsessi. Keskmiselt on rattad
on 40% kuni 50% kergemad kui standardsed alumiiniumveljed.
turul. Lisaks võivad rattad olla kujundatud
aerodünaamilised vormid, et vähendada õhutakistust ja suurendada ulatust ilma
kaalu lisamine.

Itaalia ettevõte Bucci Composites tutvustas esimest 20-tollist
süsinikkiust veljeveljed, mis on spetsiaalselt projekteeritud
spordi-/superautode sektor. See võimaldab ratta kinnitamist
rummu traditsioonilisel viisil, kõrvaldades poldi pöördemomendi riski
lõdvenemine. See tagab, et ülikerged süsinikkiust rattad
on sama lihtne kokku panna ja hooldada kui traditsioonilisi rattaid. Et
tegeleda kõrgete temperatuuridega, eriti kui
kasutades süsinik-keraamilisi pidureid, on velgede sisemine külg
kaetud keraamilise kihiga, mis kaitseb süsinikkiudu ja
võimaldab velje kasutada äärmuslikel temperatuuridel.

Joonis 4: Süsinikurevolutsioon

Bucci Composites on varustatud ka tipptasemel
Cannon'i tootmistehnoloogia (High-Pressure RTM-
HP-RTM), ainus ettevõte Itaalias, millel on tehnoloogia, mis võimaldab
jätkata rohkemate ratta mudelite arendamist autotööstuse jaoks
tööstus.

Joonis 5: Cannon's HP-RTM protsessi seadmed

Cannon'i lahendus sisaldab seadmeid, mis on vajalikud selleks, et
kõrgsurve RTM protsess komposiitide valmistamiseks
materjalid epoksüvaigu põhiaine ja süsinikkiuga
tugevdamine:

(1) Kolmekomponentne E-süsteemi kõrgsurve doseerimisseade, mis on mõeldud
epoksüvaigu koostis, mis sisaldab LN10 kolmekomponendilist
segamispea ja väljundsuhete suletud ahelaga reguleerimine.

(2) Lühiajaline survevormipress, millel on kinnitusseadmed.
jõud 25 000 kN, 3,6×2,4m suurused pressplaadid ja väga kõrge
täpne paralleelsuse aktiivne kontroll, et tagada vormitud tasapinnalisus
osad.

Joonis 6: Bucci Composites' 20″ süsinikkiust ratas

Tuntud Briti autotootja Bentley hiljuti
tutvustas oma Bentley jaoks uuenduslikke täissüsinikkiust rattaid
Bentayga maastur, mille on välja töötanud Bucci Composites. 22-tolline
süsinikkiust rattad said suurimaks süsinikkiust rattad
mis on kunagi toodetud, tagades uuendusliku disaini ja erakordse
jõudlust, saavutades samas kaalu vähenemise 6 kg ühe
ratas.

Joonis 7: 22″ rattad, mille Bucci on välja töötanud Bentley jaoks.

Ameerika Ühendriikides asuv Vision Wheel on tutvustanud uut
koostöös IDIga välja töötatud süsinikkiust ratas
Composites International ja komposiitmaterjalide kudumine
ekspert A&P tehnoloogia. Iga ratta maksumus on $2,000 või
veelgi madalam.

Teine Ameerika ettevõte, ESE Carbon, on käivitanud oma E2
integreeritud süsinikkiust komposiitrattad järelturul,
Tesla Model S, Tesla Model 3 ja Subaru WRX STI teenindavad Tesla Model S, Tesla Model 3 ja Subaru WRX STI.
sõidukid.

E2 rattad kasutavad täiustatud innovatiivseid kohandatud kiudoptilisi
paigaldamine (TFP) ja kõrgsurve vaigu infusioonitehnoloogia,
ühendab endas jõudluse, vastupidavuse, tõhususe ja innovatsiooni
koos süsinikkiu iluga, pakkudes tippkvaliteediga
järelturu veljed.

Mida kergemad on rattad, seda väiksem on pöörlemisinertsus, mille tulemuseks on
vähem jõudu, mis on vajalik rataste edasiliikumiseks. Kuna
premium süsinikkiust komposiitratas, E2 oluliselt
vähendab kaalu võrreldes alumiinium- ja terasratastega. Testid
on näidanud, et iga ratas võib säästa 10 kilo kaalu,
mille tulemuseks on ringikiiruse suurenemine 5,3%.

Lihtsustatult öeldes vajavad kergemad objektid aeglustamiseks vähem tööd.
ja peatus. E2 süsinikkiust veljed on 45% kergemad kui
samaväärsed terasest või alumiiniumist veljed. Katsed on näidanud, et E2
rattad võivad vähendada pidurdus- ja peatumisteekonda alates 60 mph
kuni 1 miil 3,6%.

Vedrustuseta massi vähendamine minimeerib jõude, mida avaldavad
vedrustus, et hoida rattad kindlalt teel. Iga E2
süsinikkiust ratas võib vähendada kuni 10 naela vedrustuseta jäänud osa
kaal süsteemist, parandades vedrustuse jõudlust.
Sellest tulenev parem rehvikontakt toob kaasa parema
juhtimisreaktsioon ja tundlikum juhitavus. Ükskõik, kas
maanteel või rajal, E2 süsinikkiust veljed võtavad teie sõidu
kogemus täiesti uuele tasemele.

Maanteekatse

Pärast aastatepikkust prototüüpide katsetamist on E2, kõige tehnoloogilisem
arenenud auto rattahoidja, mis on kunagi välja töötatud, on olnud
loodud. Kasutades kõrgelt arenenud modelleerimist, kasutades piiratud
elementide analüüsi abil saab ESE komposiitide inseneride meeskond
ennustada ratta reageeringut laias reaalse maailma vahemikus.
stsenaariumid. Selle rikkaliku andmestiku abil läbivad ESE rattad
katsetamine nii laboratoorsetes kui ka välitingimustes, kinnitades nende
tugevus, ohutus ja jõudlus.

Radiaalse löögi katsetamine
Radiaalse löögikatsega hinnatakse ratta stabiilsust, kui
kohtumine aukude või suurte takistustega, et vältida tõsiseid
kahju või rike. Kuna teeolud ei ole alati ideaalsed,
E2 rattad on läbinud ranged testid, et taluda tüüpilisi
liiklusohud ja on osutunud paremaks kui samaväärsed terasest
ja alumiiniumrattaid.

Kaldtee kokkupõrke katse
Kaldtee mõju test on oluline hindamine, et hinnata mõju
korduvad kokkupõrked staatilisele pinnale, mis simuleerivad sõiduki
kokkupõrge kõnniteede või muude fikseeritud objektidega etteantud kiirustel.
Isegi väikestel kiirustel on servakivide ja rataste vaheline kontakt
tekitab märkimisväärseid löögijõude. E2 süsinikkiust rattad
on projekteeritud ja põhjalikult katsetatud, et taluda rikkeid
destruktiivsetes olukordades, nagu kõnnitee kokkupõrked.

SAE J3204 testimine

E2 on läbinud põhjalikud testid ja ootab nüüd järgmist
sertifitseerimine vastavalt SAE J3204, uus tootmisprotsess, mis käsitleb
komposiitmaterjalist rattad. ESE teeb tihedat koostööd
Autoinseneride Ühing (SAE), et aidata luua
komposiitmaterjalist rataste standardid ja võrdlusalused. Veebilehel
Tegelikult ületavad ESE E2 süsinikkiust veljed SAE miinimumnõudeid.
soovitused.

Sarnaselt metallratastele on SAE lahendatud vastupidavusega seotud probleemid.
komposiitmaterjalist rataste puhul läbi erinevate väsimuse ja
löögikatsed. SAE on kehtestanud ka uued nõuded
käsitleda komposiitmaterjalide ainulaadset keskkonnamõju
materjalid.

Joonis 11: E2 süsinikkiust rattad, mille on vastu võtnud suuremad
autotootjad kogu maailmas.

E2 süsinikkiust rattad on konstrueeritud kasutades uusimaid
Tailored Fiber Placement (TFP) tehnoloogia. Süsinikkiud
kihtimine on traditsiooniliselt olnud töömahukas protsess, mis hõlmab
süsinikkiust kanga lõikamine ja käsitsi vormimine vaigule
hallitus. See on toonud kaasa liigseid jäätmeid ja käsitsitööd.
võivad tekitada tootmises kitsaskohti.

Joonis 12: kohandatud kiudude paigutus (TFP)

TFP saavutab optimaalse struktuurilise tulemuslikkuse, kasutades
masinad süsinikkiudude paigutamiseks ja õmblemiseks täpseteks
positsioonid. See vähendab 50% ja materjali kihistamise aega.
jäätmed 80%. See võimaldab ESE-l optimeerida ka disaini
läbi täpse kiudude paigutuse ja orientatsiooni, et
kohaneda süsinikkiust rataste kumeruse ja spiraalidega.
See suurendab E2 süsiniku tugevust ja vastupidavust.
kiudoptilised rattad, mis võimaldab neil tõhusalt hallata koormusi ja
rõhutab.

E2 kasutab ka patenteeritud vaigu ülekandevormimist.
(RTM) protsessi ja epoksüvaigu süsteemi valmistamiseks.
nabad, mis tagavad suurema veljevelje tugevuse ja väsimuse
vastupanu. ESE kasutab kõrgeima kvaliteediga, kõige kiiremini kõvenevat
vaigust, mis pakub võrratut jõudlust tööstusharu juhtiva hinnaga.
Tg (klaasistumistemperatuur) kuni 212 °C. Kiud-
ESE vaigu sisalduse suhe on 60%, minimaalse tühimikuga.
2% sisaldus, mis teeb sellest ühe valdkonna parimatest.
Lisaks sellele võib ESE täielikult infundeerida keskuse vähem kui 2
minutit.

Joonis 13: CFRP-ratta valmistamine RTM-protsessi abil

Kokkuvõte:

Kasutades süsinikkiust rattaid, on rataste kaal
oluliselt vähendada, mis võimaldab sportautodel saavutada paremad
käitlemise tulemuslikkus. Väiksema inertsusega süsinikkiust veljed
parandab roolireaktsiooni ja veojõudu, mille tulemuseks on kiirem
kiirendamine ja pidurdamine.

Lisaks sellele on paljude jaoks oluline mure ulatushäire.
potentsiaalsed tarbijad, kui nad kaaluvad ostu
elektrisõiduk. Kuigi elektrisõiduki sõiduulatus on
sõltub peamiselt akust, kuid ka muud tegurid mõjutavad
mõju. Kerged süsinikkiust rattad võivad oluliselt vähendada
ratta pöörlemisest põhjustatud energiatarbimine
kiirendus või aeglustus, maksimeerides sõiduraadiust
elektrisõidukid.

 

jaanuar 6, 2024