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Analyse des roues légères en fibre de carbone pour les énergies nouvelles
Véhicules

Véhicules à énergie nouvelle Roue en fibre de carbone Légèreté
Analyse

2023-07-11 06:59:49

Introduction
Les véhicules à énergie nouvelle remplacent progressivement les véhicules à carburant traditionnels.
à moteur électrique. L'autonomie des véhicules électriques est devenue la
le plus grand obstacle au développement, ce qui rend l'allègement
particulièrement importante.

Avec la demande croissante de protection de l'environnement et de
l'efficacité énergétique, l'industrie automobile mondiale cherche à
diverses solutions d'allègement. La nécessité de réduire le poids
dans la masse non suspendue est particulièrement proéminente, et comme une
composante importante de la masse non suspendue, les roues représentent
représentent une part importante du poids total du véhicule. L'un d'entre eux
Le moyen le plus efficace de réduire le poids est l'utilisation du carbone.
les roues en fibre. Les coûts des matières premières et de fabrication diminuent,
les roues en fibre de carbone, qui étaient autrefois coûteuses et uniquement utilisées
dans des modèles de luxe ou d'ultra-luxe, s'imposent progressivement.
accessible.

Figure 1 : Roue en fibre de carbone

Perspectives d'application du PRFC dans le secteur automobile
La fibre de carbone est un matériau léger, très résistant et à module élevé.
matériau en fibre. Sa densité est inférieure à celle du métal, mais elle est 16 fois plus élevée que le métal.
plus résistant que l'acier. Son module d'Young est 2 à 3 fois plus élevé.
que la fibre de verre traditionnelle, tout en conservant sa flexibilité.
de fibres.

En règle générale, les roues en alliage d'aluminium pèsent environ 15 kilogrammes,
tandis que les roues en fibre de carbone peuvent réduire le poids à 8 kilogrammes,
faisant des roues en fibre de carbone un véritable "outil de réduction du poids".

En raison de ses propriétés de légèreté et de résistance élevée, le carbone
La fibre a toujours été un matériau de prédilection pour les
fabrication. Outre les applications pour les roues, la fibre de carbone
est également utilisé dans les chaînes cinématiques, les ressorts à lames et les structures des véhicules automobiles,
et les corps, garantissant une résistance et une rigidité suffisantes tout en
réduire le poids et la consommation d'énergie des véhicules.
Selon l'étude "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Research Report" publié par MarketaaWatch, le rapport de recherche sur le marché mondial de l'énergie.
La taille du marché des fibres de carbone pour l'automobile a atteint près de $160
millions d'euros en 2020. De 2021 à 2027, le marché mondial de l'automobile se situera dans la fourchette suivante
Le marché de la fibre de carbone devrait maintenir une
taux de croissance annuel de plus de 5%.

L'application des matériaux en fibre de carbone dans l'automobile n'est pas une fin en soi.
seulement pour l'allègement et la réduction de la consommation d'énergie, mais aussi pour l'amélioration de l'efficacité énergétique.
également pour améliorer les performances en matière de sécurité des véhicules. Par rapport aux
Les roues traditionnelles en alliage d'aluminium, les roues en fibre de carbone sont
plus légers, plus résistants, exempts de fatigue du métal, et considérablement
réduire le bruit. Le marché des roues en fibre de carbone en Chine a
potentiel énorme, mais l'adoption généralisée de la fibre de carbone
Les roues dépendent principalement de considérations de coût.

Figure 2 : Prévisions de la demande de fibres de carbone dans l'industrie automobile
Secteur

Avec l'amélioration continue et la production à grande échelle
de la technologie de fabrication de la fibre de carbone, le coût de la fibre de carbone a été réduit.
diminue progressivement. La fibre de carbone traditionnelle
Le précurseur est principalement fabriqué à partir de matières premières de polyacrylonitrile (PAN).
qui a toujours été coûteux. Cependant, en utilisant
à base d'asphalte, de polyéthylène et d'autres matériaux pour produire le
précurseur, le coût de la fibre de carbone peut être réduit de plus de
que 30%. Par exemple, Carbon Revolution, une entreprise australienne
fabrique des roues en fibre de carbone en assemblant des
la fibre de carbone avec de la résine, ce qui permet de produire à grande échelle et de réduire les coûts de production.
réduire le coût des roues en fibre de carbone à un niveau proche de celui des roues en acier.
roues en aluminium.

Le gouvernement chinois a mis en œuvre des politiques appropriées pour
promouvoir l'application généralisée des produits nationaux
la fibre de carbone haute performance. En mars 2021, le "14e
Plan quinquennal pour le développement économique et social national
Développement et objectifs à long terme pour 2035" a été publié,
qui a mis l'accent sur la nécessité de renforcer la recherche,
développement et l'application de fibres à haute performance telles que les fibres de verre.
comme les fibres de carbone et leurs composites. Cette situation offre un cadre favorable à la mise en œuvre de la politique de l'UE dans ce domaine.
l'environnement politique pour le progrès technologique de l'Union européenne.
l'industrie de la fibre de carbone à l'avenir.

Le développement des véhicules à énergie nouvelle est inéluctable, et
Les roues en fibre de carbone pourraient devenir une caractéristique standard des nouveaux modèles.
les véhicules à énergie.

Comparaison entre les roues en PRFC et les roues en métal :

Depuis l'invention de l'automobile en 1886, qui a une histoire
Depuis plus de 100 ans, les roues d'automobiles ont évolué, passant d'un modèle à un autre.
des matériaux en bois aux matériaux métalliques modernes. Les matériaux les plus courants
Les matériaux utilisés pour les roues des voitures modernes comprennent les roues en acier,
les jantes en alliage d'aluminium, les jantes en alliage de magnésium et, plus récemment, les jantes en alliage d'aluminium.
années, les roues en fibre de carbone ont fait leur apparition, en particulier dans les secteurs de l'automobile et de l'automobile.
supercars.

Roues en acier : Les roues en acier sont principalement composées de fer et d'autres matériaux.
des métaux pour améliorer la résistance. Ils présentent les avantages suivants
une plus grande ténacité, une excellente résistance aux chocs et une bonne résistance à la charge.
capacité de charge. En outre, ils sont relativement peu coûteux.
Cependant, les roues en acier présentent certains inconvénients, tels que
susceptibilité à la rouille, mauvaise dissipation de la chaleur, poids élevé, et
des limitations au niveau du freinage et de la tenue de route.

Roues en alliage d'aluminium : L'aluminium est le principal composant des roues en alliage d'aluminium.
les jantes en alliage d'aluminium, ainsi que des éléments tels que l'antimoine,
le silicium et le magnésium pour améliorer les performances globales. Les
Le processus de fabrication des jantes en alliage d'aluminium est plus
complexe que celui des roues en acier, avec davantage d'étapes de transformation.
Les jantes en alliage d'aluminium présentent des performances globales plus élevées et un meilleur rendement.
une réduction significative du poids. En raison de la plus faible densité des
en alliage d'aluminium, ils offrent une accélération plus rapide, une meilleure résistance à la chaleur et une meilleure résistance à l'usure.
et sont adaptés aux conditions routières urbaines.
Cependant, les jantes en alliage d'aluminium ont des
la ténacité, la résistance aux chocs et la résistance à la fatigue.
Ils ne conviennent pas aux environnements difficiles tels que le tout-terrain.
conditions.

Jantes en alliage magnésium-aluminium : Par rapport à l'aluminium,
le magnésium a une densité plus faible et est similaire à la fibre de carbone
matériaux composites. Jantes en alliage de magnésium et d'aluminium
comprennent du magnésium comme composant principal, ainsi que des
l'aluminium, le zinc, le manganèse et d'autres éléments. Ils fournissent
une meilleure élasticité, une dissipation plus rapide de la chaleur et une résistance accrue aux chocs
d'absorption. Il s'agit d'une version améliorée des
en alliage d'aluminium en termes de robustesse. Cependant, les roues en alliage d'aluminium sont plus résistantes que les autres,
Les jantes en alliage de magnésium et d'aluminium sont sujettes à l'oxydation et à la corrosion.
ont une mauvaise résistance à la corrosion.

Roues en fibre de carbone : Les roues en fibre de carbone sont relativement nouvelles
type de roues apparues ces dernières années. Elles sont dotées d'un
d'un noir pur et d'une surface texturée, ce qui leur confère un aspect
un look haut de gamme et sophistiqué. Les roues en fibre de carbone offrent
performance puissante, poids comparable à celui du magnésium
roues, haute ténacité, excellente résistance aux chocs, et
résistance à la corrosion et à l'oxydation. Ils sont actuellement utilisés dans
les motos, les VTT, les vélos de route et les automobiles.

Avantages des roues composites en fibre de carbone
Les roues et les pneus d'une voiture supportent l'ensemble du poids et jouent un rôle important dans la construction de la voiture.
rôle crucial dans la conduite du véhicule sous l'action de la
l'essieu de transmission. En tant que composant structurel de base, le carbone
les roues en fibre composite possèdent une excellente capacité de charge
et la résistance aux chocs, ce qui permet d'obtenir des performances exceptionnelles
pendant l'accélération et sous de lourdes charges. En outre, le carbone
Les roues en fibre optique peuvent réduire efficacement l'inertie et permettre des déplacements plus rapides.
l'accélération, le freinage et les manœuvres en raison de la réduction de leur vitesse.
le poids.

(1) Poids plus léger, résistance plus élevée

Il est bien connu que les matériaux composites à base de fibres de carbone sont
reconnue comme la meilleure méthode pour les poids légers.
dans les automobiles. La fibre de carbone, également connue sous le nom de "noir
l'or", qui est plus léger que l'aluminium tout en étant plus résistant
que l'acier. Il présente une résistance à la corrosion et un module élevé.
caractéristiques, ce qui permet non seulement de réduire le poids, mais aussi
le renforcement de la structure du véhicule. Les données montrent qu'un véhicule 20-
La roue en fibre de carbone d'un pouce pèse environ 7,5 kg, ce qui correspond à un poids de 1,5 kg.
plus de 25% plus léger qu'un alliage d'aluminium de taille équivalente
roue. En termes de solidité, les roues en fibre de carbone présentent une résistance supérieure à celle des roues en acier.
amélioration globale d'environ 30% par rapport à l'aluminium
jantes en alliage.

(2) Amélioration des performances et de la maniabilité

Ingénieurs de la marque australienne Carbon Revolution wheel
ont déclaré que le fait de réduire le poids d'une roue de 1 kg, en vertu de la loi sur la protection des consommateurs, n'a pas d'incidence sur la qualité des produits.
masse non suspendue, équivaut à réduire la masse totale du véhicule.
de 15 kg. Pour chaque réduction de poids de 10%, la
les performances d'accélération du véhicule peuvent être améliorées de
environ 8%. Cela indique que les roues légères peuvent
fournir une meilleure réponse à la puissance du véhicule.
Les roues en fibre de carbone offrent également une excellente absorption des chocs,
un confort accru et une meilleure maniabilité.

(3) Efficacité énergétique et réduction des émissions

Réduction de la masse non suspendue de 1 kg grâce à la fibre de carbone
des roues composites équivaut à une réduction de l'ensemble du véhicule
de 15 kg. Une réduction de poids de 10% peut se traduire par une réduction de 6%-
8% de réduction de la consommation de carburant et 5% de réduction des émissions de gaz à effet de serre.
. Dans un scénario où les véhicules utilisent la même quantité d'énergie, les émissions de CO
essence, une voiture équipée de roues en fibre de carbone peut rouler jusqu
à 50 km de plus à l'heure par rapport à une voiture en alliage d'aluminium
roues. Le poids des roues en fibre de carbone est inférieur de 60% à celui des roues en fibre de verre.
celui des jantes en alliage d'aluminium forgé de même taille,
la réduction du poids des véhicules est importante pour l'environnement
des objectifs.

(4) Maniabilité améliorée et performances de freinage supérieures

Les roues en fibre de carbone ont un module d'élasticité pouvant atteindre 200 GPa.
Plus le module d'élasticité est élevé, plus l'élasticité est faible.
déformation après avoir été soumis à des forces, ce qui permet d'obtenir de meilleurs résultats.
confort et une meilleure tenue de route. Après avoir remplacé les roues par des
légers en fibre de carbone, la suspension du véhicule
La vitesse de réponse s'améliore sensiblement, ce qui permet d'obtenir des résultats plus rapides et plus fiables.
une accélération plus douce et un freinage plus performant.

Exemples d'application des roues composites en fibre de carbone
Fondée en 2007, Carbon Revolution est une entreprise mondiale de technologie.
et un fournisseur OEM de niveau 1 qui a réussi à
pionnier, commercialisé et industrialisé de la haute technologie.
performance, fibre de carbone légère technologiquement avancée
roues. Outre les jantes pour voitures de luxe, l'entreprise a
a annoncé le développement d'une gamme de produits en carbone de 23 et 24 pouces.
en fibre de verre, destinées aux marchés des camions et des SUV électriques. Les
L'entreprise entreprend également des projets de conception et de validation
pour les roues de l'hélicoptère CH-47 Chinook de Boeing.

Figure 3 : Fibre de carbone ultra-légère de Carbon Revolution
Roues

La fabrication de roues en fibre de carbone nécessite des matériaux de haute qualité.
assemblage de précision de fibres de carbone et moulage à haute pression
techniques. Carbon Revolution détient environ 50 brevets
liés aux produits et à la fabrication de roues en fibre de carbone
et vise à améliorer l'efficacité par le biais de processus
des améliorations. Pour ce faire, l'entreprise a développé
des lignes de production hautement automatisées et utilise largement
les technologies d'apprentissage automatique et d'intelligence artificielle pour
optimiser le processus de fabrication. En moyenne, les roues
sont 40% à 50% plus légères que les roues en aluminium standard dans les
marché. En outre, les roues peuvent être conçues avec
formes aérodynamiques pour réduire la traînée et augmenter l'autonomie sans
l'ajout de poids.

La société italienne Bucci Composites a présenté le premier modèle de 20 pouces.
jante en fibre de carbone spécialement conçue pour le
secteur des voitures de sport/supercars. Il permet de fixer la roue sur le
de façon traditionnelle, ce qui élimine le risque de perte de couple de serrage des boulons.
se desserrer. Cela garantit que les roues ultra-légères en fibre de carbone
sont aussi faciles à monter et à entretenir que les roues traditionnelles. Pour
de faire face aux températures élevées rencontrées, en particulier lorsqu'il s'agit de
en utilisant des freins en carbone-céramique, le côté intérieur de la jante est
recouvert d'une couche de céramique, protégeant la fibre de carbone et les
permettant à la jante d'être utilisée à des températures extrêmes.

Figure 4 : Révolution carbone

Bucci Composites s'est également équipé de la technologie de pointe
La technologie de production de Cannon (High-Pressure RTM-
HP-RTM), la seule entreprise en Italie qui possède la technologie pour
continuer à développer d'autres modèles de roues pour l'industrie automobile
l'industrie.

Figure 5 : Équipement du procédé HP-RTM de Cannon

La solution de Cannon comprend l'équipement nécessaire pour la
procédé RTM à haute pression pour la fabrication de matériaux composites
matériaux à matrice de résine époxy et fibres de carbone
le renforcement :

(1) Une unité de dosage haute pression à trois composants du système E pour
de résine époxydique, comprenant une résine LN10 à trois composants.
tête de mélange et contrôle en boucle fermée des rapports de sortie.

(2) Une presse de moulage par compression à course courte avec un dispositif de serrage.
de 25 000 kN, des plaques de pressage de 3,6×2,4 m et un système d'étanchéité de haute qualité.
parallélisme précis contrôle actif pour assurer la planéité des pièces moulées
pièces.

Figure 6 : Roue en fibre de carbone 20″ de Bucci Composites

Le célèbre constructeur automobile britannique Bentley a récemment
a présenté des roues innovantes entièrement en fibre de carbone pour sa Bentley
Bentayga SUV, développé par Bucci Composites. L'écran d'affichage de 22 pouces
Les roues en fibre de carbone sont devenues les plus grandes roues en fibre de carbone
jamais produite, garantissant un design innovant et une
tout en réalisant une réduction de poids de 6 kg par
roue.

Figure 7 : Roues 22″ développées par Bucci pour Bentley

La société Vision Wheel, basée aux États-Unis, a introduit un nouveau système d'alimentation en eau potable.
roue en fibre de carbone développée en collaboration avec l'IDI
Composites International et tissage de matériaux composites
expert A&P Technology. Le coût de chaque roue est de $2,000 ou
encore plus bas.

Une autre société américaine, ESE Carbon, a lancé son E2
roues intégrées en composite de fibre de carbone sur le marché de l'après-vente,
desservant la Tesla Model S, la Tesla Model 3 et la Subaru WRX STI
véhicules.

Les roues E2 utilisent des fibres de verre innovantes et sur mesure.
(TFP) et la technologie d'infusion de résine à haute pression,
alliant la performance, la durabilité, l'efficacité et l'innovation
avec la beauté de la fibre de carbone, offrant ainsi une qualité supérieure.
les roues du marché secondaire.

Plus les roues sont légères, plus l'inertie de rotation est faible, ce qui se traduit par
la force nécessaire pour faire avancer les roues est moindre. En tant que
roue composite en fibre de carbone de première qualité, la E2
réduit le poids par rapport aux roues en aluminium et en acier. Essais
ont montré que chaque roue permet d'économiser 10 livres de poids,
ce qui se traduit par une augmentation de la vitesse au tour de 5,3%.

En termes simples, les objets plus légers nécessitent moins de travail pour décélérer
et s'arrêter. Les roues E2 en fibre de carbone sont 45% plus légères que les roues E2 en fibre de carbone.
des roues équivalentes en acier ou en aluminium. Des tests ont montré que l'E2
les roues peuvent réduire les distances de freinage et de roue libre à partir de 60 mph
à 1 mile par 3,6%.

La réduction du poids non suspendu permet de minimiser les forces exercées par le moteur.
pour maintenir les roues fermement sur la route. Chaque E2
La roue en fibre de carbone peut réduire jusqu'à 10 livres de la masse non suspendue.
du poids du système, ce qui améliore les performances de la suspension.
L'amélioration du contact avec le pneu qui en résulte se traduit par une meilleure
La réponse de la direction et la maniabilité sont plus réactives. Que ce soit sur
Sur la route ou sur la piste, les roues en fibre de carbone E2 vous permettent de conduire en toute sécurité.
à un tout autre niveau.

Essais sur route

Après des années d'essais de prototypes, E2, l'appareil le plus technologique du marché, a été mis au point.
Le moyeu de roue le plus avancé jamais mis au point pour l'automobile a été
créé. En recourant à une modélisation très avancée à l'aide de la méthode des éléments finis, on peut obtenir des résultats plus précis.
l'équipe d'ingénierie des composites d'ESE peut
prédire la réaction de la roue dans un large éventail de situations réelles.
scénarios. Grâce à cette richesse de données, les roues de l'ESE sont soumises à des tests de performance.
dans des conditions de laboratoire et de terrain, validant ainsi leur efficacité.
la résistance, la sécurité et la performance.

Essai d'impact radial
L'essai d'impact radial permet d'évaluer la stabilité de la roue lorsque
Les véhicules qui rencontrent des nids-de-poule ou des obstacles importants ne sont pas
des dommages ou des défaillances. L'état des routes n'étant pas toujours parfait,
Les roues E2 ont fait l'objet de tests rigoureux pour résister à des conditions d'utilisation typiques.
les dangers de la route et se sont révélés supérieurs à ceux d'un acier équivalent.
et des jantes en aluminium.

Essai d'impact sur le trottoir
L'essai d'impact sur le trottoir est une évaluation cruciale pour évaluer les effets
d'impacts répétés sur une surface statique, simulant le véhicule
heurter des bordures ou d'autres objets fixes à des vitesses prédéterminées.
Même à faible vitesse, le contact entre les bordures et les roues
génère des forces d'impact significatives. Roues en fibre de carbone E2
ont été conçus et testés de manière approfondie pour résister aux défaillances
dans des situations destructrices telles que les chocs de trottoirs.

Essais SAE J3204

L'E2 a fait l'objet de tests complets et est en attente d'une autorisation de mise sur le marché.
certification selon la norme SAE J3204, un nouveau processus de production pour les produits de l'UE.
des roues en matériaux composites. ESE collabore étroitement avec
la Society of Automotive Engineers (SAE) afin de contribuer à l'établissement d'un système de gestion de l'environnement.
normes et critères de référence pour les roues en matériaux composites. En
En effet, les roues en fibre de carbone ESE E2 dépassent les exigences minimales de la SAE.
recommandations.

Comme pour les roues en métal, la SAE répond aux préoccupations en matière de durabilité.
pour les roues en matériaux composites à travers divers tests de fatigue et d'usure.
les tests d'impact. La SAE a également introduit de nouvelles exigences pour
prendre en compte les incidences environnementales particulières des matériaux composites
les matériaux.

Figure 11 : Roues en fibre de carbone E2 adoptées par les grandes entreprises
constructeurs automobiles du monde entier.

Les roues en fibre de carbone E2 sont conçues en utilisant les dernières technologies.
Technologie TFP (Tailored Fiber Placement). Fibre de carbone
La stratification est traditionnellement un processus à forte intensité de main d'œuvre qui implique
découpe et moulage à la main d'un tissu en fibre de carbone sur une résine
moisissures. Il en résulte une quantité excessive de déchets et de travail manuel
peut créer des goulets d'étranglement dans la production.

Figure 12 : Placement personnalisé des fibres (TFP)

La PTF permet d'obtenir des performances structurelles optimales en utilisant
des machines pour agencer et coudre des fibres de carbone en des points précis.
positions. Cela permet de réduire le temps de stratification de 50% et les matériaux.
par 80%. Il permet également à ESE d'optimiser la conception
par le placement et l'orientation précis des fibres pour
s'adapter à la courbure et aux rayons des roues en fibre de carbone.
Cela renforce la solidité et la durabilité du carbone E2.
des roues en fibre, ce qui leur permet de gérer efficacement les charges et les
stress.

L'E2 utilise également un procédé de moulage par transfert de résine (Resin Transfer Molding) exclusif.
(RTM) et le système de résine époxy pour fabriquer le produit.
et de la résistance à la fatigue des jantes.
résistance. ESE utilise les produits de la plus haute qualité, à durcissement le plus rapide.
et offre des performances inégalées à un prix de pointe de l'industrie.
La température Tg (transition vitreuse) peut atteindre 212°C. Les fibres
Le rapport entre la teneur en résine et l'ESE est de 60%, avec un taux de vide minimal.
de 2%, ce qui en fait l'un des meilleurs du secteur.
En outre, l'ESE peut infuser complètement le moyeu en moins de deux heures.
minutes.

Figure 13 : Fabrication de roues en PRFC à l'aide du procédé RTM

Conclusion :

L'utilisation de roues en fibre de carbone permet de réduire le poids des roues.
considérablement réduite, ce qui permet aux voitures de sport d'atteindre un niveau de performance supérieur à la moyenne.
performance en matière de maniabilité. Avec une inertie plus faible, les roues en fibre de carbone
améliorent la réponse de la direction et la traction, ce qui se traduit par une
l'accélération et le freinage.

En outre, l'anxiété liée à l'autonomie est une préoccupation importante pour de nombreuses personnes.
les consommateurs potentiels lorsqu'ils envisagent d'acheter un
véhicule électrique. Alors que l'autonomie d'un véhicule électrique
dépend principalement de la batterie, mais d'autres facteurs ont également une influence sur la durée de vie de la batterie.
impact. Les roues légères en fibre de carbone peuvent réduire considérablement
la consommation d'énergie due à la rotation des roues pendant
l'accélération ou la décélération, ce qui maximise l'autonomie de la voiture.
les véhicules électriques.

 

6 janvier 2024