Blog

Analyse fan lichtgewicht koalstoffaserwielen foar nije enerzjy
Auto's

Nije enerzjyauto's koalstoffaser tsjil lichtgewicht
Analyse

2023-07-11 06:59:49

Ynlieding
Nije enerzjyauto's ferfange stadichoan tradisjonele brânstof-
oandreaune auto's. It oanbod fan elektryske auto's is de
grutste ûntwikkelingshindernis, wêrtroch lichtgewicht
benammen wichtich.

Mei de tanimmende fraach nei miljeubeskerming en
enerzjy-effisjinsje, de wrâldwide auto-yndustry siket
ferskate lichtgewichtoplossingen. De needsaak foar gewichtsreduksje
yn 'e ûnôfgeande massa is benammen prominent, en as in
wichtige komponint fan 'e ûnôfgeande massa, tsjillen rekkenje
foar in wichtich part fan it totale gewicht fan it auto. Ien
effektive manier om gewicht te ferliezen is troch it brûken fan koalstof
glêstriedwielen. As grûnstoffen- en produksjekosten ôfnimme,
koalstoffiber tsjillen, dy't eartiids djoer wiene en allinich brûkt waarden
yn lúkse of ultra-luksueuze modellen, wurde stadichoan mear
tagonklik.

Figuer 1: Koalstoffaserwiel

Tapassingsperspektiven fan CFRP yn 'e automotive sektor
Koalstofvezel is in lichtgewicht, hege sterkte en hege modulus materiaal
glêstriedmateriaal. It hat in legere tichtheid as metaal, mar is 16 kear
sterker as stiel. De Young's modulus is 2-3 kear heger
as tradisjonele glêstried, wylst de fleksibiliteit noch behâlden wurdt
fan fezels.

Typysk weagje aluminiumlegeringswielen sawat 15 kilogram,
wylst koalstoffaser tsjillen it gewicht kinne ferminderje nei 8 kilogram,
wêrtroch koalstoffaserwielen in echte "gewichtsreduksje-ark" wurde.

Troch syn lichtgewicht en hege sterkte eigenskippen, koalstof
glêstried is altyd in foarkarsmateriaal west foar auto's
produksje. Neist tsjilapplikaasjes, koalstofvezel
wurdt ek brûkt yn automotive oandriuwlinen, blêdfearren, struktueren,
en lichems, soargje foar genôch sterkte en rigiditeit wylst
it ferminderjen fan it gewicht en enerzjyferbrûk fan auto's.
Neffens de "2021 Automotive Carbon Fiber Market"
"Undersyksrapport" publisearre troch MarketaaWatch, it wrâldwide
De merk foar koalstoffaser foar auto's berikte hast $160
miljoen yn 2020. Fan 2021 oant 2027, de wrâldwide auto-yndustry
De merk foar koalstoffiber wurdt ferwachte in gearstalling te behâlden
jierlikse groeisnelheid fan mear as 5%.

De tapassing fan koalstoffibermaterialen yn auto's is net
allinich foar lichtgewicht en enerzjyferbrûkreduksje, mar
ek foar it ferbetterjen fan feiligensprestaasjes fan auto's. Yn ferliking mei
tradisjonele aluminiumlegering tsjillen, koalstoffiber tsjillen binne
lichter, sterker, frij fan metaalwurgens, en signifikant
ferminderje lûd. De merk foar koalstoffaserwielen yn Sina hat
enoarm potinsjeel, mar wiidfersprate oannimmen fan koalstofvezel
tsjillen is foaral ôfhinklik fan kostenoerwagings.

Figuer 2: Prognose fan fraach nei koalstoffiber yn 'e auto-yndustry
Sektor

Mei de trochgeande ferbettering en grutskalige produksje
fan technology foar it meitsjen fan koalstofvezels, de kosten fan koalstof
glêstried nimt stadichoan ôf. De tradisjonele koalstoffiber
foarrinner wurdt benammen makke fan polyacrylonitril (PAN) rau
materiaal, dat altyd djoer west hat. Lykwols, troch gebrûk te meitsjen
op basis fan asfalt, polyetyleen en oare materialen om de
foargonger, de kosten fan koalstofvezel kinne mei mear wurde fermindere
as 30%. Bygelyks, Carbon Revolution, in Australyske
bedriuw, produseart koalstoffaser tsjillen troch bonding
koalstoffiber mei hars, wêrtroch't grutskalige produksje berikt wurdt en
it ferminderjen fan 'e kosten fan koalstoffaserwielen nei in nivo tichtby
aluminium tsjillen.

De Sineeske regearing hat relevante beliedsmaatregels ymplementearre om
it wiidfersprate gebrûk fan binnenlânsk produsearre produkten befoarderje
hege prestaasjes koalstoffiber. Yn maart 2021, de "14e
Fiifjierplan foar Nasjonaal Ekonomysk en Sosjaal
"Untwikkelings- en Lange-termyn Doelen foar 2035" waard frijjûn,
dy't de needsaak beklamme om it ûndersyk te fersterkjen,
ûntwikkeling en tapassing fan hege prestaasjesfezels lykas
lykas koalstofvezel en har kompositen. Dit soarget foar in geunstige
beliedsomjouwing foar de technologyske foarútgong fan 'e
koalstoffiberyndustry yn 'e takomst.

De ûntwikkeling fan nije enerzjyauto's is net te stopjen, en
koalstoffaser tsjillen kinne in standertfunksje wurde yn nije
enerzjyauto's.

Ferliking tusken CFRP-tsjillen en metalen tsjillen:

Sûnt de útfining fan auto's yn 1886, dy't in skiednis hat
fan mear as 100 jier binne autowielen evoluearre fan
houten materialen oant moderne metalen materialen. De gewoane
brûkte tsjilmaterialen yn moderne auto's omfetsje stielen tsjillen,
aluminiumlegeringswielen, magnesiumlegeringswielen, en yn resinte tiden
jierren binne koalstoffaserwielen ûntstien, benammen yn
superauto's.

Stielen tsjillen: Stielen tsjillen wurde benammen makke fan izer en oare
metalen om de taaiheid te ferbetterjen. Se hawwe de foardielen fan
hegere taaiheid, poerbêste ynfloedresistinsje, en goede lading-
draachkapasiteit. Derneist binne se relatyf goedkeap.
Stielen tsjillen hawwe lykwols wat neidielen, lykas
gefoelichheid foar roest, minne waarmteôffier, swier gewicht, en
beheiningen op it mêd fan remmen en handling.

Aluminiumlegeringwielen: Aluminium is it wichtichste ûnderdiel fan
aluminiumlegeringswielen, tegearre mei eleminten lykas antimoon,
silisium en magnesium om de algemiene prestaasjes te ferbetterjen. De
produksjeproses fan aluminiumlegering tsjillen is mear
kompleks as dy fan stielen tsjillen, mei mear ferwurkingsstappen.
Aluminiumlegeringswielen litte hegere algemiene prestaasjes sjen en
wichtige gewichtsreduksje. Fanwegen de legere tichtheid fan
aluminiumlegering, se biede fluggere fersnelling, bettere waarmte
fersprieding, en binne geskikt foar stedske dykomstannichheden.
Aluminiumlegeringswielen hawwe lykwols relatyf legere
taaiens, ympaktresistinsje en wurgensresistinsje, wêrtroch't
se binne net geskikt foar rûge omjouwings lykas off-road
betingsten.

Magnesium-aluminiumlegering tsjillen: Fergelike mei aluminium,
magnesium hat in legere tichtheid en is fergelykber mei koalstofvezel
gearstalde materialen. Magnesium-aluminiumlegering tsjillen
befetsje magnesium as it primêre komponint, tegearre mei
aluminium, sink, mangaan en oare eleminten. Se leverje
bettere elastisiteit, rapper waarmteôffier, en sterkere skok
absorpsjemooglikheden. Se binne in ferbettere ferzje fan
aluminiumlegering tsjillen yn termen fan taaiheid. Lykwols,
magnesium-aluminiumlegeringswielen binne gefoelich foar oksidaasje en
hawwe minne korrosjebestriding.

Koalstoffaserwielen: Koalstoffaserwielen binne in relatyf nij
soarte tsjillen dy't de lêste jierren ferskynd binne. Se hawwe in
suver swart uterlik mei in tekstuerd oerflak, wêrtroch't se in
hege-ein en ferfine útstrieling. Koalstoffaser tsjillen biede
krêftige prestaasjes, fergelykber gewicht mei magnesium
tsjillen, hege taaiheid, poerbêste ynfloedresistinsje, en
korrosje- en oksidaasjebestriding. Se wurde op it stuit brûkt yn
motorfytsen, mountainbikes, dykfytsen en auto's.

Foardielen fan koalstoffiberkompositwielen
De tsjillen en bannen fan in auto drage it folsleine gewicht en spylje in rol
krúsjale rol yn it bestjoeren fan it auto ûnder ynfloed fan 'e
oerdrachtas. As it kearnstrukturele ûnderdiel, koalstof
glêstriedkompositwielen hawwe poerbêste draachkapasiteit
en ynfloedresistinsje, en leveret treflike prestaasjes
by fersnelling en ûnder swiere lesten. Derneist koalstof
glêstriedwielen kinne effektyf traachheid ferminderje en rapper mooglik meitsje
fersnelling, remmen en manoeuvrearjen fanwegen har fermindere
gewicht.

(1) Lichter gewicht, hegere sterkte

It is breed bekend dat koalstoffiberkompositmaterialen binne
erkend as de bêste metoade foar "lichtgewicht" en gewicht
reduksje yn auto's. Koalstofvezel, ek wol bekend as "swart
goud", is lichter as aluminium, wylst it in hegere sterkte hat
as stiel. It toant korrosjebestriding en hege modulus
skaaimerken, dy't net allinich gewichtsreduksje mooglik meitsje, mar ek
fersterking fan 'e struktuer fan it auto. Gegevens litte sjen dat in 20-
inch koalstoffaser tsjil waacht sawat 7,5 kg, dat is
mear as 25% lichter as in aluminiumlegering fan lykweardige grutte
tsjil. Wat sterkte oanbelanget, litte koalstoffaser-tsjillen in
algemiene ferbettering fan sawat 30% yn ferliking mei aluminium
lichtmetalen tsjillen.

(2) Ferbettere prestaasjes en handling

Yngenieurs fan it Australyske tsjilmerk Carbon Revolution
hawwe oanjûn dat it ferminderjen fan it gewicht fan in tsjil mei 1 kg, ûnder
ûnôffjerde massa, is lykweardich oan it ferminderjen fan 'e totale massa fan it auto
gewicht mei 15 kg. Foar elke 10% gewichtsreduksje, de
de fersnellingsprestaasjes fan it auto kinne ferbetterje troch
sawat 8%. Dit jout oan dat lichtgewicht tsjillen kinne
in bettere reaksje op 'e krêftprestaasjes fan it auto.
Koalstoffaser tsjillen biede ek poerbêste skokabsorpsje,
ferhege komfort, en ferbettere handling.

(3) Enerzjy-effisjinsje en útstjitreduksje

It ferminderjen fan de ûnôffjerde massa mei 1 kg mei koalstofvezel
gearstalde tsjillen is lykweardich oan it ferminderjen fan it totale auto-ynhâld
gewicht mei 15 kg. In 10% gewichtsreduksje kin resultearje yn in 6%-
8% fermindering fan brânstofferbrûk en in 5% fermindering fan
útstjit. Yn in senario wêr't auto's deselde hoemannichte brûke
benzine, in auto foarsjoen fan koalstoffaser tsjillen kin oant
oant 50 km mear yn 'e oere yn ferliking mei in auto mei aluminiumlegering
tsjillen. It gewicht fan koalstoffaser tsjillen is 60% lichter as
dy fan smeide aluminiumlegering tsjilfelgen fan deselde grutte,
wêrtroch it gewichtsreduksje fan auto's wichtich is foar it miljeu
doelen.

(4) Ferbettere handling en superieure remprestaasjes

Koalstoffaser-tsjillen biede in elastyske modulus fan maksimaal 200 GPa.
Hoe heger de elastyske modulus, hoe lytser de elastisiteit
deformaasje nei't it ûnderwurpen is oan krêften, wat resulteart yn bettere
komfort en ferbettere handling. Nei it ferfangen fan tsjillen mei
lichtgewicht koalstoffaser, de ophinging fan it auto
reaksjesnelheid ferbetteret merkber, wat liedt ta rapper en
glêdere fersnelling en ferbettere remprestaasjes.

Tapassingsfoarbylden fan koalstoffiberkompositwielen
Carbon Revolution is in wrâldwide technologybedriuw oprjochte yn 2007.
bedriuw en Tier 1 OEM-leveransier dy't mei súkses
pionierde, kommersjalisearre en yndustrialisearre hege-
prestaasjes, technologysk avansearre lichtgewicht koalstoffiber
tsjillen. Neist lúkse autotsjillen hat it bedriuw ek
kundige de ûntwikkeling oan fan 23-inch en 24-inch koalstoffiber tsjillen
glêstriedwielen rjochte op 'e merken foar elektryske frachtweinen en SUV's.
bedriuw docht ek konseptuele en falidaasjeprojekten
foar Boeing's CH-47 Chinook helikopterwielen.

Figuer 3: Ultra-Light Series Carbon Fiber fan Carbon Revolution
Tsjillen

De produksje fan koalstoffaser tsjillen fereasket hege-
presyzje koalstoffiber layup en hege druk molding
techniken. Carbon Revolution hat sawat 50 patinten
yn ferbân mei produkten en produksje fan koalstoffaserwielen
prosessen en hat as doel om effisjinsje te ferbetterjen troch prosessen
ferbetterings. Om dit te berikken hat it bedriuw ûntwikkele
heech automatisearre produksjelinen en brûkt wiidweidich
masinelearen en keunstmjittige yntelliginsjetechnologyen om
optimalisearje it produksjeproses. Gemiddeld de tsjillen
binne 40% oant 50% lichter as standert aluminium tsjillen yn 'e
merk. Derneist kinne de tsjillen ûntwurpen wurde mei
aerodynamyske foarmen om wjerstân te ferminderjen en it berik te fergrutsjen sûnder
gewicht tafoegje.

It Italiaanske bedriuw Bucci Composites yntrodusearre de earste 20-inch
koalstoffiber tsjilfelge spesifyk ûntworpen foar de
sport-/superautosektor. It makket it mooglik om it tsjil oan 'e
hub op in tradisjonele manier, wêrtroch it risiko fan boutkoppel eliminearre wurdt
losmeitsjen. Dit soarget derfoar dat de ultralichte koalstoffaser tsjillen
binne like maklik te montearjen en te ûnderhâlden as tradisjonele tsjillen.
oanpakke oan de hege temperatueren dy't foarkomme, foaral as
mei help fan koalstofkeramyske remmen, is de binnenkant fan 'e tsjilfelge
bedekt mei in keramyske laach, dy't de koalstofvezel beskermet en
wêrtroch't de tsjilfelge brûkt wurde kin ûnder ekstreme temperatueren.

Figuer 4: Koalstofrevolúsje

Bucci Composites hat himsels ek útrisd mei de nijste technologyen
produksjetechnology fan Cannon (Hege-Druk RTM-
HP-RTM), it ienige bedriuw yn Itaalje dat de technology hat om
trochgean mei it ûntwikkeljen fan mear tsjilmodellen foar de automobyl
yndustry.

Figuer 5: HP-RTM-prosesapparatuer fan Cannon

De oplossing fan Cannon omfettet de apparatuer dy't nedich is foar de
hege druk RTM-proses om komposit te meitsjen
materialen mei in epoxyharsmatrix en koalstofvezel
fersterking:

(1) In trije-komponint E-systeem hege-druk dosear-ienheid foar
epoxyharsformulering, mei in LN10 trijekomponint
mingkop en sletten-loop kontrôle fan útfierferhâldingen.

(2) In koarte-slach kompresjefoarmparse mei in klem
krêft fan 25.000 kN, 3,6 × 2,4 m parseplaten, en tige
krekte parallellisme aktive kontrôle om flakheid fan getten te garandearjen
ûnderdielen.

Figuer 6: Bucci Composites syn 20″ koalstoffaser tsjil

De ferneamde Britske autofabrikant Bentley hat koartlyn
yntrodusearre ynnovative all-koalstoffiber tsjillen foar syn Bentley
Bentayga SUV, ûntwikkele troch Bucci Composites. De 22-inch
koalstoffiber tsjillen waarden de grutste koalstoffiber tsjillen
ea produsearre, garandearret ynnovatyf ûntwerp en útsûnderlik
prestaasjes, wylst in gewichtsreduksje fan 6 kg per berikt wurdt
tsjil.

Figuer 7: 22″ tsjillen ûntwikkele troch Bucci foar Bentley

Vision Wheel, basearre yn 'e Feriene Steaten, hat in nij yntrodusearre
koalstoffaser tsjil ûntwikkele yn gearwurking mei IDI
Composites International en it weven fan gearstalde materialen
saakkundige A&P-technology. De kosten fan elk tsjil binne $2.000 of
noch leger.

In oar Amerikaansk bedriuw, ESE Carbon, hat syn E2 lansearre.
yntegreare koalstoffaser komposit tsjillen yn 'e aftermarket,
tsjinnet Tesla Model S, Tesla Model 3, en Subaru WRX STI
auto's.

De E2-tsjillen brûke avansearre ynnovative maatwurkfaser
pleatsing (TFP) en hege-druk harsinfúzjetechnology,
kombinearret prestaasjes, duorsumens, effisjinsje en ynnovaasje
mei de skientme fan koalstofvezel, en leveret topkwaliteit
aftermarket tsjillen.

Hoe lichter de tsjillen, hoe leger de rotaasjetraagheid, wat resulteart
mei minder krêft nedich om de tsjillen foarút te bewegen. As in
premium koalstoffaser komposit tsjil, de E2 signifikant
ferminderet gewicht yn ferliking mei aluminium en stielen tsjillen. Tests
hawwe oantoand dat elk tsjil 10 pûn gewicht besparje kin,
wat resultearre yn in ferheging fan 5.3% yn rûnsnelheid.

Yn ienfâldige termen hawwe lichtere objekten minder wurk nedich om te fertragen
en stopje. E2 koalstoffaser tsjillen binne 45% lichter as
lykweardige stielen of aluminium tsjillen. Tests hawwe oantoand dat E2
tsjillen kinne rem- en útrolôfstannen ferminderje fan 60 mph
oant 1 myl mei 3.6%.

It ferminderjen fan ûnôfgeande gewicht minimalisearret de krêften dy't útoefene wurde troch de
ophinging om de tsjillen stevich op 'e dyk te hâlden. Elke E2
koalstoffaser tsjil kin oant 10 pûn ûnferhurde fermindering ferminderje
gewicht fan it systeem, wêrtroch de ophingingprestaasjes ferbettere wurde.
De resultearjende ferbettering fan it kontakt mei de bân liedt ta ferbettere
stjoerreaksje en responsiver handling. Oft oan
de dyk of it spoar, E2 koalstoffaser tsjillen nimme jo rydgedrach
ûnderfining nei in hiel nij nivo.

Dyktesten

Nei jierren fan prototypetesten, E2, de technologysk meast
avansearre autowielnaaf ea ûntwikkele, is west
makke. Troch gebrûk te meitsjen fan tige avansearre modellering mei eindige
elemintanalyse, it gearstalde yngenieursteam fan ESE kin
foarsizze de reaksje fan it tsjil yn in breed skala oan echte wrâldsituaasjes
senario's. Mei dizze rykdom oan gegevens ûndergeane de tsjillen fan ESE
testen yn sawol laboratoarium- as fjildomstannichheden, falidearjen fan har
sterkte, feiligens en prestaasjes.

Radiale ynfloedtesten
Radiale ynfloedtests evaluearje de stabiliteit fan it tsjil as
tsjinkomme fan gatten of grutte obstakels om swiere
skea of falen. Omdat de dykomstannichheden net altyd perfekt binne,
E2-tsjillen hawwe strange testen ûndergien om typyske
gefaren op 'e dyk en hawwe bliken dien superieur te wêzen oan lykweardich stiel
en aluminium tsjillen.

Stoeprâne-ynfloedtest
De stoeprâne-impacttest is in krúsjale evaluaasje om de effekten te beoardieljen
fan werhelle ynfloeden op in statysk oerflak, it simulearjen fan it auto
it reitsjen fan stoeprânen of oare fêste objekten mei foarôf bepaalde snelheden.
Sels by lege snelheden is it kontakt tusken stoeprânen en tsjillen
genereart wichtige ynfloedkrêften. E2 koalstoffaser tsjillen
binne ûntworpen en útwreide testen om storingen te wjerstean
yn destruktive situaasjes lykas oanfallen op stoeprâne.

SAE J3204 Testen

De E2 hat wiidweidige testen ûndergien en wachtet noch
sertifikaasje ûnder SAE J3204, in nij produksjeproses foar
tsjillen fan gearstald materiaal. ESE wurket nau gear mei
de Feriening fan Automotive Engineers (SAE) om te helpen by it oprjochtsjen
noarmen en benchmarks foar tsjillen fan gearstald materiaal. Yn
eins, ESE's E2 koalstoffaser tsjillen oertreffe it minimum fan SAE
oanbefellings.

Lykas by metalen tsjillen, behannelet de SAE soargen oer duorsumens
foar tsjillen fan gearstald materiaal troch ferskate wurgens- en
ynfloedtests. De SAE hat ek nije easken yntrodusearre oan
oanpakke oan de unike miljeu-ynfloeden fan komposit
materialen.

Figuer 11: E2 koalstoffaser tsjillen oannaam troch grutte
autofabrikanten wrâldwiid.

De E2 koalstoffaser tsjillen binne ûntworpen mei de nijste
Tailored Fiber Placement (TFP) technology. Koalstofvezel
layup is tradisjoneel in arbeidsyntinsyf proses west wêrby't
snijden en mei de hân foarmjen fan koalstoffiberstof op in hars
skimmel. Dit hat resultearre yn oermjittich ôffal en hânarbeid
kin knelpunten yn 'e produksje feroarsaakje.

Figuer 12: Oanpaste glêstriedpleatsing (TFP)

TFP berikt optimale strukturele prestaasjes troch gebrûk te meitsjen fan
masines om koalstofvezels yn presys te regeljen en te naaien
posysjes. Dit ferminderet de tiid foar it oanlizzen fan lagen mei 50% en materiaal
ôffal troch 80%. It lit ESE ek it ûntwerp optimalisearje
troch krekte pleatsing en oriïntaasje fan glêstried
foldwaan oan de kromming en spaken fan koalstoffaser-tsjillen.
Dit ferbetteret de sterkte en duorsumens fan 'e E2-koalstof
glêstriedwielen, wêrtroch't se lesten effisjint kinne beheare en
spanningen.

De E2 brûkt ek in eigen Resin Transfer Molding
(RTM) proses en epoxyhars systeem om de
hubs, dy't hegere tsjilfelgesterkte en wurgens leverje
wjerstân. ESE brûkt de heechste kwaliteit, rapst úthardende
hars, en leveret ongeëvenaarde prestaasjes op in yndustryliedende manier
Tg (glêsoergongstemperatuer) oant 212 °C. De glêstried-
De ferhâlding fan ESE ta harsynhâld is 60%, mei in minimale leechte
ynhâld fan 2%, wêrtroch it ien fan 'e bêste yn' e yndustry is.
Derneist kin ESE de hub yn minder as 2 folslein ynfusearje
minuten.

Figuer 13: CFRP-tsjilproduksje mei it RTM-proses

Konklúzje:

Troch it brûken fan koalstoffaser tsjillen wurdt it gewicht fan 'e tsjillen
signifikant fermindere, wêrtroch sportauto's superieure prestaasjes berikke kinne
handlingprestaasjes. Mei legere traachheid, koalstoffaser tsjillen
ferbetterje stjoerrespons en traksje, wat resulteart yn rapper
fersnelling en remmen.

Fierder is eangst foar ôfstân in wichtige soarch foar in protte
potinsjele konsuminten by it beskôgjen fan 'e oankeap fan in
elektrysk auto. Wylst it rydberik fan in elektrysk auto
hinget foaral ôf fan 'e batterij, oare faktoaren hawwe ek in ynfloed
ynfloed. Lichtgewicht koalstoffaser tsjillen kinne sterk ferminderje
enerzjyferbrûk feroarsake troch tsjilrotaasje tidens
fersnelling of fertraging, wêrtroch it rydberik fan maksimalisearre wurdt
elektryske auto's.

 

jannewaris 6, 2024