Blog

Könnyű szénszálas kerekek elemzése az új energiához
Járművek

Új energia járművek szénszálas kerék könnyűsúlyú
Elemzés

2023-07-11 06:59:49

Bevezetés
Az új energiahordozós járművek fokozatosan felváltják a hagyományos üzemanyag-
motoros autók. Az elektromos járművek hatótávolsága a
a legnagyobb fejlesztési akadály, ami a könnyítést
különösen fontos.

A környezetvédelem iránti növekvő igény és a
energiahatékonyság, a globális autóipar a következő célokat tűzte ki maga elé
különféle könnyűszerkezetes megoldások. A súlycsökkentés igénye
a rugózatlan tömegben különösen szembetűnő, és mint egy
fontos összetevője a rugózatlan tömegnek, a kerekek a
a jármű össztömegének jelentős része. Egy
hatékony módja a súlycsökkentésnek a szén-dioxid felhasználása
szálcsiszolt kerekek. A nyersanyag- és gyártási költségek csökkenésével,
szénszálas kerekek, amelyek egykor drágák voltak, és csak akkor használtak
a luxus vagy ultraluxus modellekben, fokozatosan egyre inkább
elérhető.

1. ábra: Szénszálas kerék

A CFRP alkalmazási kilátásai az autóiparban
A szénszál egy könnyű, nagy szilárdságú és nagy modulusú
szálas anyag. Sűrűsége kisebb, mint a fémé, de 16-szor nagyobb, mint a fémé.
erősebb, mint az acél. Young-modulusa 2-3-szor nagyobb.
mint a hagyományos üvegszálak, miközben megmarad a rugalmassága
szálak.

Az alumínium könnyűfém keréktárcsák jellemzően 15 kilogramm körüli súlyúak,
míg a szénszálas kerekek 8 kilogrammra csökkenthetik a súlyt,
így a szénszálas kerekek valódi "súlycsökkentő eszközzé" válnak.

Könnyű súlya és nagy szilárdságú tulajdonságai miatt a szén-dioxid
szál mindig is kedvelt anyag volt az autóiparban.
gyártás. A kerekek alkalmazásán kívül a szénszálas
az autóipari hajtásláncokban, laprugókban, szerkezetekben is használják,
és testek, biztosítva a megfelelő szilárdságot és merevséget, miközben
a járművek súlyának és energiafogyasztásának csökkentése.
A "2021 Automotive Carbon Fiber Market" című tanulmány szerint
Research Report" által közzétett MarketaaWatch, a globális
autóipari szénszálas piac mérete elérte közel $160
2020-ban. 2021 és 2027 között a globális gépjárműipari
szénszálas piac várhatóan fenntartani egy vegyület
5% feletti éves növekedési ütem.

A szénszálas anyagok alkalmazása a gépjárművekben nem
csak a könnyítés és az energiafogyasztás csökkentése érdekében, de
a jármű biztonsági teljesítményének javítására is. Összehasonlítva
hagyományos alumínium ötvözetből készült kerekek, szénszálas kerekek
könnyebb, erősebb, fémfáradástól mentes, és lényegesen
csökkenti a zajt. A szénszálas keréktárcsák piaca Kínában
óriási potenciál, de a szénszálak széles körű alkalmazása
kerekek elsősorban a költségmegfontolásoktól függ.

2. ábra: A szénszálak iránti kereslet előrejelzése az autóiparban
Szektor

A folyamatos fejlesztéssel és a nagyüzemi termeléssel
a szénszálas gyártási technológia, a szénszálak költségei
rost fokozatosan csökken. A hagyományos szénszálas
prekurzor főleg poliakrilnitril (PAN) nyersanyagból készül.
anyag, ami mindig is költséges volt. Azonban azáltal, hogy
aszfalt-alapú, polietilén és egyéb anyagok előállításához.
prekurzor, a szénszálak költségei többel csökkenthetőek
mint a 30%. Például a Carbon Revolution, egy ausztrál
cég, szénszálas kerekeket gyárt, szénszálas keréktárcsák
szénszál gyantával, nagyüzemi gyártás elérése és
a szénszálas kerekek költségének a szénszálas kerekekéhez közeli szintre csökkentése
alumínium kerekek.

A kínai kormány megfelelő politikákat hajtott végre a következők érdekében
a hazai előállítású termékek széles körű alkalmazásának előmozdítása
nagy teljesítményű szénszál. 2021 márciusában a "14.
A nemzeti gazdasági és szociális ötéves terv
Fejlődés és hosszú távú célok 2035-ig" címmel jelent meg,
amely hangsúlyozta a kutatás megerősítésének szükségességét,
a nagy teljesítményű szálak, mint például a
mint a szénszálak és kompozitjaik. Ez kedvező
a technológiai fejlődés politikai környezetét a
szénszálas ipar a jövőben.

Az új energiahordozójú járművek fejlődése megállíthatatlan, és
a szénszálas kerekek alapfelszereltséggé válhatnak az új
energiahordozó járművek.

A CFRP-kerekek és a fémkerekek összehasonlítása:

Mivel a találmány az autók 1886-ban, amely egy története
több mint 100 év alatt az autók kerekei a következőktől fejlődtek
fa anyagoktól a modern fém anyagokig. Az általánosan
a modern autókban használt kerékanyagok közé tartoznak az acél keréktárcsák,
alumínium könnyűfém keréktárcsák, magnézium könnyűfém keréktárcsák, és az utóbbi időben
években, szénszálas kerekek jelentek meg, különösen a
szuperautók.

Acélkerekek: Az acélkerekek elsősorban vasból és más
fémek a szívósság fokozása érdekében. Előnyeik a következők
nagyobb szívósság, kiváló ütésállóság és jó terhelhetőség.
teherbírás. Ezenkívül viszonylag olcsók.
Az acélkerekeknek azonban van néhány hátrányuk, mint például
rozsdásodásra való hajlam, rossz hőelvezetés, nagy súly és
fékezési és kezelési korlátozások.

Alumínium ötvözött kerekek: Az alumínium a fő összetevője
alumínium ötvözetből készült kerekek, valamint olyan elemek, mint az antimon,
szilícium és magnézium az általános teljesítmény javítása érdekében. A
gyártási folyamat alumínium ötvözött kerekek több
összetettebb, mint az acélkerekeké, több feldolgozási lépéssel.
Az alumínium ötvözetből készült kerekek nagyobb összteljesítményt mutatnak, és
jelentős súlycsökkentés. Az alacsonyabb sűrűségű
alumínium ötvözetből készült, gyorsabb gyorsulást, jobb hőhatást
disszipáció, és alkalmasak városi útviszonyokra.
Az alumínium ötvözött kerekek azonban viszonylag alacsonyabb
szívósság, ütésállóság és fáradásállóság, így
alkalmatlanok az olyan zord környezetekre, mint a terepjáró
feltételek.

Magnézium-alumínium ötvözött kerekek: Az alumíniummal összehasonlítva,
a magnéziumnak kisebb a sűrűsége, és a szénszálakhoz hasonlít.
kompozit anyagok. Magnézium-alumínium könnyűfém keréktárcsák
elsődleges összetevője a magnézium, valamint a
alumínium, cink, mangán és más elemek. Ezek biztosítják
jobb rugalmasság, gyorsabb hőelvezetés és erősebb ütésállóság
abszorpciós képességek. Ezek a következők továbbfejlesztett változatai
alumíniumötvözetből készült kerekek a szívósság szempontjából. Azonban,
a magnézium-alumínium könnyűfém keréktárcsák hajlamosak az oxidációra és a
gyenge korrózióállósággal rendelkeznek.

Szénszálas kerekek: A szénszálas kerekek viszonylag új
típusú kerekek, amelyek az elmúlt években jelentek meg. Ezek egy
tiszta fekete megjelenés, textúrált felülettel, ami egyfajta
magas színvonalú és kifinomult megjelenés. A szénszálas kerekek
nagy teljesítmény, a magnéziumhoz hasonló súly
kerekek, nagy szívósság, kiváló ütésállóság és
korrózió- és oxidációs ellenállás. Jelenleg a következőkben használják őket
motorkerékpárok, hegyi kerékpárok, országúti kerékpárok és autók.

A szénszálas kompozit kerekek előnyei
Az autó kerekei és gumiabroncsai viselik a teljes súlyt, és egy
döntő szerepe van a jármű vezetésében a
sebességváltó tengely. Mint a fő szerkezeti elem, a szén
a szálkompozit kerekek kiváló teherbíró képességgel rendelkeznek
és ütésállóság, kiemelkedő teljesítményt nyújtva
gyorsításkor és nagy terhelés esetén. Továbbá, a szén
szálas kerekek hatékonyan csökkenthetik a tehetetlenséget és gyorsabbá tehetik a
gyorsítás, fékezés és manőverezés miatt csökkentett
súlya.

(1) Könnyebb súly, nagyobb szilárdság

Széles körben ismert, hogy a szénszálas kompozit anyagok
a "könnyű súly" és a súlycsökkentés legjobb módszereként ismerik el.
a gépjárművek számának csökkentése. A szénszál, más néven "fekete
arany," könnyebb, mint az alumínium, ugyanakkor nagyobb szilárdsággal rendelkezik.
mint az acél. Korrózióállóságot és magas modulust mutat.
jellemzői, amelyek nemcsak a súlycsökkentést, hanem a
a jármű szerkezetének megerősítése. Az adatok azt mutatják, hogy a 20-
hüvelykes szénszálas kerék súlya megközelítőleg 7,5 kg, amely
több mint 25% könnyebb, mint egy azonos méretű alumíniumötvözet
kerék. A szilárdság szempontjából a szénszálas kerekek a következőkkel rendelkeznek
körülbelül 30% általános javulás az alumíniumhoz képest
könnyűfém keréktárcsák.

(2) Fokozott teljesítmény és kezelés

Az ausztrál Carbon Revolution kerék márka mérnökei
kijelentették, hogy a kerék tömegének 1 kg-os csökkentése, a
rugózatlan tömege a jármű teljes tömegének csökkentésével egyenértékű.
súlya 15 kg. Minden egyes 10% súlycsökkenés esetén a
a jármű gyorsulási teljesítménye javulhat
körülbelül 8%. Ez azt jelzi, hogy a könnyű kerekek
jobb választ ad a jármű teljesítményére.
A szénszálas kerekek kiváló ütéscsillapítást is biztosítanak,
nagyobb kényelem és jobb kezelhetőség.

(3) Energiahatékonyság és kibocsátáscsökkentés

A rugózatlan tömeg 1 kg-mal való csökkentése szénszálas anyagokkal
a kompozit kerekek a teljes jármű össztömegének csökkentésével egyenértékű.
súlya 15 kg. A 10% súlycsökkentés 6%-hez vezethet.
8% csökkenés az üzemanyag-fogyasztásban és 5% csökkenés a
kibocsátás. Egy olyan forgatókönyvben, amelyben a járművek ugyanannyi
benzin, egy szénszálas kerekekkel felszerelt autó akár
50 km-rel több óránként, mint egy alumíniumötvözetből készült autó esetében.
kerekek. A szénszálas kerekek súlya 60% könnyebb, mint a
az azonos méretű, kovácsolt alumínium ötvözetből készült keréktárcsákéval,
a járművek tömegének csökkentése jelentős környezetvédelmi szempontból
célokra.

(4) Jobb kezelhetőség és kiváló fékteljesítmény

A szénszálas kerekek rugalmassági modulusa akár 200 GPa is lehet.
Minél nagyobb a rugalmassági modulus, annál kisebb a rugalmas
deformáció, miután erőhatásoknak vannak kitéve, ami jobb
kényelem és jobb kezelhetőség. A kerekek cseréje után
könnyű szénszálas, a jármű felfüggesztése
a reakciósebesség észrevehetően javul, ami gyorsabb és
simább gyorsulás és jobb fékteljesítmény.

A szénszálas kompozit kerekek alkalmazási példái
A 2007-ben alapított Carbon Revolution egy globális technológiai
vállalat és Tier 1 OEM beszállító, amely sikeresen
úttörő, kereskedelmi forgalomba hozott, és iparosított nagy teljesítményű
teljesítményű, technológiailag fejlett, könnyű szénszálas szénszálas
kerekek. A luxusautók kerekei mellett a vállalatnak van
bejelentette a 23 és 24 colos karbonszálas, 23 és 24 colos
szálcsiszolt kerekek, amelyek az elektromos teherautók és SUV-k piacát célozzák meg. A
a vállalat koncepcionális és validálási projekteket is folytat.
a Boeing CH-47 Chinook helikopter kerekeihez.

3. ábra: A Carbon Revolution Ultra-Light sorozatú szénszálai
Kerekek

A szénszálas kerekek gyártása nagy
precíziós szénszál rétegezés és nagynyomású öntés
technikák. A Carbon Revolution körülbelül 50 szabadalommal rendelkezik
a szénszálas keréktárcsákkal kapcsolatos termékek és gyártás
folyamatok, és célja a hatékonyság javítása a folyamatok révén
fejlesztések. Ennek érdekében a vállalat kifejlesztette a
magasan automatizált gyártósorok és széles körben alkalmazza a
gépi tanulás és mesterséges intelligencia technológiák
a gyártási folyamat optimalizálása. Átlagosan a kerekek
40%-50% könnyebbek, mint a szabványos alumínium keréktárcsák a
piac. Ezenkívül a kerekek tervezhetőek
aerodinamikai formák a légellenállás csökkentése és a hatótávolság növelése érdekében anélkül, hogy
súlyt adva.

Az olasz Bucci Composites cég bemutatta az első 20 hüvelykes
szénszálas keréktárcsa, amelyet kifejezetten a
sport/szupersportkocsi ágazat. Lehetővé teszi a kerék rögzítését a
a hagyományos módon, kiküszöbölve a csavarnyomaték kockázatát
lazítás. Ez biztosítja, hogy az ultrakönnyű szénszálas kerekek
ugyanolyan könnyen összeszerelhetők és karbantarthatók, mint a hagyományos kerekek. A címre
a magas hőmérsékletek kezelésére, különösen akkor, ha
a szénkerámia fékek használata esetén a keréktárcsa belső oldala
kerámiaréteggel bevonva, amely védi a szénszálakat és a
lehetővé teszi a keréktárcsa szélsőséges hőmérsékleten történő használatát.

4. ábra: Szénforradalom

A Bucci Composites is felszerelte magát a legmodernebb
gyártási technológia a Cannontól (High-Pressure RTM-
HP-RTM), az egyetlen olyan olaszországi vállalat, amely rendelkezik a technológiával, hogy
további kerékmodellek kifejlesztése az autóipar számára
ipar.

5. ábra: A Cannon HP-RTM technológiai berendezései

A Cannon megoldása magában foglalja a következőkhöz szükséges berendezéseket
nagynyomású RTM eljárás kompozitok gyártására
epoxigyanta mátrixú és szénszálas anyagokat tartalmazó anyagok
megerősítés:

(1) Háromkomponensű E rendszerű nagynyomású adagolóegység a következőkhöz
epoxigyanta formuláció, amely egy LN10 háromkomponensű
keverőfej és a kimeneti arányok zárt hurkú szabályozása.

(2) Rövid löketű sajtolóprés szorítópréssel
25.000 kN erő, 3,6×2,4 m-es nyomólemezek, és nagymértékben
precíz párhuzamossági aktív vezérlés a formázott laposság biztosítása érdekében
alkatrészek.

6. ábra: Bucci Composites 20"-os szénszálas kereke

A neves brit autógyártó Bentley nemrég
innovatív, teljesen szénszálas keréktárcsákat mutatott be a Bentley modelljéhez
A Bucci Composites által kifejlesztett Bentayga SUV. A 22 colos
szénszálas kerekek lett a legnagyobb szénszálas kerekek
valaha gyártott, garantálja az innovatív designt és a kivételes
teljesítmény, miközben 6 kg-os súlycsökkentés érhető el
kerék.

7. ábra: Bucci által a Bentley számára kifejlesztett 22"-os kerekek

Az Egyesült Államokban székhellyel rendelkező Vision Wheel egy új
az IDI-vel együttműködésben kifejlesztett szénszálas kerék
Composites International és kompozit anyagok szövése
szakértő A&P Technology. Az egyes kerekek ára $2,000 vagy
még alacsonyabb.

Egy másik amerikai cég, az ESE Carbon, elindította az E2
integrált szénszálas kompozit kerekek az utópiacon,
Tesla Model S, Tesla Model 3 és Subaru WRX STI kiszolgálása
járművek.

Az E2 kerekek fejlett, innovatív, testre szabott szálakat használnak.
behelyezés (TFP) és a nagynyomású gyantainfúziós technológia,
a teljesítmény, tartósság, hatékonyság és innováció kombinációja
a szénszálas szálak szépségével, kiváló minőséget biztosítva
utángyártott kerekek.

Minél könnyebbek a kerekek, annál kisebb a forgási tehetetlenségi tényező, így
kevesebb erő szükséges a kerekek előre mozgatásához. Mivel a
prémium szénszálas kompozit kerék, az E2 jelentős mértékben
csökkenti a súlyt az alumínium- és acélkerekekhez képest. Vizsgálatok
kimutatták, hogy minden egyes kerékkel 10 font súlyt lehet megtakarítani,
ami 5,3% körsebesség-növekedést eredményezett.

Egyszerűbben fogalmazva, a könnyebb tárgyaknak kevesebb munkára van szükségük a lassításhoz.
és állj meg. Az E2 szénszálas kerekek 45%-tal könnyebbek, mint a
egyenértékű acél vagy alumínium kerekek. A vizsgálatok kimutatták, hogy az E2
a kerekek csökkenthetik a fékezési és lassítási távolságot 60 km/órás sebességről
1 mérföldre 3,6%.

A rugózatlan tömeg csökkentése minimalizálja a jármű által kifejtett erőket.
felfüggesztés, hogy a kerekek szilárdan az úton maradjanak. Minden E2
szénszálas kerék akár 10 font rugózatlan súlyt is csökkenthet
súlyt a rendszerből, javítva a felfüggesztés teljesítményét.
A gumiabroncsok érintkezésének javulása a gumiabroncsok jobb
a kormányzás reakciója és érzékenyebb kezelhetőség. Akár
az úton vagy a pályán, az E2 szénszálas keréktárcsák az Ön vezetését
élményt egy teljesen új szintre emeli.

Közúti tesztelés

Évekig tartó prototípus tesztelés után az E2, a legtechnológiailag legfejlettebb
fejlett autóipari kerékagy, amelyet valaha is kifejlesztettek, már
létrehozott. A rendkívül fejlett modellezéssel, a végeselemek használatával
elemanalízis segítségével az ESE kompozit mérnöki csapata képes
megjósolni a kerék reakcióját a valós körülmények között.
forgatókönyvek. Ezzel a rengeteg adattal az ESE kerekei alávetik magukat
laboratóriumi és terepi körülmények között is tesztelték, validálták a
szilárdság, biztonság és teljesítmény.

Radiális ütésvizsgálat
A radiális ütközésvizsgálat a kerék stabilitását értékeli, ha
kátyúkkal vagy nagy akadályokkal való találkozás, hogy megelőzze a súlyos
sérülés vagy meghibásodás. Mivel az útviszonyok nem mindig tökéletesek,
Az E2 kerekek szigorú teszteken mentek keresztül, hogy ellenálljanak a tipikus
közúti veszélyek, és bizonyítottan jobbak, mint az egyenértékű acélból készült
és alumínium kerekek.

A járdaszegélyre gyakorolt hatásvizsgálat
A járdaszegélyre gyakorolt hatásvizsgálat döntő fontosságú értékelés a következők hatásainak felméréséhez
a járművet szimuláló, statikus felületre történő ismételt ütközések
előre meghatározott sebességgel járdaszegélynek vagy más rögzített tárgyaknak ütközik.
Még alacsony sebességnél is a járdaszegélyek és a kerekek közötti érintkezés
jelentős ütőerőket generál. E2 szénszálas kerekek
úgy tervezték és alaposan tesztelték, hogy ellenálljanak a meghibásodásoknak.
romboló helyzetekben, mint például a járdaszegélyek ütközése.

SAE J3204 vizsgálat

Az E2 átfogó tesztelésen esett át, és a következőre vár.
SAE J3204 szerinti tanúsítás, egy új gyártási folyamat a
kompozit anyagú kerekek. Az ESE szorosan együttműködik
a Society of Automotive Engineers (SAE), hogy segítsen létrehozni a
a kompozit anyagokból készült kerekekre vonatkozó szabványok és referenciaértékek. A oldalon.
az ESE E2 szénszálas keréktárcsák meghaladják az SAE minimálisan előírt
ajánlások.

A fémkerékhez hasonlóan az SAE a tartóssággal kapcsolatos aggályokat is kezeli.
a kompozit anyagból készült kerekek esetében különböző fáradási és
ütésvizsgálatok. Az SAE új követelményeket is bevezetett a következőkre
a kompozitok egyedi környezeti hatásainak kezelése
anyagok.

11. ábra: A nagyvállalatok által elfogadott E2 szénszálas kerekek
autóipari gyártók világszerte.

Az E2 szénszálas kerekeket a legkorszerűbb
Tailored Fiber Placement (TFP) technológia. Szénszál
a rétegezés hagyományosan munkaigényes folyamat, amely magában foglalja a következő folyamatokat
szénszálas szövet vágása és kézi formázása műgyantára
penész. Ez túlzott pazarlást és kézi munkát eredményezett.
szűk keresztmetszeteket okozhat a termelésben.

12. ábra: Testreszabott szálelhelyezés (TFP)

A TFP az optimális szerkezeti teljesítményt a következők alkalmazásával éri el
gépek, amelyek a szénszálakat precízen elrendezik és összevarrják
pozíciók. Ez csökkenti a rétegezés idejét 50% és az anyagot
80% által termelt hulladék. Ez lehetővé teszi az ESE számára a tervezés optimalizálását is.
a szálak pontos elhelyezése és orientációja révén
a szénszálas kerekek görbületeinek és küllőknek a befogadására.
Ez növeli az E2 karbon szilárdságát és tartósságát.
szálas kerekek, amelyek lehetővé teszik a terhek hatékony kezelését és a
hangsúlyozza.

Az E2 egy szabadalmaztatott gyantatranszfer-formázást is használ.
(RTM) eljárással és epoxigyanta rendszerrel gyártják a
keréktárcsák, amelyek nagyobb szilárdságot és fáradtságot biztosítanak a keréktárcsáknak.
ellenállás. Az ESE a legmagasabb minőségű, leggyorsabban keményedő
gyanta, amely páratlan teljesítményt nyújt az iparágban vezető áron.
Tg (üvegesedési) hőmérséklet akár 212°C. A szál-
az ESE gyanta-tartalom aránya 60%, minimális hézagtartalommal
2% tartalma, ami az egyik legjobb az iparágban.
Ezenkívül az ESE kevesebb, mint 2 perc alatt képes teljesen feltölteni a hubot.
percek.

13. ábra: CFRP kerékgyártás RTM eljárással

Következtetés:

A szénszálas kerekek használatával a kerekek súlya
jelentősen csökkent, lehetővé téve a sportkocsik számára, hogy kiváló
kezelési teljesítmény. Alacsonyabb tehetetlenségi tehetetlenséggel, szénszálas kerekek
javítja a kormányzási reakciót és a tapadást, ami gyorsabbá teszi a
gyorsítás és fékezés.

Továbbá a hatótávolságtól való félelem sokak számára jelentős aggodalomra ad okot.
a potenciális fogyasztók, amikor fontolóra veszik egy
elektromos jármű. Míg az elektromos járművek hatótávolsága
elsősorban az akkumulátortól függ, de más tényezők is befolyásolják a
hatás. A könnyű szénszálas kerekek jelentősen csökkenthetik
a kerék forgása által okozott energiafogyasztás
gyorsítás vagy lassítás, maximalizálva a vezetési tartományt a
elektromos járművek.

 

január 6, 2024