Blog

Analisi delle ruote leggere in fibra di carbonio per le nuove energie
Veicoli

Veicoli a energia nuova Ruota in fibra di carbonio Leggera
Analisi

2023-07-11 06:59:49

Introduzione
I veicoli a nuova energia stanno gradualmente sostituendo i tradizionali veicoli a carburante.
auto ad alimentazione elettrica. L'autonomia dei veicoli elettrici è diventata la
più grande ostacolo allo sviluppo, rendendo l'alleggerimento
particolarmente importante.

Con l'aumento della domanda di protezione ambientale e di
efficienza energetica, l'industria automobilistica mondiale sta cercando
diverse soluzioni di alleggerimento. La necessità di ridurre il peso
nella massa non sospesa è particolarmente evidente e come
componente importante della massa non sospesa, le ruote rappresentano
per una percentuale significativa del peso complessivo del veicolo. Uno
Il modo più efficace per ridurre il peso è l'uso del carbonio.
ruote in fibra. Con la diminuzione dei costi delle materie prime e di produzione,
ruote in fibra di carbonio, che un tempo erano costose e venivano utilizzate soltanto
nei modelli di lusso o extralusso, stanno gradualmente diventando più
accessibile.

Figura 1: Ruota in fibra di carbonio

Prospettive di applicazione del CFRP nel settore automobilistico
La fibra di carbonio è un materiale leggero, ad alta resistenza e ad alto modulo.
materiale in fibra. La sua densità è inferiore a quella del metallo, ma è 16 volte superiore a quella del metallo.
più forte dell'acciaio. Il suo modulo di Young è 2-3 volte superiore.
rispetto alla fibra di vetro tradizionale, pur mantenendo la flessibilità che la caratterizza.
di fibre.

In genere, i cerchi in lega di alluminio pesano circa 15 kg,
mentre le ruote in fibra di carbonio possono ridurre il peso a 8 kg,
rendendo le ruote in fibra di carbonio un vero e proprio "strumento di riduzione del peso".

Grazie alle sue proprietà di leggerezza e di alta resistenza, il carbonio
La fibra è sempre stata uno dei materiali preferiti per il settore automobilistico.
produzione. Oltre alle applicazioni sulle ruote, la fibra di carbonio
è utilizzato anche nelle trasmissioni automobilistiche, nelle molle a balestra e nelle strutture,
e corpi, assicurando una resistenza e una rigidità sufficienti, mentre
ridurre il peso e il consumo energetico dei veicoli.
Secondo il rapporto "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Rapporto di ricerca" pubblicato da MarketaaWatch, l'agenzia mondiale di
la dimensione del mercato della fibra di carbonio per autoveicoli ha raggiunto quasi $160
milioni di euro nel 2020. Dal 2021 al 2027, il mercato globale dell'automotive
Si prevede che il mercato della fibra di carbonio manterrà un
tasso di crescita annuale di oltre 5%.

L'applicazione dei materiali in fibra di carbonio nelle automobili non è
solo per l'alleggerimento e la riduzione dei consumi energetici, ma
anche per migliorare le prestazioni di sicurezza del veicolo. Rispetto a
Le tradizionali ruote in lega di alluminio, le ruote in fibra di carbonio sono
più leggeri, più resistenti, privi di affaticamento del metallo e significativamente
ridurre il rumore. Il mercato delle ruote in fibra di carbonio in Cina ha
enorme potenziale, ma l'adozione diffusa della fibra di carbonio
Le ruote dipendono principalmente da considerazioni di costo.

Figura 2: Previsione della domanda di fibra di carbonio nel settore automobilistico
Settore

Con il continuo miglioramento e la produzione su larga scala
della tecnologia di produzione delle fibre di carbonio, il costo delle
fibra sta gradualmente diminuendo. La tradizionale fibra di carbonio
Il precursore è prodotto principalmente a partire da materie prime di poliacrilonitrile (PAN).
materiale, che è sempre stato costoso. Tuttavia, utilizzando
a base di asfalto, polietilene e altri materiali per la produzione del
precursore, il costo della fibra di carbonio può essere ridotto di più
rispetto al 30%. Ad esempio, Carbon Revolution, una società australiana
produce ruote in fibra di carbonio incollando
fibra di carbonio con la resina, ottenendo una produzione su larga scala e una
riducendo il costo delle ruote in fibra di carbonio a un livello vicino a quello delle ruote in fibra di carbonio.
cerchi in alluminio.

Il governo cinese ha attuato politiche rilevanti per
promuovere l'applicazione diffusa di prodotti nazionali
fibra di carbonio ad alte prestazioni. Nel marzo 2021, il "14°
Piano quinquennale economico e sociale nazionale
Sviluppo e obiettivi a lungo termine per il 2035",
che ha sottolineato la necessità di rafforzare la ricerca,
sviluppo e l'applicazione di fibre ad alte prestazioni come le
come la fibra di carbonio e i loro compositi. Questo offre un'occasione favorevole
ambiente politico per l'avanzamento tecnologico del
industria della fibra di carbonio in futuro.

Lo sviluppo dei veicoli a nuova energia è inarrestabile, e
Le ruote in fibra di carbonio potrebbero diventare una caratteristica standard nelle nuove
veicoli energetici.

Confronto tra ruote in CFRP e ruote in metallo:

Dall'invenzione delle automobili nel 1886, che ha una storia
di oltre 100 anni, le ruote delle automobili si sono evolute da
materiali in legno ai moderni materiali metallici. I materiali comunemente
I materiali utilizzati per le ruote delle auto moderne sono le ruote in acciaio,
cerchi in lega di alluminio, cerchi in lega di magnesio e, negli ultimi tempi, cerchi in lega di
anni, le ruote in fibra di carbonio sono emerse, in particolare in
supercar.

Ruote in acciaio: Le ruote in acciaio sono realizzate principalmente in ferro e altri
metalli per aumentare la tenacità. Hanno i vantaggi di
maggiore tenacità, eccellente resistenza agli urti e buona capacità di carico.
capacità portante. Inoltre, sono relativamente economici.
Tuttavia, le ruote in acciaio presentano alcuni svantaggi, come ad esempio
suscettibilità alla ruggine, scarsa dissipazione del calore, peso elevato e
limitazioni alla frenata e alla manovrabilità.

Ruote in lega di alluminio: L'alluminio è il componente principale di
cerchi in lega di alluminio, oltre a elementi come l'antimonio,
silicio e magnesio per migliorare le prestazioni complessive. Il
processo di produzione delle ruote in lega di alluminio è più
complesso rispetto a quello delle ruote in acciaio, con più fasi di lavorazione.
Le ruote in lega di alluminio offrono prestazioni complessive più elevate e
una significativa riduzione del peso. Grazie alla minore densità di
in lega di alluminio, offrono un'accelerazione più rapida, un migliore calore
dissipazione e sono adatti alle condizioni stradali urbane.
Tuttavia, i cerchi in lega di alluminio hanno un valore relativamente più basso
tenacità, resistenza all'urto e alla fatica, rendendo
non sono adatti ad ambienti difficili come i percorsi fuoristrada.
condizioni.

Ruote in lega di magnesio e alluminio: Rispetto all'alluminio,
Il magnesio ha una densità inferiore ed è simile alla fibra di carbonio.
materiali compositi. Cerchi in lega di magnesio e alluminio
includono il magnesio come componente principale, insieme a
alluminio, zinco, manganese e altri elementi. Forniscono
migliore elasticità, più rapida dissipazione del calore e maggiore resistenza agli urti.
capacità di assorbimento. Sono una versione migliorata di
cerchi in lega di alluminio in termini di robustezza. Tuttavia,
I cerchi in lega di magnesio e alluminio sono soggetti ad ossidazione e a
hanno una scarsa resistenza alla corrosione.

Ruote in fibra di carbonio: Le ruote in fibra di carbonio sono un prodotto relativamente nuovo
tipo di ruote apparse negli ultimi anni. Hanno un
aspetto nero puro con una superficie testurizzata, che conferisce loro un aspetto
look sofisticato e di alto livello. Le ruote in fibra di carbonio offrono
prestazioni potenti, peso paragonabile a quello del magnesio
ruote, elevata tenacità, eccellente resistenza agli urti e
resistenza alla corrosione e all'ossidazione. Sono attualmente utilizzati in
motociclette, mountain bike, biciclette da strada e automobili.

Vantaggi delle ruote in composito di fibra di carbonio
Le ruote e i pneumatici di un'auto sopportano l'intero peso e svolgono un ruolo importante per la sicurezza.
ruolo cruciale nella guida del veicolo sotto l'azione della
asse di trasmissione. Come componente strutturale principale, il carbonio
le ruote in fibra composita possiedono un'eccellente capacità di carico
e resistenza agli urti, offrendo prestazioni eccezionali
durante le accelerazioni e i carichi pesanti. Inoltre, il carbonio
Le ruote in fibra possono ridurre efficacemente l'inerzia e consentire una più rapida
accelerazione, frenata e manovra a causa della loro ridotta
peso.

(1) Peso ridotto, maggiore resistenza

È ampiamente noto che i materiali compositi in fibra di carbonio sono
riconosciuto come il metodo migliore per la "leggerezza" e il peso
riduzione delle emissioni di CO2 nelle automobili. La fibra di carbonio, nota anche come "nero
oro", è più leggero dell'alluminio pur avendo una maggiore resistenza.
rispetto all'acciaio. Presenta una resistenza alla corrosione e un modulo elevato.
caratteristiche, consentendo non solo di ridurre il peso ma anche di
rafforzamento della struttura del veicolo. I dati mostrano che un 20-
La ruota in fibra di carbonio da 5 pollici pesa circa 7,5 kg, che è
più di 25% più leggero di una lega di alluminio di dimensioni equivalenti
ruota. In termini di resistenza, le ruote in fibra di carbonio presentano una
miglioramento complessivo di circa 30% rispetto all'alluminio
cerchi in lega.

(2) Prestazioni e maneggevolezza migliorate

Ingegneri del marchio australiano di ruote Carbon Revolution
hanno dichiarato che la riduzione del peso di una ruota di 1 kg, in condizioni di
massa non sospesa, equivale a ridurre la massa complessiva del veicolo.
di 15 kg. Per ogni 10% di riduzione del peso, il
Le prestazioni di accelerazione del veicolo possono migliorare
circa 8%. Ciò indica che le ruote leggere possono
fornire una migliore risposta alle prestazioni di potenza del veicolo.
Le ruote in fibra di carbonio offrono anche un eccellente assorbimento degli urti,
maggiore comfort e migliore maneggevolezza.

(3) Efficienza energetica e riduzione delle emissioni

Riduzione della massa non sospesa di 1 kg grazie alla fibra di carbonio
ruote in materiale composito equivale a ridurre il peso complessivo del veicolo.
di 15 kg. Una riduzione di peso di 10% può tradursi in una riduzione di peso di 6%-.
8% di riduzione del consumo di carburante e 5% di riduzione del consumo di carburante.
emissioni. In uno scenario in cui i veicoli utilizzano la stessa quantità di
benzina, un'auto equipaggiata con ruote in fibra di carbonio può viaggiare fino a
a 50 km all'ora in più rispetto ad un'auto con lega di alluminio
ruote. Il peso delle ruote in fibra di carbonio è 60% più leggero di quello delle ruote in fibra di carbonio.
quello dei cerchi in lega di alluminio forgiato della stessa dimensione,
che rende la riduzione del peso dei veicoli significativa per l'ambiente
scopi.

(4) Maneggevolezza migliorata e prestazioni di frenata superiori

Le ruote in fibra di carbonio offrono un modulo elastico fino a 200 GPa.
Più alto è il modulo elastico, più piccolo è l'elastico
deformazione dopo essere stati sottoposti a forze, con conseguente migliore
comfort e una migliore maneggevolezza. Dopo aver sostituito le ruote con
leggere in fibra di carbonio, le sospensioni del veicolo
La velocità di risposta migliora sensibilmente, portando a una maggiore rapidità di
accelerazione più fluida e prestazioni di frenata migliorate.

Esempi di applicazione delle ruote in composito di fibra di carbonio
Fondata nel 2007, Carbon Revolution è un'azienda tecnologica globale che si occupa di
e fornitore OEM Tier 1, che ha avuto successo
pionieristico, commercializzato e industrializzato ad alta
prestazioni, fibra di carbonio leggera e tecnologicamente avanzata
ruote. Oltre alle ruote per auto di lusso, l'azienda ha
ha annunciato lo sviluppo di modelli in carbonio da 23 e 24 pollici.
ruote in fibra che si rivolgono ai mercati dei camion e dei SUV elettrici. Il
L'azienda sta anche intraprendendo progetti concettuali e di convalida
per le ruote degli elicotteri CH-47 Chinook della Boeing.

Figura 3: Fibra di carbonio della serie Ultra-Light di Carbon Revolution
Ruote

La produzione di ruote in fibra di carbonio richiede un'elevata
stratificazione di precisione della fibra di carbonio e stampaggio ad alta pressione
tecniche. Carbon Revolution detiene circa 50 brevetti
relativi ai prodotti e alla produzione di ruote in fibra di carbonio
e mira a migliorare l'efficienza attraverso i processi
miglioramenti. Per raggiungere questo obiettivo, l'azienda ha sviluppato
linee di produzione altamente automatizzate e impiega in modo estensivo
tecnologie di apprendimento automatico e intelligenza artificiale per
ottimizzare il processo di produzione. In media, le ruote
sono da 40% a 50% più leggeri rispetto alle ruote in alluminio standard.
mercato. Inoltre, le ruote possono essere progettate con
forme aerodinamiche per ridurre la resistenza aerodinamica e aumentare l'autonomia senza
aggiungere peso.

L'azienda italiana Bucci Composites ha presentato il primo modello di 20 pollici
cerchio in fibra di carbonio progettato specificamente per il
settore delle auto sportive/supercar. Consente di fissare la ruota al
mozzo in modo tradizionale, eliminando il rischio di una coppia di serraggio del bullone
allentamento. Questo garantisce che le ruote ultraleggere in fibra di carbonio
sono facili da montare e mantenere come le ruote tradizionali. Per
per affrontare le alte temperature che si incontrano, soprattutto quando
utilizzando freni carboceramici, il lato interno del cerchio della ruota è
rivestito con uno strato di ceramica, che protegge la fibra di carbonio e la
che consente di utilizzare il cerchione a temperature estreme.

Figura 4: Rivoluzione del carbonio

Bucci Composites si è inoltre dotata di un sistema all'avanguardia di
tecnologia di produzione Cannon (High-Pressure RTM-
HP-RTM), l'unica azienda in Italia che dispone della tecnologia per
continuare a sviluppare altri modelli di ruote per il settore automobilistico
industria.

Figura 5: Apparecchiature per il processo HP-RTM di Cannon

La soluzione di Cannon comprende l'attrezzatura necessaria per il
processo RTM ad alta pressione per la produzione di compositi
materiali con una matrice di resina epossidica e fibra di carbonio
rinforzo:

(1) Un'unità di dosaggio ad alta pressione del sistema E a tre componenti per
formulazione di resina epossidica, con un LN10 tricomponente
testa di miscelazione e controllo ad anello chiuso dei rapporti di uscita.

(2) Una pressa per lo stampaggio a compressione a corsa breve con un dispositivo di bloccaggio
forza di 25.000 kN, piastre di pressatura da 3,6×2,4 m e un'elevata
controllo attivo del parallelismo preciso per garantire la planarità dello stampato
parti.

Figura 6: Ruota in fibra di carbonio da 20″ di Bucci Composites

La rinomata casa automobilistica britannica Bentley ha recentemente
ha introdotto innovativi cerchi interamente in fibra di carbonio per le sue Bentley
SUV Bentayga, sviluppato da Bucci Composites. I 22 pollici
ruote in fibra di carbonio è diventato il più grande ruote in fibra di carbonio
mai prodotto, garantendo un design innovativo e un'eccezionale
prestazioni, ottenendo al contempo una riduzione di peso di 6 kg per
ruota.

Figura 7: Ruote da 22″ sviluppate da Bucci per Bentley

Vision Wheel, con sede negli Stati Uniti, ha presentato un nuovo
ruota in fibra di carbonio sviluppata in collaborazione con IDI
Composites International e la tessitura di materiali compositi
esperto di tecnologia A&P. Il costo di ogni ruota è di $2.000 o
ancora più basso.

Un'altra azienda americana, ESE Carbon, ha lanciato il suo E2
ruote integrate in fibra di carbonio composita nell'aftermarket,
che serve Tesla Model S, Tesla Model 3 e Subaru WRX STI
veicoli.

Le ruote E2 utilizzano un'innovativa fibra su misura.
(TFP) e la tecnologia di infusione di resina ad alta pressione,
che combina prestazioni, durata, efficienza e innovazione
con la bellezza della fibra di carbonio, per offrire una qualità superiore.
ruote aftermarket.

Quanto più leggere sono le ruote, tanto più bassa è l'inerzia rotazionale, con il risultato che
in una minore forza necessaria per far avanzare le ruote. Come
ruota in fibra di carbonio composita di qualità superiore, la E2
riduce il peso rispetto alle ruote in alluminio e acciaio. Prove
hanno dimostrato che ogni ruota può far risparmiare 10 libbre di peso,
con un aumento della velocità sul giro di 5,3%.

In parole povere, gli oggetti più leggeri richiedono meno lavoro per essere decelerati.
e fermarsi. Le ruote E2 in fibra di carbonio sono più leggere di 45% rispetto a
ruote equivalenti in acciaio o alluminio. I test hanno dimostrato che l'E2
le ruote possono ridurre gli spazi di frenata e di arresto a partire da 60 miglia orarie
a 1 miglio da 3,6%.

La riduzione del peso non sospeso riduce al minimo le forze esercitate dalla
per mantenere le ruote ben salde sulla strada. Ogni E2
La ruota in fibra di carbonio può ridurre fino a 10 libbre di peso non sospeso.
peso dal sistema, migliorando le prestazioni delle sospensioni.
Il conseguente miglioramento del contatto con lo pneumatico porta a un miglioramento della
risposta dello sterzo e una maneggevolezza più reattiva. Sia su
su strada o in pista, le ruote in fibra di carbonio E2 portano la guida
un'esperienza del tutto nuova.

Prova su strada

Dopo anni di test sui prototipi, l'E2, il prodotto tecnologicamente più
mozzo ruota per autoveicoli più avanzato mai sviluppato, è stato
creato. Utilizzando una modellazione altamente avanzata con l'impiego di modelli finiti
analisi degli elementi, il team di ingegneria dei compositi di ESE può
prevedere la risposta della ruota in un'ampia gamma di situazioni reali.
scenari. Con questa ricchezza di dati, le ruote di ESE subiscono
test in condizioni di laboratorio e sul campo, convalidando la loro
resistenza, sicurezza e prestazioni.

Prova d'urto radiale
Il test d'impatto radiale valuta la stabilità della ruota quando
buche o ostacoli di grandi dimensioni, per evitare gravi
danni o guasti. Poiché le condizioni stradali non sono sempre perfette,
Le ruote E2 sono state sottoposte a test rigorosi per resistere alle tipiche
pericoli della strada e si sono dimostrati superiori a quelli equivalenti in acciaio.
e ruote in alluminio.

Test di impatto sul cordolo
Il test d'impatto sul marciapiede è una valutazione cruciale per valutare gli effetti
di impatti ripetuti su una superficie statica, simulando il veicolo
colpire i cordoli o altri oggetti fissi a velocità prestabilite.
Anche a basse velocità, il contatto tra i cordoli e le ruote
genera forze d'impatto significative. Ruote in fibra di carbonio E2
sono stati progettati e ampiamente testati per resistere ai guasti
in situazioni distruttive come l'impatto con un marciapiede.

Test SAE J3204

L'E2 è stato sottoposto a test approfonditi ed è in attesa di
certificazione in base alla norma SAE J3204, un nuovo processo di produzione per
ruote in materiale composito. ESE collabora strettamente con
la Società degli Ingegneri Automobilistici (SAE) per contribuire a stabilire
standard e parametri di riferimento per le ruote in materiale composito. In
Infatti, le ruote in fibra di carbonio E2 di ESE superano il valore minimo stabilito dalla SAE.
raccomandazioni.

Analogamente alle ruote in metallo, il sistema SAE affronta i problemi di durata.
per le ruote in materiale composito attraverso varie prove di fatica e di
prove d'urto. La SAE ha inoltre introdotto nuovi requisiti per
affrontare gli impatti ambientali unici dei compositi
materiali.

Figura 11: Ruote in fibra di carbonio E2 adottate dalle principali aziende.
produttori automobilistici di tutto il mondo.

Le ruote E2 in fibra di carbonio sono state progettate utilizzando le più recenti tecnologie di
Tecnologia Tailored Fiber Placement (TFP). Fibra di carbonio
La stratificazione è stata tradizionalmente un processo ad alta intensità di lavoro che ha coinvolto
taglio e stampaggio a mano del tessuto in fibra di carbonio su una resina
muffa. Ciò ha comportato un eccesso di scarti e di lavoro manuale.
possono creare colli di bottiglia nella produzione.

Figura 12: Posizionamento della fibra su misura (TFP)

La TFP raggiunge prestazioni strutturali ottimali utilizzando
macchine per disporre e cucire le fibre di carbonio in precise
posizioni. In questo modo si riducono i tempi di stratificazione di 50% e di materiale
rifiuti da 80%. Consente inoltre a ESE di ottimizzare la progettazione.
attraverso il posizionamento e l'orientamento preciso delle fibre per
adattarsi alla curvatura e ai raggi delle ruote in fibra di carbonio.
Questo migliora la resistenza e la durata del carbonio E2.
ruote in fibra, che consentono di gestire in modo efficiente carichi e
sollecitazioni.

L'E2 utilizza anche uno stampaggio a trasferimento di resina proprietario
(RTM) e il sistema di resine epossidiche per la fabbricazione del
mozzi, che garantiscono una maggiore resistenza del cerchio della ruota e una maggiore resistenza alla fatica
resistenza. ESE impiega la più alta qualità e la più rapida polimerizzazione.
resina, che offre prestazioni impareggiabili ad un prezzo leader nel settore.
Temperatura di transizione vetrosa (Tg) fino a 212°C. La fibra
Il rapporto tra contenuto di ESE e resina è 60%, con un minimo di vuoto
di 2%, che lo rende uno dei migliori del settore.
Inoltre, ESE può infondere completamente l'hub in meno di 2 ore.
minuti.

Figura 13: Produzione di ruote in CFRP con processo RTM

Conclusione:

Utilizzando ruote in fibra di carbonio, il peso delle ruote viene
notevolmente ridotto, consentendo alle auto sportive di raggiungere livelli superiori
prestazioni di maneggevolezza. Con un'inerzia inferiore, le ruote in fibra di carbonio
migliorano la risposta dello sterzo e la trazione, con conseguente maggiore velocità
accelerazione e frenata.

Inoltre, l'ansia da autonomia è una preoccupazione notevole per molti
potenziali consumatori quando valutano l'acquisto di un
veicolo elettrico. Mentre l'autonomia di guida di un veicolo elettrico
dipende principalmente dalla batteria, ma anche altri fattori hanno un'incidenza
impatto. Le ruote leggere in fibra di carbonio possono ridurre notevolmente
consumo di energia causato dalla rotazione delle ruote durante
accelerazione o decelerazione, massimizzando l'autonomia di guida di
veicoli elettrici.

 

6 gennaio 2024