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新エネルギー用軽量炭素繊維ホイールの分析
車両

新エネルギー車 炭素繊維ホイール 軽量化
分析

2023-07-11 06:59:49

はじめに
新エネルギー自動車は、従来の燃料自動車に取って代わりつつある。
電気自動車電気自動車の航続距離は
軽量化が最大の開発障害に
特に重要だ。

環境保護への要求の高まりと
世界の自動車産業は、エネルギー効率を追求している。
多様な軽量化ソリューション。軽量化の必要性
バネ下重量の増加が特に顕著であり、バネ下重量の増加として
バネ下質量の重要な構成要素であるホイール
は、車両重量全体のかなりの割合を占めている。ひとつは
軽量化の効果的な方法は、カーボンを使用することである。
ファイバー・ホイール原材料と製造コストが下がるにつれて
カーボン・ファイバー製ホイールは、かつては高価で使用されているだけだった。
高級モデルや超高級モデルは、徐々にその傾向が強まっている。
にアクセスできる。

図1：カーボン・ファイバー・ホイール

自動車分野におけるCFRPの応用展望
炭素繊維は軽量、高強度、高弾性率である。
繊維素材。密度は金属より低いが、その16倍である。
鋼鉄よりも強い。ヤング率は2～3倍高い。
従来のグラスファイバーよりも、柔軟性を維持したまま
繊維の。

通常、アルミ合金ホイールの重量は約15キログラム、
一方、カーボンファイバー製ホイールは8kgまで軽量化できる、
カーボン・ファイバー・ホイールは真の "軽量化ツール "である。

軽量で高強度という特性から、カーボンは
繊維は常に自動車の素材として好まれてきた。
製造している。ホイール用途に加え、カーボンファイバー
は自動車の駆動系、板バネ、構造物にも使用されている、
とボディに、十分な強度と剛性を確保しながらも
自動車の軽量化とエネルギー消費の削減。
2021年自動車用炭素繊維市場」によると
調査レポート：MarketaaWatch
自動車用炭素繊維の市場規模は約$160に達する
2020年には100万ドルに達する。2021年から2027年までの世界の自動車産業
炭素繊維市場は今後も複合繊維を維持すると予想される
年間成長率は5%を超える。

炭素繊維材料の自動車への応用は、次のようなものではない。
軽量化とエネルギー消費削減のためだけでなく
また、自動車の安全性能を向上させるためでもある。と比較すると
従来のアルミ合金ホイールに比べ、カーボンファイバーホイールは
より軽く、より強く、金属疲労から解放される。
騒音を減らす。中国の炭素繊維ホイール市場は
大きな可能性を秘めているが、炭素繊維の普及
ホイールは主にコスト面を考慮したものである。

図2：自動車における炭素繊維の需要予測
セクター

継続的な改善と大規模生産により
炭素繊維製造技術の進歩により、炭素繊維のコストは大幅に上昇した。
繊維は徐々に減少している。従来の炭素繊維
プリカーサーは主にポリアクリロニトリル（PAN）から作られる。
材料は常に高価であった。しかし
アスファルト系、ポリエチレン系、その他の素材を使用している。
プリカーサーを使用することで、炭素繊維のコストをさらに下げることができる。
30%よりも。例えば、オーストラリアのカーボン・レボリューション社は
は、カーボンファイバー製ホイールを製造している。
炭素繊維を樹脂で固め、大量生産を実現
カーボン・ファイバー製ホイールのコストを
アルミホイール

中国政府は、以下のような関連政策を実施している。
国産車の普及を促進する
高性能炭素繊維。2021年3月、「第14回
国家経済社会5ヵ年計画
2035年に向けた開発と長期目標』が発表された、
と、研究強化の必要性を強調した、
などの高機能繊維の開発および応用に取り組んでいる。
炭素繊維とその複合材料として。そのため
の技術的進歩のための政策環境
将来の炭素繊維産業

新エネルギー車の開発はとどまるところを知らない。
カーボンファイバーホイールが新車の標準装備になるかもしれない
エネルギー自動車。

CFRPホイールと金属ホイールの比較：

1886年に自動車が発明されて以来、その歴史は続いている。
100年以上にわたって、自動車のホイールは次のような進化を遂げてきた。
木製のものから近代的な金属製のものまで。一般的な
現代の自動車に使用されているホイール素材には、スチールホイールがある、
アルミ合金ホイール、マグネシウム合金ホイール、そして最近では
カーボン・ファイバー・ホイールは、特に次のような分野で台頭してきている。
スーパーカー

スチール・ホイール：スチールホイールは、主に鉄とその他の材料で作られている。
靭性を高めるための金属である。これらの金属には次のような利点がある。
より高い靭性、優れた耐衝撃性、優れた耐荷重性。
耐えられる。さらに、比較的安価である。
しかし、スチールホイールには次のような欠点がある。
錆びやすい、放熱性が悪い、重量が重い、そして
ブレーキングとハンドリングに関する制限。

アルミ合金ホイール：アルミニウムは
アルミニウム合金ホイール、アンチモンのような元素とともに、
珪素、マグネシウムが全体的なパフォーマンスを向上させる。その
アルミ合金ホイールの製造工程は、より複雑である。
スチール・ホイールよりも加工工程が多く、複雑である。
アルミ合金ホイールは、より高い総合性能と
大幅な軽量化の密度が低いためである。
アルミニウム合金は、より速い加速、より良い熱を提供します。
都市部の道路状況に適している。
しかし、アルミ合金ホイールは比較的低い。
靭性、耐衝撃性、耐疲労性に優れている。
オフロードのような過酷な環境には不向きである。
という条件がある。

マグネシウム・アルミニウム合金ホイール：アルミニウムとの比較、
マグネシウムは密度が低く、カーボンファイバーに似ている。
複合材料。マグネシウム・アルミニウム合金ホイール
とともに、マグネシウムを主成分としている。
アルミニウム、亜鉛、マンガン、その他の元素。これらの元素は
より優れた弾力性、より速い放熱性、より強い衝撃性
吸収能力である。の強化版である。
強靭さという点ではアルミ合金ホイール。しかし
マグネシウム・アルミニウム合金のホイールは酸化しやすい。
は耐食性に劣る。

カーボンファイバーホイールカーボンファイバー製ホイールは比較的新しいものである。
近年登場したホイールの一種だ。このホイールには
真っ黒な外観で、表面はテクスチャー加工が施されている。
ハイエンドで洗練された外観。カーボンファイバー製ホイールは
強力なパフォーマンス、マグネシウムに匹敵する重量
ホイール、高い靭性、優れた耐衝撃性、そして
耐腐食性と耐酸化性。現在、以下の分野で使用されている。
オートバイ、マウンテンバイク、ロードバイク、自動車。

炭素繊維複合材ホイールの利点
クルマのホイールとタイヤは全体重を支え、次のような役割を果たしている。
の作用下で車両を運転する上で重要な役割を果たす。
トランスミッションアクスルコア構造部品として、カーボン
ファイバーコンポジットホイールは優れた耐荷重性を持つ
耐衝撃性に優れ、卓越した性能を発揮
加速時や高負荷時に。さらに、カーボン
ファイバー・ホイールは慣性を効果的に低減し、高速化を可能にする。
加速、ブレーキング、操縦性が低下する。
重量だ。

(1) 軽量、高強度

カーボンファイバー複合材料は、以下のような特徴があることは広く知られている。
軽量 "と "重量 "のための最良の方法として認められている。
自動車の軽量化炭素繊維は「ブラック」とも呼ばれる。
ゴールド "はアルミニウムより軽く、強度が高い。
鋼鉄よりも。耐食性と高弾性率を示す。
軽量化だけでなく
車体構造の強化。データによると、20
インチのカーボンファイバーホイールの重量は約7.5kgである。
同サイズのアルミニウム合金より25%以上軽い
ホイール強度の点では、カーボンファイバー製ホイールは
アルミニウムと比較して約30%の全体的な改善
アルミホイール。

(2) パフォーマンスとハンドリングの向上

オーストラリアのホイールブランド「カーボン革命」のエンジニアたち
の下で、ホイールの重量を1kg減らすことを明言している。
バネ下質量を減らすことは、車両全体の重量を減らすことに等しい。
重量を15kg減らす。10%軽量化するごとに
自動車の加速性能は、次のように向上する。
約8%。これは、軽量ホイールは
車両の動力性能に対してより良いレスポンスを提供する。
カーボンファイバー製ホイールは衝撃吸収性にも優れている、
快適性が向上し、ハンドリングが改善された。

(3) エネルギー効率と排出削減

カーボンファイバーでバネ下質量を1kg削減
コンポジット・ホイールは、車両全体の重量を減らすことに等しい。
重量を 15 kg 軽減することができる。10%の軽量化は、6%の軽量化につながる。
燃料消費量を8%減少させ、燃費を5%減少させた。
排出量を削減する。自動車が同じ量の燃料を使用するシナリオでは
カーボンファイバーホイールを装着した車は、ガソリンで最高速度まで走行できる。
アルミニウム合金を使用した車と比較すると、時速50kmも速くなる。
ホイール。カーボン・ファイバー・ホイールの重量は、60%と
同サイズの鍛造アルミ合金製ホイールリムのそれ、
自動車の軽量化は環境にとって重要である
を目的としている。

(4) ハンドリングの向上と優れたブレーキ性能

カーボンファイバー製ホイールの弾性率は最大200GPa。
弾性率が高ければ高いほど、弾性率は小さくなる。
力を受けた後に変形することで、より優れた性能を発揮する。
快適性とハンドリングが向上した。ホイールを
軽量カーボンファイバー製サスペンション
応答速度が顕著に向上し、より高速で、より高いパフォーマンスを実現します。
よりスムーズな加速とブレーキ性能の向上。

炭素繊維複合材ホイールの使用例
2007年に設立されたカーボン・レボリューションは、世界的なテクノロジー企業である。
ティア1OEMサプライヤーである。
を開拓し、商業化し、工業化した。
性能、技術的に高度な軽量カーボンファイバー
ホイール高級車用ホイールに加えて、同社は
23インチと24インチのカーボンの開発を発表した。
電動トラックとSUV市場をターゲットにしたファイバーホイール。その
同社はまた、コンセプト・プロジェクトや検証プロジェクトにも取り組んでいる。
ボーイングのCH-47チヌーク・ヘリコプター用ホイール。

図3：カーボン・レボリューションの超軽量シリーズ炭素繊維
ホイール

カーボンファイバー製ホイールの製造には、高い技術が要求される。
精密炭素繊維積層と高圧成形
の技術を持っています。カーボン・レボリューションは約50の特許を保有
カーボンファイバーホイール製品および製造に関する
プロセスを通じて効率化を図る。
を強化した。これを実現するために、同社は次のものを開発した。
高度に自動化された生産ラインと、広範に採用されている
機械学習と人工知能技術で
製造工程を最適化する。平均して、ホイールは
の標準アルミホイールより40%～50%軽い。
市場。さらに、ホイールは
空気抵抗を減らし、航続距離を伸ばすための空力形状。
体重を増やす。

イタリアのブッチ・コンポジット社は、初の20インチを発表した。
カーボンファイバーホイールリム
スポーツ/スーパーカー部門。ホイールを
ハブを従来の方法で使用することで、ボルトトルクのリスクを排除します。
を緩める。これにより、超軽量カーボンファイバーホイール
は、従来のホイールと同様に組み立てやメンテナンスが簡単です。には
特に次のような場合に高温になる。
カーボンセラミックブレーキを使用する場合、ホイールリムの内側は
セラミック層でコーティングされ、カーボンファイバーを保護する。
過酷な温度下でもホイールリムを使用できるようにする。

図4：炭素革命

ブッチ・コンポジット社もまた、最先端の設備を備えている。
キャノンの製造技術（高圧RTM
HP-RTM）は、イタリアで唯一、この技術を持つ会社である。
自動車用ホイールのさらなる開発を続ける
産業だ。

図5：キャノンのHP-RTMプロセス装置

キャノンのソリューションには、以下に必要な機器が含まれている。
複合材を製造する高圧RTMプロセス
エポキシ樹脂マトリックスと炭素繊維を使用した材料
補強：

(1) 3液Eシステム高圧注入ユニット
エポキシ樹脂の配合は、LN10 3液型である。
ミキシングヘッドと出力比のクローズドループ制御。

(2)クランプ式ショートストローク圧縮成形機
25,000kNの力、3.6×2.4mのプレス・プレート、そして高度な
成形品の平坦性を確保する精密な平行度アクティブ制御
の部品だ。

図6：ブッチ・コンポジット社の20″カーボン・ファイバー・ホイール

英国の有名自動車メーカー、ベントレーがこのほど
ベントレーに革新的なオールカーボンファイバーホイールを導入
ブッチ・コンポジットが開発したSUVベンテイガ。22インチ
カーボンファイバーホイールが最大に
革新的なデザインと卓越した性能を保証する。
性能と同時に、1台あたり6kgの軽量化を達成した。
ホイール

図7：ブッチがベントレーのために開発した22インチホイール

米国に本社を置くビジョン・ホイールは、このたび、新しい「Vision Wheel」を発表した。
IDIと共同開発したカーボンファイバーホイール
コンポジット・インターナショナルと複合材料織物
A&Pテクノロジーのエキスパート。各ホイールの価格は$2,000または
さらに低い。

同じくアメリカのESEカーボンは、E2を発表した。
アフターマーケットのカーボンファイバー製複合ホイール、
テスラ・モデルS、テスラ・モデル3、スバル・WRX STIを提供
車両だ。

E2ホイールは、革新的なテーラードファイバーを採用。
配置（TFP）と高圧レジン注入技術、
性能、耐久性、効率性、革新性を兼ね備えている
カーボンファイバーの美しさを生かし、最高級の品質を提供する。
アフターマーケットのホイール。

車輪が軽いほど回転慣性が小さくなる。
車輪を前進させるのに必要な力が少なくなる。そのため
プレミアム・カーボンファイバー複合ホイール、E2
アルミホイールやスチールホイールに比べて軽量化されている。テスト
は、ホイール1つあたり10ポンドの軽量化が可能であることを示している、
その結果、ラップスピードは5.3%向上した。

簡単に言えば、軽い物ほど減速に必要な負荷が少ないということだ。
そして止まる。E2カーボンファイバーホイールは
同等のスチールまたはアルミホイール。テストでは、E2
ホイールは時速60マイルからのブレーキングとコースティングの距離を短縮することができる。
から1マイルまで3.6%。

バネ下重量を減らすことで、車体から受ける力を最小限に抑えることができる。
サスペンションが車輪を路面にしっかりと固定する。各E2
カーボンファイバーホイールは、バネ下重量を最大10ポンド削減できる
システムから重量を軽減し、サスペンション性能を向上させる。
その結果、タイヤの接地性が向上する。
ステアリング・レスポンスと応答性の高いハンドリング。走行中
ロードでもサーキットでも、E2カーボンファイバーホイールがあなたのドライビングをサポートします。
まったく新しいレベルの体験ができる。

ロードテスト

何年にもわたるプロトタイプ・テストを経て、E2は最も技術的に優れた製品に仕上がった。
これまで開発されたことのない先進的な自動車用ホイールハブが登場した。
を作成した。有限要素法による高度なモデリングを採用することで
要素解析により、ESEの複合材エンジニアリング・チームは以下のことが可能です。
実世界のさまざまな状況におけるホイールの反応を予測する。
シナリオこの豊富なデータをもとに、ESEのホイールは次のような作業を行う。
実験室とフィールドの両方でテストを行い、その有効性を検証した。
強度、安全性、パフォーマンス。

ラジアル衝撃試験
ラジアル衝撃試験は、次のような場合にホイールの安定性を評価する。
甌穴や大きな障害物に遭遇した場合、深刻な事態を避けるために
損傷や故障がある。道路状況は必ずしも完璧ではない、
E2ホイールは、一般的なテストに耐える厳しいテストを受けています。
路上の危険性が高く、同等のスチール製よりも優れていることが証明されている。
そしてアルミホイール。

縁石衝突試験
縁石衝突試験は、その影響を評価するための重要な評価である。
車両をシミュレートし、静的な路面に繰り返し衝撃を与える。
所定の速度で縁石などの固定物に衝突する。
低速でも縁石と車輪の接触はある
は大きな衝撃力を発生させる。E2カーボンファイバーホイール
故障に耐えられるように設計され、広範囲にわたってテストされている。
縁石の衝突のような破壊的な状況で。

SAE J3204試験

E2は包括的なテストを受けており、次のテストを待っている。
の新しい製造プロセスであるSAE J3204の認証を取得した。
複合材料ホイールESEは以下と緊密に協力している。
自動車技術者協会（SAE）の設立を支援する。
複合材料ホイールの規格とベンチマーク。において
実際、ESEのE2カーボンファイバーホイールは、SAEの最小値を上回っている。
を推奨している。

金属製ホイールと同様に、SAEは耐久性に関する懸念に対処している。
複合材ホイールのさまざまな疲労と
衝撃試験SAEはまた、次のような新しい要件を導入した。
複合材特有の環境影響への対応
材料

図11：主要メーカーが採用したE2カーボンファイバー製ホイール
世界中の自動車メーカー

E2カーボン・ファイバー・ホイールは、最新技術を駆使して設計されている。
TFP（Tailored Fiber Placement）技術。炭素繊維
レイアップは伝統的に手間のかかる工程であった。
炭素繊維織物を樹脂に裁断し、手作業で成形する。
型である。その結果、過剰な廃棄物が発生し、手作業が必要となった。
生産にボトルネックが生じる可能性がある。

図12: テーラード・ファイバー・プレースメント(TFP)

TFPは、最適な構造性能を達成するために
炭素繊維を正確に配列して縫い合わせる機械
のポジションになります。これにより、レイヤリング時間が50%短縮され、材料
80%による廃棄物。また、ESEは設計を最適化することができます。
ファイバーの正確な配置と配向によって
カーボンファイバーホイールの曲率とスポークに対応。
これにより、E2カーボンの強度と耐久性が向上している。
ファイバー・ホイールは、効率的に荷重を管理することができる。
を強調する。

E2はまた、独自の樹脂トランスファー成形を採用している。
(RTM）プロセスとエポキシ樹脂システムによって製造される。
ハブは、より高いホイールリム強度と疲労を提供します。
抵抗力ESEは、最高品質で最速硬化の
樹脂を使用し、業界トップクラスの性能で比類のないパフォーマンスを提供します。
Tg（ガラス転移）温度は212℃まで。ファイバー
ESEの樹脂含有比は60%で、ボイドは極小である。
の含有量は2%であり、業界トップクラスである。
さらに、ESEは2時間以内にハブを完全に注入することができる。
分。

図13：RTMプロセスによるCFRPホイール製造

結論

カーボンファイバーホイールを使用することで、ホイールの重量を軽減することができる。
その結果、スポーツカーは優れた性能を発揮できるようになった。
ハンドリング性能。低慣性カーボンファイバーホイール
ステアリング・レスポンスとトラクションが向上し、スピードが向上する。
加速とブレーキング。

さらに、航続距離への不安は、多くの人にとって重大な問題である。
の購入を検討する際の潜在的な消費者である。
電気自動車電気自動車の航続距離は
主にバッテリーに依存するが、他の要因も影響する。
インパクト軽量カーボンファイバー製ホイールは、衝撃を大幅に軽減することができる。
のホイール回転によるエネルギー消費
加減速を行うことで、走行距離を最大化することができる。
電気自動車

 

1月 6, 2024