Blogg

Analyse av lette karbonfiberhjul for ny energi
Kjøretøyer

Nye energikjøretøyer Karbonfiberhjul med lav vekt
Analyse

2023-07-11 06:59:49

Innledning
Nye energikjøretøyer erstatter gradvis tradisjonelle drivstoff- og
drevne biler. Rekkevidden til elektriske kjøretøy har blitt den
største utviklingshinderet, noe som gjør lettvekt
spesielt viktig.

Med den økende etterspørselen etter miljøbeskyttelse og
energieffektivitet, søker den globale bilindustrien etter
ulike lettvektsløsninger. Behovet for vektreduksjon
i den ufjærede massen er spesielt fremtredende, og som en
viktig del av den ufjærede massen, og hjulene utgjør
en betydelig andel av kjøretøyets totalvekt. En
effektiv måte å redusere vekten på er ved bruk av karbon
fiberhjul. Etter hvert som råvare- og produksjonskostnadene synker,
karbonfiberhjul, som en gang var dyre og bare ble brukt
i luksus- eller ultraluksusmodeller, blir gradvis mer og mer
tilgjengelig.

Figur 1: Hjul i karbonfiber

Utsiktene for bruk av CFRP i bilindustrien
Karbonfiber er et lett, høyfast og høymodulært materiale
fibermateriale. Det har lavere tetthet enn metall, men er 16 ganger
sterkere enn stål. Young-modulen er 2-3 ganger høyere
enn tradisjonell glassfiber, samtidig som fleksibiliteten opprettholdes
av fibre.

Vanligvis veier aluminiumsfelger rundt 15 kilo,
mens karbonfiberhjul kan redusere vekten til 8 kilo,
noe som gjør karbonfiberhjul til et ekte "vektreduserende verktøy".

På grunn av sin lave vekt og høye styrke kan karbon
fiber har alltid vært et foretrukket materiale for bilindustrien.
produksjon. I tillegg til hjul, brukes karbonfiber også i
brukes også i drivlinjer, bladfjærer og strukturer i bilindustrien,
og karosserier, noe som sikrer tilstrekkelig styrke og stivhet samtidig som
redusere vekten og energiforbruket til kjøretøyene.
Ifølge rapporten "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Research Report" publisert av MarketaaWatch, den globale
karbonfibermarkedet i bilindustrien nådde en størrelse på nesten $160
millioner kroner i 2020. Fra 2021 til 2027 vil den globale bilindustrien
karbonfibermarkedet forventes å opprettholde en sammensatt
årlig vekstrate på over 5%.

Bruken av karbonfibermaterialer i biler er ikke
bare for å redusere vekt og energiforbruk, men
også for å forbedre kjøretøyets sikkerhet. Sammenlignet med
tradisjonelle aluminiumsfelger, er karbonfiberfelger
lettere, sterkere, fri for metalltretthet og betydelig
redusere støy. Markedet for karbonfiberhjul i Kina har
enormt potensial, men utbredt bruk av karbonfiber er
hjul er først og fremst avhengig av kostnadshensyn.

Figur 2: Prognose for etterspørselen etter karbonfiber i bilindustrien
Sektor

Med kontinuerlig forbedring og produksjon i stor skala
av karbonfiberproduksjonsteknologi, har kostnadene for karbon
fiber er gradvis avtagende. Den tradisjonelle karbonfiberen
forløperen er hovedsakelig laget av polyakrylnitril (PAN) råmateriale
materiale, noe som alltid har vært kostbart. Men ved å bruke
asfaltbaserte, polyetylenbaserte og andre materialer for å produsere
forløper, kan kostnadene for karbonfiber reduseres med mer enn
enn 30%. For eksempel har Carbon Revolution, et australsk
produserer karbonfiberhjul ved å lime sammen
karbonfiber med harpiks, noe som gir storskala produksjon og
redusere kostnadene for karbonfiberhjul til et nivå som ligger nær
aluminiumsfelger.

Den kinesiske regjeringen har iverksatt relevant politikk for å
fremme utbredt bruk av innenlandsk produsert
karbonfiber med høy ytelse. I mars 2021 ble "14th
Femårsplan for nasjonal økonomisk og sosial
Utvikling og langsiktige mål for 2035" ble lansert,
som understreket behovet for å styrke forskningen,
utvikling og anvendelse av høyytelsesfibre som
som karbonfiber og deres kompositter. Dette gir en gunstig
politiske miljøet for den teknologiske utviklingen av
karbonfiberindustrien i fremtiden.

Utviklingen av nye energikjøretøyer er ustoppelig, og
karbonfiberfelger kan bli standard i nye, moderne
energikjøretøy.

Sammenligning mellom CFRP-hjul og metallhjul:

Siden oppfinnelsen av biler i 1886, som har en historie
mer enn 100 år har bilhjul utviklet seg fra å være
trematerialer til moderne metallmaterialer. De vanligste
brukte hjulmaterialer i moderne biler inkluderer stålhjul,
aluminiumsfelger, magnesiumsfelger og i den senere tid også
årene har karbonfiberhjul dukket opp, spesielt i
superbiler.

Stålhjul: Stålhjul er hovedsakelig laget av jern og andre
metaller for å øke seigheten. De har følgende fordeler
høyere seighet, utmerket slagfasthet og god last- og
bæreevne. I tillegg er de relativt rimelige.
Stålhjul har imidlertid noen ulemper, som for eksempel
rust, dårlig varmespredning, høy vekt og dårlig varmeavledning.
begrensninger på bremsing og kjøreegenskaper.

Aluminiumsfelger: Aluminium er den viktigste komponenten i
aluminiumsfelger, sammen med elementer som antimon,
silisium og magnesium for å forbedre den generelle ytelsen. De
produksjonsprosessen av aluminiumsfelger er mer
kompleks enn for stålhjul, med flere bearbeidingstrinn.
Aluminiumsfelger har høyere ytelse og bedre
betydelig vektreduksjon. På grunn av den lavere tettheten til
aluminiumslegering, gir de raskere akselerasjon, bedre varme
spredning, og egner seg godt for urbane veiforhold.
Aluminiumsfelger har imidlertid relativt sett lavere
seighet, slagfasthet og utmattingsmotstand, noe som gjør
uegnet for tøffe miljøer som offroadkjøring
forhold.

Felger i magnesium-aluminium-legering: Sammenlignet med aluminium,
magnesium har lavere tetthet og ligner på karbonfiber
komposittmaterialer. Lettmetallfelger i magnesium-aluminium
inneholder magnesium som hovedkomponent, sammen med
aluminium, sink, mangan og andre elementer. De gir
bedre elastisitet, raskere varmespredning og sterkere støtdemping
absorpsjonsevne. De er en forbedret versjon av
aluminiumsfelger når det gjelder slitestyrke. Men det er det ikke,
magnesium-aluminiumsfelger er utsatt for oksidasjon og
har dårlig korrosjonsbestandighet.

Karbonfiberhjul: Karbonfiberhjul er et relativt nytt
type hjul som har dukket opp de siste årene. De har en
rent svart utseende med en strukturert overflate, noe som gir dem et
eksklusivt og sofistikert utseende. Karbonfiberfelger tilbyr
kraftig ytelse, sammenlignbar vekt med magnesium
hjul, høy seighet, utmerket slagfasthet og
korrosjons- og oksidasjonsbestandighet. De brukes for tiden i
motorsykler, terrengsykler, landeveissykler og biler.

Fordeler med karbonfiberkompositthjul
Hjulene og dekkene på en bil bærer hele vekten og spiller en
avgjørende rolle i fremdriften av kjøretøyet under påvirkning av
transmisjonsaksel. Som den viktigste strukturelle komponenten er karbon
hjul av fiberkompositt har utmerket bæreevne
og slagfasthet, noe som gir enestående ytelse
under akselerasjon og tung belastning. I tillegg er karbon
fiberhjul kan effektivt redusere treghet og muliggjøre raskere
akselerasjon, bremsing og manøvrering på grunn av deres reduserte
vekt.

(1) Lettere vekt, høyere styrke

Det er allment kjent at karbonfiberkomposittmaterialer er
anerkjent som den beste metoden for "lettvekt" og vekt
reduksjon i biler. Karbonfiber, også kjent som "svart
gull", er lettere enn aluminium samtidig som det har høyere styrke
enn stål. Det er korrosjonsbestandig og har høy modulus
egenskaper, noe som ikke bare muliggjør vektreduksjon, men også
forsterkning av kjøretøyets struktur. Data viser at en 20-
tommers karbonfiberhjul veier omtrent 7,5 kg, noe som er
mer enn 25% lettere enn en aluminiumslegering av tilsvarende størrelse
hjul. Når det gjelder styrke, har karbonfiberhjul en
samlet forbedring på rundt 30% sammenlignet med aluminium
lettmetallfelger.

(2) Forbedret ytelse og håndtering

Ingeniører fra det australske hjulmerket Carbon Revolution
har uttalt at å redusere vekten på et hjul med 1 kg, under
ufjæret masse, tilsvarer en reduksjon av kjøretøyets totale
vekt med 15 kg. For hver 10% reduksjon i vekt, vil
kjøretøyets akselerasjonsevne kan forbedres med
omtrent 8%. Dette indikerer at lettvektshjul kan
gir bedre respons på kjøretøyets kraftytelse.
Karbonfiberhjul gir også utmerket støtdemping,
økt komfort og bedre kjøreegenskaper.

(3) Energieffektivitet og utslippsreduksjon

Reduserer den ufjærede massen med 1 kg ved hjelp av karbonfiber
kompositthjul tilsvarer en reduksjon av kjøretøyets totale
vekt med 15 kg. En vektreduksjon på 10% kan resultere i en 6%-
8% reduksjon i drivstofforbruket og en reduksjon på 5% i
utslipp. I et scenario der kjøretøyene bruker samme mengde
bensin, kan en bil utstyrt med karbonfiberhjul kjøre opp
til 50 km mer i timen sammenlignet med en bil med aluminiumslegering
hjul. Vekten av karbonfiberhjul er 60% lettere enn
som for smidde aluminiumsfelger av samme størrelse,
noe som gjør vektreduksjon av kjøretøy viktig for miljøet
formål.

(4) Forbedret kjøreegenskaper og overlegen bremseytelse

Karbonfiberhjul har en elastisitetsmodul på opptil 200 GPa.
Jo høyere elastisitetsmodul, desto mindre blir den elastiske
deformasjon etter å ha blitt utsatt for krefter, noe som resulterer i bedre
komfort og bedre kjøreegenskaper. Etter å ha byttet ut hjulene med
karbonfiber, kjøretøyets fjæring og hjuloppheng
responshastigheten forbedres merkbart, noe som fører til raskere og
jevnere akselerasjon og bedre bremseegenskaper.

Eksempler på bruksområder for hjul av karbonfiberkompositt
Carbon Revolution ble grunnlagt i 2007 og er en global teknologi
selskap og Tier 1 OEM-leverandør som har lykkes med å
banebrytende, kommersialiserte og industrialiserte høy
ytelse, teknologisk avansert og lett karbonfiber med lav vekt
hjul. I tillegg til luksusbilhjul har selskapet også
kunngjorde utviklingen av 23-tommers og 24-tommers karbon
fiberhjul rettet mot markedet for elektriske lastebiler og SUV-er. De
selskapet også konsept- og valideringsprosjekter
for Boeings CH-47 Chinook-helikopterhjul.

Figur 3: Carbon Revolutions ultralette serie av karbonfiber
Hjul

Produksjonen av karbonfiberhjul krever høy
presisjonsopplegging av karbonfiber og høytrykksstøping
teknikker. Carbon Revolution har rundt 50 patenter
relatert til produkter og produksjon av karbonfiberhjul
prosesser og har som mål å forbedre effektiviteten gjennom prosess
forbedringer. For å oppnå dette har selskapet utviklet
automatiserte produksjonslinjer og benytter seg i stor utstrekning av
teknologi for maskinlæring og kunstig intelligens for å
optimalisere produksjonsprosessen. I gjennomsnitt er hjulene
er 40% til 50% lettere enn standard aluminiumsfelger i
markedet. I tillegg kan hjulene utformes med
aerodynamiske former for å redusere luftmotstanden og øke rekkevidden uten
legge vekt.

Det italienske selskapet Bucci Composites introduserte den første 20-tommers
karbonfiberfelg spesielt utviklet for
sport/superbil-sektoren. Den gjør det mulig å feste hjulet til
på en tradisjonell måte, noe som eliminerer risikoen for at boltens dreiemoment
løsner. Dette sikrer at de ultralette karbonfiberhjulene
er like enkle å montere og vedlikeholde som tradisjonelle hjul. Til
håndtere de høye temperaturene som oppstår, spesielt når
ved bruk av karbonkeramiske bremser, er innsiden av felgen
belagt med et keramisk lag som beskytter karbonfiberen og
slik at felgen kan brukes under ekstreme temperaturer.

Figur 4: Karbonrevolusjonen

Bucci Composites har også utstyrt seg med det nyeste innen
produksjonsteknologi fra Cannon (High-Pressure RTM- og
HP-RTM), det eneste selskapet i Italia som har teknologien til å
fortsette å utvikle flere hjulmodeller for bilindustrien
industri.

Figur 5: Cannons HP-RTM-prosessutstyr

Cannons løsning inkluderer utstyret som kreves for
høytrykks-RTM-prosess for produksjon av kompositt
materialer med en epoksyharpiksmatrise og karbonfiber
forsterkning:

(1) En trekomponent E-system høytrykksdoseringsenhet for
epoksyharpiksformulering, med en LN10 trekomponent
blandehode og lukket sløyfekontroll av utgangsforhold.

(2) En kortslags kompresjonsstøpepresse med en klemme
kraft på 25 000 kN, 3,6×2,4 meter store presseplater og svært
presis parallellitet aktiv kontroll for å sikre flathet av støpte
deler.

Figur 6: Bucci Composites' 20″ karbonfiberhjul

Den anerkjente britiske bilprodusenten Bentley har nylig
introduserte innovative karbonfiberfelger for Bentley
Bentayga SUV, utviklet av Bucci Composites. Den 22-tommers
karbonfiberhjul ble de største karbonfiberhjulene
noensinne er produsert, noe som garanterer innovativ design og eksepsjonell
ytelse, samtidig som man oppnår en vektreduksjon på 6 kg per
hjul.

Figur 7: 22" hjul utviklet av Bucci for Bentley

Vision Wheel, som er basert i USA, har introdusert en ny
karbonfiberhjul utviklet i samarbeid med IDI
Composites International og veving av komposittmaterialer
ekspert A&P Technology. Kostnaden for hvert hjul er $2 000 eller
enda lavere.

Et annet amerikansk selskap, ESE Carbon, har lansert sin E2
integrerte karbonfiberkompositthjul på ettermarkedet,
betjener Tesla Model S, Tesla Model 3 og Subaru WRX STI
kjøretøy.

E2-hjulene benytter avanserte, innovative og skreddersydde fiber
plassering (TFP) og høytrykksinfusjonsteknologi,
kombinerer ytelse, holdbarhet, effektivitet og innovasjon
med skjønnheten i karbonfiber, noe som gir topp kvalitet
ettermarkedshjul.

Jo lettere hjulene er, desto lavere blir tregheten i rotasjonen, noe som resulterer
mindre kraft som kreves for å bevege hjulene fremover. Som en
førsteklasses karbonfiberkompositthjul, E2, betydelig
reduserer vekten sammenlignet med aluminiums- og stålhjul. Tester
har vist at hvert hjul kan spare 10 kilo vekt,
noe som resulterte i en økning på 5,3% i rundehastighet.

Enkelt sagt krever lettere gjenstander mindre arbeid for å bremse ned
og stopp. E2 karbonfiberhjul er 45% lettere enn
tilsvarende stål- eller aluminiumsfelger. Tester har vist at E2
hjulene kan redusere bremse- og bremselengden fra 100 km/t
til 1,6 km med 3,6%.

Ved å redusere den ufjærede vekten minimeres kreftene som utøves av
fjæring for å holde hjulene godt på veien. Hver E2
karbonfiberhjul kan redusere opp til 10 kilo ufjæret vekt
vekt fra systemet, noe som forbedrer fjæringsytelsen.
Den forbedrede dekkontakten fører til forbedret
styrerespons og mer responsive kjøreegenskaper. Enten du kjører på
på veien eller på banen, E2 karbonfiberhjul tar kjøringen din til
opplevelsen til et helt nytt nivå.

Veitesting

Etter flere år med prototypetesting er E2, den mest teknologisk avanserte
avanserte hjulnavet som noensinne er utviklet, har blitt
skapt. Ved hjelp av svært avansert modellering med finite
elementanalyse, kan ESEs komposittingeniørteam
forutsi hjulets respons i et bredt spekter av virkelige situasjoner
scenarier. Med denne mengden data gjennomgår ESEs hjul
testing både i laboratorium og i felt, noe som validerer deres
styrke, sikkerhet og ytelse.

Radial slagprøving
Radial kollisjonstesting evaluerer hjulets stabilitet når
eller store hindringer for å forhindre alvorlige
skader eller feil. Siden veiforholdene ikke alltid er perfekte,
E2-hjulene har gjennomgått strenge tester for å motstå typiske
og har vist seg å være bedre enn tilsvarende stålkonstruksjoner.
og aluminiumsfelger.

Test av støt på fortauskanter
Fortauskantens påvirkningstest er en viktig evaluering for å vurdere effekten av
av gjentatte sammenstøt på en statisk overflate, som simulerer kjøretøyets
treffer fortauskanter eller andre faste gjenstander i forhåndsbestemte hastigheter.
Selv ved lave hastigheter vil kontakten mellom fortauskanter og hjul
genererer betydelige støtkrefter. E2 karbonfiberhjul
er konstruert og grundig testet for å motstå feil
i destruktive situasjoner, for eksempel ved støt mot fortauskanter.

SAE J3204-testing

E2 har gjennomgått omfattende tester og venter på å bli
sertifisering i henhold til SAE J3204, en ny produksjonsprosess for
hjul i komposittmateriale. ESE samarbeider tett med
Society of Automotive Engineers (SAE) for å bidra til å etablere
standarder og referanser for hjul i komposittmaterialer. I
ESEs E2 karbonfiberfelger overgår SAEs minimumskrav til
anbefalinger.

I likhet med metallhjul, tar SAE hensyn til holdbarhetsproblemer
for hjul i komposittmateriale gjennom ulike utmattings- og
kollisjonstester. SAE har også innført nye krav for å
ta hensyn til de unike miljøkonsekvensene av kompositt
materialer.

Figur 11: E2 karbonfiberhjul tatt i bruk av store
bilprodusenter over hele verden.

E2 karbonfiberhjulene er designet ved hjelp av det nyeste
Skreddersydd fiberplasseringsteknologi (TFP). Karbonfiber
opplegging har tradisjonelt vært en arbeidsintensiv prosess som involverer
skjæring og håndstøping av karbonfiberstoff på en harpiks
mugg. Dette har resultert i mye svinn og manuelt arbeid.
kan skape flaskehalser i produksjonen.

Figur 12: Skreddersydd fiberplassering (TFP)

TFP oppnår optimal strukturell ytelse ved å bruke
maskiner for å ordne og sy sammen karbonfibre til presise
posisjoner. Dette reduserer lagtiden med 50% og materialet
avfall av 80%. Det gjør det også mulig for ESE å optimalisere designet
gjennom presis fiberplassering og -orientering for å
passer til krumningen og eikene på karbonfiberhjul.
Dette forbedrer styrken og holdbarheten til E2 karbon
fiberhjul, noe som gjør dem i stand til effektivt å håndtere last og
stresser.

E2 benytter også en egenutviklet Resin Transfer Molding
(RTM)-prosessen og epoksyharpikssystemet for å produsere
nav, noe som gir høyere felgstyrke og utmattelse
motstand. ESE bruker de raskest herdende produktene av høyeste kvalitet
harpiks, som gir uovertruffen ytelse til en bransjeledende
Tg (glassovergangstemperatur) på opptil 212 °C. Fiber- og
forhold mellom harpiksinnhold og ESE er 60%, med et minimalt tomrom
innhold på 2%, noe som gjør den til en av de beste i bransjen.
I tillegg kan ESE fylle hele navet på mindre enn 2
minutter.

Figur 13: Produksjon av CFRP-hjul ved hjelp av RTM-prosess

Konklusjon

Ved å bruke karbonfiberhjul er vekten av hjulene
betydelig redusert, noe som gjør at sportsbiler kan oppnå overlegen
kjøreegenskaper. Med lavere treghet, karbonfiberhjul og
bedre styrerespons og grep, noe som resulterer i raskere
akselerasjon og bremsing.

Dessuten er rekkeviddeangst en viktig bekymring for mange
potensielle forbrukere når de vurderer å kjøpe en
elektrisk kjøretøy. Mens rekkevidden til et elektrisk kjøretøy
først og fremst avhenger av batteriet, men også andre faktorer har betydning
innvirkning. Lette karbonfiberhjul kan redusere
energiforbruk forårsaket av hjulrotasjon under
akselerasjon eller retardasjon, noe som maksimerer rekkevidden til
elektriske kjøretøy.

 

6. januar 2024