Blog

Analyse van lichtgewicht koolstofvezelwielen voor nieuwe energie
Voertuigen

Nieuwe Energie Voertuigen Koolstofvezel Wiel Lichtgewicht
Analyse

2023-07-11 06:59:49

Inleiding
Nieuwe energievoertuigen vervangen geleidelijk de traditionele
aangedreven auto's. De actieradius van elektrische voertuigen is de
grootste ontwikkelingsobstakel, waardoor lichtgewicht
bijzonder belangrijk.

Met de toenemende vraag naar milieubescherming en
energie-efficiëntie, is de wereldwijde auto-industrie op zoek naar
diverse lichtgewichtoplossingen. De behoefte aan gewichtsvermindering
in de onafgeveerde massa bijzonder prominent is, en als een
belangrijke component van de onafgeveerde massa, wielen zijn goed voor
voor een aanzienlijk deel van het totale voertuiggewicht. Eén
effectieve manier om gewicht te verminderen is door het gebruik van koolstof
vezelwielen. Naarmate de grondstof- en productiekosten dalen,
koolstofvezel wielen, die ooit duur waren en alleen werden gebruikt
in luxe- of ultraluxe modellen, worden geleidelijk aan meer
toegankelijk.

Afbeelding 1: Koolstofvezelwiel

Toepassingsvooruitzichten van CFRP in de automobielsector
Koolstofvezel is een lichtgewicht, zeer sterk en zeer modulair materiaal.
vezelmateriaal. Het heeft een lagere dichtheid dan metaal, maar is 16 keer
sterker dan staal. De elasticiteitsmodulus is 2-3 keer zo hoog
dan traditionele glasvezels, terwijl de flexibiliteit behouden blijft
van vezels.

Normaal gesproken wegen aluminium lichtmetalen velgen ongeveer 15 kilogram,
terwijl koolstofvezel wielen het gewicht kunnen verminderen tot 8 kilogram,
waardoor koolstofvezel wielen een echt "gewichtsreducerend gereedschap" zijn.

Door zijn lichtgewicht en sterke eigenschappen is koolstof
vezel is altijd een geliefd materiaal geweest voor auto's
productie. Naast wieltoepassingen zijn koolstofvezels
wordt ook gebruikt in aandrijflijnen voor auto's, bladveren en structuren,
en lichamen, zodat ze voldoende sterk en stijf zijn terwijl
het gewicht en energieverbruik van voertuigen verminderen.
Volgens de "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Research Report" gepubliceerd door MarketaaWatch, de wereldwijde
de omvang van de markt voor koolstofvezels voor de automobielindustrie bereikte bijna $160
miljoen in 2020. Van 2021 tot 2027 zal de wereldwijde automotive
koolstofvezelmarkt zal naar verwachting een samengestelde
jaarlijkse groei van meer dan 5%.

De toepassing van koolstofvezelmaterialen in auto's is niet
alleen voor het verlagen van het gewicht en het energieverbruik, maar
ook voor het verbeteren van de veiligheidsprestaties van voertuigen. Vergeleken met
Wielen van traditionele aluminiumlegering, wielen van koolstofvezel zijn
lichter, sterker, vrij van metaalmoeheid, en aanzienlijk
lawaai verminderen. De markt voor koolstofvezelwielen in China heeft
enorm potentieel, maar wijdverspreide toepassing van koolstofvezel
wielen hangt voornamelijk af van kostenoverwegingen.

Figuur 2: Prognose van de vraag naar koolstofvezel in de auto-industrie
Sector

Met de voortdurende verbetering en productie op grote schaal
van koolstofvezelproductietechnologie, de kosten van koolstof
vezel geleidelijk af. De traditionele koolstofvezel
precursor wordt voornamelijk gemaakt van ruwe polyacrylonitril (PAN)
materiaal, dat altijd duur is geweest. Maar door gebruik te maken van
op basis van asfalt, polyethyleen en andere materialen om de
precursor, kunnen de kosten van koolstofvezel worden verlaagd met meer dan
dan 30%. Bijvoorbeeld Carbon Revolution, een Australische
bedrijf, produceert koolstofvezel wielen door
koolstofvezel met hars, waardoor grootschalige productie en
het verlagen van de kosten van koolstofvezel wielen tot een niveau dat in de buurt komt van
aluminium wielen.

De Chinese regering heeft relevant beleid geïmplementeerd om
de wijdverspreide toepassing van in eigen land geproduceerde
hoogwaardige koolstofvezel. In maart 2021 zal de "14e
Vijfjarenplan voor Nationaal Economisch en Sociaal
Ontwikkeling en Lange Termijn Doelen voor 2035" werd uitgebracht,
waarin de noodzaak om het onderzoek te versterken werd benadrukt,
ontwikkeling en toepassing van hoogwaardige vezels zoals
zoals koolstofvezels en hun composieten. Dit biedt een gunstige
beleidsklimaat voor de technologische vooruitgang van de
koolstofvezelindustrie in de toekomst.

De ontwikkeling van nieuwe energievoertuigen is niet te stoppen, en
Wielen van koolstofvezel kunnen een standaardkenmerk worden in nieuwe
energievoertuigen.

Vergelijking tussen CFRP-wielen en metalen wielen:

Sinds de uitvinding van de auto in 1886, die een geschiedenis heeft
van meer dan 100 jaar, zijn autowielen geëvolueerd van
van houten materialen tot moderne metalen materialen. De gebruikelijke
De gebruikte wielmaterialen in moderne auto's zijn onder andere stalen wielen,
aluminium lichtmetalen velgen, magnesium lichtmetalen velgen en onlangs
jaren zijn wielen van koolstofvezel opgedoken, met name in
supercars.

Stalen wielen: Stalen wielen worden voornamelijk gemaakt van ijzer en andere
metalen om de taaiheid te verbeteren. Ze hebben de voordelen van
hogere taaiheid, uitstekende slagvastheid en goede belastbaarheid.
draagvermogen. Bovendien zijn ze relatief goedkoop.
Stalen wielen hebben echter enkele nadelen, zoals
roestgevoeligheid, slechte warmteafvoer, zwaar gewicht en
beperkingen op remmen en weggedrag.

Aluminium Lichtmetalen Wielen: Aluminium is het hoofdbestanddeel van
aluminium lichtmetalen velgen, samen met elementen zoals antimoon,
silicium en magnesium om de algehele prestaties te verbeteren. De
Het fabricageproces van aluminium lichtmetalen velgen is meer
complexer dan die van stalen wielen, met meer bewerkingsstappen.
Wielen van aluminiumlegering leveren betere algemene prestaties en
aanzienlijke gewichtsvermindering. Door de lagere dichtheid van
aluminiumlegering, bieden ze snellere acceleratie, betere hitte
dissipatie, en zijn geschikt voor wegomstandigheden in de stad.
Aluminium lichtmetalen velgen hebben echter een relatief lagere
taaiheid, slagvastheid en weerstand tegen vermoeidheid, waardoor
ze ongeschikt zijn voor ruwe omgevingen zoals off-road
omstandigheden.

Magnesium-aluminium lichtmetalen velgen: Vergeleken met aluminium,
magnesium heeft een lagere dichtheid en is vergelijkbaar met koolstofvezel
composietmaterialen. Lichtmetalen velgen van magnesium en aluminium
bevatten magnesium als hoofdbestanddeel, samen met
aluminium, zink, mangaan en andere elementen. Ze leveren
betere elasticiteit, snellere warmteafvoer en sterkere schokken
absorptievermogen. Ze zijn een verbeterde versie van
aluminium lichtmetalen velgen op het gebied van stevigheid. Echter,
Lichtmetalen magnesium-aluminium velgen zijn gevoelig voor oxidatie en
hebben een slechte corrosiebestendigheid.

Koolstofvezel wielen: Wielen van koolstofvezel zijn relatief nieuw.
type wielen dat de afgelopen jaren is verschenen. Ze hebben een
zuiver zwart uiterlijk met een gestructureerd oppervlak, waardoor ze een
hoogwaardige en geraffineerde look. Carbon fiber wielen bieden
krachtige prestaties, vergelijkbaar gewicht met magnesium
wielen, hoge taaiheid, uitstekende slagvastheid en
corrosie- en oxidatiebestendigheid. Ze worden momenteel gebruikt in
motorfietsen, mountainbikes, racefietsen en auto's.

Voordelen van koolstofvezel composiet wielen
De wielen en banden van een auto dragen het volledige gewicht en spelen een
cruciale rol bij het besturen van het voertuig onder invloed van de
transmissieas. Als belangrijkste structurele component is koolstof
composietvezelwielen hebben een uitstekend draagvermogen
en schokbestendigheid, voor uitstekende prestaties
tijdens het accelereren en onder zware belasting. Bovendien is koolstof
vezelwielen kunnen de traagheid effectief verminderen en sneller
accelereren, remmen en manoeuvreren vanwege hun verminderde
gewicht.

(1) Lichter gewicht, hogere sterkte

Het is algemeen bekend dat koolstofvezelcomposietmaterialen
erkend als de beste methode voor "lichtgewicht" en gewicht
reductie in auto's. Koolstofvezel, ook bekend als "zwart
goud," is lichter dan aluminium en heeft een hogere sterkte
dan staal. Het vertoont corrosiebestendigheid en een hoge modulus
eigenschappen, waardoor niet alleen het gewicht kan worden verminderd, maar ook
versterking van de structuur van het voertuig. Uit gegevens blijkt dat een 20-
inch koolstofvezel wiel weegt ongeveer 7,5 kg, dat is
meer dan 25% lichter dan een aluminiumlegering van gelijke grootte
wiel. Op het gebied van sterkte vertonen koolstofvezel wielen een
algemene verbetering van ongeveer 30% ten opzichte van aluminium
lichtmetalen velgen.

(2) Verbeterde prestaties en handling

Ingenieurs van het Australische wielmerk Carbon Revolution
hebben verklaard dat het verminderen van het gewicht van een wiel met 1 kg, onder
onafgeveerde massa, is gelijk aan het verminderen van de totale
gewicht met 15 kg. Voor elke 10% gewichtsvermindering is de
kunnen de acceleratieprestaties van het voertuig verbeteren door
ongeveer 8%. Dit geeft aan dat lichtgewicht wielen
beter reageren op de vermogensprestaties van het voertuig.
Koolstofvezel wielen bieden ook uitstekende schokdemping,
meer comfort en een betere wegligging.

(3) Energie-efficiëntie en emissiereductie

Vermindering van de onafgeveerde massa met 1 kg met behulp van koolstofvezel
samengestelde wielen is gelijk aan het verminderen van het totale voertuig
gewicht met 15 kg. Een gewichtsvermindering van 10% kan resulteren in een 6%-.
8% vermindering in brandstofverbruik en een 5% vermindering in
uitstoot. In een scenario waarin voertuigen dezelfde hoeveelheid
benzine, kan een auto uitgerust met koolstofvezel wielen tot
tot 50 km meer per uur in vergelijking met een auto met een aluminiumlegering
wielen. Het gewicht van koolstofvezel wielen is 60% lichter dan
die van gesmede aluminiumlegering velgen van dezelfde maat,
waardoor de gewichtsvermindering van voertuigen belangrijk wordt voor het milieu
doeleinden.

(4) Verbeterde handling en superieure remprestaties

Wielen van koolstofvezel hebben een elasticiteitsmodulus tot 200 GPa.
Hoe hoger de elasticiteitsmodulus, hoe kleiner de elastische
vervorming na blootstelling aan krachten, wat resulteert in betere
comfort en verbeterde wegligging. Na het vervangen van wielen door
lichtgewicht koolstofvezel, de ophanging van het voertuig
reactiesnelheid merkbaar verbetert, wat leidt tot snellere en
soepelere acceleratie en betere remprestaties.

Toepassingsvoorbeelden van koolstofvezel composiet wielen
Carbon Revolution werd opgericht in 2007 en is een wereldwijd technologiebedrijf.
bedrijf en Tier 1 OEM-leverancier die met succes
baanbrekend, gecommercialiseerd en geïndustrialiseerd hoog
prestaties, technologisch geavanceerde lichtgewicht koolstofvezel
wielen. Naast luxe autowielen heeft het bedrijf ook
kondigde de ontwikkeling aan van 23-inch en 24-inch carbon
vezelwielen voor de markt van elektrische vrachtwagens en SUV's. De
Het bedrijf voert ook conceptuele en validatieprojecten uit
voor de CH-47 Chinook-helikopterwielen van Boeing.

Afbeelding 3: Ultra-Light Series koolstofvezel van Carbon Revolution
Wielen

Voor de productie van koolstofvezel wielen zijn hoge
precisie koolstofvezel layup en gieten onder hoge druk
technieken. Carbon Revolution bezit ongeveer 50 patenten
in verband met koolstofvezel wielproducten en fabricage
processen en heeft als doel de efficiëntie te verbeteren door middel van proces
verbeteringen. Om dit te bereiken heeft het bedrijf het volgende ontwikkeld
sterk geautomatiseerde productielijnen en maakt uitgebreid gebruik van
technologieën voor machinaal leren en kunstmatige intelligentie om
het fabricageproces optimaliseren. Gemiddeld zijn de wielen
zijn 40% tot 50% lichter dan standaard aluminium wielen in de
markt. Bovendien kunnen de wielen worden ontworpen met
aerodynamische vormen om de luchtweerstand te verminderen en de actieradius te vergroten zonder
gewicht toevoegen.

Het Italiaanse bedrijf Bucci Composites introduceerde de eerste 20-inch
koolstofvezel velg speciaal ontworpen voor de
sport/supercar sector. Hiermee kan het wiel worden bevestigd aan de
naaf op een traditionele manier, waardoor het risico van een aanhaalmoment van de bouten geëlimineerd wordt.
losmaken. Dit zorgt ervoor dat de ultralichte koolstofvezel wielen
zijn net zo gemakkelijk te monteren en te onderhouden als traditionele wielen. Naar
de hoge temperaturen aanpakken, vooral wanneer
Bij gebruik van koolstofkeramische remmen is de binnenkant van de velg
gecoat met een keramische laag, die de koolstofvezel beschermt en
waardoor de velg onder extreme temperaturen kan worden gebruikt.

Figuur 4: Koolstofrevolutie

Bucci Composites heeft zichzelf ook uitgerust met de allernieuwste
productietechnologie van Cannon (High-Pressure RTM-).
HP-RTM), het enige bedrijf in Italië dat de technologie heeft om
meer wielmodellen voor de auto-industrie blijven ontwikkelen
industrie.

Afbeelding 5: Cannons HP-RTM procesapparatuur

De oplossing van Cannon omvat de apparatuur die nodig is voor de
RTM-proces onder hoge druk om composiet te vervaardigen
materialen met een epoxyharsmatrix en koolstofvezel
versterking:

(1) Een driecomponenten E-systeem hogedrukdoseerunit voor
epoxyharsformule, met een LN10 driecomponenten
mengkop en gesloten regelkring van de uitvoerverhoudingen.

(2) Een pers voor persen met een korte slag en een kleminrichting
kracht van 25.000 kN, persplaten van 3,6×2,4 m, en zeer
nauwkeurige parallelliteits actieve controle om de vlakheid van het spuitgieten te garanderen
onderdelen.

Afbeelding 6: 20″ koolstofvezelwiel van Bucci Composites

De bekende Britse autofabrikant Bentley heeft onlangs
introduceerde innovatieve wielen van koolstofvezel voor zijn Bentley
Bentayga SUV, ontwikkeld door Bucci Composites. De 22-inch
koolstofvezel wielen werden de grootste koolstofvezel wielen
ooit geproduceerd, garandeert een innovatief ontwerp en uitzonderlijke
prestaties, terwijl er een gewichtsvermindering van 6 kg per
wiel.

Afbeelding 7: 22″ Wielen ontwikkeld door Bucci voor Bentley

Vision Wheel, gevestigd in de Verenigde Staten, heeft een nieuwe
koolstofvezel wiel ontwikkeld in samenwerking met IDI
Composites International en weven van composietmaterialen
deskundige A&P-technologie. De kosten van elk wiel zijn $2,000 of
nog lager.

Een ander Amerikaans bedrijf, ESE Carbon, heeft zijn E2
geïntegreerde koolstofvezel composiet wielen op de aftermarket,
ten dienste van Tesla Model S, Tesla Model 3 en Subaru WRX STI
voertuigen.

De E2-wielen maken gebruik van geavanceerde innovatieve vezels op maat
plaatsing (TFP) en hogedrukharsinfusietechnologie,
combineert prestaties, duurzaamheid, efficiëntie en innovatie
met de schoonheid van koolstofvezel, die topkwaliteit levert.
aftermarket wielen.

Hoe lichter de wielen, hoe lager de rotatietraagheid, wat resulteert in
in minder kracht die nodig is om de wielen vooruit te bewegen. Als een
premium koolstofvezel composietstuur, de E2 aanzienlijk
vermindert het gewicht in vergelijking met aluminium en stalen wielen. Tests
hebben aangetoond dat elk wiel 10 pond aan gewicht kan besparen,
wat resulteerde in een toename van 5,3% in rondesnelheid.

Eenvoudig gezegd, lichtere voorwerpen hebben minder werk nodig om af te remmen
en stoppen. E2 koolstofvezel wielen zijn 45% lichter dan
gelijkwaardige stalen of aluminium wielen. Tests hebben aangetoond dat E2
wielen kunnen de rem- en uitrolafstand vanaf 60 mph verkorten
tot 1 mijl met 3,6%.

Het verminderen van het onafgeveerde gewicht minimaliseert de krachten die worden uitgeoefend door de
ophanging om de wielen stevig op de weg te houden. Elke E2
koolstofvezel wiel kan tot 10 pond aan onafgeveerde kracht verminderen
gewicht uit het systeem, waardoor de ophangingsprestaties verbeteren.
De resulterende verbetering in het contact met de band leidt tot een verbeterd
stuurrespons en een responsiever weggedrag. Of u nu op
op de weg of het circuit, E2 koolstofvezel wielen nemen uw rijgedrag
ervaring naar een heel nieuw niveau.

Wegtesten

Na jaren van prototype-testen is de E2, de technologisch meest
geavanceerde wielnaaf voor auto's ooit ontwikkeld, is
gemaakt. Door gebruik te maken van zeer geavanceerde modellering met behulp van eindige
elementanalyse kan het composiet engineeringteam van ESE
de reactie van het wiel voorspellen in een breed scala aan echte situaties
scenario's. Met deze schat aan gegevens ondergaan de wielen van ESE
testen in zowel laboratorium- als veldomstandigheden, waarbij hun
sterkte, veiligheid en prestaties.

Radiale botsproeven
Radiale botsproeven evalueren de stabiliteit van het wiel wanneer
kuilen of grote obstakels tegenkomen om ernstige
schade of defecten. Aangezien de wegomstandigheden niet altijd perfect zijn,
E2-wielen hebben strenge tests ondergaan om bestand te zijn tegen typische
gevaren op de weg en hebben bewezen superieur te zijn aan gelijkwaardig staal
en aluminium wielen.

Stootproef stoeprand
De stoeprandbotsingstest is een cruciale evaluatie om de effecten te beoordelen
van herhaalde botsingen op een statisch oppervlak, waarbij het voertuig wordt gesimuleerd
stoepranden of andere vaste objecten raken met vooraf bepaalde snelheden.
Zelfs bij lage snelheden is het contact tussen stoepranden en wielen
genereert aanzienlijke botskrachten. E2 koolstofvezel wielen
zijn ontworpen en uitgebreid getest om storingen te weerstaan
in destructieve situaties zoals stoepranden.

SAE J3204 testen

De E2 is uitgebreid getest en wacht op
certificering volgens SAE J3204, een nieuw productieproces voor
wielen van composietmateriaal. ESE werkt nauw samen met
de Society of Automotive Engineers (SAE) om te helpen bij het opstellen van
normen en benchmarks voor wielen van composietmateriaal. In
De E2 koolstofvezelwielen van ESE overtreffen zelfs de minimumeisen van de SAE.
aanbevelingen.

Net als bij metalen wielen pakt de SAE duurzaamheidsproblemen aan
voor wielen van composietmateriaal door verschillende vermoeiings- en
botsproeven. De SAE heeft ook nieuwe vereisten geïntroduceerd om
de unieke milieueffecten van composietmaterialen aanpakken
materialen.

Afbeelding 11: E2 koolstofvezel wielen toegepast door grote bedrijven
autofabrikanten wereldwijd.

De E2 koolstofvezel wielen zijn ontworpen met behulp van de nieuwste
TFP-technologie (Tailored Fiber Placement). Koolstofvezel
lay-up is van oudsher een arbeidsintensief proces waarbij
snijden en met de hand vormen van koolstofvezelweefsel op een hars
schimmel. Dit heeft geresulteerd in buitensporig veel afval en handmatig werk.
kunnen knelpunten in de productie veroorzaken.

Afbeelding 12: Plaatsing van vezels op maat (TFP)

TFP bereikt optimale structurele prestaties door gebruik te maken van
machines om koolstofvezels te rangschikken en te stikken in precieze
posities. Dit vermindert de layeringstijd met 50% en materiaal
afval door 80%. Het stelt ESE ook in staat om het ontwerp te optimaliseren
door nauwkeurige plaatsing en oriëntatie van vezels om
de kromming en spaken van koolstofvezel wielen.
Dit verbetert de sterkte en duurzaamheid van de E2 carbon.
vezelwielen, waardoor ze ladingen efficiënt kunnen beheren en
spanningen.

De E2 maakt ook gebruik van een gepatenteerd Resin Transfer Molding
(RTM) proces en epoxyharssysteem om de
naven, voor een sterkere velg en meer vermoeidheid
weerstand. ESE gebruikt de hoogste kwaliteit, snelst uithardende
hars, die ongeëvenaarde prestaties levert tegen een toonaangevende prijs.
Tg (glasovergang) temperatuur tot 212°C. De vezel-
verhouding tussen het harsgehalte van ESE is 60%, met een minimale leegte
inhoud van 2%, waardoor het een van de beste in de industrie is.
Bovendien kan ESE de hub in minder dan 2 minuten volledig vullen.
minuten.

Afbeelding 13: Fabricage van CFRP-wielen met RTM-proces

Conclusie:

Door koolstofvezel wielen te gebruiken, is het gewicht van de wielen
aanzienlijk verminderd, waardoor sportauto's superieure
rijeigenschappen. Met een lagere massatraagheid, koolstofvezel wielen
verbeteren de stuurrespons en tractie, wat resulteert in snellere
accelereren en remmen.

Bovendien is bereikangst voor veel mensen een belangrijk punt van zorg.
potentiële consumenten bij het overwegen van de aankoop van een
elektrisch voertuig. Terwijl het rijbereik van een elektrisch voertuig
hangt voornamelijk af van de batterij, maar andere factoren hebben ook een invloed op de levensduur van de batterij.
impact. Lichtgewicht koolstofvezel wielen kunnen
energieverbruik veroorzaakt door wielrotatie tijdens
versnellen of vertragen, waardoor het rijbereik van
elektrische voertuigen.

 

6 januari 2024