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 is bijzonder prominent, 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 carbon
vezelwielen. Naarmate de grondstof- en productiekosten dalen,
koolstofvezel wielen, die ooit duur waren en alleen werden gebruikt
in luxe of ultra-luxe modellen, worden geleidelijk aan meer
toegankelijk.

Afbeelding 1: Koolstofvezelwiel

Toepassingsmogelijkheden van CFRP in de auto-industrie
Koolstofvezel is een lichtgewicht, zeer sterk en met een hoge modulus.
vezelmateriaal. Het heeft een lagere dichtheid dan metaal, maar is 16 keer
sterker dan staal. De elasticiteitsmodulus is 2 tot 3 keer hoger.
dan traditionele glasvezels, met behoud van de flexibiliteit
van vezels.

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

Door zijn lichte gewicht en hoge sterkte is koolstof
vezel is altijd een geliefd materiaal geweest voor auto's
productie. Naast wieltoepassingen zijn koolstofvezel
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 te verminderen.
Volgens de "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Research Report" gepubliceerd door MarketaaWatch, de wereldwijde
koolstofvezelmarkt voor auto's bereikte bijna $160
miljoen in 2020. Van 2021 tot 2027, de wereldwijde auto
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 is voornamelijk afhankelijk van kostenoverwegingen.

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

Met de voortdurende verbetering en grootschalige productie
van koolstofvezel productietechnologie, 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 het gebruik 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
Development and Long-Term Goals for 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
beleidsomgeving 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
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, vooral in
supercars.

Stalen wielen: Stalen wielen zijn 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 een aantal nadelen, zoals
roestgevoeligheid, slechte warmteafvoer, zwaar gewicht en
beperkingen op remmen en weggedrag.

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

Lichtmetalen velgen van magnesium en aluminium: 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,
Magnesium-aluminium lichtmetalen velgen zijn gevoelig voor oxidatie en
hebben een slechte weerstand tegen corrosie.

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 verfijnde uitstraling. Carbon fiber wielen bieden
krachtige prestaties, vergelijkbaar gewicht met magnesium
wielen, hoge taaiheid, uitstekende slagvastheid en
weerstand tegen corrosie en oxidatie. 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 in de aandrijving van het voertuig onder invloed van de
transmissieas. Als belangrijkste structurele component is koolstof
composietvezelwielen hebben een uitstekend draagvermogen
en schokbestendigheid, voor uitstekende prestaties
bij acceleratie en zware belasting. Bovendien is koolstof
vezelwielen kunnen de traagheid effectief verminderen en zorgen voor snellere
versnellen, remmen en manoeuvreren door 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 is bestand tegen corrosie en heeft een hoge modulus.
eigenschappen, die niet alleen gewichtsvermindering mogelijk maken, maar ook
versterking van de voertuigstructuur. 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
algehele 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.
Wielen van koolstofvezel bieden ook uitstekende schokdemping,
meer comfort en een betere wegligging.

(3) Energie-efficiëntie en emissiereductie

Vermindering van de onafgeveerde massa met 1 kg met koolstofvezel
samengestelde wielen is gelijk aan het verminderen van het totale voertuig
gewicht met 15 kg. Een gewichtsbesparing van 10% kan resulteren in een 6%-gewichtsbesparing.
8% reductie in brandstofverbruik en een 5% reductie in
uitstoot. In een scenario waarin voertuigen dezelfde hoeveelheid
benzine, kan een auto uitgerust met koolstofvezel wielen maximaal
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 aluminium velgen van dezelfde maat,
waardoor gewichtsvermindering van voertuigen belangrijk is 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 elasticiteitsmodulus.
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 verbeterd, wat leidt tot snellere en
soepeler accelereren en betere remprestaties.

Toepassingsvoorbeelden van koolstofvezel composiet wielen
Carbon Revolution is opgericht in 2007 en is een wereldwijd technologiebedrijf.
bedrijf en Tier 1 OEM-leverancier die met succes
baanbrekend, gecommercialiseerd en geïndustrialiseerd high-
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

De productie van koolstofvezel wielen vereist
precisie koolstofvezel layup en gieten onder hoge druk
technieken. Carbon Revolution heeft ongeveer 50 patenten
in verband met koolstofvezelwielproducten en -productie
processen en is gericht op het verbeteren van de efficiëntie 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 boutmoment wordt geëlimineerd.
loslaten. Dit zorgt ervoor dat de ultralichte koolstofvezel wielen
zijn net zo eenvoudig 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 zich ook uitgerust met de modernste
productietechnologie van Cannon (High-Pressure RTM-).
HP-RTM), het enige bedrijf in Italië dat de technologie heeft om
meer wielmodellen blijven ontwikkelen voor de auto-industrie
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 koolstofvezel wielen voor zijn Bentley
Bentayga SUV, ontwikkeld door Bucci Composites. De 22-inch
koolstofvezel wielen werden de grootste koolstofvezel wielen
ooit geproduceerd, staat garant voor innovatief design en uitzonderlijke
prestaties en tegelijkertijd een gewichtsbesparing 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 harsinfusietechnologie onder hoge druk,
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
minder kracht nodig om de wielen vooruit te bewegen. Als een
eersteklas koolstofvezel composietwiel, 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 verkorten vanaf 60 mph
tot 1 mijl met 3,6%.

Het verlagen 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 bandcontact leidt tot een verbeterde
stuurrespons en een responsiever weggedrag. Of je nu op
op de weg of het circuit, E2 koolstofvezel wielen nemen uw rijgedrag
ervaring naar een heel nieuw niveau.

Testen op de weg

Na jaren van prototype-testen is E2, de technologisch meest
geavanceerde wielnaaf voor auto's ooit ontwikkeld, is
gemaakt. Door gebruik te maken van zeer geavanceerde modellering met eindige
kan ESE's composiet engineeringteam met behulp van elementanalyse
de respons van het wiel te 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
die 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
weggevaren 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 vaststellen van
normen en benchmarks voor wielen van composietmaterialen. In
ESE's E2 koolstofvezel wielen overtreffen zelfs de minimale SAE-norm.
aanbevelingen.

Net als bij metalen wielen richt de SAE zich op duurzaamheid
voor wielen van composietmateriaal door verschillende vermoeiings- en
botsproeven. De SAE heeft ook nieuwe eisen geïntroduceerd voor
de unieke milieueffecten van composietmaterialen aanpakken
materialen.

Afbeelding 11: E2 koolstofvezel wielen toegepast door grote fabrikanten
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 overmatig afval en handmatige arbeid.
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 verkort 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 efficiënt ladingen 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
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 naaf in minder dan 2 minuten volledig vullen.
minuten.

Figuur 13: Productie 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 de
energieverbruik veroorzaakt door wielrotatie tijdens
versnellen of vertragen, waardoor het rijbereik van
elektrische voertuigen.

 

6 januari 2024