Blog

Analiza lekkich kół z włókna węglowego dla nowej energii
Pojazdy

Lekkie koła z włókna węglowego do pojazdów napędzanych nową energią
Analiza

2023-07-11 06:59:49

Wprowadzenie
Pojazdy napędzane nowymi źródłami energii stopniowo zastępują tradycyjne pojazdy zasilane paliwem.
samochody z napędem elektrycznym. Zasięg pojazdów elektrycznych stał się
największa przeszkoda w rozwoju, sprawiająca, że lekkość
szczególnie ważne.

Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na ochronę środowiska i
efektywności energetycznej, globalny przemysł motoryzacyjny poszukuje
różnorodne rozwiązania zmniejszające wagę. Potrzeba redukcji masy
w masie nieresorowanej jest szczególnie widoczny i jako
Ważnym składnikiem masy nieresorowanej są koła.
za znaczną część całkowitej masy pojazdu. Jeden
skutecznym sposobem na zmniejszenie wagi jest zastosowanie węgla
koła z włókna. Wraz ze spadkiem kosztów surowców i produkcji,
koła z włókna węglowego, które kiedyś były drogie i używane tylko
w modelach luksusowych lub ultraluksusowych, stopniowo stają się coraz bardziej
dostępne.

Rysunek 1: Koło z włókna węglowego

Perspektywy zastosowania CFRP w branży motoryzacyjnej
Włókno węglowe to lekki materiał o wysokiej wytrzymałości i wysokim module sprężystości.
materiał włóknisty. Ma mniejszą gęstość niż metal, ale jest 16 razy bardziej wytrzymały.
mocniejszy niż stal. Jego moduł Younga jest 2-3 razy wyższy
niż tradycyjne włókno szklane, zachowując jednocześnie elastyczność
włókien.

Zazwyczaj felgi aluminiowe ważą około 15 kilogramów,
podczas gdy koła z włókna węglowego mogą zmniejszyć wagę do 8 kilogramów,
czyniąc koła z włókna węglowego prawdziwym "narzędziem redukującym wagę".

Ze względu na swoją lekkość i wysoką wytrzymałość, węgiel
Włókno zawsze było preferowanym materiałem dla motoryzacji
produkcja. Oprócz zastosowań w kołach, włókno węglowe
jest również stosowany w samochodowych układach napędowych, resorach piórowych, konstrukcjach,
i korpusów, zapewniając wystarczającą wytrzymałość i sztywność, a jednocześnie
zmniejszenie masy i zużycia energii przez pojazdy.
Według raportu "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Raport badawczy" opublikowany przez MarketaaWatch, globalną
wielkość rynku włókien węglowych w branży motoryzacyjnej osiągnęła prawie $160
milionów w 2020 roku. W latach 2021-2027 globalny rynek motoryzacyjny
Oczekuje się, że rynek włókien węglowych utrzyma związek
roczna stopa wzrostu wynosząca ponad 5%.

Zastosowanie materiałów z włókna węglowego w samochodach nie jest
tylko w celu zmniejszenia wagi i zużycia energii, ale
również w celu poprawy bezpieczeństwa pojazdu. W porównaniu do
tradycyjne felgi aluminiowe, felgi z włókna węglowego są
lżejsze, mocniejsze, wolne od zmęczenia metalu i znacząco
redukcja hałasu. Rynek kół z włókna węglowego w Chinach
ogromny potencjał, ale powszechne zastosowanie włókna węglowego
Koła zależą przede wszystkim od kosztów.

Rysunek 2: Prognoza popytu na włókno węglowe w branży motoryzacyjnej
Sektor

Dzięki ciągłemu doskonaleniu i produkcji na dużą skalę
technologii produkcji włókien węglowych, koszt włókna węglowego
włókna stopniowo maleje. Tradycyjne włókno węglowe
Prekursor jest wytwarzany głównie z surowca poliakrylonitrylowego (PAN).
materiał, który zawsze był kosztowny. Jednak dzięki zastosowaniu
na bazie asfaltu, polietylenu i innych materiałów do produkcji
prekursora, koszt włókna węglowego można obniżyć o więcej
niż 30%. Na przykład, Carbon Revolution, australijska firma
produkuje koła z włókna węglowego poprzez klejenie
włókno węglowe z żywicą, osiągając produkcję na dużą skalę i
obniżenie kosztów kół z włókna węglowego do poziomu zbliżonego do
felgi aluminiowe.

Chiński rząd wdrożył odpowiednie polityki, aby
promowanie powszechnego stosowania produkowanych w kraju
wysokowydajne włókno węglowe. W marcu 2021 roku "14.
Pięcioletni plan na rzecz krajowej gospodarki i społeczeństwa
Rozwój i długoterminowe cele na rok 2035",
który podkreślił potrzebę wzmocnienia badań,
rozwój i zastosowanie wysokowydajnych włókien, takich jak
jak włókna węglowe i ich kompozyty. Zapewnia to korzystne
środowisko polityczne dla postępu technologicznego
przemysł włókien węglowych w przyszłości.

Rozwój nowych pojazdów energetycznych jest nie do zatrzymania, a
Koła z włókna węglowego mogą stać się standardowym elementem nowych
pojazdy energetyczne.

Porównanie kół CFRP i kół metalowych:

Od czasu wynalezienia samochodów w 1886 r., które mają historię
W ciągu ponad 100 lat koła samochodowe ewoluowały od
od materiałów drewnianych po nowoczesne materiały metalowe. Powszechnie
Do materiałów używanych do produkcji felg w nowoczesnych samochodach należą felgi stalowe,
felgi aluminiowe, felgi magnezowe, a w ostatnich latach
lat pojawiły się koła z włókna węglowego, szczególnie w
supersamochody.

Felgi stalowe: Felgi stalowe są wykonane głównie z żelaza i innych
metale w celu zwiększenia wytrzymałości. Mają one następujące zalety
wyższa wytrzymałość, doskonała odporność na uderzenia i dobre obciążenie.
nośność. Ponadto są one stosunkowo niedrogie.
Felgi stalowe mają jednak pewne wady, takie jak
podatność na rdzę, słabe odprowadzanie ciepła, duża waga i
ograniczenia dotyczące hamowania i prowadzenia.

Felgi aluminiowe: Aluminium jest głównym składnikiem
felgi aluminiowe, wraz z pierwiastkami takimi jak antymon,
krzem i magnez, aby poprawić ogólną wydajność. The
Proces produkcji felg aluminiowych jest bardziej
bardziej złożone niż w przypadku kół stalowych, z większą liczbą etapów przetwarzania.
Felgi aluminiowe charakteryzują się wyższą ogólną wydajnością i
znaczna redukcja wagi. Ze względu na niższą gęstość
stopu aluminium, oferują szybsze przyspieszenie, lepsze ciepło
i nadają się do jazdy po drogach miejskich.
Jednak felgi aluminiowe mają stosunkowo niższe
wytrzymałość, odporność na uderzenia i odporność na zmęczenie, dzięki czemu
nie nadają się do trudnych warunków, takich jak off-road
warunki.

Felgi aluminiowo-magnezowe: W porównaniu do aluminium,
magnez ma mniejszą gęstość i jest podobny do włókna węglowego
materiały kompozytowe. Felgi aluminiowo-magnezowe
zawierają magnez jako główny składnik, wraz z
aluminium, cynk, mangan i inne pierwiastki. Zapewniają one
lepsza elastyczność, szybsze odprowadzanie ciepła i silniejsze wstrząsy
zdolności absorpcyjne. Są one ulepszoną wersją
felgi aluminiowe pod względem wytrzymałości. Jednakże,
Obręcze kół ze stopu magnezu i aluminium są podatne na utlenianie i
mają słabą odporność na korozję.

Koła z włókna węglowego: Koła z włókna węglowego są stosunkowo nowym
rodzaj kół, które pojawiły się w ostatnich latach. Mają one
czysto czarny wygląd z teksturowaną powierzchnią, nadającą im
wysokiej klasy i wyrafinowany wygląd. Koła z włókna węglowego oferują
wysoka wydajność, waga porównywalna z magnezem
koła, wysoka wytrzymałość, doskonała odporność na uderzenia i
odporność na korozję i utlenianie. Są one obecnie stosowane w
motocykle, rowery górskie, rowery szosowe i samochody.

Zalety kół kompozytowych z włókna węglowego
Koła i opony samochodu przenoszą cały ciężar i odgrywają ważną rolę.
kluczową rolę w prowadzeniu pojazdu pod działaniem
oś przekładni. Jako główny element konstrukcyjny, karbon
Koła z kompozytów włóknistych charakteryzują się doskonałą nośnością
i odporność na uderzenia, zapewniając wyjątkową wydajność
podczas przyspieszania i przy dużych obciążeniach. Dodatkowo, węgiel
Koła z włókna szklanego mogą skutecznie zmniejszyć bezwładność i umożliwić szybsze
przyspieszanie, hamowanie i manewrowanie ze względu na ich zmniejszone
waga.

(1) Mniejsza waga, większa wytrzymałość

Powszechnie wiadomo, że materiały kompozytowe z włókna węglowego są
uznana za najlepszą metodę dla "lekkości" i wagi
w samochodach. Włókno węglowe, znane również jako "czarny
złoto" jest lżejsze niż aluminium, a jednocześnie ma wyższą wytrzymałość
niż stal. Wykazuje odporność na korozję i wysoki moduł sprężystości
właściwości, umożliwiając nie tylko redukcję wagi, ale także
wzmocnienie konstrukcji pojazdu. Dane pokazują, że 20-
calowe koło z włókna węglowego waży około 7,5 kg, co stanowi
ponad 25% lżejszy niż równoważnej wielkości stop aluminium
koło. Pod względem wytrzymałości, koła z włókna węglowego wykazują
ogólna poprawa o około 30% w porównaniu do aluminium
felgi aluminiowe.

(2) Zwiększona wydajność i obsługa

Inżynierowie australijskiej marki kół Carbon Revolution
stwierdziły, że zmniejszenie masy koła o 1 kg, w ramach
masa nieresorowana jest równoważna zmniejszeniu całkowitej masy pojazdu
o 15 kg. Na każde 10% redukcji wagi, wartość
Przyspieszenie pojazdu może poprawić się o
około 8%. Oznacza to, że lekkie koła mogą
zapewniają lepszą reakcję na moc pojazdu.
Koła z włókna węglowego zapewniają również doskonałą amortyzację,
zwiększony komfort i lepsze prowadzenie.

(3) Efektywność energetyczna i redukcja emisji

Zmniejszenie masy nieresorowanej o 1 kg przy użyciu włókna węglowego
kół kompozytowych jest równoznaczne ze zmniejszeniem całkowitego pojazdu
o 15 kg. Zmniejszenie masy o 10% może skutkować zmniejszeniem masy o 6%.
Zmniejszenie zużycia paliwa o 8% i zmniejszenie zużycia paliwa o 5%.
Emisje. W scenariuszu, w którym pojazdy zużywają taką samą ilość
benzyny, samochód wyposażony w koła z włókna węglowego może podróżować do
do 50 km więcej na godzinę w porównaniu z samochodem ze stopu aluminium
koła. Waga kół z włókna węglowego jest o 60% niższa niż w przypadku kół z włókna węglowego.
kutych felg aluminiowych o tym samym rozmiarze,
dzięki czemu redukcja masy pojazdu jest istotna dla środowiska
cele.

(4) Lepsze prowadzenie i wyższa skuteczność hamowania

Koła z włókna węglowego oferują moduł sprężystości do 200 GPa.
Im wyższy moduł sprężystości, tym mniejsza sprężystość
odkształcenie po poddaniu działaniu sił, co skutkuje lepszym
komfort i lepsze prowadzenie. Po wymianie kół na
lekkie włókna węglowe, zawieszenie pojazdu
Szybkość reakcji zauważalnie się poprawia, prowadząc do szybszego i
płynniejsze przyspieszanie i lepsze hamowanie.

Przykłady zastosowań kół kompozytowych z włókna węglowego
Założona w 2007 roku firma Carbon Revolution jest globalną technologią
firma i dostawca OEM warstwy 1, który z powodzeniem
pionierski, skomercjalizowany i uprzemysłowiony wysoki
wydajność, zaawansowane technologicznie lekkie włókno węglowe
koła. Oprócz luksusowych felg samochodowych, firma posiada
ogłosiła opracowanie 23-calowych i 24-calowych produktów z włókna węglowego
koła z włókna szklanego przeznaczone na rynek elektrycznych ciężarówek i SUV-ów. The
Firma podejmuje również projekty koncepcyjne i walidacyjne
dla kół helikoptera CH-47 Chinook firmy Boeing.

Rysunek 3: Ultralekkie włókno węglowe z serii Carbon Revolution
Koła

Produkcja kół z włókna węglowego wymaga wysokiej
Precyzyjne układanie włókien węglowych i formowanie wysokociśnieniowe
techniki. Carbon Revolution posiada około 50 patentów
związane z produktami i produkcją kół z włókna węglowego
procesów i ma na celu poprawę wydajności poprzez
ulepszeń. Aby to osiągnąć, firma opracowała
wysoce zautomatyzowane linie produkcyjne i szeroko wykorzystuje
technologie uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji do
zoptymalizować proces produkcji. Średnio koła
są od 40% do 50% lżejsze niż standardowe felgi aluminiowe w
rynek. Dodatkowo, koła mogą być zaprojektowane z
aerodynamiczne kształty zmniejszające opór i zwiększające zasięg bez
dodawanie wagi.

Włoska firma Bucci Composites wprowadziła na rynek pierwsze 20-calowe
Obręcz z włókna węglowego zaprojektowana specjalnie dla
sektor samochodów sportowych/supercar. Umożliwia zamocowanie koła do
piasty w tradycyjny sposób, eliminując ryzyko momentu obrotowego śruby
poluzowanie. Gwarantuje to, że ultralekkie koła z włókna węglowego
są równie łatwe w montażu i konserwacji jak tradycyjne koła. Do
w odniesieniu do napotkanych wysokich temperatur, zwłaszcza gdy
przy użyciu hamulców węglowo-ceramicznych, wewnętrzna strona obręczy koła jest
pokryte warstwą ceramiczną, chroniącą włókno węglowe i
dzięki czemu obręcz koła może być używana w ekstremalnych temperaturach.

Rysunek 4: Rewolucja węglowa

Firma Bucci Composites wyposażyła się również w najnowocześniejszy
Technologia produkcji firmy Cannon (wysokociśnieniowe RTM-
HP-RTM), jedyna firma we Włoszech, która posiada technologię do
kontynuować opracowywanie kolejnych modeli kół dla branży motoryzacyjnej
przemysł.

Rysunek 5: Sprzęt procesowy HP-RTM firmy Cannon

Rozwiązanie Cannon obejmuje sprzęt wymagany do
wysokociśnieniowy proces RTM do produkcji kompozytów
materiały z matrycą z żywicy epoksydowej i włókna węglowego
wzmocnienie:

(1) Trójskładnikowa wysokociśnieniowa jednostka dozująca systemu E dla
Formuła żywicy epoksydowej, zawierająca trójskładnikową żywicę LN10
głowica mieszająca i sterowanie współczynnikami wyjściowymi w pętli zamkniętej.

(2) Prasa do formowania tłocznego o krótkim skoku z zaciskiem
siła 25 000 kN, płyty dociskowe o wymiarach 3,6 × 2,4 m i wysoce
precyzyjna kontrola aktywnej równoległości w celu zapewnienia płaskości formowanego elementu
części.

Rysunek 6: 20-calowe koło z włókna węglowego firmy Bucci Composites

Znany brytyjski producent samochodów Bentley niedawno
wprowadziła innowacyjne koła z włókna węglowego dla swojego Bentleya
Bentayga SUV, opracowany przez Bucci Composites. 22-calowy
Koła z włókna węglowego stały się największymi kołami z włókna węglowego
kiedykolwiek wyprodukowany, gwarantując innowacyjny design i wyjątkowość
wydajność, przy jednoczesnym zmniejszeniu masy o 6 kg na
koło.

Rysunek 7: 22-calowe koła opracowane przez Bucci dla Bentleya

Firma Vision Wheel z siedzibą w Stanach Zjednoczonych wprowadziła na rynek nowy
Koło z włókna węglowego opracowane we współpracy z IDI
Composites International i tkanie materiałów kompozytowych
ekspert A&P Technology. Koszt każdego koła wynosi $2,000 lub
jeszcze niżej.

Inna amerykańska firma, ESE Carbon, wprowadziła na rynek E2
zintegrowane koła z kompozytu włókna węglowego na rynku wtórnym,
Obsługa Tesla Model S, Tesla Model 3 i Subaru WRX STI
pojazdy.

Koła E2 wykorzystują zaawansowane, innowacyjne, dostosowane do potrzeb włókna
(TFP) i technologii wysokociśnieniowej infuzji żywicy,
Połączenie wydajności, trwałości, efektywności i innowacyjności
z pięknem włókna węglowego, zapewniając najwyższą jakość
koła z rynku wtórnego.

Im lżejsze koła, tym mniejsza bezwładność obrotowa, co skutkuje
w mniejszej sile wymaganej do przesunięcia kół do przodu. Jako
Wysokiej jakości koło kompozytowe z włókna węglowego, E2 znacząco
zmniejsza wagę w porównaniu z felgami aluminiowymi i stalowymi. Testy
wykazały, że każde koło może zaoszczędzić 10 funtów wagi,
w wyniku czego prędkość okrążenia wzrosła o 5,3%.

Mówiąc prościej, lżejsze obiekty wymagają mniej pracy do wyhamowania
i zatrzymać. Koła z włókna węglowego E2 są o 45% lżejsze niż
równoważnych felg stalowych lub aluminiowych. Testy wykazały, że E2
koła mogą skrócić drogę hamowania i wybiegania z prędkości 60 mil na godzinę
do 1 mili przez 3.6%.

Zmniejszenie masy nieresorowanej minimalizuje siły wywierane przez
zawieszenie utrzymujące koła pewnie na drodze. Każdy model E2
Koło z włókna węglowego może zredukować do 10 funtów masy nieresorowanej.
odciąża system, poprawiając osiągi zawieszenia.
Wynikająca z tego poprawa kontaktu opony z podłożem prowadzi do
reakcja układu kierowniczego i bardziej responsywne prowadzenie. Czy na
na drodze lub torze, koła z włókna węglowego E2 przenoszą Twoją jazdę
doświadczenie na zupełnie nowy poziom.

Testy drogowe

Po latach testowania prototypów, E2, najbardziej zaawansowany technologicznie
zaawansowana piasta koła samochodowego, jaką kiedykolwiek opracowano, została
stworzony. Dzięki zastosowaniu wysoce zaawansowanego modelowania przy użyciu skończonych
analizy elementów, zespół inżynierów kompozytów ESE może
przewidzieć reakcję koła w szerokim zakresie rzeczywistych warunków.
scenariusze. Dzięki temu bogactwu danych, koła ESE są poddawane
testowanie zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i terenowych, weryfikując ich
wytrzymałość, bezpieczeństwo i wydajność.

Testy udarności promieniowej
Test uderzenia promieniowego ocenia stabilność koła, gdy
napotykając wyboje lub duże przeszkody, aby zapobiec poważnym
uszkodzenie lub awaria. Ponieważ warunki drogowe nie zawsze są idealne,
Koła E2 przeszły rygorystyczne testy, aby wytrzymać typowe obciążenia.
Zagrożenia na drodze i okazały się lepsze od równoważnych stali
i aluminiowe felgi.

Test uderzenia w krawężnik
Test uderzenia w krawężnik jest kluczową oceną służącą do oceny skutków
powtarzających się uderzeń w statyczną powierzchnię, symulując pojazd
uderzanie w krawężniki lub inne stałe obiekty przy określonych prędkościach.
Nawet przy niskich prędkościach, kontakt między krawężnikami i kołami
generuje znaczne siły uderzenia. Koła z włókna węglowego E2
zostały zaprojektowane i szeroko przetestowane pod kątem odporności na awarie
w sytuacjach destrukcyjnych, takich jak uderzenia w krawężniki.

Testy SAE J3204

E2 przeszedł kompleksowe testy i oczekuje na
Certyfikacja zgodnie z normą SAE J3204, nowy proces produkcyjny dla
koła z materiałów kompozytowych. ESE ściśle współpracuje z
Stowarzyszenie Inżynierów Motoryzacji (SAE), aby pomóc w ustanowieniu
standardy i wzorce dla kół z materiałów kompozytowych. W
W rzeczywistości koła ESE E2 z włókna węglowego przewyższają minimalne wymagania SAE
zalecenia.

Podobnie jak w przypadku kół metalowych, SAE odnosi się do kwestii trwałości
dla kół z materiałów kompozytowych przez różne zmęczenia i
testy zderzeniowe. SAE wprowadziło również nowe wymagania dotyczące
unikalny wpływ kompozytów na środowisko
materiały.

Rysunek 11: Koła z włókna węglowego E2 przyjęte przez głównych producentów
producentów samochodów na całym świecie.

Koła z włókna węglowego E2 zostały zaprojektowane przy użyciu najnowszych technologii.
Technologia Tailored Fiber Placement (TFP). Włókno węglowe
Układanie tradycyjnie było pracochłonnym procesem obejmującym
cięcie i ręczne formowanie tkaniny z włókna węglowego na żywicy
pleśń. Doprowadziło to do nadmiernego marnotrawstwa i pracy ręcznej
może powodować wąskie gardła w produkcji.

Rysunek 12: Dostosowane rozmieszczenie włókien (TFP)

TFP osiąga optymalną wydajność strukturalną poprzez wykorzystanie
maszyny do układania i zszywania włókien węglowych w precyzyjne
pozycji. Skraca to czas nakładania warstw o 50% i materiał
przez 80%. Pozwala również ESE zoptymalizować projekt
dzięki precyzyjnemu rozmieszczeniu i orientacji włókien w celu
dostosowuje się do krzywizny i szprych kół z włókna węglowego.
Zwiększa to wytrzymałość i trwałość włókna węglowego E2
Koła z włókna szklanego, umożliwiające wydajne zarządzanie ładunkami i
podkreśla.

E2 wykorzystuje również opatentowaną technologię Resin Transfer Molding
(RTM) i system żywicy epoksydowej do produkcji
piasty, zapewniając większą wytrzymałość obręczy koła i zmęczenie materiału
odporność. ESE wykorzystuje najwyższej jakości, najszybciej utwardzane
żywica, zapewniająca niezrównaną wydajność przy wiodącej w branży cenie
Temperatura Tg (zeszklenia) do 212°C. Włókno
stosunek zawartości żywicy do ESE wynosi 60%, z minimalną pustą przestrzenią
zawartość 2%, co czyni go jednym z najlepszych w branży.
Dodatkowo, ESE może w pełni wypełnić koncentrator w czasie krótszym niż 2 minuty.
minut.

Rysunek 13: Produkcja kół CFRP przy użyciu procesu RTM

Wnioski:

Dzięki zastosowaniu kół z włókna węglowego waga kół jest niższa.
znacznie zmniejszona, umożliwiając samochodom sportowym osiągnięcie
Właściwości jezdne. Mniejsza bezwładność, koła z włókna węglowego
poprawiają reakcję układu kierowniczego i przyczepność, co skutkuje szybszym
przyspieszanie i hamowanie.

Co więcej, lęk przed zasięgiem jest istotnym problemem dla wielu osób.
potencjalnych konsumentów rozważających zakup
pojazd elektryczny. Podczas gdy zasięg pojazdu elektrycznego
zależy przede wszystkim od baterii, inne czynniki również mają wpływ
uderzenie. Lekkie koła z włókna węglowego mogą znacznie zmniejszyć
zużycie energii spowodowane obrotem koła podczas
przyspieszanie lub zwalnianie, maksymalizując zasięg jazdy
pojazdy elektryczne.

 

styczeń 6, 2024