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Análise de rodas leves em fibra de carbono para novas energias
Veículos

Veículos de energia nova Roda de fibra de carbono leve
Análise

2023-07-11 06:59:49

Introdução
Os veículos movidos a novas energias estão a substituir gradualmente os veículos tradicionais movidos a combustível.
automóveis eléctricos. A gama de veículos eléctricos tornou-se a
maior obstáculo ao desenvolvimento, tornando a redução de peso
particularmente importante.

Com a crescente procura de proteção ambiental e
eficiência energética, a indústria automóvel mundial está a procurar
diversas soluções de redução de peso. A necessidade de redução de peso
na massa não suspensa é particularmente proeminente, e como um
componente importante da massa não suspensa, as rodas são responsáveis por
representam uma parte significativa do peso total do veículo. Um
A forma mais eficaz de reduzir o peso é através da utilização de carbono
rodas de fibra. À medida que os custos das matérias-primas e de fabrico diminuem,
rodas de fibra de carbono, que antigamente eram caras e apenas utilizadas
em modelos de luxo ou ultra-luxo, estão a tornar-se gradualmente mais
acessível.

Figura 1: Roda de fibra de carbono

Perspectivas de aplicação do CFRP no sector automóvel
A fibra de carbono é um material leve, de alta resistência e de alto módulo
material de fibra. Tem uma densidade inferior à do metal, mas é 16 vezes
mais forte do que o aço. O seu módulo de Young é 2-3 vezes superior
do que a fibra de vidro tradicional, mantendo ao mesmo tempo a flexibilidade
de fibras.

Normalmente, as jantes de liga de alumínio pesam cerca de 15 quilogramas,
enquanto as rodas de fibra de carbono podem reduzir o peso para 8 quilogramas,
tornando as rodas de fibra de carbono numa verdadeira "ferramenta de redução de peso".

Devido às suas propriedades de leveza e elevada resistência, o carbono
A fibra sempre foi um material preferido para a indústria automóvel
fabrico. Para além das aplicações em rodas, a fibra de carbono
é também utilizado em transmissões automóveis, molas de lâmina, estruturas,
e carroçarias, assegurando uma resistência e rigidez suficientes, ao mesmo tempo que
reduzir o peso e o consumo de energia dos veículos.
De acordo com o "Mercado Automotivo de Fibra de Carbono 2021
Relatório de Pesquisa" publicado pela MarketaaWatch, o
a dimensão do mercado da fibra de carbono para automóveis atingiu quase $160
milhões de euros em 2020. De 2021 a 2027, o mercado mundial de veículos automóveis
espera-se que o mercado da fibra de carbono mantenha uma tendência
taxa de crescimento anual de mais de 5%.

A aplicação de materiais de fibra de carbono em automóveis não é
apenas para reduzir o peso e o consumo de energia, mas
também para melhorar o desempenho da segurança dos veículos. Em comparação com
As tradicionais jantes de liga de alumínio, as jantes de fibra de carbono são
mais leve, mais forte, livre de fadiga metálica e significativamente
reduzir o ruído. O mercado de rodas de fibra de carbono na China tem
enorme potencial, mas a adoção generalizada da fibra de carbono
As rodas dependem essencialmente de considerações de custo.

Figura 2: Previsão da procura de fibra de carbono no sector automóvel
Sector

Com a melhoria contínua e a produção em grande escala
da tecnologia de fabrico de fibra de carbono, o custo do carbono
está a diminuir gradualmente. A fibra de carbono tradicional
O precursor é fabricado principalmente a partir de matérias-primas de poliacrilonitrilo (PAN)
material, que sempre foi dispendioso. No entanto, ao utilizar
à base de asfalto, polietileno e outros materiais para produzir o
precursor, o custo da fibra de carbono pode ser reduzido em mais de
do que o 30%. Por exemplo, a Carbon Revolution, uma empresa australiana
empresa, fabrica rodas de fibra de carbono através da colagem de
fibra de carbono com resina, conseguindo uma produção em grande escala e
reduzir o custo das rodas de fibra de carbono para um nível próximo de
jantes de alumínio.

O governo chinês implementou políticas relevantes para
promover a aplicação generalizada de produtos nacionais
fibra de carbono de alto desempenho. Em março de 2021, o "14.
Plano quinquenal para o desenvolvimento económico e social nacional
Desenvolvimento e objectivos a longo prazo para 2035" foi publicado,
que sublinhou a necessidade de reforçar a investigação,
desenvolvimento e aplicação de fibras de elevado desempenho, tais como
como a fibra de carbono e os seus compósitos. Isto proporciona um ambiente favorável
ambiente político para o avanço tecnológico da
indústria de fibra de carbono no futuro.

O desenvolvimento de veículos movidos a novas energias é imparável, e
as jantes de fibra de carbono podem tornar-se uma caraterística de série nos novos
veículos de energia.

Comparação entre rodas de CFRP e rodas de metal:

Desde a invenção do automóvel em 1886, que tem uma história
de mais de 100 anos, as rodas de automóvel evoluíram de
materiais de madeira a materiais metálicos modernos. Os materiais mais comuns
Os materiais utilizados nas rodas dos automóveis modernos incluem as rodas de aço,
jantes de liga de alumínio, jantes de liga de magnésio e, recentemente
anos, surgiram rodas de fibra de carbono, nomeadamente em
supercarros.

Rodas de aço: As rodas de aço são feitas principalmente de ferro e outros
metais para aumentar a tenacidade. Apresentam as vantagens de
maior tenacidade, excelente resistência ao impacto e boa capacidade de carga
capacidade de suporte. Para além disso, são relativamente baratos.
No entanto, as rodas de aço têm alguns inconvenientes, tais como
suscetibilidade à ferrugem, fraca dissipação de calor, peso elevado e
limitações de travagem e de manobrabilidade.

Jantes de liga leve de alumínio: O alumínio é o principal componente da
jantes de liga de alumínio, juntamente com elementos como o antimónio,
silício e magnésio para melhorar o desempenho geral. O
processo de fabrico de jantes de liga de alumínio é mais
complexo do que o das rodas de aço, com mais etapas de processamento.
As jantes de liga de alumínio apresentam um desempenho geral superior e
redução significativa do peso. Devido à menor densidade do
liga de alumínio, oferecem uma aceleração mais rápida, melhor aquecimento
dissipação e são adequados para as condições das estradas urbanas.
No entanto, as jantes de liga de alumínio têm um peso relativamente inferior
dureza, resistência ao impacto e resistência à fadiga, tornando
não são adequados para ambientes difíceis, como todo-o-terreno
condições.

Jantes em liga de magnésio-alumínio: Em comparação com o alumínio,
o magnésio tem uma densidade mais baixa e é semelhante à fibra de carbono
materiais compósitos. Jantes de liga leve em magnésio-alumínio
incluem o magnésio como componente principal, juntamente com
alumínio, zinco, manganês e outros elementos. Fornecem
melhor elasticidade, dissipação de calor mais rápida e maior resistência ao choque
capacidades de absorção. São uma versão melhorada de
jantes de liga de alumínio em termos de resistência. No entanto,
as jantes de liga leve de magnésio-alumínio são propensas à oxidação e
têm uma fraca resistência à corrosão.

Rodas de fibra de carbono: As jantes de fibra de carbono são uma novidade relativamente recente
tipo de rodas que surgiram nos últimos anos. Têm uma
aspeto preto puro com uma superfície texturada, o que lhes confere uma
um aspeto sofisticado e topo de gama. As jantes em fibra de carbono oferecem
desempenho poderoso, peso comparável ao do magnésio
rodas, elevada tenacidade, excelente resistência ao impacto e
resistência à corrosão e à oxidação. São atualmente utilizados em
motociclos, bicicletas de montanha, bicicletas de estrada e automóveis.

Vantagens das rodas em compósito de fibra de carbono
As rodas e os pneus de um automóvel suportam todo o peso e desempenham um
papel crucial na condução do veículo sob a ação do
eixo de transmissão. Como componente estrutural central, o carbono
as rodas em compósito de fibra possuem uma excelente capacidade de carga
e resistência ao impacto, proporcionando um desempenho excecional
durante a aceleração e sob cargas pesadas. Além disso, o carbono
as rodas de fibra podem efetivamente reduzir a inércia e permitir uma maior rapidez
aceleração, travagem e manobras devido à sua reduzida
peso.

(1) Peso mais leve, maior resistência

É do conhecimento geral que os materiais compósitos de fibra de carbono são
reconhecido como o melhor método para "leveza" e peso
redução nos automóveis. A fibra de carbono, também conhecida como "black
ouro", é mais leve do que o alumínio e tem maior resistência
do que o aço. Apresenta uma resistência à corrosão e um elevado módulo de elasticidade
características, permitindo não só a redução do peso, mas também
reforço da estrutura do veículo. Os dados demonstram que uma taxa de 20-
polegadas de fibra de carbono pesa aproximadamente 7,5 kg, o que é
mais de 25% mais leve do que uma liga de alumínio de dimensão equivalente
roda. Em termos de resistência, as rodas de fibra de carbono apresentam uma
melhoria global de cerca de 30% em comparação com o alumínio
jantes de liga leve.

(2) Desempenho e manuseamento melhorados

Engenheiros da marca de rodas australiana Carbon Revolution
declararam que a redução do peso de uma roda em 1 kg, em
massa não suspensa, é equivalente a reduzir a massa total do veículo
em 15 kg. Por cada 10% de redução de peso, o
o desempenho de aceleração do veículo pode melhorar em
aproximadamente 8%. Isto indica que as rodas ligeiras podem
dar uma melhor resposta ao desempenho energético do veículo.
As rodas de fibra de carbono também oferecem uma excelente absorção de choques,
maior conforto e melhor manuseamento.

(3) Eficiência energética e redução das emissões

Redução da massa não suspensa em 1 kg utilizando fibra de carbono
rodas compósitas é equivalente à redução do peso total do veículo
em 15 kg. Uma redução de peso de 10% pode resultar numa redução de peso de 6%-
diminuição de 8% no consumo de combustível e uma redução de 5% no
de emissões. Num cenário em que os veículos utilizam a mesma quantidade de
gasolina, um automóvel equipado com rodas de fibra de carbono pode deslocar-se até
a mais 50 km por hora em comparação com um automóvel com liga de alumínio
rodas. O peso das rodas de fibra de carbono é 60% mais leve do que
a das jantes de liga de alumínio forjado da mesma dimensão,
tornando a redução do peso dos veículos significativa para o ambiente
objectivos.

(4) Melhoria da manobrabilidade e desempenho superior da travagem

As rodas de fibra de carbono oferecem um módulo de elasticidade de até 200 GPa.
Quanto maior for o módulo de elasticidade, menor será a
deformação depois de serem sujeitos a forças, resultando numa melhor
conforto e melhor comportamento. Depois de substituir as jantes por
de fibra de carbono leve, a suspensão do veículo
a velocidade de resposta melhora visivelmente, conduzindo a uma maior rapidez e
aceleração mais suave e melhor desempenho de travagem.

Exemplos de aplicação de rodas compostas de fibra de carbono
Fundada em 2007, a Carbon Revolution é uma empresa global de tecnologia
empresa e fornecedor OEM Tier 1 que conseguiu
pioneira, comercializada e industrializada de alta
desempenho, fibra de carbono leve e tecnologicamente avançada
rodas. Para além das jantes para automóveis de luxo, a empresa tem
anunciou o desenvolvimento de produtos de carbono de 23 e 24 polegadas
rodas de fibra destinadas aos mercados de camiões e SUV eléctricos. As
a empresa está também a realizar projectos conceptuais e de validação
para as rodas do helicóptero CH-47 Chinook da Boeing.

Figura 3: Fibra de carbono da série Ultra-Light da Carbon Revolution
Rodas

O fabrico de jantes em fibra de carbono requer uma elevada
colocação de fibra de carbono de precisão e moldagem a alta pressão
técnicas. A Carbon Revolution detém cerca de 50 patentes
relacionados com produtos e fabrico de rodas de fibra de carbono
processos e tem como objetivo melhorar a eficiência através de processos
melhorias. Para o efeito, a empresa desenvolveu
linhas de produção altamente automatizadas e utiliza extensivamente
tecnologias de aprendizagem automática e de inteligência artificial para
otimizar o processo de fabrico. Em média, as rodas
são 40% a 50% mais leves do que as jantes de alumínio normais no
mercado. Além disso, as rodas podem ser concebidas com
formas aerodinâmicas para reduzir a resistência e aumentar a autonomia sem
aumentar o peso.

A empresa italiana Bucci Composites apresentou o primeiro modelo de 20 polegadas
jante de fibra de carbono especificamente concebida para o
sector dos desportos/supercarros. Permite a fixação da roda ao
cubo de forma tradicional, eliminando o risco de binário de aperto dos parafusos
afrouxamento. Isto garante que as rodas ultra-leves em fibra de carbono
são tão fáceis de montar e manter como as rodas tradicionais. Para
para fazer face às elevadas temperaturas registadas, especialmente quando
com travões de carbono-cerâmica, o lado interior da jante é
revestido com uma camada de cerâmica, protegendo a fibra de carbono e
permitindo que a jante da roda seja utilizada a temperaturas extremas.

Figura 4: Revolução do carbono

A Bucci Composites também se equipou com a tecnologia de ponta
tecnologia de produção da Cannon (High-Pressure RTM-
HP-RTM), a única empresa em Itália que possui a tecnologia para
continuar a desenvolver mais modelos de rodas para o sector automóvel
indústria.

Figura 5: Equipamento de processo HP-RTM da Cannon

A solução da Cannon inclui o equipamento necessário para a
processo RTM de alta pressão para o fabrico de materiais compósitos
materiais com uma matriz de resina epóxi e fibra de carbono
reforço:

(1) Um doseador de alta pressão com sistema E de três componentes para
formulação de resina epoxídica, com um componente LN10 de três componentes
cabeça misturadora e controlo em circuito fechado das relações de saída.

(2) Uma prensa de moldagem por compressão de curso curto com um dispositivo de fixação
força de 25.000 kN, placas de prensagem de 3,6×2,4 m, e placas de
controlo ativo do paralelismo preciso para garantir a planicidade do molde
peças.

Figura 6: Roda de fibra de carbono de 20″ da Bucci Composites

O famoso fabricante britânico de automóveis Bentley
introduziu jantes inovadoras totalmente em fibra de carbono para o seu Bentley
Bentayga SUV, desenvolvido pela Bucci Composites. O modelo de 22 polegadas
as rodas de fibra de carbono tornaram-se as maiores rodas de fibra de carbono
jamais produzidos, garantindo um design inovador e uma
desempenho, conseguindo simultaneamente uma redução de peso de 6 kg por
roda.

Figura 7: Rodas de 22″ desenvolvidas por Bucci para a Bentley

A Vision Wheel, sediada nos Estados Unidos, introduziu uma nova
roda em fibra de carbono desenvolvida em colaboração com a IDI
Composites International e tecelagem de materiais compósitos
especialista em tecnologia A&P. O custo de cada roda é de $2,000 ou
ainda mais baixo.

Outra empresa americana, a ESE Carbon, lançou o seu E2
rodas integradas em compósito de fibra de carbono no mercado de reposição,
ao serviço do Tesla Model S, Tesla Model 3 e Subaru WRX STI
veículos.

As jantes E2 utilizam fibras avançadas e inovadoras feitas à medida
(TFP) e tecnologia de infusão de resina de alta pressão,
combinando desempenho, durabilidade, eficiência e inovação
com a beleza da fibra de carbono, proporcionando uma qualidade superior
rodas de substituição.

Quanto mais leves forem as rodas, menor será a inércia rotacional, resultando
em menos força necessária para mover as rodas para a frente. Como um
roda de compósito de fibra de carbono de qualidade superior, o E2
reduz o peso em comparação com as jantes de alumínio e de aço. Testes
demonstraram que cada roda pode poupar 10 libras de peso,
resultando num aumento de 5,3% na velocidade por volta.

Em termos simples, os objectos mais leves requerem menos trabalho para desacelerar
e pára. As rodas de fibra de carbono E2 são 45% mais leves do que
rodas de aço ou alumínio equivalentes. Os ensaios demonstraram que o E2
as rodas podem reduzir as distâncias de travagem e de imobilização a partir das 60 mph
a 1 milha por 3,6%.

A redução do peso não suspenso minimiza as forças exercidas pelo
para manter as rodas firmemente na estrada. Cada E2
A roda de fibra de carbono pode reduzir até 10 libras de peso não suspenso
peso do sistema, melhorando o desempenho da suspensão.
A melhoria resultante no contacto com os pneus leva a uma maior
resposta da direção e um comportamento mais reativo. Quer seja em
na estrada ou na pista, as jantes de fibra de carbono E2 levam a sua condução
a experiência a um nível totalmente novo.

Teste de estrada

Após anos de testes de protótipos, o E2, o mais tecnológico
avançado cubo de roda automóvel alguma vez desenvolvido, foi
criado. Ao empregar uma modelação altamente avançada utilizando
análise de elementos, a equipa de engenharia de compósitos do ESE pode
prever a resposta da roda numa vasta gama de situações do mundo real
cenários. Com esta riqueza de dados, as rodas do ESE passam por
testes em condições laboratoriais e de campo, validando a sua
resistência, segurança e desempenho.

Ensaio de impacto radial
O ensaio de impacto radial avalia a estabilidade da roda quando
ao deparar-se com buracos ou grandes obstáculos para evitar
danos ou avarias. Uma vez que as condições da estrada nem sempre são perfeitas,
As jantes E2 foram submetidas a testes rigorosos para resistirem a
riscos rodoviários e provaram ser superiores aos equivalentes em aço
e jantes de alumínio.

Ensaio de impacto no passeio
O ensaio de impacto no passeio é uma avaliação crucial para avaliar os efeitos
de impactos repetidos numa superfície estática, simulando o veículo
bater em lancis ou outros objectos fixos a velocidades pré-determinadas.
Mesmo a baixa velocidade, o contacto entre os passeios e as rodas
gera forças de impacto significativas. Jantes em fibra de carbono E2
foram concebidos e amplamente testados para resistir a falhas
em situações destrutivas, tais como impactos de lancis.

Ensaios SAE J3204

O E2 foi submetido a testes exaustivos e está a aguardar
certificação segundo a norma SAE J3204, um novo processo de produção para
rodas de material compósito. O ESE está a colaborar estreitamente com
a Sociedade de Engenheiros Automóveis (SAE) para ajudar a estabelecer
normas e padrões de referência para rodas de materiais compósitos. Em
De facto, as jantes de fibra de carbono E2 do ESE ultrapassam os requisitos mínimos da SAE
recomendações.

À semelhança das rodas metálicas, o SAE aborda as questões da durabilidade
para rodas de material compósito através de vários processos de fadiga e
ensaios de impacto. A SAE também introduziu novos requisitos para
abordar os impactos ambientais únicos dos materiais compósitos
materiais.

Figura 11: Rodas de fibra de carbono E2 adoptadas pelas principais empresas
fabricantes de automóveis em todo o mundo.

As jantes de fibra de carbono E2 são concebidas utilizando as mais recentes tecnologias de
Tecnologia Tailored Fiber Placement (TFP). Fibra de carbono
A laminagem tem sido tradicionalmente um processo de trabalho intensivo que envolve
corte e moldagem manual de tecido de fibra de carbono sobre uma resina
molde. Isto resultou em desperdício excessivo e trabalho manual
pode criar estrangulamentos na produção.

Figura 12: Colocação de fibra à medida (TFP)

A TFP atinge um desempenho estrutural ótimo utilizando
máquinas para dispor e coser fibras de carbono em
posições. Isto reduz o tempo de estratificação em 50% e o material
resíduos pelo 80%. Permite também ao ESE otimizar a conceção
através da colocação e orientação precisas das fibras para
acomodar a curvatura e os raios das jantes de fibra de carbono.
Isto aumenta a resistência e a durabilidade do carbono E2
rodas de fibra, permitindo-lhes gerir eficazmente cargas e
tensões.

O E2 também utiliza um sistema patenteado de moldagem por transferência de resina
(RTM) e sistema de resina epóxi para fabricar o
cubos, proporcionando uma maior resistência da jante e fadiga
resistência. O ESE emprega a mais alta qualidade, de cura mais rápida
que proporciona um desempenho inigualável a um preço líder na indústria
Temperatura Tg (transição vítrea) de até 212°C. A fibra-
A relação entre o teor de resina e o teor de ESE é de 60%, com um teor mínimo de vazios de
de 2%, o que o torna um dos melhores do sector.
Além disso, o ESE pode infundir totalmente o hub em menos de 2
minutos.

Figura 13: Fabrico de rodas CFRP utilizando o processo RTM

Conclusão:

Ao utilizar rodas de fibra de carbono, o peso das rodas é
significativamente reduzido, permitindo que os automóveis desportivos alcancem
desempenho de manuseamento. Com menor inércia, as jantes em fibra de carbono
melhoram a resposta da direção e a tração, resultando numa maior rapidez
aceleração e travagem.

Além disso, a ansiedade em relação à autonomia é uma preocupação significativa para muitos
potenciais consumidores ao considerarem a compra de um
veículo elétrico. Embora a autonomia de um veículo elétrico
depende principalmente da bateria, mas outros factores também têm um impacto
impacto. As rodas leves em fibra de carbono podem reduzir significativamente
consumo de energia causado pela rotação da roda durante
aceleração ou desaceleração, maximizando a autonomia de condução de
veículos eléctricos.

 

6 de janeiro de 2024