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Análise de rodas leves de 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 substituindo gradualmente os veículos tradicionais movidos a combustível.
carros movidos a energia elétrica. O alcance dos veículos elétricos tornou-se o
maior obstáculo ao desenvolvimento, tornando a redução de peso
particularmente importante.

Com a crescente demanda por proteção ambiental e
eficiência energética, o setor automotivo global está buscando
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
para uma proporção significativa do peso total do veículo. Um
A maneira mais eficaz de reduzir o peso é por meio do uso de carbono
rodas de fibra. Com a redução dos custos de matéria-prima e de fabricação,
rodas de fibra de carbono, que antes eram caras e usadas apenas
em modelos de luxo ou ultraluxuosos, estão gradualmente se tornando mais
acessível.

Figura 1: Roda de fibra de carbono

Perspectivas de aplicação do CFRP no campo automotivo
A fibra de carbono é um material leve, de alta resistência e alto módulo
material de fibra. Ele tem uma densidade menor do que a do metal, mas é 16 vezes
mais forte do que o aço. Seu módulo de Young é 2 a 3 vezes maior
do que a fibra de vidro tradicional, mantendo a flexibilidade
de fibras.

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

Devido às suas propriedades de leveza e alta resistência, o carbono
A fibra sempre foi o material preferido para o setor automotivo
fabricação. Além das aplicações em rodas, a fibra de carbono
também é usado em linhas de transmissão automotivas, feixes de molas e estruturas,
e carrocerias, garantindo resistência e rigidez suficientes enquanto
reduzir o peso e o consumo de energia dos veículos.
De acordo com o "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Relatório de pesquisa", publicado pela MarketaaWatch, o
O tamanho do mercado de fibra de carbono automotiva atingiu quase $160
milhões em 2020. De 2021 a 2027, o mercado automotivo global
espera-se que o mercado de fibra de carbono mantenha um ritmo composto
taxa de crescimento anual de mais de 5%.

A aplicação de materiais de fibra de carbono em automóveis não é
apenas para redução do peso e do consumo de energia, mas
também para melhorar o desempenho da segurança do veículo. Em comparação com
As tradicionais rodas de liga de alumínio, as rodas de fibra de carbono são
mais leve, mais resistente, livre de fadiga de metal 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
depende principalmente de considerações de custo.

Figura 2: Previsão da demanda de fibra de carbono no setor automotivo
Setor

Com a melhoria contínua e a produção em larga escala
da tecnologia de fabricação de fibra de carbono, o custo do carbono
fibra está diminuindo gradualmente. A fibra de carbono tradicional
O precursor é feito principalmente de matéria-prima de poliacrilonitrila (PAN)
material, que sempre foi caro. No entanto, ao usar
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 a 30%. Por exemplo, a Carbon Revolution, uma empresa australiana
A empresa fabrica rodas de fibra de carbono por meio da colagem de
fibra de carbono com resina, alcançando produção em larga escala e
reduzindo o custo das rodas de fibra de carbono para um nível próximo ao da
Rodas de alumínio.

O governo chinês implementou políticas relevantes para
promover a aplicação generalizada de produtos produzidos internamente
fibra de carbono de alto desempenho. Em março de 2021, o "14th
Plano quinquenal para o desenvolvimento econômico e social nacional
Development and Long-Term Goals for 2035" (Desenvolvimento e metas de longo prazo para 2035),
que enfatizou a necessidade de fortalecer a pesquisa,
desenvolvimento e aplicação de fibras de alto desempenho, como
como fibra de carbono e seus compostos. Isso proporciona um ambiente favorável para
ambiente de políticas para o avanço tecnológico da
indústria de fibra de carbono no futuro.

O desenvolvimento de novos veículos de energia é imparável, e
as rodas de fibra de carbono podem se tornar um recurso padrão nos novos
veículos de energia.

Comparação entre rodas de CFRP e rodas de metal:

Desde a invenção dos automóveis em 1886, que tem uma história
de mais de 100 anos, as rodas de automóveis evoluíram de
materiais de madeira a materiais metálicos modernos. Os materiais mais comuns
Os materiais de roda usados nos carros modernos incluem rodas de aço,
rodas de liga leve de alumínio, rodas de liga leve de magnésio e, recentemente
anos, surgiram rodas de fibra de carbono, especialmente em
supercarros.

Rodas de aço: As rodas de aço são feitas principalmente de ferro e outros materiais.
metais para aumentar a resistência. Eles têm as vantagens de
maior tenacidade, excelente resistência ao impacto e boa capacidade de carga.
capacidade de carga. Além disso, eles são relativamente baratos.
No entanto, as rodas de aço têm algumas desvantagens, tais como
suscetibilidade à ferrugem, baixa dissipação de calor, peso elevado e
limitações de frenagem e manuseio.

Rodas de liga leve de alumínio: O alumínio é o principal componente da
rodas de liga leve de alumínio, além de elementos como o antimônio,
silício e magnésio para melhorar o desempenho geral. O
O processo de fabricação de rodas de liga de alumínio é mais
complexo do que o das rodas de aço, com mais etapas de processamento.
As rodas de liga de alumínio apresentam melhor desempenho geral e
redução significativa de peso. Devido à menor densidade do
liga de alumínio, eles oferecem aceleração mais rápida, melhor aquecimento
dissipação e são adequados para as condições das vias urbanas.
No entanto, as rodas de liga leve de alumínio têm um custo relativamente menor
resistência, resistência ao impacto e resistência à fadiga, tornando
não são adequados para ambientes severos, como off-road
condições.

Rodas de liga leve de magnésio e alumínio: Em comparação com o alumínio,
O magnésio tem uma densidade menor e é semelhante à fibra de carbono
materiais compostos. Rodas de liga leve de magnésio-alumínio
incluem o magnésio como componente principal, juntamente com
alumínio, zinco, manganês e outros elementos. Eles fornecem
melhor elasticidade, dissipação de calor mais rápida e maior resistência a choques
recursos de absorção. Eles são uma versão aprimorada de
rodas de liga de alumínio em termos de resistência. No entanto,
As rodas de liga leve de magnésio-alumínio são propensas à oxidação e
têm baixa resistência à corrosão.

Rodas de fibra de carbono: As rodas de fibra de carbono são um produto relativamente novo
tipo de rodas que surgiram nos últimos anos. Elas têm um
aparência preta pura com uma superfície texturizada, o que lhes dá uma
visual sofisticado e de alta qualidade. As rodas de fibra de carbono oferecem
desempenho poderoso, peso comparável ao do magnésio
rodas, alta tenacidade, excelente resistência ao impacto e
resistência à corrosão e à oxidação. Atualmente, eles são usados em
motocicletas, mountain bikes, bicicletas de estrada e automóveis.

Vantagens das rodas compostas de fibra de carbono
As rodas e os pneus de um carro suportam todo o peso e desempenham um papel importante.
papel crucial na condução do veículo sob a ação do
eixo de transmissão. Como componente estrutural principal, o carbono
As rodas compostas de fibra têm excelente capacidade de suporte de carga
e resistência a impactos, proporcionando um desempenho excepcional
durante a aceleração e sob cargas pesadas. Além disso, o carbono
As rodas de fibra podem reduzir efetivamente a inércia e permitir maior rapidez
aceleração, frenagem e manobras devido à sua reduzida
peso.

(1) Peso mais leve, maior resistência

É amplamente conhecido que os materiais compostos de fibra de carbono são
reconhecido como o melhor método para "leveza" e peso
em automóveis. A fibra de carbono, também conhecida como "black
ouro", é mais leve que o alumínio e tem maior resistência
do que o aço. Apresenta resistência à corrosão e alto módulo
características, permitindo não apenas a redução de peso, mas também
reforço da estrutura do veículo. Os dados mostram que um veículo de 20-
A roda de fibra de carbono de polegada pesa aproximadamente 7,5 kg, o que é
mais de 25% mais leve do que uma liga de alumínio de tamanho equivalente
roda. Em termos de resistência, as rodas de fibra de carbono apresentam uma
melhoria geral de cerca de 30% em comparação com o alumínio
Rodas de liga leve.

(2) Desempenho e manuseio aprimorados

Engenheiros da marca de rodas Australian Carbon Revolution
afirmaram que reduzir o peso de uma roda em 1 kg, sob
massa não suspensa, é equivalente a reduzir a massa total do veículo.
em 15 kg. Para cada 10% de redução de peso, o
O desempenho de aceleração do veículo pode melhorar em
aproximadamente 8%. Isso indica que as rodas leves podem
proporcionar melhor resposta ao desempenho de potência do veículo.
As rodas de fibra de carbono também oferecem excelente absorção de impactos,
maior conforto e melhor manuseio.

(3) Eficiência energética e redução de emissões

Redução da massa não suspensa em 1 kg usando fibra de carbono
rodas compostas é equivalente a reduzir o veículo como um todo
em 15 kg. Uma redução de peso de 10% pode resultar em um 6%-
Redução de 8% no consumo de combustível e uma redução de 5% em
de emissões. Em um cenário em que os veículos usam a mesma quantidade de
gasolina, um carro equipado com rodas de fibra de carbono pode viajar até
a 50 km a mais por hora em comparação com um carro com liga de alumínio
rodas. O peso das rodas de fibra de carbono é 60% mais leve do que
de aros de roda de liga de alumínio forjado do mesmo tamanho,
tornando a redução do peso do veículo significativa para o meio ambiente
propósitos.

(4) Manuseio aprimorado e desempenho superior de frenagem

As rodas de fibra de carbono oferecem um módulo de elasticidade de até 200 GPa.
Quanto maior for o módulo de elasticidade, menor será o módulo de elasticidade.
deformação após serem submetidos a forças, resultando em melhor
conforto e melhor manuseio. Depois de substituir as rodas por
de fibra de carbono leve, a suspensão do veículo
A velocidade de resposta melhora sensivelmente, o que leva a uma resposta mais rápida e
aceleração mais suave e melhor desempenho de frenagem.

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 obteve sucesso em
foi pioneira, comercializou e industrializou a alta tecnologia.
desempenho, fibra de carbono leve e tecnologicamente avançada
rodas. Além de rodas para carros de luxo, a empresa tem
anunciou o desenvolvimento de produtos de carbono de 23 e 24 polegadas
rodas de fibra voltadas para os mercados de caminhões elétricos e SUVs. As
A empresa também está realizando projetos conceituais 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

A fabricação de rodas de fibra de carbono requer um alto nível de
Layup de fibra de carbono de precisão e moldagem de alta pressão
técnicas. A Carbon Revolution detém aproximadamente 50 patentes
relacionados a produtos e fabricação de rodas de fibra de carbono
processos e tem como objetivo melhorar a eficiência por meio de processos
aprimoramentos. Para isso, a empresa desenvolveu
linhas de produção altamente automatizadas e emprega extensivamente
tecnologias de aprendizado de máquina e inteligência artificial para
otimizar o processo de fabricação. Em média, as rodas
são 40% a 50% mais leves do que as rodas de alumínio padrão no
mercado. Além disso, as rodas podem ser projetadas com
formas aerodinâmicas para reduzir o arrasto e aumentar a autonomia sem
adicionando peso.

A empresa italiana Bucci Composites apresentou o primeiro modelo de 20 polegadas
aro de roda de fibra de carbono projetado especificamente para o
setor de esportes/supercarros. Ele permite que a roda seja fixada no
de forma tradicional, eliminando o risco de torque dos parafusos
afrouxamento. Isso garante que as rodas ultraleves de fibra de carbono
são tão fáceis de montar e manter quanto as rodas tradicionais. Para
lidar com as altas temperaturas encontradas, especialmente quando
usando freios de cerâmica de carbono, o lado interno do aro da roda é
revestido com uma camada de cerâmica, protegendo a fibra de carbono e
permitindo que o aro da roda seja usado em 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 na Itália que possui a tecnologia para
continuar desenvolvendo mais modelos de rodas para o setor automotivo
setor.

Figura 5: Equipamento de processo HP-RTM da Cannon

A solução da Cannon inclui os equipamentos necessários para a
Processo RTM de alta pressão para fabricar compósitos
materiais com uma matriz de resina epóxi e fibra de carbono
reforço:

(1) Uma unidade de dosagem de alta pressão com sistema E de três componentes para
formulação de resina epóxi, com um componente LN10 de três componentes
cabeçote de mistura e controle em malha fechada das proporções de saída.

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

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

A renomada fabricante britânica de automóveis Bentley recentemente
introduziu rodas inovadoras totalmente em fibra de carbono para seu Bentley
SUV Bentayga, desenvolvido pela Bucci Composites. O modelo de 22 polegadas
As rodas de fibra de carbono se tornaram as maiores rodas de fibra de carbono
já produzidos, garantindo um design inovador e excepcional
desempenho, ao mesmo tempo em que obtém uma redução de peso de 6 kg por
roda.

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

A Vision Wheel, sediada nos Estados Unidos, lançou um novo
roda de fibra de carbono desenvolvida em colaboração com a IDI
Composites International e tecelagem de materiais compostos
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 E2
rodas compostas de fibra de carbono integradas no mercado de reposição,
servindo Tesla Model S, Tesla Model 3 e Subaru WRX STI
veículos.

As rodas E2 utilizam fibra sob medida inovadora e avançada
(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 reposição.

Quanto mais leves forem as rodas, menor será a inércia rotacional, resultando em
em menos força necessária para mover as rodas para frente. Como um
roda premium composta de fibra de carbono, o E2 é significativamente
reduz o peso em comparação com as rodas de alumínio e aço. Testes
mostraram que cada roda pode economizar 10 libras de peso,
resultando em um aumento de 5,3% na velocidade da volta.

Em termos simples, objetos mais leves exigem menos trabalho para serem desacelerados
e parar. As rodas de fibra de carbono E2 são 45% mais leves do que
rodas de aço ou alumínio equivalentes. Os testes mostraram que o E2
As rodas podem reduzir as distâncias de frenagem e desaceleração a partir de 60 mph
a 1 milha por 3,6%.

A redução do peso não suspenso minimiza as forças exercidas pelo
suspensão para manter as rodas firmes 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 contato com o pneu leva a um maior
resposta da direção e manuseio mais ágil. Seja em
Na estrada ou na pista, as rodas de fibra de carbono E2 levam a sua direção
a um nível totalmente novo.

Teste de estrada

Depois de anos de testes de protótipos, o E2, o mais tecnológico
O mais avançado cubo de roda automotivo já desenvolvido, foi
criado. Ao empregar uma modelagem altamente avançada com o uso de modelos finitos
análise de elementos, a equipe de engenharia de compostos do ESE pode
prever a resposta da roda em uma ampla gama de situações reais
cenários. Com essa riqueza de dados, as rodas do ESE passam por
testes em condições laboratoriais e de campo, validando suas
resistência, segurança e desempenho.

Teste de impacto radial
O teste de impacto radial avalia a estabilidade da roda quando
ao se deparar com buracos ou grandes obstáculos, para evitar que a
danos ou falhas. Como as condições da estrada nem sempre são perfeitas,
As rodas E2 foram submetidas a testes rigorosos para resistir às condições típicas de
riscos nas estradas e provaram ser superiores aos de aço equivalentes
e rodas de alumínio.

Teste de impacto no meio-fio
O teste de impacto no meio-fio é uma avaliação crucial para avaliar os efeitos
de impactos repetidos em uma superfície estática, simulando o veículo
bater em meios-fios ou outros objetos fixos em velocidades predeterminadas.
Mesmo em baixas velocidades, o contato entre os meios-fios e as rodas
gera forças de impacto significativas. Rodas de fibra de carbono E2
foram projetados e amplamente testados para resistir a falhas
em situações destrutivas, como impactos no meio-fio.

Testes SAE J3204

O E2 foi submetido a testes abrangentes e está aguardando
certificação de acordo com a norma SAE J3204, um novo processo de produção para
rodas de material composto. O ESE está colaborando estreitamente com
a Sociedade de Engenheiros Automotivos (SAE) para ajudar a estabelecer
padrões e referências para rodas de materiais compostos. Em
De fato, as rodas de fibra de carbono E2 do ESE superam os requisitos mínimos da SAE.
recomendações.

Semelhante às rodas de metal, a SAE aborda questões de durabilidade
para rodas de material composto por meio de vários processos de fadiga e
testes de impacto. A SAE também introduziu novos requisitos para
abordar os impactos ambientais exclusivos de materiais compostos
materiais.

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

As rodas de fibra de carbono E2 foram projetadas usando os mais recentes
Tecnologia Tailored Fiber Placement (TFP). Fibra de carbono
O layup tem sido tradicionalmente um processo de trabalho intensivo que envolve
corte e moldagem manual de tecido de fibra de carbono em uma resina
molde. Isso resultou em desperdício excessivo e trabalho manual
pode criar gargalos na produção.

Figura 12: Colocação de fibra sob medida (TFP)

O TFP alcança o desempenho estrutural ideal usando
máquinas para organizar e costurar as fibras de carbono em
posições. Isso reduz o tempo de estratificação em 50% e o material
resíduos pelo 80%. Ele também permite que o ESE otimize o design
por meio da colocação e orientação precisas das fibras para
acomodam a curvatura e os raios das rodas de fibra de carbono.
Isso aumenta a resistência e a durabilidade do carbono E2
rodas de fibra, o que lhes permite gerenciar cargas e
estresses.

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

Figura 13: Fabricação de rodas de CFRP usando o processo RTM

Conclusão:

Ao usar rodas de fibra de carbono, o peso das rodas é
significativamente reduzido, permitindo que os carros esportivos atinjam níveis superiores de
desempenho de manuseio. Com menor inércia, as rodas de fibra de carbono
melhoram a resposta da direção e a tração, resultando em maior velocidade
aceleração e frenagem.

Além disso, a ansiedade de alcance é uma preocupação significativa para muitos
consumidores em potencial ao considerar a compra de um produto
veículo elétrico. Embora a autonomia de condução de um veículo elétrico
depende principalmente da bateria, mas outros fatores também influenciam.
impacto. As rodas leves de fibra de carbono podem reduzir muito
consumo de energia causado pela rotação da roda durante
aceleração ou desaceleração, maximizando a autonomia de condução do
veículos elétricos.

 

6 de janeiro de 2024