Blog

Analiza roților ușoare din fibră de carbon pentru energie nouă
Vehicule

Vehicule noi de energie din fibră de carbon Wheel Lightweight
Analiză

2023-07-11 06:59:49

Introducere
Vehiculele cu energie nouă înlocuiesc treptat vehiculele cu combustibil tradițional.
cu motor. Autonomia vehiculelor electrice a devenit
cel mai mare obstacol de dezvoltare, ceea ce face ca lightweighting
deosebit de importante.

Odată cu creșterea cererii pentru protecția mediului și
eficiență energetică, industria auto globală caută să
diverse soluții de ușurare. Nevoia de reducere a greutății
în masa nesuspendată este deosebit de proeminentă, iar ca o
componentă importantă a masei nesuspendate, roțile reprezintă
reprezintă o proporție semnificativă din greutatea totală a vehiculului. Un
eficientă de reducere a greutății este utilizarea carbonului.
roți din fibră. Pe măsură ce costurile materiilor prime și ale producției scad,
roți din fibră de carbon, care odată erau scumpe și folosite doar
în modele de lux sau de ultra-lux, devin treptat tot mai mult
accesibile.

Figura 1: Roata din fibră de carbon

Perspectivele de aplicare a CFRP în domeniul auto
Fibra de carbon este un material ușor, cu rezistență ridicată și cu modul ridicat de rezistență.
material de fibre. Acesta are o densitate mai mică decât metalul, dar este de 16 ori mai mare decât metalul.
mai puternic decât oțelul. Modulul său Young este de 2-3 ori mai mare.
decât fibra de sticlă tradițională, păstrând în același timp flexibilitatea
de fibre.

În mod obișnuit, jantele din aliaj de aluminiu cântăresc în jur de 15 kilograme,
în timp ce roțile din fibră de carbon pot reduce greutatea la 8 kilograme,
ceea ce face din roțile din fibră de carbon un adevărat "instrument de reducere a greutății".

Datorită proprietăților sale ușoare și de înaltă rezistență, carbonul
fibra a fost întotdeauna un material preferat pentru automobile
de fabricație. Pe lângă aplicațiile pentru roți, fibra de carbon
este, de asemenea, utilizat în transmisii auto, arcuri cu foi, structuri,
și corpuri, asigurând o rezistență și o rigiditate suficiente, în timp ce
reducerea greutății și a consumului de energie al vehiculelor.
Conform studiului "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Raport de cercetare" publicat de MarketaaWatch, raportul de cercetare global.
dimensiunea pieței de fibre de carbon pentru automobile a ajuns la aproape $160
milioane de euro în 2020. Din 2021 până în 2027, piața mondială a automobilelor
piața fibrelor de carbon este de așteptat să mențină un compus
rată anuală de creștere de peste 5%.

Aplicarea materialelor din fibră de carbon în automobile nu este
numai pentru ușurarea și reducerea consumului de energie, dar
de asemenea, pentru îmbunătățirea performanțelor de siguranță ale vehiculelor. În comparație cu
jante tradiționale din aliaj de aluminiu, jantele din fibră de carbon sunt
mai ușoare, mai rezistente, fără oboseală a metalului și semnificativ
reducerea zgomotului. Piața roților din fibră de carbon din China a
potențial enorm, dar adoptarea pe scară largă a fibrei de carbon
roți depinde în primul rând de considerente legate de costuri.

Figura 2: Prognoza cererii de fibră de carbon în sectorul auto
Sector

Cu îmbunătățirea continuă și producția pe scară largă
tehnologiei de fabricare a fibrelor de carbon, costul de producție a fibrelor de carbon
fibrele se diminuează treptat. Fibra de carbon tradițională
precursor este fabricat în principal din poliacrilonitril (PAN) brut.
material, care a fost întotdeauna costisitor. Cu toate acestea, prin utilizarea
pe bază de asfalt, polietilenă și alte materiale pentru a produce
precursor, costul fibrei de carbon poate fi redus cu mai mult de
decât 30%. De exemplu, Carbon Revolution, o companie australiană
companie, produce roți din fibră de carbon prin lipirea
fibra de carbon cu rășină, realizând producția pe scară largă și
reducerea costului roților din fibră de carbon la un nivel apropiat de
jante din aluminiu.

Guvernul chinez a pus în aplicare politici relevante pentru
să promoveze aplicarea pe scară largă a produselor naționale
fibră de carbon de înaltă performanță. În martie 2021, va fi inaugurat "Al 14-lea
Planul cincinal pentru economia națională și socială
Dezvoltare și obiective pe termen lung pentru 2035" a fost publicat,
care a subliniat necesitatea de a consolida cercetarea,
dezvoltarea și aplicarea fibrelor de înaltă performanță, cum ar fi
precum fibra de carbon și compozitele acestora. Acest lucru oferă o situație favorabilă
mediu politic pentru progresul tehnologic al
industria fibrelor de carbon în viitor.

Dezvoltarea vehiculelor cu energie nouă este de neoprit, iar
roțile din fibră de carbon ar putea deveni o caracteristică standard pe noile
vehicule energetice.

Comparație între roțile CFRP și roțile metalice:

De la inventarea automobilelor în 1886, care are o istorie
de mai bine de 100 de ani, roțile de automobil au evoluat de la
materiale din lemn la materiale metalice moderne. În mod obișnuit
materialele utilizate pentru roți la mașinile moderne includ roțile din oțel,
jante din aliaj de aluminiu, jante din aliaj de magneziu, iar în ultima vreme
ani, au apărut roțile din fibră de carbon, în special în
supermașini.

Roți din oțel: Roțile din oțel sunt fabricate în principal din fier și alte
metale pentru a spori duritatea. Acestea au următoarele avantaje
tenacitate mai mare, rezistență excelentă la impact și o bună rezistență la sarcină.
capacitate portantă. În plus, acestea sunt relativ ieftine.
Cu toate acestea, jantele din oțel au unele dezavantaje, cum ar fi
susceptibilitatea la rugină, disiparea slabă a căldurii, greutatea mare și
limitări privind frânarea și manevrabilitatea.

Jante din aliaj de aluminiu: Aluminiul este principala componentă a
jante din aliaj de aluminiu, împreună cu elemente precum antimoniul,
siliciu și magneziu pentru a îmbunătăți performanța generală. Site-ul
procesul de fabricație a jantelor din aliaj de aluminiu este mai mult
complexă decât cea a roților din oțel, cu mai multe etape de prelucrare.
Jantele din aliaj de aluminiu prezintă performanțe generale mai ridicate și
reducerea semnificativă a greutății. Datorită densității mai mici a
aliaj de aluminiu, acestea oferă o accelerație mai rapidă, o căldură mai bună
disipare și sunt adecvate pentru condiții de drumuri urbane.
Cu toate acestea, jantele din aliaj de aluminiu au o valoare relativ mai mică
tenacitate, rezistență la impact și rezistență la oboseală, ceea ce face ca
nepotrivite pentru mediile dificile, cum ar fi cele off-road.
condiții.

Magneziu-aluminiu Jante din aliaj de magneziu: În comparație cu aluminiul,
magneziul are o densitate mai mică și este similar cu fibra de carbon
materiale compozite. Jante din aliaj de magneziu-aluminiu
includ magneziu ca și componentă principală, alături de
aluminiu, zinc, mangan și alte elemente. Acestea oferă
elasticitate mai bună, disipare mai rapidă a căldurii și șocuri mai puternice.
capacități de absorbție. Acestea sunt o versiune îmbunătățită a
jante din aliaj de aluminiu în ceea ce privește rezistența. Cu toate acestea,
jantele din aliaj de magneziu-aluminiu sunt predispuse la oxidare și
au o rezistență slabă la coroziune.

Fibre de carbon Roți: Roțile din fibră de carbon sunt un produs relativ nou
tip de roți care au apărut în ultimii ani. Acestea au o
aspect negru pur, cu o suprafață texturată, ceea ce le conferă un aspect
aspect sofisticat și de înaltă calitate. Jantele din fibră de carbon oferă
performanță puternică, greutate comparabilă cu cea a magneziului
roți, tenacitate ridicată, rezistență excelentă la impact, și
rezistență la coroziune și oxidare. Acestea sunt utilizate în prezent în
motociclete, biciclete de munte, biciclete de șosea și automobile.

Avantajele roților compozite din fibră de carbon
Roțile și anvelopele unei mașini suportă întreaga greutate și joacă un rol important.
rol esențial în conducerea vehiculului sub acțiunea
axa de transmisie. Ca și componentă structurală de bază, carbonul
roțile din fibre compozite au o capacitate de încărcare excelentă
și rezistență la impact, oferind performanțe remarcabile
în timpul accelerării și sub sarcini grele. În plus, carbonul
roțile din fibră pot reduce efectiv inerția și permit o viteză mai mare.
accelerare, frânare și manevrare datorită reducerii numărului de
greutate.

(1) Greutate mai mică, rezistență mai mare

Este bine cunoscut faptul că materialele compozite din fibre de carbon sunt
recunoscută ca fiind cea mai bună metodă pentru "greutate redusă" și greutate
reducerea numărului de automobile. Fibra de carbon, cunoscută și sub denumirea de "negru
aur", este mai ușor decât aluminiul, având în același timp o rezistență mai mare.
decât oțelul. Prezintă rezistență la coroziune și un modul ridicat
caracteristici, permițând nu numai reducerea greutății, ci și
consolidarea structurii vehiculului. Datele arată că o valoare de 20-
inch din fibră de carbon cântărește aproximativ 7,5 kg, ceea ce reprezintă
mai mult de 25% mai ușoară decât un aliaj de aluminiu de dimensiuni echivalente
roată. Din punct de vedere al rezistenței, roțile din fibră de carbon prezintă o
îmbunătățire globală de aproximativ 30% în comparație cu aluminiul
jante din aliaj.

(2) Performanță și manevrabilitate îmbunătățite

Inginerii de la marca australiană de roți Carbon Revolution
au declarat că reducerea greutății unei roți cu 1 kg, sub
masa nesuspendată, este echivalentă cu reducerea masei totale a vehiculului.
greutate cu 15 kg. Pentru fiecare 10% de reducere a greutății, se poate obține o reducere de
performanța de accelerare a vehiculului se poate îmbunătăți cu
aproximativ 8%. Acest lucru indică faptul că roțile ușoare pot
să ofere un răspuns mai bun la performanța energetică a vehiculului.
Roțile din fibră de carbon oferă, de asemenea, o absorbție excelentă a șocurilor,
confort sporit și manevrabilitate îmbunătățită.

(3) Eficiența energetică și reducerea emisiilor

Reducerea masei nesuspendate cu 1 kg cu ajutorul fibrei de carbon
roți compozite este echivalentă cu o reducere a masei totale a vehiculului
greutate cu 15 kg. O reducere a greutății de 10% poate avea ca rezultat o greutate de 6%-
o scădere de 8% a consumului de combustibil și o reducere de 5% a
emisii. Într-un scenariu în care vehiculele utilizează aceeași cantitate de
benzină, o mașină echipată cu roți din fibră de carbon poate parcurge până la
cu 50 km mai mult pe oră față de o mașină cu aliaj de aluminiu
roți. Greutatea roților din fibră de carbon este cu 60% mai ușoară decât cea a roților din fibră de carbon.
cea a jantelor din aliaj de aluminiu forjat de aceeași dimensiune,
reducerea greutății vehiculelor este semnificativă pentru mediu
scopuri.

(4) Manevrabilitate îmbunătățită și performanțe superioare de frânare

Roțile din fibră de carbon oferă un modul de elasticitate de până la 200 GPa.
Cu cât modulul de elasticitate este mai mare, cu atât mai mic este modulul de elasticitate.
deformare după ce sunt supuse la forțe, ceea ce duce la o mai bună
confort și manevrabilitate îmbunătățită. După înlocuirea roților cu
cele ușoare din fibră de carbon, suspensia vehiculului
viteza de răspuns se îmbunătățește în mod vizibil, ceea ce duce la o viteză mai mare și
o accelerație mai lină și o performanță sporită la frânare.

Exemple de aplicații ale roților compozite din fibră de carbon
Înființată în 2007, Carbon Revolution este o companie globală de tehnologie.
companie și furnizor OEM de nivel 1 care a reușit cu succes
a fost pionier, a comercializat și a industrializat
performanță, tehnologie avansată din fibră de carbon ușoară și ușoară
roți. Pe lângă jantele pentru mașini de lux, compania are
a anunțat dezvoltarea unor modele de carbon de 23 și 24 de inch.
roți din fibră de sticlă care vizează piețele de camioane și SUV-uri electrice. Site-ul
compania întreprinde, de asemenea, proiecte conceptuale și de validare
pentru roțile elicopterului Boeing CH-47 Chinook.

Figura 3: Fibra de carbon din seria Ultra-Light a Carbon Revolution
Roți

Fabricarea roților din fibră de carbon necesită un nivel ridicat de
Precizie în fibra de carbon și turnare de înaltă presiune
tehnici. Carbon Revolution deține aproximativ 50 de brevete
legate de produsele și fabricarea roților din fibră de carbon
procese și urmărește îmbunătățirea eficienței prin procese
îmbunătățiri. Pentru a realiza acest lucru, compania a dezvoltat
linii de producție extrem de automatizate și utilizează pe scară largă
tehnologiile de învățare automată și de inteligență artificială pentru
optimizarea procesului de fabricație. În medie, roțile
sunt cu 40% până la 50% mai ușoare decât jantele standard din aluminiu din gama
piață. În plus, roțile pot fi proiectate cu
forme aerodinamice pentru a reduce rezistența la înaintare și a crește autonomia fără
adăugarea de greutate.

Compania italiană Bucci Composites a prezentat primul model de 20 de inch
jantă din fibră de carbon special concepută pentru
sectorul sport/supercaruri. Acesta permite fixarea roții pe
butuc în mod tradițional, eliminând riscul de cuplu de strângere a șuruburilor.
slăbire. Acest lucru asigură faptul că roțile ultraușoare din fibră de carbon
sunt la fel de ușor de asamblat și de întreținut ca și roțile tradiționale. La
se adresează temperaturilor ridicate întâlnite, în special atunci când
utilizând frâne carbon-ceramice, partea interioară a jantei este
acoperit cu un strat ceramic, protejând fibra de carbon și
permițând utilizarea jantei în condiții de temperaturi extreme.

Figura 4: Revoluția carbonului

Bucci Composites s-a dotat, de asemenea, cu echipamente de ultimă generație.
tehnologia de producție de la Cannon (High-Pressure RTM-
HP-RTM), singura companie din Italia care dispune de tehnologia necesară pentru a
continuă să dezvolte mai multe modele de roți pentru industria auto
industrie.

Figura 5: Echipamentul de procesare HP-RTM de la Cannon

Soluția Cannon include echipamentul necesar pentru
procedeu RTM de înaltă presiune pentru fabricarea compozitului
materiale cu o matrice de rășină epoxidică și fibre de carbon
întărire:

(1) O unitate de dozare de înaltă presiune cu trei componente E-system pentru
formulare de rășină epoxidică, cu o compoziție de rășină epoxidică LN10 cu trei componente.
capul de amestecare și controlul în buclă închisă al rapoartelor de ieșire.

(2) O presă de turnare prin compresie cu cursă scurtă, cu o strângere
forță de 25.000 kN, plăci de presare de 3,6×2,4 m și plăci de presare de înaltă calitate.
controlul activ al paralelismului precis pentru a asigura planeitatea pieselor turnate
piese.

Figura 6: Roata de 20″ din fibră de carbon a Bucci Composites

Renumitul producător britanic de automobile Bentley a lansat recent
a introdus jante inovatoare din fibră de carbon pentru modelul Bentley
SUV-ul Bentayga, dezvoltat de Bucci Composites. Modelul de 22 inch
roți din fibră de carbon au devenit cele mai mari roți din fibră de carbon
produsă vreodată, garantând un design inovator și un design excepțional
performanță, obținând în același timp o reducere a greutății de 6 kg per
roată.

Figura 7: Roți de 22″ dezvoltate de Bucci pentru Bentley

Vision Wheel, cu sediul în Statele Unite ale Americii, a introdus un nou
roată din fibră de carbon dezvoltată în colaborare cu IDI
Composites International și țeserea materialelor compozite
expert A&P Technology. Costul fiecărei roți este de $2.000 sau
chiar mai mică.

O altă companie americană, ESE Carbon, a lansat modelul E2
roți integrate din fibră de carbon compozit de pe piața secundară,
care deservește Tesla Model S, Tesla Model 3 și Subaru WRX STI
vehicule.

Roțile E2 utilizează fibre avansate și inovatoare adaptate
plasare (TFP) și tehnologia de infuzie de rășină de înaltă presiune,
care combină performanța, durabilitatea, eficiența și inovația
cu frumusețea fibrei de carbon, asigurând o calitate superioară.
roți aftermarket.

Cu cât roțile sunt mai ușoare, cu atât inerția de rotație este mai mică, rezultând
în mai puțină forță necesară pentru a deplasa roțile înainte. Ca urmare a
roată compozită premium din fibră de carbon, E2 este semnificativ
reduce greutatea în comparație cu jantele din aluminiu și oțel. Teste
au arătat că fiecare roată poate economisi 5 kg de greutate,
rezultând o creștere de 5,3% a vitezei pe tur.

În termeni simpli, obiectele mai ușoare necesită mai puțin efort pentru a decelera.
și se oprește. Roțile din fibră de carbon E2 sunt cu 45% mai ușoare decât
jante echivalente din oțel sau aluminiu. Testele au arătat că E2
roțile pot reduce distanțele de frânare și de rulare de la 60 mph
la 1 milă cu 3,6%.

Reducerea greutății nesuspendate minimizează forțele exercitate de către
suspensie pentru a menține roțile ferm pe șosea. Fiecare E2
roata din fibră de carbon poate reduce cu până la 5 kg greutatea nesuspendată.
greutate din sistem, îmbunătățind performanța suspensiei.
Îmbunătățirea rezultată a contactului dintre anvelope duce la o mai bună
răspunsul direcției și o manevrabilitate mai receptivă. Fie că este vorba de
pe șosea sau pe pistă, roțile E2 din fibră de carbon vă vor face să conduceți în siguranță.
la un nivel cu totul nou.

Testare pe șosea

După ani de testare a prototipurilor, E2, cel mai tehnologic și mai
avansat de roți auto dezvoltat vreodată, a fost
creat. Prin utilizarea unei modelări extrem de avansate cu ajutorul modelelor finite
analiza elementară, echipa de inginerie compozită a ESE poate
să prezică răspunsul roții într-o gamă largă de situații reale.
scenarii. Cu această bogăție de date, roțile ESE trec prin
în condiții de laborator și de teren, validând astfel
rezistență, siguranță și performanță.

Testarea impactului radial
Testarea impactului radial evaluează stabilitatea roții atunci când
care întâlnesc gropi sau obstacole mari pentru a preveni apariția unor probleme grave.
deteriorare sau defecțiune. Deoarece condițiile de drum nu sunt întotdeauna perfecte,
Roțile E2 au fost supuse la teste riguroase pentru a rezista la testele tipice de
pericolele rutiere și s-au dovedit a fi superioare celor echivalente din oțel
și jante din aluminiu.

Test de impact la bordură
Testul de impact pe bordură este o evaluare crucială pentru a evalua efectele
de impacturi repetate pe o suprafață statică, simulând vehiculul.
lovirea bordurilor sau a altor obiecte fixe la viteze prestabilite.
Chiar și la viteze mici, contactul dintre borduri și roți
generează forțe de impact semnificative. Roți E2 din fibră de carbon
au fost proiectate și testate pe scară largă pentru a rezista la defecțiuni
în situații distructive, cum ar fi impactul cu bordurile.

Testarea SAE J3204

E2 a fost supus unor teste complete și așteaptă să fie testat.
certificarea în conformitate cu SAE J3204, un nou proces de producție pentru
roți din material compozit. ESE colaborează îndeaproape cu
Societatea Inginerilor de Automobile (SAE) pentru a contribui la stabilirea
standarde și criterii de referință pentru roțile din materiale compozite. În
de fapt, roțile din fibră de carbon E2 de la ESE depășesc standardele minime SAE.
recomandări.

La fel ca în cazul roților metalice, SAE abordează problemele de durabilitate
pentru roțile din materiale compozite prin diferite teste de oboseală și
teste de impact. SAE a introdus, de asemenea, noi cerințe pentru
să abordeze impactul unic al compozitelor asupra mediului
materiale.

Figura 11: Roți din fibră de carbon E2 adoptate de principalele
producători de automobile din întreaga lume.

Roțile din fibră de carbon E2 sunt proiectate folosind cele mai recente
Tehnologia Tailored Fiber Placement (TFP). Fibra de carbon
laicizarea a fost, în mod tradițional, un proces intensiv de muncă care implică
tăierea și turnarea manuală a unei țesături din fibră de carbon pe o rășină
mucegai. Acest lucru a dus la o risipă excesivă și la muncă manuală.
poate crea blocaje în producție.

Figura 12: Plasarea fibrelor pe măsură (TFP)

TFP obține performanțe structurale optime prin utilizarea
mașini pentru a aranja și coase fibrele de carbon în forme precise.
poziții. Acest lucru reduce timpul de stratificare cu 50% și materialul
deșeuri de 80%. De asemenea, permite ESE să optimizeze proiectarea
prin plasarea și orientarea precisă a fibrelor pentru
se adaptează la curbura și la spițele roților din fibră de carbon.
Acest lucru sporește rezistența și durabilitatea carbonului E2.
roți din fibră, permițându-le să gestioneze eficient încărcăturile și
subliniază.

E2 utilizează, de asemenea, un sistem proprietar de turnare prin transfer de rășină.
(RTM) și un sistem de rășină epoxidică pentru fabricarea
butuci, asigurând o rezistență mai mare a jantei și oboseală.
rezistență. ESE folosește produse de cea mai înaltă calitate, cu cea mai rapidă polimerizare
rășină, oferind performanțe de neegalat la un preț de top în industrie.
Temperatura Tg (de tranziție vitroasă) de până la 212°C. Fibra-
raportul dintre conținutul de conținut de ESE și cel de rășină este 60%, cu un conținut minim de goluri.
de 2%, ceea ce îl face unul dintre cele mai bune din industrie.
În plus, ESE poate infuza complet hub-ul în mai puțin de 2
minute.

Figura 13: Fabricarea roților din CFRP utilizând procesul RTM

Concluzie:

Prin utilizarea roților din fibră de carbon, greutatea roților este
semnificativ redusă, permițând mașinilor sport să obțină o performanță superioară
performanța de manevrare. Cu o inerție mai mică, roțile din fibră de carbon
îmbunătățesc răspunsul direcției și tracțiunea, ceea ce duce la o viteză mai mare
accelerare și frânare.

În plus, anxietatea legată de autonomie este o preocupare semnificativă pentru mulți
potențialilor consumatori atunci când iau în considerare achiziționarea unui
vehicul electric. În timp ce autonomia de deplasare a unui vehicul electric
depinde în primul rând de baterie, dar și alți factori au o influență
impact. Roțile ușoare din fibră de carbon pot reduce considerabil
consumul de energie cauzat de rotația roților în timpul
accelerare sau decelerare, maximizând autonomia de rulare a
vehicule electrice.

 

ianuarie 6, 2024