Блог

Анализ легких колес из углеродного волокна для новой энергетики
Транспортные средства

Новые энергетические транспортные средства углеродное волокно колеса легкий вес
Анализ

2023-07-11 06:59:49

Введение
Новые энергетические автомобили постепенно вытесняют традиционные топливные
автомобили с электроприводом. Дальность хода электромобилей стала
самое большое препятствие для развития, что делает облегчение
особенно важны.

С ростом спроса на защиту окружающей среды и
энергоэффективности, мировая автомобильная промышленность стремится
разнообразные решения для облегчения веса. Необходимость снижения веса
в неподрессоренной массе особенно заметен, и как
важный компонент неподрессоренной массы, на колеса приходится
составляет значительную часть общего веса автомобиля. Один
Эффективным способом снижения веса является использование карбона
волоконные колеса. По мере снижения стоимости сырья и производства,
Колеса из углеродного волокна, которые когда-то были дорогими и использовались только
в моделях класса люкс или ультралюкс, постепенно становятся все более
доступный.

Рисунок 1: Колесо из углеродного волокна

Перспективы применения углепластика в автомобильной промышленности
Углеродное волокно - легкий, высокопрочный и высокомодульный материал.
волокнистый материал. Он имеет меньшую плотность, чем металл, но в 16 раз
прочнее стали. Ее модуль Юнга в 2-3 раза выше.
чем традиционное стекловолокно, сохраняя при этом гибкость.
волокон.

Как правило, диски из алюминиевого сплава весят около 15 килограммов,
а колеса из углеродного волокна позволяют снизить вес до 8 килограммов,
что делает колеса из углеродного волокна настоящим "инструментом снижения веса".

Благодаря своему легкому весу и высоким прочностным характеристикам, карбон
волокно всегда было предпочтительным материалом для автомобильных
производство. Помимо применения в колесах, углеродное волокно
также используется в автомобильных трансмиссиях, рессорах, конструкциях,
и корпуса, обеспечивая достаточную прочность и жесткость при
снижение веса и энергопотребления автомобилей.
По данным исследования "Рынок углеродного волокна для автомобильной промышленности 2021 года
Исследовательский отчет", опубликованный MarketaaWatch, является глобальным
Объем рынка автомобильного углеродного волокна достиг почти $160
млн в 2020 году. В период с 2021 по 2027 гг.
Ожидается, что рынок углеродных волокон сохранит высокие темпы роста
ежегодный темп роста более 5%.

Применение материалов из углеродного волокна в автомобилях не
только для облегчения веса и снижения энергопотребления, но и
а также для улучшения показателей безопасности автомобиля. По сравнению с
Традиционные диски из алюминиевого сплава, диски из углеродного волокна
Легче, прочнее, не подвержены усталости металла и значительно
снизить уровень шума. Рынок колес из углеродного волокна в Китае
Огромный потенциал, но широкое распространение углеродного волокна
Колеса в первую очередь зависят от стоимости.

Рисунок 2: Прогноз спроса на углеродное волокно в автомобильной промышленности
Сектор

Благодаря постоянному совершенствованию и крупномасштабному производству
технологии производства углеродного волокна, стоимость углеродного
волокна постепенно снижается. Традиционное углеродное волокно
Прекурсор в основном изготавливается из полиакрилонитрила (ПАН).
материал, который всегда был дорогостоящим. Однако благодаря использованию
асфальт, полиэтилен и другие материалы для производства
прекурсоров, стоимость углеродного волокна может быть снижена более чем на
чем 30%. Например, Carbon Revolution, австралийская компания
Компания производит колеса из углеродного волокна путем склеивания
углеродного волокна со смолой, достигая крупномасштабного производства и
снижение стоимости колес из углеродного волокна до уровня, близкого к
алюминиевые колеса.

Правительство Китая проводит соответствующую политику, направленную на
содействовать широкому применению отечественной продукции
высокоэффективное углеродное волокно. В марте 2021 года "14-й
Пятилетний план развития национальной экономики и социальной сферы
Развитие и долгосрочные цели на 2035 год",
что подчеркивает необходимость усиления исследований,
разработка и применение высокоэффективных волокон, таких как
как углеродные волокна и их композиты. Это обеспечивает благоприятные
политические условия для технологического прогресса
В будущем промышленность по производству углеродного волокна.

Развитие новых энергетических транспортных средств не остановить, и
Колеса из углеродного волокна могут стать стандартной деталью новых
энергетические транспортные средства.

Сравнение углепластиковых и металлических колес:

С момента изобретения автомобилей в 1886 году, история которых насчитывает
За более чем 100 лет автомобильные колеса эволюционировали от
от деревянных до современных металлических материалов. Обычно
К материалам, из которых изготавливаются колеса современных автомобилей, относятся стальные диски,
алюминиевые диски, магниевые диски, а в последнее время
лет появились колеса из углеродного волокна, особенно в
суперкары.

Стальные колеса: Стальные колеса изготавливаются в основном из железа и других
металлов для повышения прочности. Их преимуществами являются
высокая прочность, отличная ударопрочность и хорошая нагрузочная способность.
несущая способность. Кроме того, они относительно недороги.
Однако у стальных колес есть и недостатки, например
подверженность ржавчине, плохой отвод тепла, большой вес и
ограничения по торможению и управляемости.

Колеса из алюминиевого сплава: Алюминий является основным компонентом
алюминиевые диски, а также такие элементы, как сурьма,
кремний и магний для повышения общей производительности. Сайт
Процесс производства дисков из алюминиевого сплава является более
сложнее, чем у стальных колес, с большим количеством этапов обработки.
Колеса из алюминиевого сплава отличаются более высокими общими эксплуатационными характеристиками и
значительное снижение веса. Благодаря меньшей плотности
Из алюминиевого сплава, они обеспечивают более быстрый разгон, лучший нагрев
рассеивается, и подходят для городских дорог.
Однако диски из алюминиевого сплава имеют относительно более низкую
прочность, ударопрочность и усталостную прочность, что делает
они не подходят для суровых условий, таких как бездорожье
условия.

Колеса из магниево-алюминиевого сплава: По сравнению с алюминием,
Магний имеет меньшую плотность и похож на углеродное волокно
композитные материалы. Магниево-алюминиевые легкосплавные диски
включают магний в качестве основного компонента, а также
алюминий, цинк, марганец и другие элементы. Они обеспечивают
лучшая эластичность, более быстрый отвод тепла и более сильные удары
способности к поглощению. Они представляют собой улучшенную версию
алюминиевые диски по прочности. Однако,
Магниево-алюминиевые диски подвержены окислению и
имеют низкую коррозионную стойкость.

Колеса из углеродного волокна: Колеса из углеродного волокна - это относительно новый
Тип колес, появившийся в последние годы. Они имеют
чисто черного цвета с текстурированной поверхностью, что придает им
Высококлассный и изысканный вид. Колеса из углеродного волокна предлагают
мощная производительность, вес сопоставим с магнием
колеса, высокая прочность, отличная ударопрочность и
Устойчивость к коррозии и окислению. В настоящее время они используются в
мотоциклы, горные велосипеды, дорожные велосипеды и автомобили.

Преимущества композитных колес из углеродного волокна
Колеса и шины автомобиля несут всю нагрузку и играют важную роль.
играет решающую роль в управлении автомобилем под действием
ось трансмиссии. В качестве основного структурного компонента карбон
Колеса из композитного волокна обладают отличной несущей способностью
и ударопрочность, обеспечивая превосходные эксплуатационные характеристики
во время ускорения и при больших нагрузках. Кроме того, карбон
Волоконные колеса эффективно снижают инерцию и позволяют ускорить
Разгон, торможение и маневрирование благодаря сниженной
вес.

(1) Малый вес, высокая прочность

Широко известно, что композитные материалы из углеродного волокна являются
признан лучшим методом для "легкого" и весового
уменьшение в автомобилях. Углеродное волокно, также известное как "черный
золото", легче алюминия и при этом обладает более высокой прочностью.
чем сталь. Он обладает коррозионной стойкостью и высоким модулем упругости.
характеристики, позволяющие не только снизить вес, но и
Усиление конструкции автомобиля. Данные показывают, что 20
дюймовое колесо из углеродного волокна весит около 7,5 кг, что составляет
более чем на 25% легче, чем алюминиевый сплав эквивалентного размера
колесо. С точки зрения прочности, колеса из углеродного волокна демонстрируют
общее улучшение примерно на 30% по сравнению с алюминием
легкосплавные диски.

(2) Улучшенная производительность и управляемость

Инженеры австралийской марки колес Carbon Revolution
заявили, что уменьшение веса колеса на 1 кг при
неподрессоренная масса, что эквивалентно уменьшению общей массы автомобиля
вес на 15 кг. На каждые 10% снижения веса
Разгонные характеристики автомобиля могут быть улучшены за счет
примерно 8%. Это говорит о том, что легкие колеса могут
обеспечивают лучшую реакцию на мощность автомобиля.
Колеса из углеродного волокна также обеспечивают отличную амортизацию,
повышенный комфорт и улучшенная управляемость.

(3) Энергоэффективность и сокращение выбросов

Уменьшение неподрессоренных масс на 1 кг с помощью углеродного волокна
Композитные колеса эквивалентны уменьшению общей массы автомобиля
вес на 15 кг. Снижение веса на 10% может привести к уменьшению веса на 6%.
Снижение расхода топлива на 8% и снижение на 5%
выбросы. В сценарии, где автомобили используют одинаковое количество
бензина, автомобиль, оснащенный колесами из углеродного волокна, может проехать до
на 50 км в час больше по сравнению с автомобилем из алюминиевого сплава
колеса. Вес колес из углеродного волокна на 60% легче, чем
что и у кованых колесных дисков из алюминиевого сплава того же размера,
благодаря чему снижение веса автомобиля имеет большое значение для экологии
цели.

(4) Улучшенная управляемость и превосходные тормозные характеристики

Колеса из углеродного волокна имеют модуль упругости до 200 ГПа.
Чем выше модуль упругости, тем меньше упругость
Деформация после воздействия сил, что приводит к улучшению
комфорт и улучшенную управляемость. После замены колес на
легкие карбоновые, подвеска автомобиля
Скорость отклика заметно повышается, что приводит к ускорению и
Более плавный разгон и улучшенные тормозные характеристики.

Примеры применения композитных колес из углеродного волокна
Основанная в 2007 году, компания Carbon Revolution является глобальной технологической компанией.
компания и поставщик комплектующих Tier 1, которая успешно
впервые, коммерчески и промышленно освоила высокие
производительность, технологически продвинутое легкое углеродное волокно
колеса. Помимо колес для автомобилей класса люкс, компания имеет
объявила о разработке 23- и 24-дюймовых карбоновых
фибровые колеса, ориентированные на рынки электрических грузовиков и внедорожников. Сайт
Компания также осуществляет концептуальные и валидационные проекты
для колес вертолета CH-47 Chinook компании Boeing.

Рисунок 3: Углеродное волокно серии Ultra-Light от Carbon Revolution
Колеса

Производство колес из углеродного волокна требует высокой
прецизионная укладка углеродного волокна и формовка под высоким давлением
Техники. Carbon Revolution имеет около 50 патентов
связанные с продукцией и производством колес из углеродного волокна
процессов и стремится к повышению эффективности за счет процессов
усовершенствования. Для этого компания разработала
высокоавтоматизированные производственные линии и широко использует
технологии машинного обучения и искусственного интеллекта для
оптимизировать производственный процесс. В среднем, колеса
на 40% - 50% легче, чем стандартные алюминиевые колеса в
рынок. Кроме того, колеса могут быть выполнены с
аэродинамические формы для снижения сопротивления и увеличения дальности полета без
добавление веса.

Итальянская компания Bucci Composites представила первый 20-дюймовый
Колесный диск из углеродного волокна, специально разработанный для
В секторе спортивных/суперкаров. Она позволяет закрепить колесо на
втулку традиционным способом, исключая риск затяжки болтов.
ослабление. Это гарантирует, что ультралегкие колеса из углеродного волокна
Они так же просты в сборке и обслуживании, как и традиционные колеса. На
для борьбы с высокими температурами, особенно когда
При использовании углеродно-керамических тормозов внутренняя сторона обода колеса
покрыты керамическим слоем, защищающим углеродное волокно и
что позволяет использовать колесный диск в условиях экстремальных температур.

Рисунок 4: Углеродная революция

Компания Bucci Composites также оснащена самым современным оборудованием.
Технология производства от Cannon (High-Pressure RTM-
HP-RTM), единственная компания в Италии, обладающая технологией, позволяющей
продолжать разработку новых моделей колес для автомобильной промышленности
промышленность.

Рисунок 5: Технологическое оборудование HP-RTM компании Cannon

Решение Cannon включает в себя оборудование, необходимое для
Процесс RTM под высоким давлением для производства композита
материалы с матрицей из эпоксидной смолы и углеродного волокна
усиление:

(1) Трехкомпонентный дозатор высокого давления E-system для
Состав эпоксидной смолы, включающий трехкомпонентный состав LN10
смесительная головка и замкнутый цикл управления выходными коэффициентами.

(2) Пресс для литья под давлением с коротким ходом зажима
усилие 25 000 кН, прессующие плиты размером 3,6×2,4 м и высокопрочный
активный контроль точной параллельности для обеспечения плоскостности формованных изделий
части.

Рисунок 6: 20-дюймовое колесо из углеродного волокна от Bucci Composites

Известный британский производитель автомобилей Bentley недавно
представила инновационные колеса из цельного углеродного волокна для Bentley
Bentayga SUV, разработанный компанией Bucci Composites. 22-дюймовые
Колеса из углеродного волокна стали самыми большими колесами из углеродного волокна
Когда-либо произведенные, они гарантируют инновационный дизайн и исключительную
производительность, при этом достигается снижение веса на 6 кг на
колесо.

Рисунок 7: Колеса 22″, разработанные Буччи для Bentley

Компания Vision Wheel, расположенная в США, представила новый
Колесо из углеродного волокна, разработанное в сотрудничестве с IDI
Composites International и ткачество композитных материалов
эксперт A&P Technology. Стоимость каждого колеса составляет $2 000 или
еще ниже.

Другая американская компания, ESE Carbon, выпустила свой E2
интегрированные композитные колеса из углеродного волокна на вторичном рынке,
Tesla Model S, Tesla Model 3 и Subaru WRX STI
транспортные средства.

В колесах E2 используется передовое инновационное волокно, изготовленное по индивидуальному заказу.
(TFP) и технология инфузии смолы под высоким давлением,
Сочетание производительности, долговечности, эффективности и инноваций
с красотой углеродного волокна, обеспечивая высочайшее качество
колеса послепродажного обслуживания.

Чем легче колеса, тем меньше инерция вращения, в результате чего
что приводит к уменьшению усилия, необходимого для перемещения колес вперед. Как
Премиальное колесо из композитного углеродного волокна, E2 значительно
Снижает вес по сравнению с алюминиевыми и стальными колесами. Тесты
показали, что каждое колесо позволяет сэкономить 10 фунтов веса,
что привело к увеличению скорости круга на 5,3%.

Проще говоря, более легким объектам требуется меньше усилий для замедления.
и остановиться. Колеса из углеродного волокна E2 на 45% легче, чем
эквивалентные стальные или алюминиевые колеса. Испытания показали, что E2
Колеса могут сократить тормозной путь и выбег с 60 миль в час
на 1 милю по 3,6%.

Снижение неподрессоренной массы минимизирует силы, действующие на
Подвеска обеспечивает надежное сцепление колес с дорогой. Каждый E2
Колесо из углеродного волокна позволяет уменьшить до 10 фунтов неподрессоренной массы
вес системы, улучшая характеристики подвески.
В результате улучшается контакт с шинами, что приводит к улучшению
Реакция рулевого управления и более чуткая управляемость. Будь то на
Дорога или трек, колеса из углеродного волокна E2 сделают ваше вождение
опыт на совершенно новый уровень.

Дорожные испытания

После многолетних испытаний прототипа E2, наиболее технологически
Передовая автомобильная ступица, когда-либо разработанная, была
создано. Благодаря применению высокотехнологичного моделирования с использованием конечных
Анализ элементов, команда инженеров ESE по композитам может
предсказать реакцию колеса в широком диапазоне реальных условий
сценарии. Благодаря такому количеству данных, колеса ESE подвергаются
тестирование в лабораторных и полевых условиях, подтверждающее их
прочность, безопасность и производительность.

Испытание на радиальный удар
Испытание на радиальный удар оценивает устойчивость колеса при
при столкновении с выбоинами или большими препятствиями, чтобы предотвратить серьезные
повреждения или поломки. Поскольку дорожные условия не всегда идеальны,
Колеса E2 прошли тщательные испытания, чтобы выдержать типичные
Опасности на дорогах и доказали, что превосходят аналогичные стальные
и алюминиевые диски.

Испытание на удар о бордюр
Испытание на удар о бордюр является важнейшей оценкой для определения последствий
многократных ударов по статичной поверхности, имитирующих автомобиль
наезд на бордюры или другие неподвижные объекты на заданной скорости.
Даже на низких скоростях контакт между бордюрами и колесами
создает значительную ударную силу. Колеса E2 из углеродного волокна
были разработаны и прошли всесторонние испытания на устойчивость к отказам
в разрушительных ситуациях, таких как удары о бордюр.

Испытания по SAE J3204

E2 прошел всестороннее тестирование и ожидает
Сертификация по SAE J3204, новый производственный процесс для
Колеса из композитных материалов. ESE тесно сотрудничает с
Общество автомобильных инженеров (SAE), чтобы помочь создать
Стандарты и эталоны для колес из композитных материалов. На сайте
Фактически, колеса ESE E2 из углеродного волокна превосходят минимальный показатель SAE.
рекомендации.

Как и в случае с металлическими колесами, SAE решает проблему долговечности.
для колес из композитных материалов через различные усталостные и
испытания на удар. SAE также ввела новые требования к
решать проблемы, связанные с уникальным воздействием композитов на окружающую среду
материалы.

Рисунок 11: Колеса из углеродного волокна E2, принятые на вооружение крупными компаниями
производители автомобилей по всему миру.

Колеса E2 из углеродного волокна разработаны с использованием новейших технологий.
Технология Tailored Fiber Placement (TFP). Углеродное волокно
Укладка традиционно представляет собой трудоемкий процесс, включающий
резка и ручное формование ткани из углеродного волокна на смоле
плесень. Это привело к чрезмерному количеству отходов и ручному труду.
может создать узкие места в производстве.

Рисунок 12: Индивидуальное размещение волокон (TFP)

TFP достигает оптимальных структурных характеристик за счет использования
Машины для укладки и сшивания углеродных волокон в точные
позиции. Это сокращает время укладки на 50% и материал
отходов на 80%. Это также позволяет ESE оптимизировать дизайн
Благодаря точной укладке и ориентации волокон
учитывают изгибы и спицы колес из углеродного волокна.
Это повышает прочность и долговечность карбона E2.
Колеса из волокна, позволяющие эффективно управлять грузами и
стрессы.

В E2 также используется запатентованная технология литья с переносом смолы.
(RTM) процесс и система эпоксидных смол для производства
ступицы, обеспечивая повышенную прочность и усталость обода колеса
стойкость. ESE использует самые высококачественные, быстроотверждаемые
Смола, обеспечивающая непревзойденную производительность при лучшей в отрасли цене
Температура Tg (стеклования) достигает 212°C. Волокно-
соотношение содержания смолы и ESE составляет 60%, с минимальным количеством пустот
содержание 2%, что делает его одним из лучших в отрасли.
Кроме того, ESE может полностью заполнить концентратор менее чем за 2
минут.

Рисунок 13: Изготовление углепластикового колеса с помощью процесса RTM

Заключение:

Благодаря использованию колес из углеродного волокна их вес
значительно снижается, что позволяет спортивным автомобилям достигать превосходных
управляемость. Благодаря меньшей инерции, колеса из углеродного волокна
улучшает реакцию рулевого управления и тягу, что позволяет быстрее
Разгон и торможение.

Кроме того, беспокойство по поводу дальности полета является серьезной проблемой для многих
потенциальные потребители при рассмотрении вопроса о покупке
электромобиль. Хотя запас хода электромобиля
в первую очередь зависит от аккумулятора, другие факторы также оказывают влияние
воздействие. Легкие колеса из углеродного волокна могут значительно снизить
расход энергии, вызванный вращением колеса во время
ускорение или замедление, максимизируя диапазон движения
электромобили.

 

6 января 2024 года