Blog

Analýza ľahkých kolies z uhlíkových vlákien pre novú energiu
Vozidlá

Nové energetické vozidlá Ľahké kolesá z uhlíkových vlákien
Analýza

2023-07-11 06:59:49

Úvod
Nové energetické vozidlá postupne nahrádzajú tradičné palivové
poháňané automobily. Dojazd elektrických vozidiel sa stal
najväčšou prekážkou vývoja, čím sa odľahčenie
obzvlášť dôležité.

S rastúcim dopytom po ochrane životného prostredia a
energetickej účinnosti, sa svetový automobilový priemysel snaží
rôzne riešenia na odľahčenie. Potreba zníženia hmotnosti
v neodpruženej hmotnosti je obzvlášť výrazný a ako
dôležitou zložkou neodpruženej hmotnosti, kolesá predstavujú
tvorí podstatnú časť celkovej hmotnosti vozidla. Jedna stránka
účinným spôsobom zníženia hmotnosti je použitie uhlíkových
kolesá z vlákien. Keďže náklady na suroviny a výrobu klesajú,
kolesá z uhlíkových vlákien, ktoré boli kedysi drahé a používali sa len
v luxusných alebo ultra-luxusných modeloch, sa postupne stávajú viac
prístupné.

Obrázok 1: Koleso z uhlíkových vlákien

Perspektívy použitia CFRP v automobilovom priemysle
Uhlíkové vlákno je ľahký, vysokopevnostný a vysokomodulový materiál.
materiál vlákien. Má nižšiu hustotu ako kov, ale je 16-krát
pevnejšie ako oceľ. Jeho Youngov modul je 2-3-krát vyšší
ako tradičné sklenené vlákna, pričom si stále zachováva flexibilitu
vlákien.

Kolesá z hliníkovej zliatiny zvyčajne vážia približne 15 kilogramov,
zatiaľ čo kolesá z uhlíkových vlákien môžu znížiť hmotnosť na 8 kilogramov,
vďaka čomu sú kolesá z uhlíkových vlákien skutočným "nástrojom na znižovanie hmotnosti".

Vďaka svojej nízkej hmotnosti a vysokej pevnosti má uhlík
vlákna boli vždy preferovaným materiálom pre automobilový priemysel
výroba. Okrem aplikácií na kolesá sa uhlíkové vlákna
sa používa aj v automobilových pohonných jednotkách, listových pružinách a konštrukciách,
a telies, čím sa zabezpečí dostatočná pevnosť a tuhosť a zároveň
zníženie hmotnosti a spotreby energie vozidiel.
Podľa publikácie "Trh s uhlíkovými vláknami v automobilovom priemysle v roku 2021
Výskumná správa", ktorú uverejnila spoločnosť MarketaaWatch, globálna
veľkosť trhu s uhlíkovými vláknami v automobilovom priemysle dosiahla takmer $160
miliónov v roku 2020. Od roku 2021 do roku 2027 sa globálny automobilový priemysel
očakáva sa, že trh s uhlíkovými vláknami si udrží zložený
ročná miera rastu viac ako 5%.

Použitie materiálov z uhlíkových vlákien v automobiloch nie je
len na odľahčenie a zníženie spotreby energie, ale
aj na zlepšenie bezpečnostných vlastností vozidla. V porovnaní s
tradičné kolesá z hliníkovej zliatiny, kolesá z uhlíkových vlákien sú
ľahšie, pevnejšie, bez únavy kovu a výrazne
znížiť hluk. Trh s kolesami z uhlíkových vlákien v Číne má
obrovský potenciál, ale široké prijatie uhlíkových vlákien
kolies závisí predovšetkým od nákladov.

Obrázok 2: Prognóza dopytu po uhlíkových vláknach v automobilovom priemysle
Sektor

S neustálym zlepšovaním a veľkovýrobou
technológie výroby uhlíkových vlákien, náklady na uhlíkové
vlákniny postupne klesá. Tradičné uhlíkové vlákna
prekurzor sa vyrába najmä z polyakrylonitrilovej (PAN) suroviny
materiál, ktorý bol vždy nákladný. Použitím
na báze asfaltu, polyetylénu a iných materiálov na výrobu
prekurzora, náklady na uhlíkové vlákno sa môžu znížiť o viac
ako 30%. Napríklad Carbon Revolution, austrálska spoločnosť
vyrába kolesá z uhlíkových vlákien lepením
uhlíkových vlákien so živicou, čím sa dosiahne veľkovýroba a
zníženie nákladov na kolesá z uhlíkových vlákien na úroveň blízku
hliníkové kolesá.

Čínska vláda zaviedla príslušné politiky s cieľom
podporovať rozšírené používanie domácich výrobkov
vysoko výkonné uhlíkové vlákna. V marci 2021 sa uskutoční "14.
Päťročný plán pre národné hospodárstvo a sociálne
Vývoj a dlhodobé ciele do roku 2035",
ktorá zdôraznila potrebu posilniť výskum,
vývoj a aplikácia vysoko výkonných vlákien, ako sú
ako uhlíkové vlákna a ich kompozity. To poskytuje priaznivé
politické prostredie pre technologický pokrok
priemyslu uhlíkových vlákien v budúcnosti.

Vývoj nových energetických vozidiel je nezastaviteľný a
kolesá z uhlíkových vlákien sa môžu stať štandardnou súčasťou nových
energetické vozidlá.

Porovnanie kolies z CFRP a kovových kolies:

Od vynájdenia automobilov v roku 1886, ktoré má históriu
viac ako 100 rokov sa kolesá automobilov vyvíjali od
drevené materiály až po moderné kovové materiály. Bežne
medzi používané materiály kolies v moderných automobiloch patria oceľové kolesá,
disky z hliníkovej zliatiny, disky z horčíkovej zliatiny a v poslednej dobe
rokov sa objavili kolesá z uhlíkových vlákien, najmä v
supercars.

Oceľové kolesá: Oceľové kolesá sa vyrábajú predovšetkým zo železa a iných
kovov na zvýšenie húževnatosti. Ich výhodou je, že
vyššia húževnatosť, vynikajúca odolnosť proti nárazu a dobrá zaťažiteľnosť
nosnosť. Okrem toho sú relatívne lacné.
Oceľové kolesá však majú niektoré nevýhody, ako napr.
náchylnosť na hrdzu, slabý odvod tepla, vysoká hmotnosť a
obmedzenia pri brzdení a ovládaní.

Kolesá z hliníkovej zliatiny: Hliník je hlavnou zložkou
kolesá z hliníkovej zliatiny spolu s prvkami, ako je antimón,
kremíka a horčíka na zlepšenie celkového výkonu. Stránka
výrobný proces kolies z hliníkovej zliatiny je viac
zložitejšie ako pri oceľových kolesách, s väčším počtom krokov spracovania.
Kolesá z hliníkovej zliatiny vykazujú vyšší celkový výkon a
výrazné zníženie hmotnosti. Vzhľadom na nižšiu hustotu
hliníkovej zliatiny, ponúkajú rýchlejšiu akceleráciu, lepšiu tepelnú
a sú vhodné pre mestské cesty.
Kolesá z hliníkovej zliatiny však majú relatívne nižšiu
húževnatosť, odolnosť voči nárazom a únave, vďaka čomu
nevhodné do drsných podmienok, ako je napríklad terén.
podmienky.

Kolesá z horčíkovo-hliníkovej zliatiny: V porovnaní s hliníkom,
horčík má nižšiu hustotu a je podobný uhlíkovým vláknam
kompozitné materiály. Kolesá z horčíkovo-hliníkovej zliatiny
obsahujú horčík ako hlavnú zložku spolu s
hliníka, zinku, mangánu a ďalších prvkov. Poskytujú
lepšia pružnosť, rýchlejší odvod tepla a silnejší náraz.
absorpčné schopnosti. Sú vylepšenou verziou
kolesá z hliníkovej zliatiny z hľadiska odolnosti. Avšak,
kolesá zo zliatiny horčíka a hliníka sú náchylné na oxidáciu a
majú nízku odolnosť proti korózii.

Kolesá z uhlíkových vlákien: Kolesá z uhlíkových vlákien sú relatívne nové
typ kolies, ktoré sa objavili v posledných rokoch. Majú
čisto čierny vzhľad s textúrovaným povrchom, ktorý im dodáva
špičkový a sofistikovaný vzhľad. Kolesá z uhlíkových vlákien ponúkajú
vysoký výkon, porovnateľná hmotnosť s horčíkom
kolesá, vysokú húževnatosť, vynikajúcu odolnosť proti nárazu a
odolnosť proti korózii a oxidácii. V súčasnosti sa používajú v
motocykle, horské bicykle, cestné bicykle a automobily.

Výhody kolies z uhlíkových vlákien
Kolesá a pneumatiky automobilu nesú celú hmotnosť a zohrávajú dôležitú úlohu
kľúčovú úlohu pri riadení vozidla pod vplyvom
prevodová náprava. Ako základný konštrukčný prvok sa používa uhlík
kolesá z vláknového kompozitu majú vynikajúcu nosnosť
a odolnosť voči nárazom, čím sa dosahuje vynikajúci výkon.
pri zrýchľovaní a veľkom zaťažení. Okrem toho, uhlík
kolesá s vláknami môžu účinne znížiť zotrvačnosť a umožniť rýchlejšie
zrýchlenie, brzdenie a manévrovanie vďaka ich menšej
hmotnosť.

(1) Ľahšia hmotnosť, vyššia pevnosť

Je všeobecne známe, že kompozitné materiály z uhlíkových vlákien sú
uznávaná ako najlepšia metóda pre "ľahkú" a hmotnostnú
zníženie počtu automobilov. Uhlíkové vlákna, známe aj ako "čierne
zlato," je ľahší ako hliník a zároveň má vyššiu pevnosť
ako oceľ. Vykazuje odolnosť proti korózii a vysoký modul pružnosti
vlastnosti, ktoré umožňujú nielen zníženie hmotnosti, ale aj
spevnenie konštrukcie vozidla. Údaje ukazujú, že 20-
palcové koleso z uhlíkových vlákien váži približne 7,5 kg, čo je
viac ako 25% ľahšia ako hliníková zliatina rovnakej veľkosti
koleso. Z hľadiska pevnosti vykazujú kolesá z uhlíkových vlákien
celkové zlepšenie približne 30% v porovnaní s hliníkom
disky z ľahkých zliatin.

(2) Zvýšený výkon a manipulácia

Inžinieri austrálskej značky kolies Carbon Revolution
uviedli, že zníženie hmotnosti kolesa o 1 kg pod
neodpruženej hmotnosti sa rovná zníženiu celkovej hmotnosti vozidla
hmotnosť o 15 kg. Na každé zníženie hmotnosti o 10%
akceleračný výkon vozidla sa môže zlepšiť o
približne 8%. To naznačuje, že ľahké kolesá môžu
poskytuje lepšiu odozvu na výkon vozidla.
Kolesá z uhlíkových vlákien tiež vynikajúco tlmia nárazy,
vyšší komfort a lepšie ovládanie.

(3) Energetická účinnosť a znižovanie emisií

Zníženie neodpruženej hmotnosti o 1 kg pomocou uhlíkových vlákien
kompozitných kolies sa rovná zníženiu celkovej hmotnosti vozidla
hmotnosť o 15 kg. Zníženie hmotnosti o 10% môže mať za následok 6%-
zníženie spotreby paliva o 8% a zníženie spotreby paliva o 5%
emisie. V scenári, v ktorom vozidlá používajú rovnaké množstvo
benzín, auto vybavené kolesami z uhlíkových vlákien môže prejsť až
až o 50 km za hodinu viac v porovnaní s vozidlom s hliníkovou zliatinou.
kolesá. Hmotnosť kolies z uhlíkových vlákien je 60% ľahšia ako
ako ráfiky z kovanej hliníkovej zliatiny rovnakej veľkosti,
zníženie hmotnosti vozidla má význam pre životné prostredie.
účely.

(4) Lepšia ovládateľnosť a vynikajúci brzdný výkon

Kolesá z uhlíkových vlákien majú modul pružnosti až 200 GPa.
Čím vyšší je modul pružnosti, tým menšia je pružnosť
deformácie po pôsobení síl, čo vedie k lepšej
komfort a lepšiu ovládateľnosť. Po výmene kolies za
ľahkých uhlíkových vlákien, zavesenie vozidla
rýchlosť odozvy sa výrazne zlepšuje, čo vedie k rýchlejšiemu a
plynulejšie zrýchlenie a lepší brzdný výkon.

Príklady použitia kompozitných kolies z uhlíkových vlákien
Spoločnosť Carbon Revolution bola založená v roku 2007 a je globálnou technologickou
spoločnosť a dodávateľ OEM Tier 1, ktorý úspešne
priekopnícky, komercionalizovaný a priemyselne využívaný high-
výkonné, technologicky vyspelé ľahké uhlíkové vlákna
kolesá. Okrem luxusných kolies na autá má spoločnosť
oznámila vývoj 23-palcových a 24-palcových karbónových
kolesá s vláknami zamerané na trhy s elektrickými nákladnými vozidlami a SUV. Stránka
spoločnosť tiež realizuje koncepčné a overovacie projekty
pre kolesá vrtuľníka CH-47 Chinook spoločnosti Boeing.

Obrázok 3: Uhlíkové vlákna Carbon Revolution Ultra-Light Series
Kolesá

Výroba kolies z uhlíkových vlákien si vyžaduje vysokú
presné vrstvenie uhlíkových vlákien a vysokotlakové lisovanie
techniky. Spoločnosť Carbon Revolution vlastní približne 50 patentov
súvisiace s výrobkami a výrobou kolies z uhlíkových vlákien
a zameriava sa na zlepšenie efektívnosti prostredníctvom procesov
vylepšenia. Na tento účel spoločnosť vyvinula
vysoko automatizované výrobné linky a vo veľkej miere využíva
technológie strojového učenia a umelej inteligencie na
optimalizovať výrobný proces. Kolesá sa v priemere
sú o 40% až 50% ľahšie ako štandardné hliníkové kolesá v
trh. Okrem toho môžu byť kolesá navrhnuté s
aerodynamické tvary na zníženie odporu a zvýšenie dojazdu bez
pridanie hmotnosti.

Talianska spoločnosť Bucci Composites predstavila prvý 20-palcový
ráfik z uhlíkových vlákien špeciálne navrhnutý pre
sektor športových/ superšportových vozidiel. Umožňuje upevnenie kolesa na
náboj tradičným spôsobom, čím sa eliminuje riziko krútiaceho momentu skrutky.
uvoľnenie. Tým sa zabezpečí, že ultraľahké kolesá z uhlíkových vlákien
sa montujú a udržiavajú rovnako ľahko ako tradičné kolesá. Na
riešiť vysoké teploty, ktoré sa vyskytujú najmä pri
pri použití karbón-keramických bŕzd je vnútorná strana ráfika kolesa
pokryté keramickou vrstvou, ktorá chráni uhlíkové vlákna a
umožňuje používanie ráfika kolesa pri extrémnych teplotách.

Obrázok 4: Uhlíková revolúcia

Spoločnosť Bucci Composites sa tiež vybavila najmodernejšími
výrobná technológia od spoločnosti Cannon (vysokotlaková RTM-
HP-RTM), jediná spoločnosť v Taliansku, ktorá má technológiu na
pokračovať vo vývoji ďalších modelov kolies pre automobilový priemysel
priemysel.

Obrázok 5: Procesné zariadenie HP-RTM spoločnosti Cannon

Riešenie spoločnosti Cannon zahŕňa vybavenie potrebné na
vysokotlakový proces RTM na výrobu kompozitov
materiály s matricou z epoxidovej živice a uhlíkových vlákien
posilnenie:

(1) Trojzložková vysokotlaková dávkovacia jednotka systému E na
zloženie epoxidovej živice s trojzložkovou zmesou LN10
miešacia hlava a uzavretá slučka riadenia výstupných pomerov.

(2) Lis na lisovanie s krátkym zdvihom s upínacím
sila 25 000 kN, lisovacie dosky s rozmermi 3,6 × 2,4 m a vysoko
presná aktívna kontrola rovnobežnosti na zabezpečenie rovinnosti výliskov
diely.

Obrázok 6: 20″ koleso z uhlíkových vlákien od spoločnosti Bucci Composites

Renomovaný britský výrobca automobilov Bentley nedávno
predstavila inovatívne celokarbónové kolesá pre svoj model Bentley
SUV Bentayga, vyvinuté spoločnosťou Bucci Composites. 22-palcový
kolesá z uhlíkových vlákien sa stali najväčšími kolesami z uhlíkových vlákien
ktoré boli kedy vyrobené, čo zaručuje inovatívny dizajn a výnimočnú
výkon, pričom sa dosiahlo zníženie hmotnosti o 6 kg na
koleso.

Obrázok 7: 22″ kolesá vyvinuté spoločnosťou Bucci pre Bentley

Spoločnosť Vision Wheel so sídlom v Spojených štátoch predstavila nový
koleso z uhlíkových vlákien vyvinuté v spolupráci s IDI
Composites International a tkanie kompozitných materiálov
expert A&P Technology. Cena každého kolesa je $2,000 alebo
ešte nižšie.

Ďalšia americká spoločnosť, ESE Carbon, uviedla na trh svoj model E2
integrované kolesá z uhlíkových vlákien na trhu s náhradnými dielmi,
slúži Tesla Model S, Tesla Model 3 a Subaru WRX STI
vozidlá.

Kolesá E2 využívajú pokročilé inovatívne vlákna na mieru
umiestnenie (TFP) a technológia vysokotlakovej infúzie živice,
kombinácia výkonu, odolnosti, účinnosti a inovácií
s krásou uhlíkových vlákien, ktoré poskytujú špičkovú kvalitu
kolesá z náhradných dielov.

Čím ľahšie sú kolesá, tým menšia je zotrvačnosť otáčania, čo má za následok
menšia sila potrebná na posunutie kolies dopredu. Ako
prémiové koleso z uhlíkových vlákien, E2 výrazne
znižuje hmotnosť v porovnaní s hliníkovými a oceľovými kolesami. Testy
ukázali, že každé koleso môže ušetriť 10 kg hmotnosti,
čo viedlo k zvýšeniu rýchlosti na okruhu o 5,3%.

Zjednodušene povedané, ľahšie predmety potrebujú na spomalenie menej práce.
a zastavte. Kolesá z uhlíkových vlákien E2 sú o 45% ľahšie ako
ekvivalentné oceľové alebo hliníkové kolesá. Testy ukázali, že E2
kolesá môžu skrátiť brzdnú a dojazdovú dráhu od rýchlosti 60 km/h
na 1 míľu o 3,6%.

Zníženie neodpruženej hmotnosti minimalizuje sily, ktoré pôsobia na
odpruženie, aby kolesá pevne držali na ceste. Každý model E2
koleso z uhlíkových vlákien môže znížiť neodpružené koleso až o 10 kg
hmotnosť systému, čím sa zlepšuje výkon odpruženia.
Výsledné zlepšenie kontaktu s pneumatikou vedie k zlepšeniu
odozva riadenia a citlivejšie ovládanie. Či už na
na ceste alebo na trati, kolesá z uhlíkových vlákien E2 vám umožnia jazdiť
zážitok na úplne novú úroveň.

Testovanie na ceste

Po rokoch testovania prototypov sa E2, technologicky
vyspelý náboj kolesa, ktorý bol kedy vyvinutý, bol
vytvorené. Použitím vysoko pokročilého modelovania pomocou konečných
tím kompozitných inžinierov ESE môže
predpovedať reakciu kolesa v širokom rozsahu reálnych situácií.
scenáre. Vďaka tomuto množstvu údajov sa kolesá ESE podrobujú
testovanie v laboratórnych aj terénnych podmienkach, čím sa overuje ich
pevnosť, bezpečnosť a výkon.

Radiálne nárazové skúšky
Pri radiálnej nárazovej skúške sa hodnotí stabilita kolesa pri
stretnutie s výmoľmi alebo veľkými prekážkami, aby sa zabránilo vážnym
poškodenie alebo zlyhanie. Keďže podmienky na cestách nie sú vždy ideálne,
Kolesá E2 prešli prísnym testovaním, aby odolali typickým
nebezpečenstvo na cestách a preukázali, že sú lepšie ako ekvivalentné oceľové
a hliníkové kolesá.

Nárazový test na obrubník
Test nárazu na obrubník je kľúčovým hodnotením na posúdenie účinkov
opakovaných nárazov na statický povrch, simulujúcich vozidlo
náraz do obrubníkov alebo iných pevných objektov pri vopred stanovených rýchlostiach.
Kontakt medzi obrubníkmi a kolesami sa prejavuje aj pri nízkych rýchlostiach
vytvára významné nárazové sily. Kolesá z uhlíkových vlákien E2
boli navrhnuté a dôkladne testované tak, aby odolali poruchám
v deštruktívnych situáciách, ako sú nárazy do obrubníkov.

Testovanie SAE J3204

E2 prešiel komplexným testovaním a čaká na
certifikácia podľa SAE J3204, nový výrobný proces pre
kolesá z kompozitného materiálu. ESE úzko spolupracuje so
Spoločnosť automobilových inžinierov (SAE), aby pomohla vytvoriť
normy a referenčné hodnoty pre kolesá z kompozitných materiálov. Na stránke .
kolesá z uhlíkových vlákien E2 spoločnosti ESE presahujú minimálne požiadavky SAE
odporúčania.

Podobne ako pri kovových kolesách, aj pri kolesách SAE sa riešia problémy s odolnosťou
pre kolesá z kompozitných materiálov prostredníctvom rôznych únavových a
nárazové skúšky. SAE tiež zaviedla nové požiadavky na
riešiť jedinečné environmentálne vplyvy kompozitných materiálov
materiály.

Obrázok 11: Kolesá z uhlíkových vlákien E2 prijaté hlavnými spoločnosťami
výrobcovia automobilov na celom svete.

Kolesá E2 z uhlíkových vlákien sú navrhnuté s použitím najnovších
Technológia Tailored Fiber Placement (TFP). Uhlíkové vlákna
kladenie bolo tradične náročné na prácu a zahŕňalo
rezanie a ručné tvarovanie tkaniny z uhlíkových vlákien na živicu
plesne. To viedlo k nadmernému plytvaniu a ručnej práci.
môže spôsobiť úzke miesta vo výrobe.

Obrázok 12: Umiestnenie vlákien na mieru (TFP)

TFP dosahuje optimálny štrukturálny výkon pomocou
stroje na usporiadanie a zošívanie uhlíkových vlákien do presných
pozície. Tým sa skracuje čas vrstvenia o 50% a materiál
odpad podľa 80%. Umožňuje tiež ESE optimalizovať dizajn
vďaka presnému umiestneniu a orientácii vlákien na
prispôsobiť zakrivenie a špice kolies z uhlíkových vlákien.
Tým sa zvyšuje pevnosť a odolnosť uhlíka E2
kolesá s vláknami, ktoré im umožňujú efektívne zvládať zaťaženie a
stresy.

Model E2 využíva aj patentovanú technológiu Resin Transfer Molding
(RTM) a systém epoxidovej živice na výrobu
nábojov, ktoré poskytujú vyššiu pevnosť a únavu ráfikov kolies.
odolnosť. ESE používa najkvalitnejšie a najrýchlejšie vytvrdzujúce
živice, ktorá poskytuje bezkonkurenčný výkon za najlepšiu cenu v odvetví
teplota Tg (sklovitého prechodu) až do 212 °C. Vlákno
pomer obsahu živice v ESE je 60%, s minimálnym obsahom prázdnych
2%, čo z neho robí jeden z najlepších v odvetví.
Okrem toho ESE dokáže úplne naplniť náboj za menej ako 2
minút.

Obrázok 13: Výroba kolies z CFRP pomocou procesu RTM

Záver:

Použitím kolies z uhlíkových vlákien sa hmotnosť kolies
výrazne znížená, čo umožňuje športovým vozidlám dosahovať vynikajúce
manipulačný výkon. Kolesá z uhlíkových vlákien majú nižšiu zotrvačnosť
zlepšuje odozvu riadenia a trakciu, čo vedie k rýchlejšiemu
zrýchlenie a brzdenie.

Okrem toho, obavy z dojazdu sú pre mnohých významným problémom.
potenciálnych spotrebiteľov pri zvažovaní kúpy
elektrické vozidlo. Zatiaľ čo dojazd elektrického vozidla
závisí predovšetkým od batérie, ale vplyv majú aj iné faktory.
vplyv. Ľahké kolesá z uhlíkových vlákien môžu výrazne znížiť
spotreba energie spôsobená otáčaním kolesa počas
zrýchlenie alebo spomalenie, čím sa maximalizuje jazdný rozsah
elektrické vozidlá.

 

január 6, 2024