Blog

Analiza lahkih koles iz ogljikovih vlaken za novo energijo
Vozila

Nova energetska vozila Lahka kolesa iz ogljikovih vlaken
Analiza

2023-07-11 06:59:49

Uvod
Vozila na novo energijo postopoma nadomeščajo tradicionalna vozila na gorivo.
avtomobilov s pogonom. Doseg električnih vozil je postal
največja razvojna ovira, zaradi česar je lahkotnost
še posebej pomembno.

Z vse večjim povpraševanjem po varstvu okolja in
energetsko učinkovitost, si svetovna avtomobilska industrija prizadeva
raznovrstne rešitve za razbremenitev. Potreba po zmanjšanju teže
v neodporni masi je še posebej izrazita in kot
pomemben sestavni del neodporne mase, kolesa pa predstavljajo
predstavlja pomemben delež celotne mase vozila. Eden od
učinkovit način za zmanjšanje teže je uporaba ogljikovih
kolesa iz vlaken. Ker se stroški surovin in proizvodnje zmanjšujejo,
kolesa iz ogljikovih vlaken, ki so bila nekoč draga in so se uporabljala le
v luksuznih ali ultra luksuznih modelih, postopoma postajajo vse bolj
dostopno.

Slika 1: Kolo iz ogljikovih vlaken

Možnosti uporabe CFRP na področju avtomobilske industrije
Ogljikova vlakna so lahka, visoko trdna in visokomodularna vlakna.
material vlaken. Ima manjšo gostoto kot kovina, vendar je 16-krat
močnejši od jekla. Njegov Youngov modul je 2-3-krat večji.
kot tradicionalna steklena vlakna, hkrati pa ohranja prožnost
vlaken.

Kolesa iz aluminijeve zlitine običajno tehtajo približno 15 kilogramov,
medtem ko lahko kolesa iz ogljikovih vlaken zmanjšajo težo na 8 kilogramov,
zaradi česar so kolesa iz ogljikovih vlaken pravo "orodje za zmanjševanje teže".

Zaradi svoje lahkotnosti in visoke trdnosti je ogljik
vlakna že od nekdaj prednostni material za avtomobilsko industrijo.
proizvodnja. Poleg uporabe v kolesih so ogljikova vlakna
se uporablja tudi v avtomobilskih pogonskih sklopih, listnatih vzmeteh in konstrukcijah,
in telesa, kar zagotavlja zadostno trdnost in togost, hkrati pa
zmanjšanje teže in porabe energije vozil.
V skladu z "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Raziskovalno poročilo", ki ga je objavil MarketaaWatch, globalni
velikost trga avtomobilskih ogljikovih vlaken je dosegla skoraj $160
milijonov v letu 2020. Od leta 2021 do leta 2027 bo svetovni avtomobilski
trg ogljikovih vlaken bo po pričakovanjih ohranil sestavljeno
letno stopnjo rasti več kot 5%.

Uporaba materialov iz ogljikovih vlaken v avtomobilih ni
le za zmanjšanje teže in porabe energije, temveč tudi za
tudi za izboljšanje varnostnih lastnosti vozila. V primerjavi z
tradicionalna platišča iz aluminijeve zlitine, platišča iz ogljikovih vlaken so
lažji, močnejši, brez utrujanja kovine in bistveno
zmanjšanje hrupa. Trg koles iz ogljikovih vlaken na Kitajskem je
ogromen potencial, vendar je široko sprejetje ogljikovih vlaken
kolesa so odvisna predvsem od stroškov.

Slika 2: Napoved povpraševanja po ogljikovih vlaknih v avtomobilski industriji
Sektor

Z nenehnimi izboljšavami in obsežno proizvodnjo
tehnologije izdelave ogljikovih vlaken, se je cena ogljikovih vlaken
vlaken se postopoma zmanjšuje. Tradicionalna ogljikova vlakna
prekurzor je večinoma izdelan iz surovine poliakrilonitrila (PAN).
materiala, ki je bil vedno drag. Vendar pa je z uporabo
na osnovi asfalta, polietilena in drugih materialov za izdelavo
prekurzorja, se lahko stroški ogljikovih vlaken zmanjšajo za več kot
kot 30%. Na primer, Carbon Revolution, avstralski
proizvaja kolesa iz ogljikovih vlaken z lepljenjem
ogljikovih vlaken s smolo, kar omogoča obsežno proizvodnjo in
znižanje stroškov koles iz ogljikovih vlaken na raven, ki se približuje
aluminijasta platišča.

Kitajska vlada izvaja ustrezne politike za
spodbujanje široke uporabe domače proizvodnje
visoko zmogljiva ogljikova vlakna. Marca 2021 bo "14.
Petletni načrt za nacionalni gospodarski in socialni
Razvoj in dolgoročni cilji za leto 2035",
ki je poudarila potrebo po okrepitvi raziskav,
razvoj in uporaba visoko zmogljivih vlaken, kot so
kot so ogljikova vlakna in njihovi kompoziti. To zagotavlja ugodno
politično okolje za tehnološki napredek
industrija ogljikovih vlaken v prihodnosti.

Razvoj novih energetskih vozil je neustavljiv in
kolesa iz ogljikovih vlaken lahko postanejo standardna oprema novih
energetska vozila.

Primerjava med kolesi iz CFRP in kovinskimi kolesi:

Od izuma avtomobila leta 1886, ki ima zgodovino
v več kot 100 letih so se avtomobilska kolesa razvila iz
od lesenih materialov do sodobnih kovinskih materialov. Običajno
pri sodobnih avtomobilih se uporabljajo jeklena kolesa,
platišča iz aluminijeve zlitine, platišča iz magnezijeve zlitine, v zadnjem času pa tudi
letih so se pojavila kolesa iz ogljikovih vlaken, zlasti v
superavtomobili.

Jeklena kolesa: Jeklena kolesa so izdelana predvsem iz železa in drugih materialov.
kovin za povečanje žilavosti. Njihove prednosti so
večja žilavost, odlična odpornost na udarce in dobra odpornost na obremenitev
nosilnost. Poleg tega so razmeroma poceni.
Vendar pa imajo jeklena kolesa nekaj pomanjkljivosti, kot so
dovzetnost za rjavenje, slabo odvajanje toplote, velika teža in
omejitve pri zaviranju in upravljanju.

Aluminij Zlitina Kolesa: Aluminij je glavna sestavina aluminijastih koles.
platišča iz aluminijeve zlitine in elemente, kot je antimon,
silicija in magnezija za izboljšanje splošne učinkovitosti. Spletna stran
proizvodni proces platišč iz aluminijeve zlitine je bolj
zapleteno kot pri jeklenih kolesih, z več koraki obdelave.
Kolesa iz aluminijeve zlitine imajo večjo splošno zmogljivost in
znatno zmanjšanje teže. Zaradi manjše gostote
aluminijeve zlitine, omogočajo hitrejše pospeševanje, boljšo toplotno
in so primerne za mestne ceste.
Vendar pa imajo platišča iz aluminijeve zlitine relativno nižjo
žilavost, odpornost na udarce in odpornost na utrujanje, zaradi česar
so neprimerni za težka okolja, kot so terenska vozila.
pogoji.

Magnezij-aluminij Kolesa iz zlitine: V primerjavi z aluminijastimi,
magnezij ima manjšo gostoto in je podoben ogljikovim vlaknom.
kompozitni materiali. Kolesa iz magnezijeve in aluminijeve zlitine
vsebujejo magnezij kot glavno sestavino, skupaj z
aluminija, cinka, mangana in drugih elementov. Zagotavljajo
boljša elastičnost, hitrejše odvajanje toplote in močnejši udarci
sposobnost absorpcije. So izboljšana različica
kolesa iz aluminijeve zlitine glede na vzdržljivost. Vendar,
kolesa iz magnezijeve in aluminijeve zlitine so nagnjena k oksidaciji in
imajo slabo korozijsko odpornost.

Karbonska vlakna Kolesa: Kolesa iz ogljikovih vlaken so relativno nova
vrste koles, ki so se pojavila v zadnjih letih. Imajo
čisto črnega videza s teksturirano površino, kar jim daje
vrhunski in prefinjen videz. Kolesa iz ogljikovih vlaken ponujajo
močna zmogljivost, primerljiva teža z magnezijem
kolesa, visoka žilavost, odlična odpornost na udarce in
odpornost proti koroziji in oksidaciji. Trenutno se uporabljajo v
motorna, gorska in cestna kolesa ter avtomobile.

Prednosti koles iz ogljikovih vlaken
Kolesa in pnevmatike avtomobila nosijo celotno težo in imajo pomembno vlogo pri
ključno vlogo pri vožnji vozila pod vplivom
prenosna os. Karbon kot osrednja strukturna komponenta
kolesa iz kompozitnih vlaken imajo odlično nosilnost
in odpornost na udarce, kar zagotavlja izjemno zmogljivost.
pri pospeševanju in velikih obremenitvah. Poleg tega ogljik
kolesa iz vlaken lahko učinkovito zmanjšajo vztrajnost in omogočijo hitrejše
pospeševanje, zaviranje in manevriranje zaradi zmanjšane
teža.

(1) Lažja teža, večja trdnost

Splošno znano je, da so kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken
priznana kot najboljša metoda za "lahke" in težke
zmanjšanje števila avtomobilov. Ogljikova vlakna, znana tudi kot "črna vlakna".
zlato," je lažji od aluminija, hkrati pa ima večjo trdnost
kot jeklo. Ima odpornost proti koroziji in visok modul
lastnosti, kar omogoča ne le zmanjšanje teže, temveč tudi
ojačitev konstrukcije vozila. Podatki kažejo, da je 20-
palčno kolo iz ogljikovih vlaken tehta približno 7,5 kg, kar je
več kot 25% lažji od enako velike aluminijeve zlitine
kolo. Kolesa iz ogljikovih vlaken imajo v smislu trdnosti
splošno izboljšanje za približno 30% v primerjavi z aluminijem.
platišča iz lahke zlitine.

(2) Izboljšana zmogljivost in rokovanje

Inženirji avstralske znamke koles Carbon Revolution
so navedli, da zmanjšanje teže kolesa za 1 kg pod
je enakovredno zmanjšanju skupne mase vozila.
težo za 15 kg. Za vsako zmanjšanje teže za 10% se
pospeševanje vozila se lahko izboljša za
približno 8%. To pomeni, da lahko lahka kolesa
zagotavlja boljši odziv na zmogljivost vozila.
Kolesa iz ogljikovih vlaken tudi odlično blažijo udarce,
večje udobje in izboljšano upravljanje.

(3) Energetska učinkovitost in zmanjšanje emisij

Zmanjšanje neodporne mase za 1 kg z uporabo ogljikovih vlaken
kompozitnih koles je enakovredno zmanjšanju celotne mase vozila.
težo za 15 kg. Zmanjšanje teže za 10% lahko privede do 6%-
8% manjša poraba goriva in 5% manjša poraba
emisije. V scenariju, v katerem vozila porabijo enako količino
bencin, lahko avtomobil, opremljen s kolesi iz ogljikovih vlaken, prevozi do
do 50 km na uro več v primerjavi z avtomobilom iz aluminijeve zlitine.
kolesa. Teža koles iz ogljikovih vlaken je 60% lažja od
kot pri platiščih iz kovanih aluminijevih zlitin enake velikosti,
zaradi česar je zmanjšanje mase vozila pomembno za okolje.
namene.

(4) Izboljšana vodljivost in odlična zavorna zmogljivost

Kolesa iz ogljikovih vlaken imajo modul elastičnosti do 200 GPa.
Večji kot je modul elastičnosti, manjša je elastičnost
deformacije po delovanju sil, kar omogoča boljšo
udobje in izboljšano upravljanje. Po zamenjavi platišč z
lahkih ogljikovih vlaken, vzmetenje vozila
hitrost odziva se občutno izboljša, kar vodi k hitrejšemu in
bolj gladko pospeševanje in boljše zaviranje.

Primeri uporabe koles iz ogljikovih vlaken
Podjetje Carbon Revolution, ustanovljeno leta 2007, je globalno tehnološko
podjetje in dobavitelj Tier 1 OEM, ki je uspešno
pionirsko, komercializirano in industrializirano visokokakovostno
zmogljivost, tehnološko napredna lahka ogljikova vlakna
kolesa. Poleg luksuznih avtomobilskih platišč ima podjetje tudi
napovedal razvoj 23- in 24-palčnih karbonskih
kolesa iz vlaken, namenjena trgom električnih tovornjakov in SUV-jev. Na spletni strani
podjetje izvaja tudi konceptualne in validacijske projekte.
za kolesa Boeingovih helikopterjev CH-47 Chinook.

Slika 3: Ultra lahka ogljikova vlakna iz serije Carbon Revolution
Kolesa

Za izdelavo koles iz ogljikovih vlaken je potrebna visoka
natančno polaganje ogljikovih vlaken in visokotlačno brizganje
tehnike. Carbon Revolution ima približno 50 patentov
v zvezi z izdelki in proizvodnjo koles iz ogljikovih vlaken
in si prizadeva izboljšati učinkovitost s procesi.
izboljšave. V ta namen je podjetje razvilo
visoko avtomatizirane proizvodne linije in v veliki meri uporablja
tehnologije strojnega učenja in umetne inteligence za
optimizirati proizvodni proces. V povprečju so kolesa
so za 40% do 50% lažja od standardnih aluminijastih platišč v
trg. Poleg tega so kolesa lahko zasnovana z
aerodinamične oblike za zmanjšanje zračnega upora in povečanje dosega brez
dodajanje teže.

Italijansko podjetje Bucci Composites je predstavilo prvi 20-palčni
platišče iz ogljikovih vlaken, zasnovano posebej za
sektor športnih/športnih avtomobilov. Omogoča pritrditev kolesa na
pesta na običajen način, kar odpravlja tveganje navora vijaka.
razrahljanje. To zagotavlja, da izjemno lahka kolesa iz ogljikovih vlaken
jih je enako enostavno sestaviti in vzdrževati kot običajna kolesa. Na
se spoprijemajo z visokimi temperaturami, zlasti pri
pri uporabi karbonsko-keramičnih zavor je notranja stran platišča
prevlečena s keramično plastjo, ki ščiti ogljikova vlakna in
omogoča uporabo platišča pri ekstremnih temperaturah.

Slika 4: Ogljikova revolucija

Družba Bucci Composites se je opremila tudi z najsodobnejšimi
proizvodna tehnologija podjetja Cannon (visokotlačni RTM-
HP-RTM), edino podjetje v Italiji, ki ima tehnologijo za
še naprej razvijali več modelov koles za avtomobilsko industrijo.
industrija.

Slika 5: Oprema za proces HP-RTM podjetja Cannon

Canonova rešitev vključuje opremo, potrebno za
visokotlačni postopek RTM za izdelavo kompozitov
materiali z matriko iz epoksidne smole in ogljikovimi vlakni
okrepitev:

(1) Trikomponentna visokotlačna dozirna enota sistema E za
formulacija epoksidne smole, ki vsebuje trikomponentno smolo LN10.
mešalno glavo in zaprtozančnim nadzorom izhodnih razmerij.

(2) stiskalnica za stiskanje s kratkim hodom z vpenjanjem
silo 25.000 kN, 3,6 × 2,4 m velikimi stiskalnimi ploščami in visoko
natančno vzporednost aktivni nadzor za zagotavljanje ravnosti oblikovanih
deli.

Slika 6: 20″ kolo iz ogljikovih vlaken podjetja Bucci Composites

Znani britanski proizvajalec avtomobilov Bentley je pred kratkim
predstavil inovativna platišča iz ogljikovih vlaken za svoje vozilo Bentley
SUV Bentayga, ki ga je razvilo podjetje Bucci Composites. 22-palčni
kolesa iz ogljikovih vlaken so postala največja kolesa iz ogljikovih vlaken
ki so jih kdajkoli izdelali, kar zagotavlja inovativno zasnovo in izjemne
zmogljivost, pri čemer se teža zmanjša za 6 kg na
kolo.

Slika 7: 22″ kolesa, ki jih je Bucci razvil za Bentley

Podjetje Vision Wheel iz Združenih držav Amerike je predstavilo nov
kolo iz ogljikovih vlaken, razvito v sodelovanju s podjetjem IDI
Composites International in tkanje kompozitnih materialov
strokovnjak A&P tehnologija. Cena vsakega kolesa je $2,000 ali
še nižje.

Še eno ameriško podjetje, ESE Carbon, je začelo proizvajati model E2
vgrajena kolesa iz kompozitnih ogljikovih vlaken na poprodajnem trgu,
služijo Tesla Model S, Tesla Model 3 in Subaru WRX STI
vozila.

Kolesa E2 uporabljajo napredna inovativna prilagojena vlakna
nameščanje (TFP) in tehnologijo visokotlačne infuzije smole,
združuje zmogljivost, vzdržljivost, učinkovitost in inovativnost.
z lepoto ogljikovih vlaken, kar zagotavlja vrhunsko kakovost
naknadno prodana kolesa.

Lažja kot so kolesa, manjša je vztrajnost vrtenja, kar povzroči
kar pomeni manjšo silo, potrebno za premik koles naprej. Kot
vrhunsko kolo iz kompozitnih ogljikovih vlaken, E2 bistveno
zmanjša težo v primerjavi z aluminijastimi in jeklenimi kolesi. Preizkusi
so pokazali, da lahko vsako kolo prihrani 10 kilogramov teže,
zaradi česar se hitrost kroga poveča za 5,3%.

Preprosto povedano, lažji predmeti potrebujejo manj dela za upočasnitev
in se ustavite. Kolesa iz ogljikovih vlaken E2 so za 45% lažja od
enakovredna jeklena ali aluminijasta kolesa. Preskusi so pokazali, da E2
kolesa lahko skrajšajo zavorno in zaviralno pot pri hitrosti 60 km/h.
na 1 miljo s 3,6%.

Zmanjšanje neodporejene mase zmanjša sile, ki delujejo na
vzmetenje, da kolesa trdno stojijo na cesti. Vsak vozilo E2
kolo iz ogljikovih vlaken lahko zmanjša do 10 kilogramov neodpore
zmanjšuje težo sistema in izboljšuje zmogljivost vzmetenja.
Zaradi izboljšanega stika s pnevmatiko se izboljša
odzivnost volana in bolj odzivno krmiljenje. Ne glede na to, ali na
na cesti ali stezi, kolesa iz ogljikovih vlaken E2 bodo vašo vožnjo
doživetje na povsem novo raven.

Testiranje na cesti

Po večletnem testiranju prototipov je E2, tehnološko najbolj dovršen
naprednega avtomobilskega kolesnega pesta, ki je bilo kdaj koli razvito, je bilo
ustvarjen. Z uporabo zelo naprednega modeliranja z uporabo končnih
elementno analizo, lahko ekipa inženirjev ESE za kompozitne materiale
predvideti odziv kolesa v različnih dejanskih razmerah.
scenariji. S to bogastvo podatkov se kolesa ESE podvržejo
testiranje v laboratorijskih in terenskih pogojih, s čimer se potrdi njihova
trdnost, varnost in zmogljivost.

Radialno udarno testiranje
S preskusom radialnega udarca se oceni stabilnost kolesa pri
naletite na luknje ali večje ovire, da preprečite hudo
poškodbe ali okvare. Ker razmere na cesti niso vedno popolne,
Kolesa E2 so bila strogo preizkušena, da vzdržijo tipične
nevarnosti na cesti in so se izkazale za boljše od enakovrednih jeklenih
in aluminijasta platišča.

Preskus udarca v robnik
Preskus udarca v robnik je ključna ocena za ocenjevanje učinkov
ponavljajočih se udarcev na statično površino, ki simulira vozilo
trčenje v robnike ali druge fiksne predmete pri vnaprej določenih hitrostih.
Tudi pri nizkih hitrostih je stik med robniki in kolesi
ustvarja velike udarne sile. Kolesa iz ogljikovih vlaken E2
so bili zasnovani in temeljito preizkušeni za odpornost na okvare
v destruktivnih situacijah, kot so udarci ob robnik.

Testiranje SAE J3204

E2 je opravil obsežno testiranje in čaka na
certificiranje po SAE J3204, nov proizvodni postopek za
kolesa iz kompozitnega materiala. ESE tesno sodeluje z
Društvo avtomobilskih inženirjev (SAE), da bi pomagalo vzpostaviti
standardi in merila za kolesa iz kompozitnih materialov. Na spletni strani .
Kolesa iz ogljikovih vlaken E2 podjetja ESE presegajo minimalne zahteve SAE
priporočila.

Podobno kot pri kovinskih kolesih SAE rešuje vprašanja glede trajnosti.
za kolesa iz kompozitnih materialov z različnimi utrujajočimi in
udarni preskusi. Združenje SAE je uvedlo tudi nove zahteve za
obravnavati edinstvene okoljske vplive sestavljenih materialov.
materiali.

Slika 11: Kolesa iz ogljikovih vlaken E2, ki so jih sprejele večje družbe
avtomobilskih proizvajalcev po vsem svetu.

Kolesa iz ogljikovih vlaken E2 so zasnovana z uporabo najnovejših
Tehnologija TFP (Tailored Fiber Placement). Ogljikova vlakna
je bilo tradicionalno delovno intenzivno, saj je vključevalo
rezanje in ročno oblikovanje tkanine iz ogljikovih vlaken na smolo.
plesni. To je povzročilo prevelike količine odpadkov in ročnega dela.
lahko povzroči ozka grla v proizvodnji.

Slika 12: Prilagojena namestitev vlaken (TFP)

TFP dosega optimalno strukturno zmogljivost z uporabo
stroji za razporejanje in šivanje ogljikovih vlaken v natančne
delovna mesta. To skrajša čas plastenja za 50% in material
odpadki z 80%. Prav tako omogoča podjetju ESE, da optimizira zasnovo
z natančnim nameščanjem in usmerjanjem vlaken za
prilagoditi ukrivljenosti in špicam koles iz ogljikovih vlaken.
To povečuje trdnost in vzdržljivost ogljika E2.
kolesa iz vlaken, ki omogočajo učinkovito upravljanje tovora in
stresa.

Pri modelu E2 se uporablja tudi patentirana tehnologija Resin Transfer Molding
(RTM) in sistem epoksidnih smol za izdelavo
pesta, ki zagotavljajo večjo trdnost in utrujenost platišč.
odpornost. ESE uporablja najkakovostnejše in najhitreje strjene
smola, ki zagotavlja neprimerljivo zmogljivost pri vodilni ceni v panogi.
Temperatura Tg (steklastega prehoda) do 212 °C. Vlakna-
razmerje med vsebnostjo smole in ESE je 60%, pri čemer je minimalna praznina
2%, kar ga uvršča med najboljše v industriji.
Poleg tega lahko ESE v celoti napolni vozlišče v manj kot 2
minut.

Slika 13: Izdelava kolesa iz CFRP s postopkom RTM

Zaključek:

Z uporabo koles iz ogljikovih vlaken je masa koles
bistveno zmanjšano, kar športnim avtomobilom omogoča, da dosežejo odlične
zmogljivost upravljanja. Kolesa iz ogljikovih vlaken imajo manjšo vztrajnost.
izboljša odzivnost krmiljenja in oprijem, kar omogoča hitrejše
pospeševanje in zaviranje.

Poleg tega je tesnoba zaradi razdalje za mnoge ljudi zelo zaskrbljujoča.
potencialni potrošniki, ko razmišljajo o nakupu
električno vozilo. Medtem ko je doseg električnega vozila
je odvisen predvsem od baterije, vendar na to vplivajo tudi drugi dejavniki.
vpliv. Lahka kolesa iz ogljikovih vlaken lahko močno zmanjšajo
poraba energije zaradi vrtenja kolesa med
pospeševanje ali upočasnjevanje, kar povečuje vozni doseg
električna vozila.

 

6. januar 2024