Blogg

Analys av lättviktshjul i kolfiber för ny energi
Fordon

Nya energibilar Kolfiberhjul Lättvikt
Analys

2023-07-11 06:59:49

Inledning
Nya energibilar ersätter gradvis traditionella bränsle- och
eldrivna bilar. Elbilarnas räckvidd har blivit den viktigaste
största utvecklingshindret, vilket gör att lättvikt
särskilt viktigt.

Med den ökande efterfrågan på miljöskydd och
energieffektivitet söker den globala fordonsindustrin
olika lättviktslösningar. Behovet av viktreducering
i den ofjädrade massan är särskilt framträdande, och som en
viktig del av den ofjädrade massan, hjulen står för
utgör en betydande del av fordonets totala vikt. En
effektivt sätt att minska vikten är genom användning av kolfiber
fiberhjul. I takt med att råvaru- och tillverkningskostnaderna sjunker,
kolfiberhjul, som en gång i tiden var dyra och endast användes
i lyx- eller ultralyxmodeller, blir gradvis mer och mer
tillgängliga.

Figur 1: Hjul i kolfiber

Användningsmöjligheter för CFRP inom fordonsindustrin
Kolfiber är ett lätt, höghållfast och högmodulerat material
fibermaterial. Det har en lägre densitet än metall men är 16 gånger
starkare än stål. Dess Young's modul är 2-3 gånger högre
än traditionell glasfiber, samtidigt som flexibiliteten bibehålls
av fibrer.

Vanligtvis väger aluminiumfälgar cirka 15 kg,
medan kolfiberhjul kan minska vikten till 8 kg,
vilket gör kolfiberhjul till ett verkligt "viktreducerande verktyg".

På grund av sin låga vikt och höga hållfasthet kan kolfiber
fiber har alltid varit ett föredraget material för fordonsindustrin
tillverkning. Förutom hjultillämpningar används kolfiber
används också i drivlinor, bladfjädrar och strukturer för bilar,
och kroppar, vilket säkerställer tillräcklig styrka och styvhet samtidigt som
minska fordonens vikt och energiförbrukning.
Enligt rapporten "2021 Automotive Carbon Fiber Market
Research Report" publicerad av MarketaaWatch, den globala
marknadsstorleken för kolfiber för fordonsindustrin nådde nästan $160
miljoner euro år 2020. Från 2021 till 2027 kommer den globala fordonsindustrin
kolfibermarknaden förväntas bibehålla en sammansatt
årlig tillväxttakt på över 5%.

Användningen av kolfibermaterial i bilar är inte
endast för att minska vikten och energiförbrukningen, men
även för att förbättra fordonens säkerhetsprestanda. Jämfört med
traditionella aluminiumfälgar, kolfiberfälgar är
lättare, starkare, fri från metallutmattning och betydligt
minska buller. Marknaden för kolfiberhjul i Kina har
enorm potential, men en utbredd användning av kolfiber
hjul är främst beroende av kostnadsskäl.

Figur 2: Prognos för efterfrågan på kolfiber inom fordonsindustrin
Sektor

Med ständiga förbättringar och storskalig produktion
av kolfibertillverkningstekniken, kostnaden för kolfiber
fiber minskar gradvis. Den traditionella kolfibern
Prekursorn tillverkas huvudsakligen av råmaterial av polyakrylnitril (PAN).
material, vilket alltid har varit kostsamt. Men genom att använda
asfaltbaserade, polyetenbaserade och andra material för att producera
prekursor kan kostnaden för kolfiber minskas med mer än
än 30%. Till exempel har Carbon Revolution, ett australiensiskt
tillverkar kolfiberhjul genom att binda samman
kolfiber med harts, uppnå storskalig produktion och
sänka kostnaden för kolfiberhjul till en nivå som ligger nära
aluminiumfälgar.

Den kinesiska regeringen har genomfört relevanta politiska åtgärder för att
främja en utbredd tillämpning av inhemskt producerade
högpresterande kolfiber. I mars 2021 lanseras "14th
Femårsplan för den nationella ekonomiska och sociala
Development and Long-Term Goals for 2035" publicerades,
vilket underströk behovet av att stärka forskningen,
utveckling och tillämpning av högpresterande fibrer såsom
som kolfiber och deras kompositer. Detta ger ett gynnsamt
politisk miljö för teknisk utveckling av den europeiska
kolfiberindustrin i framtiden.

Utvecklingen av nya energibilar är ostoppbar, och
kolfiberfälgar kan bli standard i nya bilar
energifordon.

Jämförelse mellan CFRP-hjul och metallhjul:

Sedan uppfinningen av bilar 1886, som har en historia
under mer än 100 år har bilhjul utvecklats från
trämaterial till moderna metallmaterial. De vanligaste
I moderna bilar används bland annat stålfälgar som hjulmaterial,
aluminiumlegerade hjul, magnesiumlegerade hjul och på senare tid
år har kolfiberfälgar kommit fram, särskilt inom
superbilar.

Hjul av stål: Stålhjul tillverkas huvudsakligen av järn och andra
metaller för att öka segheten. De har följande fördelar
högre seghet, utmärkt slagtålighet och god last- och
bärförmåga. Dessutom är de relativt billiga.
Stålhjul har dock vissa nackdelar, t.ex.
rostkänslighet, dålig värmeavledning, hög vikt och
Begränsningar av bromsning och köregenskaper.

Aluminiumlegerade hjul: Aluminium är huvudkomponenten i
aluminiumfälgar, tillsammans med element som antimon,
kisel och magnesium för att förbättra den totala prestandan. Den
tillverkningsprocessen för aluminiumfälgar är mer
komplex än för stålhjul, med fler bearbetningssteg.
Aluminiumfälgar har högre totalprestanda och
betydande viktreduktion. På grund av den lägre densiteten hos
aluminiumlegering, de erbjuder snabbare acceleration, bättre värme
och är lämpliga för vägförhållanden i stadsmiljö.
Aluminiumfälgar har dock relativt sett lägre
seghet, slagtålighet och utmattningshållfasthet, vilket gör
de är olämpliga för tuffa miljöer som terrängkörning
förhållanden.

Fälgar av magnesium-aluminiumlegering: Jämfört med aluminium,
magnesium har en lägre densitet och liknar kolfiber
kompositmaterial. Lättmetallfälgar i magnesium-aluminium
innehåller magnesium som den primära komponenten, tillsammans med
aluminium, zink, mangan och andra element. De ger
bättre elasticitet, snabbare värmeavledning och starkare stötdämpning
absorptionsförmåga. De är en förbättrad version av
aluminiumfälgar när det gäller tålighet. Det är dock..,
magnesium-aluminiumfälgar är benägna att oxidera och
har dålig korrosionsbeständighet.

Hjul i kolfiber: Kolfiberhjul är en relativt ny
typ av hjul som har dykt upp under de senaste åren. De har en
rent svart utseende med en strukturerad yta, vilket ger dem en
avancerat och sofistikerat utseende. Kolfiberhjul erbjuder
kraftfull prestanda, jämförbar vikt med magnesium
hjul, hög seghet, utmärkt slagtålighet och
korrosions- och oxidationsbeständighet. De används för närvarande i
motorcyklar, mountainbikes, landsvägscyklar och bilar.

Fördelar med hjul av kolfiberkomposit
Bilens hjul och däck bär upp hela bilens vikt och spelar en
avgörande roll när det gäller att framföra fordonet under påverkan av
Transmissionsaxel. Som den centrala strukturella komponenten är kolfiber
hjul av fiberkomposit har utmärkt bärighet
och stöttålighet, vilket ger enastående prestanda
vid acceleration och under tung belastning. Dessutom är kolfiber
fiberhjul kan effektivt minska trögheten och möjliggöra snabbare
acceleration, inbromsning och manövrering på grund av deras minskade
vikt.

(1) Lättare vikt, högre hållfasthet

Det är allmänt känt att kompositmaterial av kolfiber är
erkänd som den bästa metoden för "lättvikt" och vikt
minskning i bilar. Kolfiber, även känt som "svart
guld," är lättare än aluminium samtidigt som det har högre hållfasthet
än stål. Det är korrosionsbeständigt och har hög modul
egenskaper, vilket inte bara möjliggör viktreduktion utan också
förstärkning av fordonets struktur. Data visar att en 20-
tum kolfiberhjul väger cirka 7,5 kg, vilket är
mer än 25% lättare än en aluminiumlegering av motsvarande storlek
hjul. När det gäller hållfasthet uppvisar kolfiberhjul en
total förbättring på cirka 30% jämfört med aluminium
lättmetallfälgar.

(2) Förbättrad prestanda och hantering

Ingenjörer från det australiensiska hjulmärket Carbon Revolution
har uppgett att en minskning av vikten på ett hjul med 1 kg, enligt
ofjädrad massa, är likvärdigt med att minska fordonets totala
vikt med 15 kg. För varje viktminskning på 10% minskar
fordonets accelerationsprestanda kan förbättras med
ungefär 8%. Detta visar att lättviktshjul kan
ger bättre respons på fordonets effektutveckling.
Kolfiberhjul ger också utmärkt stötdämpning,
ökad komfort och förbättrad väghållning.

(3) Energieffektivitet och utsläppsminskningar

Minskar den ofjädrade massan med 1 kg med hjälp av kolfiber
komposithjul motsvarar en minskning av fordonets totala
vikt med 15 kg. En viktreduktion på 10% kan resultera i en 6%-
8% lägre bränsleförbrukning och en minskning med 5% av
utsläpp. I ett scenario där fordonen använder samma mängd
bensin, en bil utrustad med kolfiberhjul kan köra upp till
till 50 km mer per timme jämfört med en bil med aluminiumlegering
hjul. Vikten på kolfiberhjul är 60% lättare än
som för smidda aluminiumfälgar av samma storlek,
minskad fordonsvikt har betydelse för miljön
ändamål.

(4) Förbättrad väghållning och överlägsna bromsegenskaper

Kolfiberhjul har en elasticitetsmodul på upp till 200 GPa.
Ju högre elasticitetsmodul, desto mindre är den elastiska
deformation efter att ha utsatts för krafter, vilket resulterar i bättre
komfort och förbättrad väghållning. Efter byte av hjul till
kolfiber, fordonets hjulupphängning och de lätta
svarshastighet förbättras märkbart, vilket leder till snabbare och
mjukare acceleration och förbättrad bromsprestanda.

Exempel på användningsområden för hjul av kolfiberkomposit
Carbon Revolution grundades 2007 och är ett globalt teknikföretag
företag och Tier 1 OEM-leverantör som framgångsrikt har
banat väg för, kommersialiserat och industrialiserat hög
prestanda, tekniskt avancerad lättvikts-kolfiber
hjul. Förutom lyxbilshjul har företaget
tillkännagav utvecklingen av 23-tums och 24-tums kolfiber
fiberhjul som riktar sig till marknaderna för eldrivna lastbilar och SUV:ar. De
företaget genomför också koncept- och valideringsprojekt
för Boeings CH-47 Chinook-helikopterhjul.

Figur 3: Carbon Revolutions kolfiber i Ultra-Light-serien
Hjul

Tillverkningen av kolfiberhjul kräver hög
precisionsuppläggning av kolfiber och högtrycksgjutning
tekniker. Carbon Revolution innehar cirka 50 patent
relaterade till produkter och tillverkning av kolfiberhjul
processer och strävar efter att förbättra effektiviteten genom process
förbättringar. För att uppnå detta har företaget utvecklat
högautomatiserade produktionslinjer och använder sig i stor utsträckning av
teknik för maskininlärning och artificiell intelligens för att
optimera tillverkningsprocessen. I genomsnitt är hjulen
är 40% till 50% lättare än standard aluminiumhjul i
marknaden. Dessutom kan hjulen utformas med
aerodynamiska former för att minska luftmotståndet och öka räckvidden utan
lägga till vikt.

Det italienska företaget Bucci Composites introducerade den första 20-tums
kolfiberfälg speciellt framtagen för
sport-/superbilssektorn. Det gör det möjligt att fästa hjulet på
på ett traditionellt sätt, vilket eliminerar risken för att skruvens vridmoment
lossning. Detta säkerställer att de ultralätta kolfiberhjulen
är lika lätta att montera och underhålla som traditionella hjul. Till
de höga temperaturer som uppstår, särskilt när
med kolfiberkeramiska bromsar är fälgens inre sida
belagd med ett keramiskt skikt som skyddar kolfibern och
vilket gör att fälgen kan användas under extrema temperaturer.

Figur 4: Koldioxidrevolutionen

Bucci Composites har också utrustat sig med den senaste tekniken
produktionsteknik från Cannon (High-Pressure RTM- och
HP-RTM), det enda företaget i Italien som har tekniken för att
fortsätta att utveckla fler hjulmodeller för fordonsindustrin
industri.

Figur 5: Cannons HP-RTM-processutrustning

Cannons lösning omfattar den utrustning som krävs för
RTM-process under högt tryck för tillverkning av komposit
material med en matris av epoxiharts och kolfiber
förstärkning:

(1) En trekomponents E-system högtrycksdoseringsenhet för
epoxihartsformulering, med en LN10 trekomponents
blandningshuvud och sluten styrning av utmatningsförhållanden.

(2) En kortslags pressgjutningspress med en fastspänningsanordning
kraft på 25.000 kN, 3,6×2,4 m stora pressplattor och mycket
exakt parallellism aktiv kontroll för att säkerställa planhet i gjutna
delar.

Figur 6: Bucci Composites 20″ kolfiberhjul

Den välkända brittiska biltillverkaren Bentley har nyligen
introducerade innovativa kolfiberhjul för sina Bentley-modeller
Bentayga SUV, utvecklad av Bucci Composites. De 22-tums
kolfiberhjul blev de största kolfiberhjulen
som någonsin producerats, vilket garanterar innovativ design och exceptionell
prestanda och samtidigt uppnå en viktreduktion på 6 kg per
hjul.

Figur 7: 22″-hjul utvecklade av Bucci för Bentley

Vision Wheel, baserat i USA, har introducerat en ny
kolfiberhjul utvecklat i samarbete med IDI
Composites International och vävning av kompositmaterial
expert A&P Technology. Kostnaden för varje hjul är $2.000 eller
ännu lägre.

Ett annat amerikanskt företag, ESE Carbon, har lanserat sin E2
integrerade kolfiberkomposithjul på eftermarknaden,
serverar Tesla Model S, Tesla Model 3 och Subaru WRX STI
fordon.

E2-hjulen använder avancerade innovativa skräddarsydda fiber
placering (TFP) och infusionsteknik för högtrycksharts,
kombinerar prestanda, hållbarhet, effektivitet och innovation
med skönheten hos kolfiber, vilket ger högsta kvalitet
eftermarknadshjul.

Ju lättare hjulen är, desto lägre är rotationströgheten, vilket resulterar i
mindre kraft krävs för att flytta hjulen framåt. Som en
premiumhjul i kolfiberkomposit, E2 har en betydligt
minskar vikten jämfört med aluminium- och stålhjul. Tester
har visat att varje hjul kan spara 10 pund i vikt,
vilket resulterade i en ökning av varvhastigheten med 5,3%.

Enkelt uttryckt kräver lättare föremål mindre arbete för att bromsas in
och stanna. E2 kolfiberhjul är 45% lättare än
motsvarande stål- eller aluminiumhjul. Tester har visat att E2
hjulen kan minska broms- och utrullningssträckan från 60 mph
till 1 mile med 3,6%.

Genom att minska den ofjädrade vikten minimeras de krafter som utövas av
fjädring för att hålla hjulen stadigt på vägen. Varje E2
kolfiberhjul kan minska upp till 10 kilo ofjädrad vikt
vikt från systemet, vilket förbättrar fjädringsprestandan.
Den resulterande förbättringen av däckkontakten leder till förbättrad
styrrespons och mer responsiv hantering. Oavsett om det gäller
vägen eller banan, E2 kolfiberhjul tar din körning till en helt ny nivå
upplevelsen till en helt ny nivå.

Test på väg

Efter åratal av prototyptester har E2, den mest tekniskt avancerade
avancerade hjulnav för bilar som någonsin utvecklats, har
skapade. Genom att använda mycket avancerad modellering med hjälp av finita
elementanalys, kan ESE:s kompositingenjörsteam
förutsäga hjulets respons i ett brett spektrum av verkliga situationer
scenarier. Med hjälp av denna mängd data genomgår ESE:s hjul
tester i både laboratorie- och fältförhållanden, vilket validerar deras
styrka, säkerhet och prestanda.

Radiell slagprovning
Radiell islagsprovning utvärderar hjulets stabilitet när
om man stöter på gropar eller stora hinder för att förhindra allvarliga
skada eller fel. Eftersom vägförhållandena inte alltid är perfekta,
E2-hjul har genomgått rigorösa tester för att klara typiska
trafikfaror och har visat sig vara överlägsna motsvarande stål
och aluminiumfälgar.

Test av påverkan på trottoarkanten
Curb impact-testet är en viktig utvärdering för att bedöma effekterna av
av upprepade stötar mot en statisk yta, vilket simulerar fordonets
köra in i trottoarkanter eller andra fasta föremål i förutbestämda hastigheter.
Även vid låga hastigheter är kontakten mellan trottoarkanter och hjul
genererar betydande slagkrafter. E2-hjul i kolfiber
har konstruerats och genomgått omfattande tester för att motstå fel
i destruktiva situationer som t.ex. kantstötningar.

SAE J3204-provning

E2 har genomgått omfattande tester och inväntar
certifiering enligt SAE J3204, en ny produktionsprocess för
hjul i kompositmaterial. ESE har ett nära samarbete med
Society of Automotive Engineers (SAE) för att hjälpa till att etablera
standarder och riktmärken för hjul i kompositmaterial. I
ESE:s E2 kolfiberhjul överträffar SAE:s minimikrav för kolfiberhjul.
rekommendationer.

På samma sätt som metallhjul tar SAE itu med hållbarhetsproblem
för hjul i kompositmaterial genom olika utmattnings- och
slagprov. SAE har också infört nya krav för att
hantera de unika miljöeffekterna av kompositmaterial
material.

Figur 11: E2 kolfiberhjul som används av större företag
fordonstillverkare över hela världen.

E2-kolfiberhjulen är konstruerade med hjälp av de senaste
TFP-teknik (Tailored Fiber Placement). Kolfiber
uppläggning har traditionellt varit en arbetsintensiv process som involverar
skärning och handformning av kolfiberväv på ett harts
mögel. Detta har resulterat i mycket avfall och manuellt arbete
kan skapa flaskhalsar i produktionen.

Figur 12: Skräddarsydd fiberplacering (TFP)

TFP uppnår optimal strukturell prestanda genom att använda
maskiner för att arrangera och sy ihop kolfibrer till exakta
positioner. Detta minskar skiktningstiden med 50% och material
avfall genom 80%. Det gör det också möjligt för ESE att optimera designen
genom exakt fiberplacering och orientering för att
anpassar sig till kolfiberhjulens krökning och ekrar.
Detta förbättrar styrkan och hållbarheten hos E2 Carbon
fiberhjul, vilket gör att de effektivt kan hantera laster och
stress.

E2 använder sig också av en egenutvecklad Resin Transfer Molding
(RTM)-process och epoxihartssystem för tillverkning av
nav, vilket ger högre fälgstyrka och utmattning
motstånd. ESE använder den högsta kvaliteten, snabbast härdande
harts, vilket ger oöverträffad prestanda till en branschledande
Tg-temperatur (glasomvandlingstemperatur) på upp till 212°C. Fiber- och
till hartsinnehållsförhållandet för ESE är 60%, med ett minimalt hålrum
innehåll i 2%, vilket gör den till en av de bästa i branschen.
Dessutom kan ESE helt fylla navet på mindre än 2
minuter.

Figur 13: Tillverkning av CFRP-hjul med RTM-process

Slutsats:

Genom att använda kolfiberhjul blir hjulens vikt lägre
minskas avsevärt, vilket gör att sportbilar kan uppnå överlägsna
Hanteringsprestanda. Med lägre tröghet, kolfiberhjul och
förbättra styrresponsen och väggreppet, vilket resulterar i snabbare
acceleration och inbromsning.

Dessutom är räckviddsångest ett stort bekymmer för många
potentiella konsumenter när de överväger att köpa en
elektriskt fordon. Även om räckvidden för ett elfordon
beror i första hand på batteriet, men även andra faktorer har betydelse
påverkan. Lättviktshjul i kolfiber kan kraftigt minska
energiförbrukning orsakad av hjulrotation under
acceleration eller inbromsning, vilket maximerar körområdet för
elektriska fordon.

 

6 januari 2024