Блог

Аналіз легких вуглецевих коліс для нової енергетики
Транспортні засоби

Нові енергетичні транспортні засоби з вуглецевого волокна Легкі колеса
Аналіз

2023-07-11 06:59:49

Вступ
Нові енергетичні транспортні засоби поступово витісняють традиційні види палива
електромобілів. Асортимент електромобілів став
найбільша перешкода для розвитку, що робить полегшення
особливо важливо.

У зв'язку зі зростаючим попитом на захист навколишнього середовища та
енергоефективності, світова автомобільна промисловість прагне
різноманітні рішення для полегшення ваги. Потреба у зменшенні ваги
в непружній масі є особливо помітним, і як
Важливою складовою непідресореної маси є колеса
на значну частку загальної ваги автомобіля. Один
ефективним способом зниження ваги є використання вуглецю
фіброві колеса. Зниження витрат на сировину та виробництво,
карбонові колеса, які колись були дорогими і використовувалися тільки уживаними
в розкішних або ультра-розкішних моделях, поступово стають все більш
доступною.

Рисунок 1: Колесо з вуглецевого волокна

Перспективи застосування вуглепластику в автомобільній галузі
Вуглецеве волокно - це легкий, високоміцний і високомодульний матеріал
волокнистий матеріал. Він має меншу щільність, ніж метал, але в 16 разів
міцніший за сталь. Його модуль Юнга в 2-3 рази вищий
ніж традиційне скловолокно, зберігаючи при цьому гнучкість
волокон.

Зазвичай алюмінієві легкосплавні диски важать близько 15 кілограмів,
а колеса з вуглецевого волокна дозволяють зменшити вагу до 8 кілограмів,
що робить колеса з вуглецевого волокна справжнім "інструментом для зменшення ваги".

Завдяки своїй легкій вазі та високоміцним властивостям, карбон
волокно завжди було кращим матеріалом для автомобілебудування
виробництво. На додаток до застосування в колесах, вуглецеве волокно
також використовується в автомобільних трансмісіях, листових ресорах, конструкціях,
і корпусів, забезпечуючи достатню міцність і жорсткість при цьому
зменшення ваги та енергоспоживання транспортних засобів.
За даними "Ринок автомобільного вуглецевого волокна 2021 року
Звіт про дослідження", опублікований MarketaaWatch, глобальним аналітичним агентством
обсяг ринку автомобільного вуглецевого волокна досяг майже $160
мільйонів у 2020 році. З 2021 по 2027 рік світовий автомобільний
Очікується, що ринок вуглецевих волокон збереже складну кон'юнктуру
річний темп приросту понад 5%.

Застосування вуглепластикових матеріалів в автомобілях не є
лише для полегшення ваги та зменшення енергоспоживання, але
а також для покращення показників безпеки транспортних засобів. У порівнянні з
традиційні колеса з алюмінієвого сплаву, колеса з вуглецевого волокна - це
легше, міцніше, без втоми металу і значно
зменшити шум. Ринок коліс з вуглецевого волокна в Китаї має
величезний потенціал, але широке впровадження вуглецевого волокна
колеса в першу чергу залежить від міркувань вартості.

Рисунок 2: Прогноз попиту на вуглецеве волокно в автомобілебудуванні
Сектор

Завдяки постійному вдосконаленню та масштабному виробництву
технології виробництва вуглецевого волокна, вартість вуглецю
вуглецевого волокна поступово зменшується. Традиційне вуглецеве волокно
прекурсор в основному виготовляється з поліакрилонітрилу (ПАН) як сировини
матеріал, який завжди був дорогим. Однак, використовуючи
на основі асфальту, поліетилену та інших матеріалів для виробництва
попередника, собівартість вуглецевого волокна можна знизити на більше
ніж 30%. Наприклад, Carbon Revolution, австралійська компанія
компанія, що виготовляє колеса з вуглецевого волокна методом склеювання
вуглецевого волокна зі смолою, досягаючи великомасштабного виробництва та
зниження вартості вуглепластикових коліс до рівня, близького до
алюмінієві колеса.

Уряд Китаю впроваджує відповідну політику, спрямовану на
сприяти широкому застосуванню продукції вітчизняного виробництва
високоефективне вуглецеве волокно. У березні 2021 року відбулася "14-та
П'ятирічний план національного економічного і соціального
Розвиток та довгострокові цілі до 2035 року",
яка підкреслила необхідність посилення досліджень,
розробка та застосування високоефективних волокон, таких як
як вуглецеві волокна та їхні композити. Це забезпечує сприятливу
Політичне середовище для технологічного прогресу
індустрії вуглецевих волокон у майбутньому.

Розвиток нових енергетичних транспортних засобів не зупинити, і
карбонові диски можуть стати стандартною функцією в нових моделях
енергетичних транспортних засобів.

Порівняння між колесами з вуглепластику та металевими колесами:

З моменту винайдення автомобілів у 1886 році, який має історію
За більш ніж 100 років автомобільні колеса еволюціонували від
від дерев'яних матеріалів до сучасних металевих. Найпоширеніший
Серед матеріалів коліс, що використовуються в сучасних автомобілях, є сталеві колеса,
диски з алюмінієвих сплавів, магнієвих сплавів, а останнім часом
років з'явилися колеса з вуглецевого волокна, особливо в
суперкари.

Сталеві колеса: Сталеві колеса виготовляються переважно із заліза та інших
металів для підвищення в'язкості. Вони мають такі переваги
вища в'язкість, відмінна ударостійкість і хороша стійкість до навантажень
несучу здатність. Крім того, вони відносно недорогі.
Однак, сталеві колеса мають деякі недоліки, такі як
схильність до іржі, погана тепловіддача, велика вага та
обмеження на гальмування та керованість.

Алюмінієві легкосплавні диски: Алюміній є основним компонентом
алюмінієві легкосплавні диски, а також такі елементи, як сурма,
кремнію та магнію для покращення загальної продуктивності. The
Процес виробництва алюмінієвих легкосплавних дисків є більш
складніший, ніж у сталевих коліс, з більшою кількістю етапів обробки.
Алюмінієві легкосплавні диски демонструють вищі загальні експлуатаційні характеристики та
значне зменшення ваги. Завдяки меншій щільності
алюмінієвий сплав, вони забезпечують швидше прискорення, краще нагрівання
і придатні для використання в умовах міських доріг.
Однак алюмінієві легкосплавні диски мають відносно нижчі
в'язкість, ударостійкість і стійкість до втоми, що робить
вони не підходять для суворих умов, таких як бездоріжжя
умови.

Магнієво-алюмінієві легкосплавні диски: Порівняно з алюмінієвими,
магній має меншу щільність і схожий на вуглецеве волокно
композитні матеріали. Магнієво-алюмінієві легкосплавні диски
включають магній як основний компонент, а також
алюміній, цинк, марганець та інші елементи. Вони забезпечують
краща еластичність, швидша тепловіддача та сильніший удар
здатність до поглинання. Вони є вдосконаленою версією
алюмінієві легкосплавні диски з точки зору міцності. Однак,
магнієво-алюмінієві легкосплавні диски схильні до окислення і
мають погану корозійну стійкість.

Колеса з вуглецевого волокна: Колеса з вуглецевого волокна є відносно новим
тип коліс, що з'явився в останні роки. Вони мають
чистого чорного кольору з текстурованою поверхнею, що надає їм
висококласний та вишуканий вигляд. Диски з вуглецевого волокна пропонують
потужна продуктивність, порівнянна з магнієм вага
колеса, високу в'язкість, відмінну ударостійкість і
стійкість до корозії та окислення. В даний час вони використовуються в
мотоцикли, гірські велосипеди, дорожні велосипеди та автомобілі.

Переваги вуглепластикових композитних коліс
Колеса і шини автомобіля несуть на собі всю вагу і відіграють важливу роль у
вирішальну роль у керуванні транспортним засобом під дією
вісь трансмісії. Як основний структурний компонент, вуглецевий
колеса з волокнистого композиту мають відмінну несучу здатність
і ударостійкість, забезпечуючи неперевершену продуктивність
під час прискорення та при великих навантаженнях. Крім того, вуглець
волокнисті колеса можуть ефективно зменшити інерцію і забезпечити більш швидке
прискорення, гальмування та маневрування завдяки зменшенню
вага.

(1) Менша вага, вища міцність

Загальновідомо, що вуглепластикові композитні матеріали - це
визнаний найкращим методом для "легких" і легковагих
зменшення викидів в автомобілях. Вуглецеве волокно, також відоме як "чорний
золото", легше за алюміній, але має вищу міцність
ніж сталь. Має корозійну стійкість і високий модуль пружності
характеристики, що дозволяє не тільки зменшити вагу, але й
зміцнення конструкції автомобіля. Дані показують, що 20-відсоткова
дюймове колесо з вуглецевого волокна важить приблизно 7,5 кг, що становить
більш ніж на 25% легший за алюмінієвий сплав еквівалентного розміру
колесо. З точки зору міцності, колеса з вуглецевого волокна демонструють
загальне покращення приблизно на 30% порівняно з алюмінієм
легкосплавні диски.

(2) Покращена продуктивність і керованість

Інженери австралійського бренду коліс Carbon Revolution
заявили, що зменшення ваги колеса на 1 кг, під
непідресореної маси, еквівалентно зменшенню загальної маси автомобіля
вагу на 15 кг. На кожне зменшення ваги 10%
ефективність розгону автомобіля може покращитися на
приблизно 8%. Це означає, що полегшені колеса можуть
забезпечують кращу реакцію на потужність автомобіля.
Колеса з вуглецевого волокна також забезпечують відмінне поглинання ударів,
підвищений комфорт та покращена керованість.

(3) Енергоефективність та скорочення викидів

Зменшення непідресореної маси на 1 кг за рахунок використання вуглецевого волокна
композитних коліс еквівалентно зменшенню габаритів транспортного засобу
вагу на 15 кг. Зменшення ваги 10% може призвести до створення 6%-
Зниження витрати палива на 8% та зменшення на 5%
викидів парникових газів. У сценарії, коли транспортні засоби використовують однакову кількість
бензину, автомобіль, оснащений карбоновими колесами, може проїхати до
на 50 км на годину більше в порівнянні з автомобілем з алюмінієвого сплаву
колеса. Вага вуглепластикових коліс на 60% легша, ніж
кованих колісних дисків з алюмінієвого сплаву такого ж розміру,
що робить зниження ваги автомобіля значущим для навколишнього середовища
цілей.

(4) Покращена керованість і відмінні гальмівні характеристики

Колеса з вуглецевого волокна мають модуль пружності до 200 ГПа.
Чим вищий модуль пружності, тим менша пружність
деформації після впливу сил, що призводить до кращої
комфорт та покращена керованість. Після заміни коліс на
легкі вуглепластикові, підвіска автомобіля
швидкість реакції помітно покращується, що призводить до більш швидкого та
більш плавне прискорення та покращені гальмівні характеристики.

Приклади застосування вуглепластикових композитних коліс
Заснована в 2007 році, Carbon Revolution є глобальною технологією
компанія та постачальник OEM-продукції Tier 1, яка успішно
першопрохідцями, комерціалізованими та індустріалізованими високотехнологічними компаніями
продуктивність, технологічно вдосконалене легке вуглецеве волокно
колеса. Окрім елітних автомобільних дисків, у компанії є
оголосила про розробку 23-дюймових і 24-дюймових карбонових
волокнистих коліс, орієнтованих на ринки електромобілів та позашляховиків. The
компанія також виконує концептуальні та валідаційні проекти
для коліс гелікоптерів Boeing CH-47 Chinook.

Рисунок 3: Надлегке вуглецеве волокно серії Carbon Revolution
Колеса

Виробництво коліс з вуглецевого волокна вимагає високих
точне укладання вуглецевого волокна та формування під високим тиском
технології. Carbon Revolution володіє приблизно 50 патентами
пов'язані з виробництвом та виготовленням коліс з вуглецевого волокна
процеси і прагне підвищити ефективність за допомогою процесів
вдосконалення. Для цього компанія розробила
високоавтоматизовані виробничі лінії та значну кількість працівників
технології машинного навчання та штучного інтелекту для
оптимізувати виробничий процес. В середньому, колеса
на 40% - 50% легше, ніж стандартні алюмінієві колеса в
ринку. Крім того, колеса можуть бути спроектовані з
аеродинамічні форми для зменшення опору та збільшення дальності польоту без
додає ваги.

Італійська компанія Bucci Composites представила перший 20-дюймовий
обода з вуглецевого волокна, спеціально розроблені для
для спортивних/суперкарів. Дозволяє закріпити колесо на
маточину традиційним способом, усуваючи ризик затягування болтів
розпушування. Це гарантує, що надлегкі колеса з вуглецевого волокна
так само легко монтуються та обслуговуються, як і традиційні колеса. Щоб
впоратися з високими температурами, що виникають, особливо коли
при використанні вуглецево-керамічних гальм внутрішня сторона обода колеса
покриті керамічним шаром, що захищає вуглецеве волокно та
що дозволяє використовувати колісний диск за екстремальних температур.

Рисунок 4: Вуглецева революція

Компанія Bucci Composites також оснастила себе найсучаснішими
технологія виробництва від компанії Cannon (High Pressure RTM-)
HP-RTM), єдина компанія в Італії, яка володіє технологією, що дозволяє
продовжувати розробляти більше моделей коліс для автомобілів
індустрії.

Рисунок 5: Технологічне обладнання HP-RTM компанії Cannon

Рішення Cannon включає в себе обладнання, необхідне для
процес RTM під високим тиском для виготовлення композиту
матеріали з матрицею з епоксидної смоли та вуглецевого волокна
підкріплення:

(1) Трикомпонентний дозатор високого тиску E-system для
епоксидної смоли, що містить трикомпонентний матеріал LN10
змішувальна головка і замкнутий цикл регулювання вихідних співвідношень.

(2) Короткохідний прес для стиснення із затискачем
зусиллям 25 000 кН, пресувальні плити розміром 3,6×2,4 м, а також високоефективні
точний паралелізм активний контроль для забезпечення площинності форми
частини.

Рисунок 6: 20-дюймове вуглецеве колесо Bucci Composites

Відомий британський виробник автомобілів Bentley нещодавно
представила інноваційні колеса з цільного вуглецевого волокна для свого Bentley
Позашляховик Bentayga, розроблений компанією Bucci Composites. 22-дюймові
вуглепластикові колеса стали найбільшими вуглепластиковими колесами
коли-небудь вироблених, гарантуючи інноваційний дизайн та винятковість
продуктивності, при цьому досягається зниження ваги на 6 кг на
колесо.

Рисунок 7: 22-дюймові колеса, розроблені Bucci для Bentley

Компанія Vision Wheel, що базується в США, представила новий
колесо з вуглецевого волокна, розроблене у співпраці з IDI
Composites International і ткацтво з композитних матеріалів
експерт A&P Technology. Вартість кожного колеса становить $2,000 або
ще нижче.

Інша американська компанія, ESE Carbon, запустила свій E2
інтегровані композитні колеса з вуглецевого волокна на вторинному ринку,
обслуговування Tesla Model S, Tesla Model 3 та Subaru WRX STI
транспортні засоби.

У колесах E2 використовується передове інноваційне спеціальне волокно
(TFP) та технологію інфузії смоли під високим тиском,
поєднання продуктивності, довговічності, ефективності та інновацій
з красою вуглецевого волокна, забезпечуючи найвищу якість
післяпродажні колеса.

Чим легші колеса, тим менша інерція обертання, в результаті чого
з меншим зусиллям, необхідним для руху коліс вперед. В якості
преміум-класу з композитного вуглецевого волокна, E2 значно
зменшує вагу порівняно з алюмінієвими та сталевими колесами. Випробування
показали, що кожне колесо може заощадити 10 фунтів ваги,
що призвело до збільшення швидкості проходження кола на 5,3%.

Простіше кажучи, легші об'єкти вимагають менше зусиль для гальмування
і крапка. Колеса з вуглецевого волокна E2 на 45% легші, ніж
еквівалентних сталевих або алюмінієвих коліс. Випробування показали, що E2
колеса можуть скоротити гальмівний шлях і шлях прямування від 60 миль/год
до 1 милі на 3.6%.

Зменшення непідресореної ваги зводить до мінімуму сили, що діють на
щоб колеса міцно трималися на дорозі. Кожен E2
вуглецеве волокно колеса може зменшити до 10 фунтів непідресореного
вагу з системи, покращуючи роботу підвіски.
Покращення контакту шини з дорогою призводить до покращення
реакція рульового управління та більш чутлива керованість. Незалежно від того, чи на
на дорозі чи треку, колеса з вуглецевого волокна E2 візьмуть на себе керування
на абсолютно новий рівень.

Дорожні випробування

Після багаторічних випробувань прототипів, E2, найбільш технологічний
Найдосконалішою автомобільною маточиною, яку коли-небудь розробляли, була
створений. Застосовуючи високотехнологічне моделювання з використанням скінченних
аналіз елементів, команда композитних інженерів ESE може
прогнозувати реакцію колеса в широкому діапазоні реальних умов
сценарії. Завдяки цьому багатству даних, колеса ESE проходять
тестування як в лабораторних, так і в польових умовах, підтверджуючи їх
міцність, безпека та продуктивність.

Випробування на радіальний удар
Випробування на радіальний удар оцінює стійкість колеса при
при зіткненні з вибоїнами або великими перешкодами, щоб запобігти серйозним
пошкодження або поломка. Оскільки дорожні умови не завжди ідеальні,
Колеса E2 пройшли суворі випробування, щоб витримати типові
дорожніх небезпек і довели свою перевагу над еквівалентною сталлю
і алюмінієві колеса.

Випробування на удар об бордюр
Випробування на удар об бордюр є вирішальною оцінкою для оцінки наслідків
багаторазових ударів об статичну поверхню, що імітує транспортний засіб
наїзд на бордюри або інші нерухомі об'єкти на заданій швидкості.
Навіть на низьких швидкостях контакт між бордюрами та колесами
генерує значну силу удару. Колеса з вуглецевого волокна E2
були спроектовані та ретельно протестовані, щоб витримувати збої
у руйнівних ситуаціях, таких як наїзд на бордюр.

Випробування SAE J3204

E2 пройшов всебічне тестування і чекає на
сертифікацію за стандартом SAE J3204, новий виробничий процес для
колеса з композитних матеріалів. ESE тісно співпрацює з
Товариство автомобільних інженерів (SAE), щоб допомогти створити
Стандарти та еталони для коліс з композитних матеріалів. У
насправді, колеса з вуглецевого волокна ESE E2 перевершують мінімальні вимоги SAE
рекомендації.

Як і у випадку з металевими колесами, SAE розглядає питання довговічності
для коліс з композитних матеріалів через різні види втоми та
ударні випробування. SAE також запровадив нові вимоги до
розглянути унікальний вплив композитів на навколишнє середовище
матеріали.

Рисунок 11: Колеса з вуглецевого волокна E2, прийняті основними виробниками
автовиробників по всьому світу.

Колеса з вуглецевого волокна E2 розроблені з використанням новітніх технологій
Технологія Tailored Fiber Placement (TFP). Вуглецеве волокно
Укладання традиційно є трудомістким процесом, що включає в себе
різання та ручне формування вуглепластикової тканини на смолі
пліснява. Це призвело до надмірних відходів і ручної праці
може створювати вузькі місця у виробництві.

Рисунок 12: Індивідуальне розміщення волокон (TFP)

TFP досягає оптимальних структурних характеристик завдяки використанню
машини для укладання та зшивання вуглецевих волокон у точні
позиції. Це зменшує час нанесення шару на 50% і матеріал
відходів на 80%. Це також дозволяє ESE оптимізувати дизайн
завдяки точному розміщенню та орієнтації волокон для
пристосовуються до вигину і спиць карбонових коліс.
Це підвищує міцність і довговічність карбону E2
волокнистих коліс, що дозволяє їм ефективно управляти навантаженням і
стресів.

E2 також використовує запатентовану технологію лиття з перенесенням смоли
(RTM) процес і система епоксидної смоли для виробництва
маточини, що забезпечує більшу міцність обода колеса та вищу втомлюваність
стійкість. ESE використовує найвищу якість, найшвидше затвердіння
смоли, що забезпечує неперевершену продуктивність за найкращими в галузі показниками
Температура склування до 212°C. Волокно - це
Співвідношення вмісту смоли в ESE становить 60%, з мінімальним вмістом пустот
вмісту 2%, що робить його одним з найкращих у галузі.
Крім того, ESE може повністю завантажити хаб менш ніж за 2
хвилин.

Рисунок 13: Виготовлення колеса з вуглепластику з використанням процесу RTM

Висновок:

Завдяки використанню вуглепластикових коліс, вага коліс становить
значно зменшився, що дозволило спортивним автомобілям досягти чудових
керованість. З меншою інерційністю, колеса з вуглецевого волокна
поліпшити реакцію рульового управління і зчеплення з дорогою, що призводить до більш швидкого
прискорення та гальмування.

Крім того, тривожність щодо дальності польоту викликає значне занепокоєння у багатьох
потенційних споживачів при розгляді питання про покупку
електромобіль. У той час як запас ходу електромобіля
в першу чергу залежить від батареї, інші фактори також мають вплив
вплив. Легкі колеса з вуглецевого волокна можуть значно зменшити
споживання енергії, спричинене обертанням коліс під час
прискорення або уповільнення, максимізуючи діапазон руху
електромобілі.

 

6 січня 2024 року