01、引言
新能源汽車正在逐步替代傳統(tǒng)的燃油車。新能源汽車的續(xù)航里程成為最大的發(fā)展障礙，輕量化顯得尤為重要。隨著環(huán)保和節(jié)能減排需求的不斷增加，全球汽車行業(yè)正在尋求多樣化的輕量化解決方案。簧下質量的減重需求尤為突出，而作為簧下質量的重要組成部分，車輪在汽車整體質量中占據(jù)很大比重，減重的有效途徑之一就是采用碳纖維輪轂。隨著原材料和制造成本的下降，原本造價高昂、僅用于豪華或超豪華車型的碳纖維輪轂正在逐步“下探”。
圖1 碳纖維輪轂
02、CFRP在汽車領域的應用前景
碳纖維是一種高強度高模量的輕質纖維材料，其密度比金屬輕，強度卻是鋼鐵的16倍，楊氏模量是傳統(tǒng)玻璃纖維的2-3倍，同時兼具了纖維的柔軟性。
一般鋁合金輪轂重量為15千克左右，而碳纖維輪轂重量可以減少至8千克，碳纖維輪轂成了地地道道的“減重神器”。
片
碳纖維由于輕質和高強特性，一直是汽車制造熱衷的優(yōu)選材料。除了應用在輪轂，在汽車的傳動軸、板簧、構架、車身都有使用碳纖維，不但保證汽車足夠的強度和剛度，而且汽車的重量得以降低，能耗也相對降低。根據(jù)MarketaaWatch數(shù)據(jù)分析機構發(fā)布的《2021年汽車碳纖維市場研究報告》，2020年全球僅汽車碳纖維市場規(guī)模接近1.6億美元；2021～2027年，全球汽車碳纖維市場預計將以超過5％的年均復合增長率保持增長。
碳纖維材料在汽車的應用，不僅是輕量化、降能耗，更是汽車安全性能提升的需求。碳纖維輪轂與傳統(tǒng)的鋁合金輪轂相比，質量更輕、強度更高、沒有金屬疲勞、降噪明顯。我國汽車碳纖維擁有巨大的市場潛力,碳纖維輪轂沒有大面積推開，主要是基于碳纖維成本的考慮。
圖2 汽車領域碳纖維需求前景預測
但隨著碳纖維生產技術的不斷完善和規(guī)模化生產，碳纖維成本在逐步下降。碳纖維原絲主要是采用聚丙烯腈原料，成本一直居高不下；隨著采用瀝青基、聚乙烯等原料制備原絲，碳纖維成本可以下降30%以上。根據(jù)澳大利亞的Carbon Revolution公司的碳纖維輪轂，由碳纖維與樹脂后粘合而成，實現(xiàn)了規(guī)模化生產，可以將碳纖維輪轂的成本降至接近鋁輪轂。
國家出臺了相關政策，大力扶持國產高性能碳纖維的廣泛應用。2021年3月《國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出要加強碳纖維等高性能纖維及其復合材料的研發(fā)應用，為未來碳纖維行業(yè)的技術進步提供了良好的政策環(huán)境。
新能源汽車的發(fā)展勢不可擋，碳纖維輪轂或將成為新能源汽車的標配。
03、CFRP輪轂與金屬輪轂的比較
汽車自1886年發(fā)明出來，距今已經有100多年的歷史，汽車輪轂也從以往的木頭材質發(fā)展到如今的金屬材質。現(xiàn)代汽車較為常用的輪轂材質有鋼制輪轂、鋁合金輪轂、和鎂合金輪轂，近幾年在超跑上出現(xiàn)了碳纖維輪轂。
（1）鋼制輪轂：成分是鐵和其他提升韌性的金屬元素，優(yōu)勢在于韌性更強、耐沖擊性能突出、承重能力較好，另外還有一個優(yōu)勢就是價格便宜。當然鋼制輪轂也存在一些缺點，比如鐵容易生 銹，散熱能力較差，重量較重，不利于制動和操控等。
（2）鋁合金輪轂：鋁是主要成分，同事還有銻、硅、鎂等其他元素，用來提高整體的性能。鋁合金輪轂的加工工藝相對鋼制輪轂更復雜，加工工序也更多，整體性能高于鋼制輪轂，而且重量下降明顯。得益于鋁合金的密度較低，提速更快，散熱能力更強，適合在城市道路形式。缺點則是韌性相對較低，抗沖擊性和抗疲勞能力較低，不能再惡劣環(huán)境中使用，如越野等。
（3）鎂鋁合金輪轂：相對于鋁來說，密度耕地，與碳纖維復合材料相似，鎂合金輪轂中除了鎂意外，還加入了鋁、鋅、錳等。彈性更好，散熱更快，消震能力更強，同時再韌性上比鋁合金更好，可以說是鋁合金的加強版。不過鎂合金輪轂容易氧化，耐腐蝕性較差。
（4）碳纖維輪轂：碳纖維輪轂是近幾年才開始出現(xiàn)的新型輪轂，外觀純黑色，帶有紋路，顏值高端大氣。碳纖維輪轂的性能強大，重量跟鎂差不多，韌性強，耐沖擊性好，還耐腐蝕耐氧化。目前摩托車、山地車、公路自行車和汽車上都有應用。
04、碳纖維復合材料輪轂的優(yōu)越性
汽車輪轂和輪胎承載了汽車所有的重量，同時在傳動軸的作用下起到驅動汽車的作用。碳纖維汽車輪轂作為核心的骨架部分，具備較好的承壓能力和抗沖擊性，汽車加速時和載重時的表現(xiàn)非常出色。另外碳纖維輪轂因為自重下降，可以有效降低慣性，可以實現(xiàn)汽車的更快啟停和轉向。
（1）重量更輕，強度更高
眾所周知，碳纖維復合材料是公認的汽車“輕量化”減重的最好方法。碳纖維也被譽為黑色黃金，它的重量比鋁輕，但是他的強度缺高于鋼鐵，具有耐腐蝕、高模量的特性，它不僅可以使汽車輕量化，同時還能強化汽車強度。有資料顯示，20英寸的碳纖維輪轂總重量約為7.5kg，與同尺寸鋁合金輪轂相比，重量輕了約25%以上，在強度方面，相比鋁合金輪轂，整體也提升了約30%。
（2）更強的性能與操控性
澳大利亞Carbon Revolution輪圈品牌的工程師曾經說過，在非簧載質量下，輪轂的重量減低1kg，就相當于整車質量降低15kg，而車輛每減重10%，加速性能就可提升約8%，這也說明輕量化輪轂可以為汽車動力性能帶更好的反應力。碳纖維輪轂還具有很好的減震效果，舒適度更高，操控性更強。
（3）節(jié)能減排
使用碳纖維復合材料輪轂減輕1kg的簧下質量，其效果可以等同于減輕15kg的整車質量，而車輛每減重10%，在油耗方面便可降低6%-8%，汽車排放也可降低5%，在汽車使用等量汽油的情況下，使用碳纖維輪轂的汽車，可比使用鋁合金輪轂的汽車每小時多開50km。使用碳纖維輪轂，是同尺寸的鍛造鋁合金輪輞重量的60%，所以車身減重，對環(huán)保也有重大的意義。
（4）更好的操控性和更優(yōu)的制動性
使用碳纖維輪轂，因為碳纖維的彈性模量可以達到200GPa，彈性率越高，受力之后彈性形變性越小，它的舒適性也就越好，操控性也就得到提高。汽車更換輕量化碳纖維輪轂之后，車的懸掛響應速度也就有了明顯的提升，加速也就越快越輕松，制動性也就得到提高。
05、碳纖維復合材料輪轂的應用事例
成立于2007年Carbon Revolution公司，是一家全球性技術公司和一級 OEM 供應商，已成功為全球汽車行業(yè)創(chuàng)新、商業(yè)化和工業(yè)化高性能、技術先進的輕質碳纖維車輪/輪轂制造商。它除了豪華車輪轂，還宣布開發(fā)23英寸和24英寸碳纖維車輪，目標是用于電動卡車和SUV市場。該公司正在為波音公司CH-47奇努克直升機輪子進行概念和驗證項目。
圖3 Carbon Revolution公司超輕系列碳纖維輪轂
碳纖維輪轂的制造需要高精度的碳纖維鋪放和高壓成型技術，Carbon Revolution司擁有約50項與碳纖維車輪產品及制造工藝相關的專利，并希望通過改進制造工藝，提高效率。為此，該公司不僅開發(fā)了高度自動化的生產線，還廣泛使用機器學習和人工智能技術來優(yōu)化生產制造流程。輪轂平均比市場上的標準鋁制輪轂輕40%到50%。此外，輪轂可以設計成符合空氣動力學的形狀，在不增加重量的情況下減少阻力并增加航程。
意大利Bucci復合材料公司推出了首款20英寸碳纖維輪輞，專門用于運動/超級跑車領域。它允許以傳統(tǒng)方式將車輪固定到輪轂上，從而消除了螺栓扭矩松動的風險。這保證了超輕碳纖維車輪與傳統(tǒng)車輪一樣易于組裝和維護。為了應對特別是使用碳陶瓷剎車時出現(xiàn)的高溫，在輪輞內側涂有陶瓷涂層，即使在最極端的溫度下也能保護碳纖維，使輪輞可以在最極端的溫度下使用。
圖4 Carbon Revolutio
Bucci 復合材料公司還為自己配備了該行業(yè)最前沿的Cannon公司生產技術工藝（高壓 RTM-HP-RTM），這是意大利唯一獲得將用于繼續(xù)在為汽車行業(yè)開發(fā)更多車輪模型。
圖5 Cannon公司的HP-RTM工藝設備
Cannon公司的解決方案包括使用環(huán)氧樹脂為基體和碳纖維增強的HP-RTM工藝制造復合材料所需的設備：
（1）一個用于環(huán)氧樹脂配方的三組分E系統(tǒng)高壓加藥裝置，帶有一個LN10三組分混合頭和輸出·比例的閉環(huán)控制。
（2）一臺短行程模壓機，具有25000 kN的夾緊力、3.6×2.4m的壓板和非常精確的平行度主動控制，以保證成型零件的平面度。
圖6 Bucci 復合材料公司20”碳纖維輪轂
著名的英國汽車制造商Bentley賓利最近幾天為其Bentayga SUV推出了創(chuàng)新型全碳纖維輪轂，該車輪輪轂由Bucci Composites開發(fā)。22英寸碳纖維輪轂成為有史以來最大的碳纖維車輪，保證了創(chuàng)新設計和卓越性能，以及每個車輪實現(xiàn)了6kg重量的輕量化。
圖7 Bucci為賓利汽車開發(fā)的22”輪轂
美國Vision Wheel推出了新的碳纖維輪轂，該輪轂是與美國IDI Composites International和復合材料編織專家A&P Technology合作開發(fā)的，每個車輪的成本為2000美元甚至更低。
另外一家美國ESE Carbon公司將其E2一體式碳纖維復合材料輪轂投放到售后市場，為特斯拉Model S、特斯拉Model 3和斯巴魯WRX STI車輛提供服務。
圖8 ESE公司開發(fā)的一體式碳纖維復合材料輪轂
E2車輪采用先進的創(chuàng)新定制纖維鋪設（TFP）和高壓樹脂灌注技術，將性能、耐用性、效率和創(chuàng)新與碳纖維的美麗結合在一起，提供了一流的售后市場車輪。
圖9 ESE公司為特斯拉Model S開發(fā)的碳纖維輪轂
圖10 ESE公司為特斯拉Model S開發(fā)的碳纖維輪轂
車輪越輕，轉動慣量就越低，從而使車輪向前移動所需的力就越小。作為一款優(yōu)質碳纖維復合材料車輪，E2與鋁制和鋼制車輪相比，可顯著減輕重量。測試表明，每個車輪可以節(jié)省10磅的重量，從而使圈速加快5.3%。
簡單地說，較輕的物體需要較少的工作來減速和停止。E2碳纖維車輪比同等的鋼制或鋁制車輪輕45%。測試表明，E2車輪可以將制動和滑行距離從每小時60到1英里減少3.6%。
減少簧下重量可以最大限度地減少懸架使車輪牢牢地保持在路面上的作用力。每個E2碳纖維車輪可從系統(tǒng)中減少高達10磅的簧下重量，使懸架性能更好。由此產生的輪胎接觸的改善導致轉向響應增強和操控更靈敏。無論是在公路還是賽道，E2碳纖維車輪都將使您的駕駛體驗達到一個全新的水平。
道路試驗
經過多年的原型測試，開發(fā)出了有史以來技術最先進的汽車輪轂E2。通過使用有限元分析進行高度先進的建模，ESE的復合材料工程團隊能夠預測車輪在大量現(xiàn)實場景中的反應。有了這些豐富的數(shù)據(jù)，ESE的車輪將在實驗室和現(xiàn)場進行測試，測試結果將在強度、安全性和性能方面得到驗證。
· 徑向沖擊測試
徑向沖擊測試評估車輪在穿過坑洞或大型障礙物時的穩(wěn)定性，以防嚴重損壞或故障。由于了解街道和高速公路并不總是良好的路況，E2車輪經過嚴格測試，能夠承受典型的道路危險，并被證明優(yōu)于同等的鋼制和鋁制車輪。
· 路緣石撞擊試驗
路緣石撞擊試驗是一項關鍵試驗，用于評估對靜態(tài)表面的重復撞擊的影響，模擬車輛以預定速度撞擊路緣石或其他固定物體。即使在低速行駛時，路緣石和車輪的接觸也會產生較大的沖擊力。E2碳纖維車輪經過設計和全面測試，可在路緣石撞擊等破壞性情況下抵抗故障。
· SAE J3204測試
E2經過了全面測試，并正在等待SAE J3204的認證，這是一種新的復合材料輪轂生產工藝。ESE正與美國汽車工程師協(xié)會密切合作，幫助制定復合材料輪轂的標準和基準。ESE的E2碳纖維車輪實際上超過了SAE的最低建議值。
與金屬車輪類似，美國汽車工程師協(xié)會對復合材料車輪的建議通過各種疲勞和沖擊試驗來解決耐久性問題。SAE還增加了新的要求，以說明復合材料所特有的環(huán)境影響。
圖11 被世界各大汽車制造商采用得E2碳纖維輪轂
E2碳纖維車輪采用最新的訂制纖維鋪設（Tailored Fiber Placement）技術進行設計。碳纖維疊層傳統(tǒng)上是一個非常耗時的手工過程，包括在樹脂模具上切割和手工成型碳纖維布。這導致了過度浪費，而體力勞動可能會在生產中造成瓶頸。
圖12 訂制纖維鋪設（TFP）
TFP通過使用機器將碳纖維排列和縫合到精確的位置來實現(xiàn)最佳的結構性能。這減少了50%的鋪層時間和 80%的材料浪費。它還允許ESE通過精確的纖維放置和定向來優(yōu)化設計，以適應碳纖維車輪的曲率和輻條。這提高了E2碳纖維車輪的強度和耐用性，使其能夠更有效地管理載荷和應力。
E2還使用專有的壓縮樹脂傳遞模塑（RTM）工藝和環(huán)氧樹脂系統(tǒng)來制造輪轂，使輪轂具有更高的輪輞強度和抗疲勞性。ESE使用最高質量、最快固化的樹脂，在高達212°C的行業(yè)領先Tg（玻璃化轉變）溫度下提供無與倫比的產品。ESE的纖維與樹脂的含量為60%，空隙率僅為2%，是業(yè)內最好的。再加上ESE能夠在不到2分鐘的時間內完全注入輪轂。
圖13 RTM工藝制造CFRP輪轂
06、結束語
通過使用碳纖維輪轂，車輪重量大幅減輕，跑車得以實現(xiàn)更加優(yōu)異的操控性能。由于碳纖維車輪慣性更小，汽車轉向感和牽引力都會得到改進，無論是加速還是制動，反應都更快。
此外，里程焦慮是很多潛在消費者對于購買電動汽車較為猶豫的重要因素之一，雖然電動汽車的續(xù)駛里程主要取決于電池，但其他因素也會對此產生影響。而輕量化的碳纖維輪轂能夠大幅減少汽車每次加速或減速時車輪旋轉帶來的能耗，也在最大限度延長了電動汽車的續(xù)駛里程。
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