01、引言
新能源汽車(chē)正在逐步替代傳統(tǒng)的燃油車(chē)。新能源汽車(chē)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(chē)行業(yè)正在尋求多樣化的輕量化解決方案。簧下質(zhì)量的減重需求尤為突出，而作為簧下質(zhì)量的重要組成部分，車(chē)輪在汽車(chē)整體質(zhì)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(jià)高昂、僅用于豪華或超豪華車(chē)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(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用前景
碳纖維是一種高強(qiáng)度高模量的輕質(zhì)纖維材料，其密度比金屬輕，強(qiáng)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(shí)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(zhì)和高強(qiáng)特性，一直是汽車(chē)制造熱衷的優(yōu)選材料。除了應(yīng)用在輪轂，在汽車(chē)的傳動(dòng)軸、板簧、構(gòu)架、車(chē)身都有使用碳纖維，不但保證汽車(chē)足夠的強(qiáng)度和剛度，而且汽車(chē)的重量得以降低，能耗也相對(duì)降低。根據(jù)MarketaaWatch數(shù)據(jù)分析機(jī)構(gòu)發(fā)布的《2021年汽車(chē)碳纖維市場(chǎng)研究報(bào)告》，2020年全球僅汽車(chē)碳纖維市場(chǎng)規(guī)模接近1.6億美元；2021～2027年，全球汽車(chē)碳纖維市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以超過(guò)5％的年均復(fù)合增長(zhǎng)率保持增長(zhǎng)。
碳纖維材料在汽車(chē)的應(yīng)用，不僅是輕量化、降能耗，更是汽車(chē)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(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高、沒(méi)有金屬疲勞、降噪明顯。我國(guó)汽車(chē)碳纖維擁有巨大的市場(chǎng)潛力,碳纖維輪轂沒(méi)有大面積推開(kāi)，主要是基于碳纖維成本的考慮。
圖2 汽車(chē)領(lǐng)域碳纖維需求前景預(yù)測(cè)
但隨著碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善和規(guī)模化生產(chǎn)，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(shù)脂后粘合而成，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，可以將碳纖維輪轂的成本降至接近鋁輪轂。
國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)政策，大力扶持國(guó)產(chǎn)高性能碳纖維的廣泛應(yīng)用。2021年3月《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出要加強(qiáng)碳纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用，為未來(lái)碳纖維行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提供了良好的政策環(huán)境。
新能源汽車(chē)的發(fā)展勢(shì)不可擋，碳纖維輪轂或?qū)⒊蔀樾履茉雌?chē)的標(biāo)配。
03、CFRP輪轂與金屬輪轂的比較
汽車(chē)自1886年發(fā)明出來(lái)，距今已經(jīng)有100多年的歷史，汽車(chē)輪轂也從以往的木頭材質(zhì)發(fā)展到如今的金屬材質(zhì)。現(xiàn)代汽車(chē)較為常用的輪轂材質(zhì)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(shì)在于韌性更強(qiáng)、耐沖擊性能突出、承重能力較好，另外還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是價(jià)格便宜。當(dāng)然鋼制輪轂也存在一些缺點(diǎn)，比如鐵容易生 銹，散熱能力較差，重量較重，不利于制動(dòng)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(lái)提高整體的性能。鋁合金輪轂的加工工藝相對(duì)鋼制輪轂更復(fù)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(qiáng)，適合在城市道路形式。缺點(diǎn)則是韌性相對(duì)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(duì)于鋁來(lái)說(shuō)，密度耕地，與碳纖維復(fù)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(qiáng)，同時(shí)再韌性上比鋁合金更好，可以說(shuō)是鋁合金的加強(qiáng)版。不過(guò)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(kāi)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(qiáng)大，重量跟鎂差不多，韌性強(qiáng)，耐沖擊性好，還耐腐蝕耐氧化。目前摩托車(chē)、山地車(chē)、公路自行車(chē)和汽車(chē)上都有應(yīng)用。
04、碳纖維復(fù)合材料輪轂的優(yōu)越性
汽車(chē)輪轂和輪胎承載了汽車(chē)所有的重量，同時(shí)在傳動(dòng)軸的作用下起到驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的作用。碳纖維汽車(chē)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(chē)加速時(shí)和載重時(shí)的表現(xiàn)非常出色。另外碳纖維輪轂因?yàn)樽灾叵陆担梢杂行Ы档蛻T性，可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的更快啟停和轉(zhuǎn)向。
（1）重量更輕，強(qiáng)度更高
眾所周知，碳纖維復(fù)合材料是公認(rèn)的汽車(chē)“輕量化”減重的最好方法。碳纖維也被譽(yù)為黑色黃金，它的重量比鋁輕，但是他的強(qiáng)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(chē)輕量化，同時(shí)還能強(qiáng)化汽車(chē)強(qiáng)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(qiáng)度方面，相比鋁合金輪轂，整體也提升了約30%。
（2）更強(qiáng)的性能與操控性
澳大利亞Carbon Revolution輪圈品牌的工程師曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，在非簧載質(zhì)量下，輪轂的重量減低1kg，就相當(dāng)于整車(chē)質(zhì)量降低15kg，而車(chē)輛每減重10%，加速性能就可提升約8%，這也說(shuō)明輕量化輪轂可以為汽車(chē)動(dòng)力性能帶更好的反應(yīng)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(qiáng)。
（3）節(jié)能減排
使用碳纖維復(fù)合材料輪轂減輕1kg的簧下質(zhì)量，其效果可以等同于減輕15kg的整車(chē)質(zhì)量，而車(chē)輛每減重10%，在油耗方面便可降低6%-8%，汽車(chē)排放也可降低5%，在汽車(chē)使用等量汽油的情況下，使用碳纖維輪轂的汽車(chē)，可比使用鋁合金輪轂的汽車(chē)每小時(shí)多開(kāi)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(chē)身減重，對(duì)環(huán)保也有重大的意義。
（4）更好的操控性和更優(yōu)的制動(dòng)性
使用碳纖維輪轂，因?yàn)樘祭w維的彈性模量可以達(dá)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(chē)更換輕量化碳纖維輪轂之后，車(chē)的懸掛響應(yīng)速度也就有了明顯的提升，加速也就越快越輕松，制動(dòng)性也就得到提高。
05、碳纖維復(fù)合材料輪轂的應(yīng)用事例
成立于2007年Carbon Revolution公司，是一家全球性技術(shù)公司和一級(jí) OEM 供應(yīng)商，已成功為全球汽車(chē)行業(yè)創(chuàng)新、商業(yè)化和工業(yè)化高性能、技術(shù)先進(jìn)的輕質(zhì)碳纖維車(chē)輪/輪轂制造商。它除了豪華車(chē)輪轂，還宣布開(kāi)發(fā)23英寸和24英寸碳纖維車(chē)輪，目標(biāo)是用于電動(dòng)卡車(chē)和SUV市場(chǎng)。該公司正在為波音公司CH-47奇努克直升機(jī)輪子進(jìn)行概念和驗(yàn)證項(xiàng)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(shù)，Carbon Revolution司擁有約50項(xiàng)與碳纖維車(chē)輪產(chǎn)品及制造工藝相關(guān)的專(zhuān)利，并希望通過(guò)改進(jìn)制造工藝，提高效率。為此，該公司不僅開(kāi)發(fā)了高度自動(dòng)化的生產(chǎn)線，還廣泛使用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)制造流程。輪轂平均比市場(chǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)鋁制輪轂輕40%到50%。此外，輪轂可以設(shè)計(jì)成符合空氣動(dòng)力學(xué)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(fù)合材料公司推出了首款20英寸碳纖維輪輞，專(zhuān)門(mén)用于運(yùn)動(dòng)/超級(jí)跑車(chē)領(lǐng)域。它允許以傳統(tǒng)方式將車(chē)輪固定到輪轂上，從而消除了螺栓扭矩松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。這保證了超輕碳纖維車(chē)輪與傳統(tǒng)車(chē)輪一樣易于組裝和維護(hù)。為了應(yīng)對(duì)特別是使用碳陶瓷剎車(chē)時(shí)出現(xiàn)的高溫，在輪輞內(nèi)側(cè)涂有陶瓷涂層，即使在最極端的溫度下也能保護(hù)碳纖維，使輪輞可以在最極端的溫度下使用。
圖4 Carbon Revolutio
Bucci 復(fù)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(chǎn)技術(shù)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(chē)行業(yè)開(kāi)發(fā)更多車(chē)輪模型。
圖5 Cannon公司的HP-RTM工藝設(shè)備
Cannon公司的解決方案包括使用環(huán)氧樹(shù)脂為基體和碳纖維增強(qiáng)的HP-RTM工藝制造復(fù)合材料所需的設(shè)備：
（1）一個(gè)用于環(huán)氧樹(shù)脂配方的三組分E系統(tǒng)高壓加藥裝置，帶有一個(gè)LN10三組分混合頭和輸出·比例的閉環(huán)控制。
（2）一臺(tái)短行程模壓機(jī)，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(dòng)控制，以保證成型零件的平面度。
圖6 Bucci 復(fù)合材料公司20”碳纖維輪轂
著名的英國(guó)汽車(chē)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(chē)輪輪轂由Bucci Composites開(kāi)發(fā)。22英寸碳纖維輪轂成為有史以來(lái)最大的碳纖維車(chē)輪，保證了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和卓越性能，以及每個(gè)車(chē)輪實(shí)現(xiàn)了6kg重量的輕量化。
圖7 Bucci為賓利汽車(chē)開(kāi)發(fā)的22”輪轂
美國(guó)Vision Wheel推出了新的碳纖維輪轂，該輪轂是與美國(guó)IDI Composites International和復(fù)合材料編織專(zhuān)家A&P Technology合作開(kāi)發(fā)的，每個(gè)車(chē)輪的成本為2000美元甚至更低。
另外一家美國(guó)ESE Carbon公司將其E2一體式碳纖維復(fù)合材料輪轂投放到售后市場(chǎng)，為特斯拉Model S、特斯拉Model 3和斯巴魯WRX STI車(chē)輛提供服務(wù)。
圖8 ESE公司開(kāi)發(fā)的一體式碳纖維復(fù)合材料輪轂
E2車(chē)輪采用先進(jìn)的創(chuàng)新定制纖維鋪設(shè)（TFP）和高壓樹(shù)脂灌注技術(shù)，將性能、耐用性、效率和創(chuàng)新與碳纖維的美麗結(jié)合在一起，提供了一流的售后市場(chǎng)車(chē)輪。
圖9 ESE公司為特斯拉Model S開(kāi)發(fā)的碳纖維輪轂
圖10 ESE公司為特斯拉Model S開(kāi)發(fā)的碳纖維輪轂
車(chē)輪越輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就越低，從而使車(chē)輪向前移動(dòng)所需的力就越小。作為一款優(yōu)質(zhì)碳纖維復(fù)合材料車(chē)輪，E2與鋁制和鋼制車(chē)輪相比，可顯著減輕重量。測(cè)試表明，每個(gè)車(chē)輪可以節(jié)省10磅的重量，從而使圈速加快5.3%。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，較輕的物體需要較少的工作來(lái)減速和停止。E2碳纖維車(chē)輪比同等的鋼制或鋁制車(chē)輪輕45%。測(cè)試表明，E2車(chē)輪可以將制動(dòng)和滑行距離從每小時(shí)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(chē)輪牢牢地保持在路面上的作用力。每個(gè)E2碳纖維車(chē)輪可從系統(tǒng)中減少高達(dá)10磅的簧下重量，使懸架性能更好。由此產(chǎn)生的輪胎接觸的改善導(dǎo)致轉(zhuǎn)向響應(yīng)增強(qiáng)和操控更靈敏。無(wú)論是在公路還是賽道，E2碳纖維車(chē)輪都將使您的駕駛體驗(yàn)達(dá)到一個(gè)全新的水平。
道路試驗(yàn)
經(jīng)過(guò)多年的原型測(cè)試，開(kāi)發(fā)出了有史以來(lái)技術(shù)最先進(jìn)的汽車(chē)輪轂E2。通過(guò)使用有限元分析進(jìn)行高度先進(jìn)的建模，ESE的復(fù)合材料工程團(tuán)隊(duì)能夠預(yù)測(cè)車(chē)輪在大量現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的反應(yīng)。有了這些豐富的數(shù)據(jù)，ESE的車(chē)輪將在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果將在強(qiáng)度、安全性和性能方面得到驗(yàn)證。
· 徑向沖擊測(cè)試
徑向沖擊測(cè)試評(píng)估車(chē)輪在穿過(guò)坑洞或大型障礙物時(shí)的穩(wěn)定性，以防嚴(yán)重?fù)p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(chē)輪經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試，能夠承受典型的道路危險(xiǎn)，并被證明優(yōu)于同等的鋼制和鋁制車(chē)輪。
· 路緣石撞擊試驗(yàn)
路緣石撞擊試驗(yàn)是一項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)，用于評(píng)估對(duì)靜態(tài)表面的重復(fù)撞擊的影響，模擬車(chē)輛以預(yù)定速度撞擊路緣石或其他固定物體。即使在低速行駛時(shí)，路緣石和車(chē)輪的接觸也會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力。E2碳纖維車(chē)輪經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和全面測(cè)試，可在路緣石撞擊等破壞性情況下抵抗故障。
· SAE J3204測(cè)試
E2經(jīng)過(guò)了全面測(cè)試，并正在等待SAE J3204的認(rèn)證，這是一種新的復(fù)合材料輪轂生產(chǎn)工藝。ESE正與美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)密切合作，幫助制定復(fù)合材料輪轂的標(biāo)準(zhǔn)和基準(zhǔn)。ESE的E2碳纖維車(chē)輪實(shí)際上超過(guò)了SAE的最低建議值。
與金屬車(chē)輪類(lèi)似，美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)對(duì)復(fù)合材料車(chē)輪的建議通過(guò)各種疲勞和沖擊試驗(yàn)來(lái)解決耐久性問(wèn)題。SAE還增加了新的要求，以說(shuō)明復(fù)合材料所特有的環(huán)境影響。
圖11 被世界各大汽車(chē)制造商采用得E2碳纖維輪轂
E2碳纖維車(chē)輪采用最新的訂制纖維鋪設(shè)（Tailored Fiber Placement）技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。碳纖維疊層傳統(tǒng)上是一個(gè)非常耗時(shí)的手工過(guò)程，包括在樹(shù)脂模具上切割和手工成型碳纖維布。這導(dǎo)致了過(guò)度浪費(fèi)，而體力勞動(dòng)可能會(huì)在生產(chǎn)中造成瓶頸。
圖12 訂制纖維鋪設(shè)（TFP）
TFP通過(guò)使用機(jī)器將碳纖維排列和縫合到精確的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的結(jié)構(gòu)性能。這減少了50%的鋪層時(shí)間和 80%的材料浪費(fèi)。它還允許ESE通過(guò)精確的纖維放置和定向來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)碳纖維車(chē)輪的曲率和輻條。這提高了E2碳纖維車(chē)輪的強(qiáng)度和耐用性，使其能夠更有效地管理載荷和應(yīng)力。
E2還使用專(zhuān)有的壓縮樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）工藝和環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)來(lái)制造輪轂，使輪轂具有更高的輪輞強(qiáng)度和抗疲勞性。ESE使用最高質(zhì)量、最快固化的樹(shù)脂，在高達(dá)212°C的行業(yè)領(lǐng)先Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變）溫度下提供無(wú)與倫比的產(chǎn)品。ESE的纖維與樹(shù)脂的含量為60%，空隙率僅為2%，是業(yè)內(nèi)最好的。再加上ESE能夠在不到2分鐘的時(shí)間內(nèi)完全注入輪轂。
圖13 RTM工藝制造CFRP輪轂
06、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)使用碳纖維輪轂，車(chē)輪重量大幅減輕，跑車(chē)得以實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)異的操控性能。由于碳纖維車(chē)輪慣性更小，汽車(chē)轉(zhuǎn)向感和牽引力都會(huì)得到改進(jìn)，無(wú)論是加速還是制動(dòng)，反應(yīng)都更快。
此外，里程焦慮是很多潛在消費(fèi)者對(duì)于購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)較為猶豫的重要因素之一，雖然電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程主要取決于電池，但其他因素也會(huì)對(duì)此產(chǎn)生影響。而輕量化的碳纖維輪轂?zāi)軌虼蠓鶞p少汽車(chē)每次加速或減速時(shí)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的能耗，也在最大限度延長(zhǎng)了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。
