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一體式的全碳纖維復合材料車輪

2020-07-08

碳纖維輪轂可以減少車輪的轉動慣量和車輪、懸架以及不受懸架支撐的其他直接連接部件的組合質量（稱為非彈簧質量），從而帶來一系列好處。旋轉慣性和未懸掛質量的減少（可能高達50％）能夠讓我們以較少代價獲得更快的加速；減小了制動距離，可以實現(xiàn)與道路的更好接觸（機械抓地力）從而改善操控性并降低路面噪音。

但是碳纖維輪轂的價格標簽（混合和全復合材料）使其無法滿足許多消費者的需求。輪轂很可能只在超高端跑車和豪華車上才能找到。但是，一些車輪公司認識到低價碳纖維車輪的市場潛力，并正在努力尋找解決方案。方法從所使用的材料到車輪部件的制造和組合方式都不同。有些將碳纖維組件與鋁結合在一起，用于混合動力車輪。有些人用預浸料制成輪子。

美國ESECarbon公司的目標是讓碳纖維輪轂可用于更多的駕駛人群。該公司增加了五軸CNC精密加工團隊、先進的結構復合零件功能、量身定制的光纖鋪放機和機器人，以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。該公司計劃在明年發(fā)布其E2系列一體式、單固化的全碳纖維復合材料汽車車輪。ESE的車輪僅重17磅，其軸重為3,850磅，使其能夠支撐的車輛總重不超過6,800磅。相關人員表示能夠承受相同重量的傳統(tǒng)鋁制車輪的重量將超過30磅。

E2是基于通用運動美學的五輻設計，具有凹入式深碗外觀。赫爾米達說，該公司的靈感來自保時捷鋁制車輪的設計，然后針對碳纖維進行了優(yōu)化。砂輪采用高溫環(huán)氧樹脂體系，透明度高，并提供定制的表面處理解決方案，包括透明的光澤、明確的啞光和定制的顏色。

根據(jù)美國汽車工程師學會（SAE）推薦規(guī)程，ESE的碳纖維車輪是獲得認證的80%。該規(guī)程適用于目前制造的所有車輪，包括金屬車輪。此外，該公司很可能擁有市場上第一個根據(jù)新的復合材料車輪推薦規(guī)程SAEJ3204認證的一體式車輪，該規(guī)程剛剛被SAE批準出版。與金屬車輪的SAE推薦規(guī)程一樣，這一新的復合材料車輪推薦規(guī)程通過各種疲勞和沖擊試驗解決了耐久性問題。它還增加了新的要求，以考慮復合材料特有的環(huán)境影響。工作人員一直積極參與這一新建議實踐的工作組，分享數(shù)據(jù)并為SAE委員會的開發(fā)測試提供原型。

在內部，ESE的工程團隊正在努力確保E2的性能超過最低的SAE建議。多年的原型測試和基于物理的模擬導致了當前的E2設計。

轉向定制纖維植入

ESE公司的車輪是使用定制的纖維放置技術（TFP）制造的，該公司表示，TFP允許快速、大批量生產(chǎn)具有良好機械性能的碳纖維部件。TFP的工作原理是排列纖維束，將它們放置在結構性能需要的位置，然后將其縫合到一個兼容的基層上。這一工序取代了傳統(tǒng)的將機織物切割成所需形狀的方法。ESE使用工業(yè)級碳纖維絲束和來自德國的TFP技術來縫制層片，創(chuàng)造出接近凈形的預成型。

通過在將絲束材料縫成所需的幾何形狀時控制絲束材料的路徑，可以將材料僅放置在最終預成型坯中需要的位置。傳統(tǒng)的層壓板設計中必須裁掉的織物區(qū)域完全不用縫合。此過程不僅減少了將機織織物切割成一定形狀時產(chǎn)生的初始浪費，而且由于能夠適應復雜的幾何形狀，還減少了后處理所帶來的浪費。

在向TFP過渡之前，ESE最初使用傳統(tǒng)的碳纖維面料，該技術使公司減少了50%的層數(shù)，從而創(chuàng)造了一個簡化的鋪層過程，最大限度地減少了浪費。相關人員表示，采用TFP后，碳纖維廢料從傳統(tǒng)碳纖維面料的40%左右減少到不足10%。此外，該技術還提高了鋪層質量，優(yōu)化了纖維取向，增加了設計靈活性。

輻條上有很多彎曲的地方，這增加了層數(shù)。而傳統(tǒng)面料的碳纖維層的方向是有限的。有了TFP，幾乎可以在任何方向上創(chuàng)建直線或曲線圖案，允許設計出最優(yōu)的層壓板，比傳統(tǒng)面料更有效地管理負荷和壓力。

這些改進令ESE的輪子顯著節(jié)省成本。在轉換到TFP之前，鋪層是公司的生產(chǎn)瓶頸。每天每個模具可以制造更多零件，這對每個輪子的時間、勞動力和設備的總投資都產(chǎn)生積極影響。

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南通鼎源復合材料有限公司

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