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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,以實現自動化生產。該公司計劃在明年發布其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化。砂輪采用高溫環氧樹脂體系,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。
根據美國汽車工程師學會(SAE)推薦規程,ESE的碳纖維車輪是獲得認證的80%。該規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新的復合材料車輪推薦規程SAEJ3204認證的一體式車輪,該規程剛剛被SAE批準出版。與金屬車輪的SAE推薦規程一樣,這一新的復合材料車輪推薦規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,分享數據并為SAE委員會的開發測試提供原型。
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的將機織物切割成所需形狀的方法。ESE使用工業級碳纖維絲束和來自德國的TFP技術來縫制層片,創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。傳統的層壓板設計中必須裁掉的織物區域完全不用縫合。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最初使用傳統的碳纖維面料,該技術使公司減少了50%的層數,從而創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。而傳統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建直線或曲線圖案,允許設計出最優的層壓板,比傳統面料更有效地管理負荷和壓力。
這些改進令ESE的輪子顯著節省成本。在轉換到TFP之前,鋪層是公司的生產瓶頸。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生積極影響。

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