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轻量化大行其道 碳纤维车轮成“减重神器”

2021-10-09 11:11:55    来源: 中国汽车报

碳纤维,由于轻便且极具韧性,被汽车工程师视为新一代造车材质的热门选择。今年7月下旬,MarketaaWatch数据分析机构发布了一份《2021年汽车碳纤维市场研究报告》,其指出,2020年全球汽车碳纤维市场规模接近1.6亿美元;2021~2027年,全球汽车碳纤维市场预计将以5.71%的年均复合增长率保持增长。

随着环保和节能减排需求的不断增加,全球汽车行业正在寻求多样化的轻量化解决方案。簧下质量的减重需求尤为突出,而作为簧下质量的重要组成部分,车轮在汽车整体质量中占据很大比重,减重的有效途径之一就是采用碳纤维轮毂。随着原材料和制造成本的下降,原本造价高昂、仅用于豪华或超豪华车型的碳纤维轮毂正在逐步“下探”。

碳纤维车轮成“减重神器”

需要指出的是,碳纤维在汽车行业并不是什么新鲜事物,在汽车车身及多个部件上早已得到应用,例如2013年上市的宝马i3的车身、底盘等部位就采用了碳纤维材料。

当前,随着汽车行业加快向电动化转型,一些制造工程上的挑战正从内燃机汽车转移到电动汽车上。减重、改善空气动力学性能和降低噪声,这可能是当代汽车工程师在研发电动汽车时面临的三大非动力系统挑战。与内燃机汽车相比,电动汽车的零部件少得多,但它们并不一定比内燃机汽车更轻。事实上,很多电动汽车比同级的内燃机汽车更重,因为它们配装了“大块头”电池组。例如,通用汽车不久前推出的全新GMC悍马电动皮卡重量高达9046磅(约合4.1吨)。

另外,近年来,不少越野车和皮卡的轮毂尺寸和重量都在大幅增加。一些大型SUV的轮毂尺寸为22英寸(约合55.9厘米),个别甚至超过30英寸(约合76.2厘米),这就使得一个车轮的重量达到近100磅(约合45公斤),也就是说一辆车的车轮重量就达到400磅(约合181公斤)。不少车企在为新车配装更大的轮毂和轮胎。例如,雪佛兰在今年8月中旬发布了一款新车预告,称基于通用Ultium电动汽车平台打造的雪佛兰索罗德电动皮卡将搭载四轮转向系统,并可选装24英寸(约合61厘米)大轮毂。

在这种情况下,碳纤维在车轮上的减重引发业内关注。总部位于澳大利亚的Carbon Revolution(碳革命)是一家技术较为领先的一体式碳纤维复合材料汽车车轮制造商,其首席执行官杰克·丁格尔表示,碳纤维轮毂较铝制轮毂要轻40%~50%,一套碳纤维轮毂可以使车辆减重88~110磅(约合40~50公斤)。这是一个相当大的数字,毕竟底盘和车身工程师为了减轻1公斤重量都要绞尽脑汁。

豪华车重性能率先应用

对于碳纤维来说,与其出色的轻量化效应同样出名的是其高昂的成本。在售后市场,一套碳革命公司的碳纤维轮毂价格往往在1万美元以上。因此,虽然碳纤维轮毂已经不算是新鲜事物,但大多仍是作为昂贵的选装配置,用于售价10万美元以上的豪华车型,包括奥迪、宝马、保时捷、迈凯伦、宾利、法拉利等品牌。

当前,不少全球享有盛誉的经典跑车在都使用碳革命公司的碳纤维复合材料车轮,例如福特野马谢尔比GT350R、法拉利488 Pista等高端跑车。其中,前者将原本每个重14.98公斤的铝合金轮毂替换成8.17公斤的碳纤维轮毂后,全车减重27.24公斤,从而显著改善了车辆的操控性能。价格方面,福特野马谢尔比GT350R跑车采用的一套碳纤维车轮售价约为1.5万美元。

“如果一辆汽车车轮较大,会让人觉得方向盘很重。如果车轮较轻,就可以获得更好的转向反应,同时刹车更轻松。”碳革命公司北美副总裁罗恩·柯林斯表示,“如果在车辆的关键部位——轮毂轻量化方面取得卓越成效,车企就可以不用太纠结悬挂和车身附件的重量了。这样看来,虽然碳纤维轮毂售价不菲,但贵得有道理。”柯林斯曾是福特汽车底盘研发部门负责人。

据了解,通过使用碳纤维轮毂,车轮重量大幅减轻,跑车得以实现更加优异的操控性能。由于碳纤维车轮惯性更小,汽车转向感和牵引力都会得到改进,无论是加速还是制动,反应都更快。

此外,里程焦虑是很多潜在消费者对于购买电动汽车较为犹豫的重要因素之一,虽然电动汽车的续驶里程主要取决于电池,但其他因素也会对此产生影响。而轻量化的碳纤维车轮能够大幅减少汽车每次加速或减速时车轮旋转带来的能耗,也在最大限度延长了电动汽车的续驶里程。

丁格尔还进一步介绍说,碳革命公司的一体式碳纤维轮毂设计,有助于进一步减轻重量,并提升强度。他强调,“一体式”并不是指单片碳纤维。相反,该公司的一体式碳纤维轮毂是由几块碳纤维通过注入树脂后粘合在一起,这种一体式碳纤维轮毂不仅比铝制轮毂更轻,而且比目前市场上多数大规模量产轮毂所用的材料要坚固13倍。碳纤维轮毂的另一个好处是可以降低噪声,尤其是在电动汽车上。丁格尔解释说:“碳纤维复合材料非常坚硬,阻尼性能很好,可以显著降低车辆噪声。根据测试,采用碳纤维轮毂的汽车,噪声至少可以降低5分贝。”

碳纤维也成为很多超豪华以及豪华品牌新车的重要宣传卖点。例如,今年5月,法拉利发布了基于812 Superfast车型打造的终极性能版——812 Competizione及其敞篷版。碳纤维材料被广泛应用于新车的前保险杠、后保险杠、后扰流板、进气口等多个部位,同时新车还采用全碳纤维轮毂,据称比同类合金轮毂要轻42%。

除了跑车外,还有一些豪华品牌的轻卡、SUV等车型都采用了碳纤维轮毂。例如,不久前宾利联合意大利Bucci Composites复合材料供应商历经5年研发,为添越SUV打造了一款定制的22英寸(约合55.9厘米)碳纤维轮毂,每个车轮减重6公斤。“我们与宾利密切合作,开发了一款满足车身结构和美学设计要求,同时具备出色性能的轮毂。Bucci Composites总经理安德烈·彼得斯奇说:“对于我们来说,这只是个开始,我们将在高端汽车和售后市场崭露头角,打响知名度。”

规模化降成本走向主流

“当我们建立碳纤维业务时,我们的目标是创造一种颠覆性技术,并使之得到大规模应用。因此,我们必须使得流程自动化,大幅缩短碳纤维轮毂的生产时间、降低制造成本。”丁格尔说,“我们一直希望该技术能够得到更广泛的应用,不仅仅局限于超豪华或豪华品牌,而是能走向主流市场。”据了解,碳纤维车轮的制造需要高精度的碳纤维铺放和高压成型技术,该公司拥有约50项与碳纤维车轮产品及制造工艺相关的专利,并希望通过改进制造工艺,提高效率。为此,碳革命公司不仅开发了高度自动化的生产线,还广泛使用机器学习和人工智能技术来优化生产制造流程。

“如果生产制造流程完全自动化,那么每条生产线每年可生产15万个轮毂。实现了规模化生产,就可以大幅降低成本。”丁格尔说,该公司希望能在价格方面“颠覆”市场,一旦产量增加,碳纤维轮毂的成本将非常接近铝制轮毂。未来几个月,将有数款采用碳革命公司碳纤维轮毂的SUV陆续上市,而且该公司还将为1款电动汽车提供大尺寸碳纤维轮毂。

“虽然现在碳纤维车轮看起来就像车轮界的‘鱼子酱’,但我们希望通过规模经济来降低成本,让它变得更加普及。”丁格尔预测,通过增加产量、降低成本,到2035年,碳纤维轮毂将从铝制轮毂那里夺得15%的市场份额。

事实上,早在3年前,碳革命公司与澳大利亚迪肯大学展开一项耗资1500万美元的合作研发项目,为全球汽车行业开发创新的复合材料轮毂,涉及的合作包括树脂和纤维在内的原材料研发、复合材料系统和先进工艺研发、自动化生产技术和工业化量产技术等。丁格尔当时就表示,该项目有助于该公司提升产品产量,并带动其产品向海外市场出口。

显而易见,考虑到成本、技术等因素,短期内钢铝轮毂仍将是市场上的主流,但碳革命、Bucci Composites等公司已经开始筹备在一些备受市场瞩目的主流车型上安装其碳纤维轮毂。此举将迫使铝制和钢制轮毂制造商也积极行动起来,努力“瘦身”。(记者:张冬梅 )

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