תעשיית הרכב עוברת טרנספורמציה עמוקה כמו כלי רכב חשמליים (EVs) לנוע מעמד נישה לאימוץ הזרם המרכזי.אתגר הנדסי מרכזי במעבר זה הוא המסה של הרכב: EVs כבדים יותר דורשים סוללות גדולות יותר כדי להשיג טווח מקובל, עלייה עלות וטביעת הרגל סביבתית.קל על ה- chassis - עמוד השדרה המבני של הרכב - אחד היעילים ביותר כדי לשבור את המשקל הזה.

למה חשוב צ'אסזיט עבור רכבים חשמליים

הפחתה של מסה היא קריטית עבור EVs כי זה משפיע ישירות על טווח, גודל סוללה, ויעילות הרכב הכוללת.כל קילוגרם נשמר בנאסאסאסה מאפשר סוללה קטנה יותר, קלה יותר עבור אותה טווח או טווח מורחב עם אותה חבילת סוללות.חומרים Composite מציעים ירידה של שינוי משקל בהשוואה פלדה קונבנציונלית או אפילו סגסוגת אלומיניום מתקדמת.

מעבר לחיסכון במשקל, מרוכבים מספקים הטבות אחרות שמתאימות לדרישות EV.התנגדות קורוזיה הטבורה הטבועה שלהם מבטלת את הצורך בציפוי הגנה כבדים המשמשים על כסיבים מתכת.הגמישות העיצובית של שקעים מורכבים מאפשרת שילוב של תכונות כגון אולמות סוללה, ערוצי קירור, ונקודות הרצה ישירות לתוך מבנה ה- EVs, צמצום ספירת חלק ומורכבות הרכבה.

יתרונות מרכזיים של Composites ב EV Chassis

ניכוי המונים וחיזוק טווח

היחסים בין מסת כלי רכב צריכת אנרגיה הם כמעט ליניאריים במחזורי נהיגה עירוניים.על ידי צמצום משקל של כאסאסה על ידי 100 ק"ג, EV יכול להגדיל את טווח שלה עד 3-5%, בהתאם למחזור הכונן ויעילות הסוללה. מבנים מונוקוק של Composite המשמשים ב- EVs כגון BMW i3 הראו ירידה במשקל של מעל 150 ק"ג בהשוואה לגוף דומה-לבן.

רגישות ועוצמה

Composites מציעים נוקשות מסוימת (הרגישות למשקל יחידה) שיכולה להיות גבוה פי כמה מאשר פלדה או אלומיניום.זה מאפשר למהנדסים לעצב מבנים כאסאסים שמתנגדים לכופף ולרסיון מבלי להוסיף חומר.היכולת להתאים את האוריינטציה סיבים מאפשרת נוקשות להיות מותאם בכיוונים שבהם העומסים הם הגבוהים ביותר, משהו בלתי אפשרי עם מתכות איזוטרופיות.

קורוזיה והתנגדות שומנית

בניגוד למתכות, חומרים מורכבים אינם מתרוקנים בנוכחות לחות או מלח כביש.זה חשוב במיוחד עבור כלי רכב חשמליים סוללה, שבו הגוף התחתון עשוי להיחשף לתנאים קשים.בנוסף, מרוכבים מציגים עמידות מעולה: סיבים פחמן בפרט לא מראה שום הגבלת עייפות בתנאים רבים של טעינה, כלומר ה-Assassis יכולים לסבול מיליוני מחזורי עומס ללא השפלה רכוש.

שילוב עיצוב ומודולריות

עובש של תרכובות מאפשר יצירת חלקים גדולים, יחיד-כל אחד להחליף עשרות חלקי מתכת מוטבעים.זה מפחית עלויות כלי וסובלנות הרכב. מהנדסים יכולים לשלב צמתים מבניים עבור איסוף השעיה, סוללות, ובניינים התרסקות ישירות לתוך השכבות המורכבות. כמה עיצובים משתמשים בפלטפורמת "skateboard" מורכבת כי בתים את הסוללה ומנועים, עם גוף נפרד, מאנרגיה משותפת, מפשטת ופשטת כלי רכב מרובים.

חומרים משותפים עבור EV Chassis

Carbon סיבים Reinforced Polymers (CFRP)

CFRP הוא החומר של בחירה עבור ביצועים גבוהים EVs שבו חיסכון במשקל להצדיק עלות. זה מציע את הכוח והנוקשות הספציפיים הגבוהים ביותר של כל מורכב זמין נרחב.עם זאת, עלויות החומר הגולמי והעיבוד שלו יש מוגבל השימוש שלה במודלים מותרות כגון הרימוריץ 'לאנה, Pininfarina Battista, ואת תא הנוסעים של BMW i3. Advances במיקומים אוטומטיים ו resin גבוה בהדרגה הם להפחית את העלות של עובש בהדרגה.

Glass Fiber Reinforced Polymers (GFRP)

GFRP מספק אלטרנטיבה כלכלית יותר ל-CRP, בעודו מספק ירידה במשקל של 30-40% על פלדה.זה נפוץ בפלטפורמות זולות או בעלות רגישות לרכיבים כמו pans הרצפה, חברים חוצים, וסוללות. סיבי זכוכית רציפה מציעים ספיגה טובה יותר אנרגיה מאשר סיבים פחמן, מה שהופך אותם אטרקטיביים לאזורי התרסקות.

המונחים: bio-based fiber Composites

לחצים של קיימות מניעים עניין בסיבים טבעיים כגון קנבוס, flax ו-kenaf. חומרים אלה יש אנרגיה מגולמת נמוכה יותר מאשר סיבים סינתטיים, ניתן לשחזר באופן חידוש. בעוד המאפיינים המכניים שלהם נחות פחמן או זכוכית, הם מתאימים לחלקים מבניים או לוחות שאינם בעלי עומס.

מערכות Composite Hybrid

כדי לאזן את הביצועים, העלות והמשקל, מעצבים לעתים קרובות משתמשים בשקעים היברידיים המשלבים סיבים פחמן לאזורים בעלי מתח גבוה עם זכוכית או סיבים טבעיים שבהם עומסים נמוכים יותר. תא הנוסעים של BMW i3 משתמש בליבת סיבים פחמן עם סיבים זכוכית בחלקים מסוימים כדי לנהל עלויות ללא להתפשר על קשיחות כוללת.

המונחים: Composite Chassis

אופטימיזציה של נתיב טעינה ואוריינטציה סיבית

בניגוד למתכות הומוגניות, מורכב הם אנטרופיים: התכונות המכאניות שלהם תלויות בכיוון הסיבים.מהנדסים חייבים למפות בזהירות נתיבים עומסים מן השעיה, סוללות, נקודות החזקות גוף והתאמה סיבים בהתאם.אנליזה של אלמנט פינט (FEA) עם מודלים המבוססים על ply הוא חיוני לחזות התפלגות מתח ו מצבי כישלונות.תוכנות כגון Digimat, Helius PFA, Abaqus עם תוספים הם בדרך כלל מורכבים.

התמוטטות אנרגיה ואנרגיה

מתכת צ'אסד מתהפך באופן מפלסטיק במהלך התרסקות, סופג אנרגיה. Composites להתנהג אחרת: הם יכולים להיכשל באופן מתפתל (פחמן) או במצב מחץ מתקדם יותר (משקפיים) עיצוב לקרוסוורת דורש מבנים אנרגיה-אבושע כגון ממריצים, הוספת חיזוקים מתכת בנקודות השפעה, ומפרקים היברידיים מתכתיים.

ניהול תרמית ושילוב סוללה

ערכות סוללות לייצר חום משמעותי במהלך טעינה מהירה נהיגה עומס גבוה.האסאסים חייבים להקל על העברת חום מן התאים תוך שמירה על שלמות מבנית. Composite מבנים יכולים לשלב נתיבים תרמיים באמצעות צינורות מתכת משובצים או שכבות סיבים מוליכים תרמיים. חלק עיצובים להשתמש ב-Assassis כמו כיור חום על ידי חיבור לוחות דבש אלומיניום כדי העור המורכב.

להצטרף ואסיפה

חיבור חברים מורכבים אחד לשני ולרכיבי מתכת (הצטברות, כוח, סוללה) דורש טכניקות מיוחדות להצטרף. Adhesive אג"ח באמצעות epoxy או פוליאורטן מבני דבקים הוא נפוץ, לעתים קרובות עם ממריצים מכניים (בולטים, rivets) בנקודות קריטיות.

בדיקות סביבתיות ודרידות

כאסאסאסי חייב לעמוד בפני קיצוניות טמפרטורה, ספיגת לחות, השפעה על הכביש, וחשיפה UV. Accelerated בדיקות ההזדקנות בסטנדרטים כגון ISO 4892 (xenon-arc) ורכיבי אופניים תרמיים משמשים כדי לאמת ביצועים לטווח ארוך. Moisture ingress into the סיבי מטריצה ממשק יכול להפיג נכסים, כך בחירה זהירה של מערכות רזש ויישומים של ג'לים או צבע חיוני.

טכניקות ייצור עבור צ'אסזה Composite

יד ו-Ly-Up

שיטת הייצור הפשוטה ביותר כוללת הצבת שכבות של סיבים pre-impregnated (preg) לתוך עובש, ואחריו ריק השקיה וריפוי ב autoclave. בעוד מתאים עבור קטנטנים נמוכים, ביצועים גבוהים (למשל, supercars), תהליך זה הוא עבודה-intensive ואט.

Rein Transfer מוליד (RTM) ו Variants

RTM כולל הצבת סיבים יבשים preform לתוך עובש סגור, ולאחר מכן הזרקת רזסין תחת לחץ. גבוה בלחץ RTM (HP-RTM) משתמש לחץ הזרקת עד 100 בר, השגת זמני מחזור של מתחת 10 דקות עבור חלקים כמו מבני התרסקות וחברי צלב.HP-RTM הוא יותר ויותר מאומצת לייצור רכב בנפח גבוה כי זה מקטין את הזמן תוך מתן חלקיקי סיבים גבוהים (55-60% יכול להיות משופר על ידי תהליך מהיר יותר).

סיקור: Sheetמול Compound

SMC הוא סיבים זכוכית מוכן לבוגר מורכב זמין בצורת גיליון.ה הסדינים נחתכים, מעומעם, ומוצבים בתבנית דחיסה מחוממת.תהליך זה משמש עבור חלקי מבנה למחצה כמו לוחות הרצפה, בארות צמיגים צמיגים, וכיסוי סוללות.SMC מציעה שיעורי ייצור גבוהים (זמן מחזור מתחת 2 דקות) ומשטח טוב, אבל תכונות מכניות שלה נמוכות יותר מאלה של סיבים רצופים.

תגית: Winding

משחת שומן היא אידיאלית עבור רכיבים אמבטיים כגון מסגרות של כ"כ עבור EVs קלים כמו שלושה גלגלים כלי רכב או פודבנים עירוניים קטנים. סיבים מתמשכים הם פצע סביב מנדלד מסתובב תחת מתח מבוקר. החלקים וכתוצאה מכך יש כוח hoop מעולה יכול להיות מיוצר במהירות. פחמן או סיבי זכוכית מוכלסים עם epoxy או פוליסטר resin משמשים בדרך כלל.

תהליכי פיתוח: הדבקה מתמשכת מוליד ו- 3D הדפסה

עובש דחיסה מתמשך (CCM) הוא תהליך למחצה-אוטומטי המשלב את המהירות של עובש דחיסה עם חיזוק סיבים מתמשך אופייני של pulion.זה נחקר עבור דבורים מבניות ומסילות התרסקות.בנוסף, ייצור של סיבים רצופים-reinforceed מרוכבים (למשל, טכנולוגיית Markforged) הוא צובר עבור prototy ו ייצור נמוך של cholsassed מקומי חיזוקים.

אתגרים באימוץ צ'אסזה Composite

עלויות חומריות ותהליכים גבוהים

מחירי חומרי גלם פחמן גולמיים יכולים להיות 10-20 פעמים גבוה יותר פלדה לקילוגרם, ואט סוללת פחמימות מוסיף עלות נוספת.אפילו סיבים מורכבים זכוכית הוא יקר יותר מאשר הטמעת פלדה בשל עלויות עובש וזמני מחזור. עבור ענפי שוק המוני, העלות הקילוגרם הצילה חייב להצדיק את ההשקעה - באופן זמני בערך 5 עד 15 ק"ג לחסוך חדשנות ב סיבים פחמן נמוך (למשל, מגדרי רעלה, או ממתכת) בהדרגה.

Recycling and End-of-Life Considerations

חומרים Composite הם קשה לשמצה כדי לשחזר את החומרים המורכבים של Thermoplastic ניתן remeled ו reprocessed, אבל thermoset מורכב (הטיפוס הדומיננטי) דורש שחיקה מכנית אינטנסיבית אנרגיה, pyrolysis, או solvolysis כדי לשחזר סיבים מורכבים לעתים קרובות יש מופחת תכונות.

תיקון המורכבות

בעוד שאסאסאסיות פלדה מכוונן ניתן לספוג או להיסגר, מבנה מורכב פגוע דורש טכניקות תיקון מיוחדות. שריטות יכול להיות קוסמטי, אבל סדקים או מחיקה באזורים נושאי עומס דורשים לעתים קרובות החלפת של כל רכיב.רשתות שירות הדרכה כדי לבצע תיקונים מורכבים ופיתוח הליכים סטנדרטיים סטנדרטיים הם אתגרים מתמשך עבור OEM.

איכות מובטחת ובדיקה לא הרסנית (NDT)

ייצור Composite רגיש לתהליך וריאציות - ריקות, סיבים לא נאותים, וריפוי לא תקין יכול כל כוח להתפשר. Reliable NDT שיטות כגון סריקה קולית, מדמוגרפיה או X-ray coputed tomography נדרשים עבור 100% בדיקה של חלקי בטיחות קריטיים.DT בקווי ייצור עדיין מתפתח, עלייה עלויות עבור יישומים גבוהים.

תחזית ומגמות עתידיות

דחיפה ל- EVs קלים ויעילים יותר תמשיך להניע פיתוח של כאסאסד מורכב.כמה מגמות מצביעות על עתיד בהיר:

  • (FLT:0) ל-Low-cost Carbon סיבים:FLT:1 מקורות חדשים (למשל, טקסטיל-דרגה PAN) ושיפור ייצור (למשל, חמצון פלזמה מחוספס מיקרוגל) צפויים להפחית את עלות הסיבים מ $ $ 20/lb לתחת $ 5 /lb בתוך עשור, מה שהופך אותו קיימא עבור כלי רכב מרכזיים.
  • (FLT:0) Thermoplastic מורכב:FLT:1 ; פעמים מחזור מהיר יותר (כ 1 דקות עבור זכוכית מכוס /polypropylene), מחזור קל יותר, ושיפור קשיחות הם להפוך thermoplastic מורכב אטרקטיבי עבור יישומים EVassis. חברות כמו פורד ו-BMW הם מחקר פעיל לוחות רצפת תרמופלסטיים ושילוב מבנים.
  • (FLT:0) מבני סוללה משולבים: FLT:1 עיצובים עתידיים יטבעו תאים סוללה ישירות לתוך חלקים של כאסאסה מורכבים, באמצעות סיבים כמו אלמנטים אחסון אנרגיה מבנית (סוללות מבנים) במחקר ב-FLT:2 צ'אולים אוניברסיטת טכנולוגיה ראטמבייט 3 הוכיח סוללות מבניות עם נחיתות אנרגיה תחרותיות עבור כוח עזר.
  • (FLT:0) תאומים וסימולציות תהליכים: FIRLT:1 סימולציה מתקדמת כלים מאפשרים אימות וירטואלי מלא של ביצועים של שאסיים מורכבים, צמצום אבטיפוסים פיזיים. אינטגרציה תאומים דיגיטליים פורשים ייצור וחיים בשירות הופכים סטנדרטיים עבור פרויקטים EV .
  • (FLT:0)Modular Complexפלטפורמות:FLT:1, פלטפורמה אחת מורכבת אחת של כאסאסאסיסטים יהיה תחת מספר מודלים של רכב (sedan, SUV, DR) על ידי החלפת לוחות גוף ומודולים סוללה, תוך חיזוי עלויות כלי על פני כרכים גבוהים יותר.

לסיכום, פיתוח כלי רכב חשמליים קלים באמצעות חומרים מורכבים מייצג התכנסות של מדע חומרי, חדשנות בייצור והנדסה עיצוב. בעוד אתגרים נשארים בעלות, מחזוריות, מהירות הייצור, התקדמות מתמשכת מביאים בהתמדה שרידים מורכבים לתוך הזרם המרכזי.עבור מהנדסים ו OEM שואפים להרחיב את טווח EV, להפחית את משקל, להשיג מטרות קיימות, מורכב מציעים אחד המסלולים המבטיחים ביותר קדימה, כמו גם עלייה בקנה מידה חשמלי של מכוניות מורכב, הופך להיות תכונה של הרכב מורכב.