碳纤维复材在车轮上的应用

科尼赛格跑车

复合材料已经在汽车和卡车的制造上担负起各种结构和半结构功能。单个部件在每个车型年份的数量从屈指可数到几百个，直至今日越来越多，已成千上万。然而，从复合材料的角度来看，仍然有一个应用难以控制：车轮。

并非所有复合材料或混合材料的车轮都无法制造。不仅可以，而且其好处是很大的：使用碳纤维轮毂减轻1kg的簧下质量的效能可以等同于减轻10kg的簧上质量。而车重每减10%，便可降低6%到8%的油耗，降低5%到6%的排放，在同样用油情况下，一辆车每小时可以多开50公里，有助于提升车的加速与制动性能。

碳纤维复合材料的构成元素稳定，抗酸性、抗腐蚀性超过金属。也意味着设计者无需考虑产品使用期间有腐蚀造成的性能下降，这也给汽车重量的减轻和性能的提高提供了更多可能。

碳纤维轮毂有很好的减震效果，具有操控性更强，舒适度更高等特点。汽车更换轻量化的碳纤维轮毂之后，由于簧下质量减轻了，车的悬挂响应速度有明显提升，加速更快更轻松了。

但目前复合材料车轮（一套四个）的最低价格也要至少10,000美元，只能在最高端的汽车上得以应用。兰博基尼、迈凯轮等等。

因此，最终目标——几乎与汽车相关的一切——都是为了能够高效地提供这些优势，从而应用到更为广泛的车辆。如果您是复合轮毂的制造商，成本效益既不是那么容易也不是那么突然就能实现的。相反，它通过创新、创造力和努力工作来实现。只有当你在市场上建立了一个高质量的产品——质量不仅仅是由机械性能来衡量，而且还有美学的吸引力。

昂贵且少量的近期应用

瑞典超跑制造商科尼赛格2013年在日内瓦车展上展出的Agera R搭载了世界上第一个中空、一片式、超级轻量化的碳纤维轮毂。该轮毂在采用了科尼赛格的Aircore技术，这也使得Agera R在降低约20Kg簧下质量（不由悬挂系统中的弹性元件所支撑的质量）的同时还能保证车辆的坚固与安全。Agera R的整个轮毂上除了轮胎气门嘴为金属部件外，其他结构均为单片式中空碳纤维材料制造。

在2013年，碳纤维轮毂在超跑上配备并不是很多。虽然碳纤维具有比强度高、耐腐蚀等优良特性，但在2013年的技术条件下它仍然有很多缺陷。其中最明显的就是在沿着碳纤维方向和垂直碳纤维方向性能差异较大，导致其结构的设计难度增大；除此之外，碳纤维的自动化生产也存在着很大的技术瓶颈。

福特于2015年携着全新一代野马打造的紧随其来。在Shelby GT350R上，福特首次为其配备了全碳纤维材质的轮毂，该轮毂也是全球首款大规模量产的碳纤维轮毂。

毫无疑问，福特Shelby GT350R拥有令人惊艳的极速，它通过将每个轮毂的重量降至铝合金轮毂的近乎一半（铝合金轮毂为15千克，碳纤维轮毂为8千克），使得Shelby GT350R的操控和加速性能得到极大的改善。同时，轮毂的大幅减重还使得转动惯量降低40%以上，从而进一步改进加速和制动性能，并且降低的簧下重量同样使得车辆悬挂系统能以更快速度响应路况变化。

在原型车早期测试阶段，这一碳纤维轮毂表现出显著的潜力——可以提升悬挂响应速度、底盘动态性能、转向质感和驾乘品质。最终福特决定将它应用于量产车上，这意味着工程团队开发出的轮毂必须满足福特严苛的耐久性、质量、工艺和更高级的质感标准。

2017年8月，保时捷发表了量产版本的碳纤维轮毂，并表示将在2018年开始，将其列为911 Turbo S Exclusive Series的选配。

根据保时捷原厂资料显示，这只专属于911 Turbo S Exclusive Series的20吋轮圈，乃是碳纤维复合材质打造，重量仅达8.5公斤，较同尺寸的铝圈轻上20%，在刚性表现上也多出20%。

以两种不同形式碳纤维材质打造的碳纤维轮圈，重量较一般铝圈轻了20%，Porsche表示，打造一颗20吋的碳纤维轮圈，需要总长18公里的碳纤维。

整个轮圈可分成2个部分来打造，分别采用不同形式的碳纤维复合材质，包含了布匹状的碳纤维材质，以及成捆之碳纤维，分别用来打造轮圈的不同部位，轮圈的主体乃是以编织的方式织成，在保时捷所公布的影片中也可看到，原厂运用相当大的编织机器，来编织轮圈主体，随后再以布匹状的碳纤维来制造其余部位，根据原厂资料显示，一只碳纤维轮圈，需要总长18公里的碳纤维来制成。

利用编织的方式来打造碳纤复合材质成品，保时捷并非第一个这样做的品牌，Lexus在打造限量超跑LFA时，就已经采用机器编织的方式，来制造车架的些许部分，不过保时捷则是打造出更大的编织机台用以编织轮圈；保时捷表示，藉由编织的方式，碳纤维将拥有更多元的变化与发展，更重要的是能减少不必要的浪费，也更有效率运用这一项材质。

目标：降低成本，实现量产

Dymag是一家有将近20年历史的高性能CFRP轮毂制造商。公司现在正努力降低他们的生产成本，并将其应用到量产汽车上。

英国车轮制造商Dymag（英国威尔特郡Chippenham）清楚地知道车轮的外观和它的功能一样重要。1995，该公司开发了其所称的世界上第一个单件式碳复合摩托车车轮。其次是2004的混合碳纤维/铝轮，主要出售到汽车售后市场。2009年，Dymag经历了艰难时期并被清算。现任首席执行官Chris Shelley收购了Dymag品牌，并且把高级工程和生产团队重新组合在一起，重点放在汽修复合材料和锻铝摩托车车轮上。到2015年底，Dymag获得了英国政府的资助，为下一代耐用、轻质碳复合汽车和摩托车车轮开发了一个新的专利产品设计和批量生产工艺。

Dymag目前在市场上推出了两款碳纤维/铝轮毂，BOXSTROM 7X和最近推出的BOXSTROM 7Y。这两款产品都采用了带有螺栓的碳纤维轮辋。这些车轮都进入售后汽修市场，但Shelley表示，Dymag公司还获得了几项OEM合同，全部用于相对高性能车，包括Fisker EMotion全电动跑车。

福特全球首款量产碳纤维轮毂

Shelley表示，BOXSTROM轮子的价格每套起价为10,000英镑（约合13,550美元），“但随着技术的成熟和成本的下降，售价也将会下降。”要达到下一个销量级别（每年10,000-25,000个轮子 ），他说，价格点需要下降到5000英镑到10000英镑的范围内（低至约6,775美元），主要销售给汽修市场和OEM。

碳纤维轮辋与铝制辐条相结合

Dymag获得专利的BOXSTROM的大部分技术诀窍都在复合轮辋中，该轮辋采用预成型的双轴和三轴碳纤维织物（标准模量12K和50K丝束）缠绕在芯轴上，然后进行树脂传递模塑（RTM）。环氧树脂体系Araldite XB 3292 / Aradur 2954由亨斯迈先进材料（Huntsman Advanced Materials瑞士）有限公司提供，最初选择是因为它提供了高温耐用性和高机械性，并且满足了加工要求。亨斯迈公司的技术支持经理Olivier de Verclos说，这种树脂体系也已经上市多年，因此它对Dymag提供了一个重要的可靠性水平。

大部分轮辋的知识产权在于BOXSTROM专利的轮缘和紧固系统，它们结合了结构泡沫芯，并传达了其他复合材料或铝制轮辋中未发现的物理和机械性能。Shelley认为，总体而言，该设计正是Dymag的技术优势所在。他指出，“这是一种结构优化的复合材料，从而减轻重量，同时提高了耐用性和安全性。”

“Dymag车轮的设计和测试符合最高的OEM规格。相对于其他一些公司而言，那些公司的目标是达到最低推荐的售后标准，但这样做不会长久——尤其是对于高性能改装车和轮胎包装，在负载条件方面远远超过了这些售后规范。”他补充道有个问题常常被问到，那就是为什么设计成碳纤维/铝车轮，为什么要使用铝？事实上，市场上有一种整体式碳纤维车轮，轮辋和轮辐都使用碳纤维，因此没有并不存在技术障碍。

Shelley说这很简单：碳纤维限制了辐条的设计选择。铝可以更容易地适应各种形状、样式和设计的辐条，使汽修市场和OEM客户都能够满足各种最终用户的喜好和品味。事实上，辐条设计已经成为市场上的一个重要区别，所以最有利于辐条设计变体的材料胜出。如果车轮经过全面的OEM规格测试，混合动力车与整体车之间的重量差异是最小的。相比之下，与全铝车轮相比，重量减轻很多。 Shelley还指出，在高性能应用中，使用碳纤维辐条可能需要设计更大的横截面或额外的碳材料以获得横向辐条刚度，因为汽车制动装置通常会限制可用于深辐条设计的物理空间。

Dymag 的大部分设计创新和专业知识已经融入了Boxstrom 车轮的树脂传递模压轮辋，以及它与辐条相交的方式。这一横截面显示了铝制紧固件与轮辋的轮缘接合。第一节是轮辋的主要荷载路径。第2节是支持主加载路径的双轴层，并支持紧固系统，该系统承载了90% 的径向载荷。

Dymag的BOXSTROM车轮，一个典型的20x9.0英寸的轮子，由OEM设计和测试，重量约9公斤。Shelley表示，随着辐条设计的优化，这可能会降至8公斤。相比之下，传统的OEM铸铝车轮重达15公斤；采用OEM锻造铝的车轮重达12公斤。 Shelley指出，这种重量减轻对于OEM来说是非常难以忽视的。“五年前，原始设备制造商很少接触到碳纤维轮毂。但现在他们都在努力实现性能优势和降低重量以减少碳排放政策所带来的压力。”

改进的空间

尽管对Dymag等公司来说，增加了碳纤维的车轮引起了OEM的兴趣，但这也为改善材料和制造工艺以及降低成本，带来了更多的审查和更大的压力。不过，一旦开发出来，现在能够进行大批量生产的这款轮毂也必须符合安全和性能标准。车轮是每条车辆与道路的接触点，因此必须完美无瑕。“车轮、轮胎和刹车对安全至关重要。减轻重量会降低安全边际，如果不考虑周全，你不会这么做。”Shelley指出。

作为仔细考虑的一部分，OEM和Dymag等公司正在制定碳纤维车轮标准，包括径向转弯疲劳性能、冲击性能、耐用性等。Shelley认为，随着原始设备制造商对复合材料有更好的了解，他们将对这些标准进行微调和优化。“我们的车轮在耐用性方面仍然必须和铝合金车轮一样表现出色，但是由于缺乏刚度，减轻任何车轮的重量都会降低安全裕度并降低性能。这对我们来说是一个持续的挑战。”Shelley说。

所有这些迫使Dymag和其他碳纤维车轮制造商寻求机会改进他们的产品以及生产这些产品的流程。例如，虽然亨斯迈公司的环氧树脂已经很成熟，但“Dymag已经在研究未来轮胎的下一代树脂。我们致力于继续为我们的合作伙伴提供相关数据，并且我们已经投资并获得了最先进的测试设备。这使我们能够模拟实时轮胎服务条件，以证明所提供解决方案的可靠性并将风险降至最低。借助亨斯迈先进材料，我们正在努力实现诸如热稳定性、更高的冲击性能、更低的紫外线敏感性、更高的生产力和更好的美学效果。”Shelley表示。

Dymag 公司开发了BOXSTROM X 和BOXSTROM Y车轮，其特点是一个碳纤维复合轮辋结合铝制辐条，主要销售给汽修市场和汽车OEM。目标是提高制造效率，从而降低成本，使车轮在更大规模的生产中可行。（图片来源：Dymag 公司 ）

亨斯迈公司的Verclos承认推动降低制造成本，如果全部，部分或混合的复合材料车轮成为高容量车辆的选择，这是必不可少的。他说，该公司正在致力于材料化学和制造工艺优化以实现这一目标。Shelley说：“如果你减少了应用材料的数量并提高生产效率，材料可能会更贵一些。”

从美观上看，OEM正在向Dymag施加压力，以改善表面质量。“我们的一些客户对我们的碳纤维表面质量的关注程度正在上升。绝对没有小孔，没有缺陷。这实际上是一个主要的重大挑战。”此外，原始设备制造商及其客户喜欢将碳纤维编织成车轮部件。正因为如此，Dymag及其客户开发了一个ABC层次结构来表征轮子材料的可见性：A =始终可见；B =有时可见；C =从不可见。正如预期的那样，A和B表面最受关注，以确保它们符合外观要求。“美学在奢侈品和性能市场中是最重要的。”Shelley说。

为了达到这种美学效果，树脂系统的选择至关重要。其选择将影响车轮的颜色。“当涉及到颜色时，使用化学品来提高生产力和性能常常与我们相悖。我们已经能够设计具有良好初始颜色的系统，以及服务期间的颜色稳定性，而不会影响技术和工艺性能。”Verclos解释说。

朝着更高的产能迈进

很明显，复合材料、设计工具和制造工艺，正让碳纤维车轮朝着更安全和更实惠的方向发展。 但是，什么时候能期望在大批量车辆上看到它们呢？随着OEM展望的未来，转向轻型汽车的趋势只会加剧。对于电动汽车来说，轻量化的车轮也将扩大范围。不过，从目前来看，OEM和售后市场对这种技术在未来几年的需求不断增长，能帮助其向大众制造市场过渡，并将碳纤维复合材料轮毂及其无与伦比的优势带给每位驾驶员。■