01
Einführung

Kohlefaserverbundwerkstoffe sind Hochleistungsverbundwerkstoffe, die aus Harz, Metall und Keramik als Matrix und Kohlefasern als Verstärkung durch fortschrittliche Verbundformverfahren hergestellt werden. Kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFRP) sind das Hauptmaterial für Automobilanwendungen und bieten eine Reihe von Vorteilen wie niedrige Dichte, hohes Modul und hohe spezifische Festigkeit. Daher wird es häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Windkrafterzeugung, Freizeit und Sport, im Militär und in anderen Bereichen eingesetzt. In den letzten Jahren hat sich angesichts der zunehmend schwerwiegenden Umweltverschmutzung weltweit ein hoher Konsens über „Energieeinsparung und Emissionsreduzierung sowie die Entwicklung einer kohlenstoffarmen Wirtschaft“ gebildet. Durch den Leichtbau von Automobilen können der Energieverbrauch und die Abgasemissionen wirksam gesenkt werden. CFK ist ein ausgezeichneter Leichtbauwerkstoff mit hoher Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Stoßdämpfung und anderen Eigenschaften, und seine Produkte haben ein cooles Aussehen. Daher wird es von Automobilingenieuren zunehmend bevorzugt. Um den Einsatz von CFK im Automobil voranzutreiben, haben viele Universitäten und Unternehmen in den letzten Jahren auch Forschungen zum Einsatz von CFK im Automobil durchgeführt.

02
Anwendung von CFK im Körperskelett

Aufgrund seiner geringen Dichte, seines hohen Moduls und seiner spezifischen Festigkeit eignet sich CFK häufig für Leichtbauanwendungen großer Strukturteile. Als das System, das am meisten zur Masse des gesamten Fahrzeugs beiträgt, ist das Karosserieskelett das wichtigste Ziel für den CFK-Leichtbau und die früheste Anwendung von CFK. General Motors entwickelte bereits 1992 das Konzeptauto mit ultraleichter CFK-Karosserie und Skelettstruktur, und die 2013 eingeführte BMW i3-Karosserie verwendete einen CFK-Fahrgastraum, was den Forschungsboom der CFK-Anwendung auslöste. Seitdem hat sich die Anwendung von CFK im Karosserieskelett sukzessive ausgeweitet, von Supersportwagen bis hin zu Luxusautos und New-Energy-Fahrzeugen. Die Fahrgastzelle des BMW i3 besteht aus 34 CFK-Teilen, von denen 13 integral geformt sind (einschließlich 48 Vorformen), wodurch ein hoher Integrationsgrad erreicht wird. wie in Abbildung 1 dargestellt. Die i3-Seitenkarosserie wird beispielsweise in neun Vorformlinge unterteilt, und die neun Vorformlinge werden dann durch die Resin Transfer Molding (RTM)-Technologie geformt, um die inneren und äußeren Seitenkarosserieteile zu formen. Die Strukturteile des Karosserieskeletts des BMW i8, des BMW 7er, des Lexus LFA und des Lamborghini Aventador LP700-4 verwenden eine große Anzahl von CFK-Teilen, die Rücksitzrückwand des Audi A8 verwendet ebenfalls CFK. Darüber hinaus gibt es bei Mercedes-Benz, Ford, Toyota und anderen ausländischen Mainstream-Automobilherstellern CFK in der Anwendungsforschung und Modellfreigabe für Karosserieskelett-Strukturteile. Die Strukturteile des Karosserieskeletts des Lamborghini Aventador LP700-4 bestehen aus einer großen Anzahl von CFK-Teilen, die Rücksitzrückwand des Audi A8 besteht ebenfalls aus CFK. Darüber hinaus gibt es bei Mercedes-Benz, Ford, Toyota und anderen ausländischen Mainstream-Automobilherstellern CFK in der Anwendungsforschung und Modellfreigabe für Karosserieskelett-Strukturteile. Die Strukturteile des Karosserieskeletts des Lamborghini Aventador LP700-4 bestehen aus einer großen Anzahl von CFK-Teilen, die Rücksitzrückwand des Audi A8 besteht ebenfalls aus CFK. Darüber hinaus gibt es bei Mercedes-Benz, Ford, Toyota und anderen ausländischen Mainstream-Automobilherstellern CFK in der Anwendungsforschung und Modellfreigabe für Karosserieskelett-Strukturteile.

Leichtbau ist eines der Hauptziele der Fahrzeugentwicklung und die Gewichtsreduzierung von Modellbauteilen steht derzeit im Fokus der Industrie. Der Einsatz von CFK am Körperskelett hat zu einer Gewichtsreduktion von etwa hundert Kilogramm geführt.

03
Anwendung von CFRP in Karosserieverkleidungen sowie Innen- und Außenverkleidungen

CFRP wird häufiger in der Außenverkleidung ausländischer Modelle verwendet, insbesondere bei Luxusmodellen mit höherer Positionierung. Die CFRP-Kosten sind höher, daher werden die Verkleidungen häufig in Form von CFK verwendet High-Option oder modifiziertes Sportkit, helle Türleisten, Heckspoiler, Heckflügel usw. Wie BMW, Audi, Mercedes-Benz, Lexus, Lamborghini und andere Marken von High-End-Modellen, zusätzlich zu ihrer eigenen Entwicklung von CFK-Belägen Neben Innen- und Außenverkleidungsteilen gibt es auch spezielle CFK-Teile zum Modifizieren auf dem Markt.

CFK ist auch der Hotspot der Anwendungsforschung für häusliche Karosserieverkleidungen und Außenverkleidungsteile. Grundsätzlich forschen alle inländischen OEMs an der Anwendung von CFK in Karosserieverkleidungen und Außenverkleidungen, und die Anwendung nimmt zu. Die wichtigsten in den letzten Jahren entwickelten und verwendeten CFK-Karosserieverkleidungen und Außenverkleidungsteile sind Promised K50, Geely Link 03+/05+, Volvo Polaris 1, Great Wall WEYVV7, SAIC MG6 usw. Darüber hinaus sind es Lutis und andere Modelle bereits in der Massenproduktionsentwicklung.

Der Frontage K50, ein rein elektrischer Sportwagen, der 2018 auf den Markt kam, ist das einzige Modell in China, das „Vollcarbon“-Karosserieverkleidungen (einschließlich Außenverkleidungsteile) mit insgesamt 29 CFK-Teilen verwendet, mit Ausnahme der vorderen und hinteren Stoßstangen und Seitenschweller. Die Gesamtmasse beträgt nur 46,7 kg und ist damit mehr als 40 % leichter als herkömmliche Metallteile.

04
Anwendung von CFK im Fahrwerkssystem

Bei den meisten Fahrwerkskomponenten handelt es sich um „Unterfederungsmassen“, und ihr geringes Gewicht kann die Leistung des gesamten Fahrzeugs verbessern. Fahrwerksteile befinden sich jedoch in einer rauen Umgebung, und die meisten von ihnen sind bewegliche Teile, die eine höhere Zuverlässigkeitsleistung wie Haltbarkeit, Ermüdung, Korrosion usw. erfordern. Die Herausforderung von CFK bei Fahrwerksteilen ist oft größer als bei Karosseriestrukturteilen. Daher ist der Einsatz von CFK in Fahrwerksteilen sowohl in China als auch im Ausland äußerst schwierig. Derzeit sind die Hauptkomponenten der CFK-Anwendungsforschung für Fahrwerke Antriebswelle, Hilfsrahmen, Querlenker, Stabilisator, Achsschenkel, Radnabe, Feder usw. Die Antriebswelle ist ein wichtiger Teil im Übertragungssystem des Fahrzeugs Leistung, Seine Aufgabe besteht darin, die Kraft vom Motor zusammen mit dem Getriebe und der Antriebsachse auf die Räder zu übertragen, sodass das Auto Antriebskraft erzeugt. Bei der traditionellen Automobilantriebswelle werden hauptsächlich Metallmaterialien wie hochwertiger Kohlenstofflegierungsstahl 40Cr, 30CrMo, 42CrMo usw. verwendet. Die Verwendung von CFK anstelle der ursprünglichen Metallmaterialien zur Herstellung der Antriebswelle kann die Anforderungen an hohe Festigkeit und Steifigkeit erfüllen und Ermüdung der Antriebswelle, zusätzlich zur Erzielung einer erheblichen Gewichtsreduzierung und zur Reduzierung des Energieverlusts des Getriebesystems und des Gewichts des Fahrzeugs durch Verbesserung der Vibrationsfestigkeit, Reduzierung von Geräuschen usw.

In den Schwerlastfahrzeugen von General Motors wurden in den 1880er Jahren Automobil-Antriebswellen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen verwendet, wodurch die Masse im Vergleich zu Stahl um 60 % reduziert wurde. Mit der kontinuierlichen Aktualisierung und Verbesserung der Technologie und Produktionsausrüstung nimmt auch die Produktion und Anwendung von Antriebswellen aus Kohlefaserverbundwerkstoffen tendenziell zu.

Der Hilfsrahmen ist ein Zwischenpuffer für die Verbindung zwischen der Karosserie und der Aufhängung, und die meisten herkömmlichen Hilfsrahmen werden durch Stanzen und Schweißen aus Stahlplatten hergestellt. Mit der Entwicklung der Leichtbautechnologie wurde in den letzten Jahren schrittweise auf einen Hilfsrahmen aus Aluminiumlegierung umgestellt, und der Hilfsrahmen aus CFK-Verbundwerkstoff bietet im Vergleich zum Hilfsrahmen aus Aluminiumlegierung weiteren Raum für Gewichtsreduzierung. Der von Ford und Magna entwickelte CFK-Hilfsrahmen wird beim Verbundwerkstoff Mondeo eingesetzt, ersetzt 45 % der Stahlteile des herkömmlichen Hilfsrahmens und reduziert das Gewicht um etwa 34 %.

07
Fazit

CFRP hat die Vorteile einer geringen Dichte, eines hohen Moduls und einer hohen spezifischen Festigkeit und hat eine breite Anwendungsperspektive in der Automobilindustrie. Aufgrund der hohen Kosten wird CFK jedoch immer noch hauptsächlich in einigen High-End-Modellen verwendet.

Das schillernde Erscheinungsbild von CFK erfreut sich bei jungen Menschen großer Beliebtheit und viele Modelle werden in Form von „Sport-Kits“ als Werbemittel in der High-End- oder optionalen Form der Modelle entwickelt. Im Aftermarket nimmt die Modifikation des äußeren „Sportpakets“ einen größeren Markt für CFK-Anwendungen ein.