在汽车轮毂设计制造中，复合材料对车辆的性能和安全性有何影响？

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随着汽车工业的不断发展，轮毂作为汽车的关键组成部分之一，对于车辆性能和安全性至关重要。

为了追求更轻量化、高强度和优越性能，复合材料在汽车轮毂的设计和制造中正逐渐成为一项热门研究领域。

本文将探讨利用复合材料设计制造汽车轮毂的创新方法以及相关性能分析，旨在揭示这一领域的最新进展和应用前景。

汽车轮毂的新型复合材料设计与制造及性能分析

汽车中的驱动轮是一个圆盘或鼓，通过将扭矩转化为轮胎对地面的牵引力，从而将力传递，推动汽车行驶。

在汽车工业中，减轻重量是重要的标准，而在目前的工作中，很多研究人员开始尝试用复合材料替代金属车轮。

分析工作中考虑的复合材料包括三种不同的复合材料，即E-玻璃纤维/聚酯、碳纤维/聚酯、E-玻璃纤维/碳纤维/聚酯。

描述了最近生产的复合材料的物理和机械特性，通过使用冲击试验设备和常规硬度测试仪，确定了试样的机械特性，如冲击强度和硬度值。

为了取代当前的金属汽车车轮鼓，所创造的复合材料可以作为替代部件。

天然纤维增强聚合物复合材料在基础研究和实际应用中迅速受到欢迎，它们价格便宜、可生物降解、可完全或部分回收、可再生且可更新。

自古以来，植物一直被用作亚麻纤维、棉花、大麻、黄麻、麻类、克麻、菠萝、苎麻、竹子、香蕉等来源的纤维，以及木材等，越来越多地被用作复合材料的增强材料。

由于其可用性、可再生性、低密度、可承受性和良好的机械性能，它们是用于复合材料生产中的玻璃、碳和合成纤维的有吸引力的生态替代品。

含天然纤维的复合材料在包装、消费品、军事应用、建筑行业（天花板板材、隔断板）以及交通运输（汽车、铁路车厢和飞机）中得到应用。

纤维是一种类似毛发的物质，可以是单一的连续丝或多个较小的不连续伸长片段，可以从中纺成纱线、线和绳子。

可以将它们用作复合材料的成分，它们还可以压制成片用于纺织品、纸张和毡的生产。

纤维分为两大类，天然纤维和合成纤维，所有来自植物、动物或大地的纺织品都被视为天然纤维。

根据首次采收纤维的地点，可以将几种类型的天然纤维进行分类：动物纤维、矿物纤维、植物纤维。

动物纤维：动物纤维常常含有蛋白质，如摩西、羊毛、丝绸、羊驼毛和安哥拉毛，从毛茸茸的哺乳动物或动物身上获取的纤维。例如，来自绵羊的羊毛、山羊毛（开司米、摩西米）和羊驼毛等。

矿物纤维是天然产生的纤维，或者经过轻微修改而来自矿物的纤维。

陶瓷纤维包括玻璃纤维（包括石英和玻璃木）、氧化铝、碳化硅和碳化硼。

植物纤维：植物纤维，如棉花、黄麻、亚麻、苎麻、麻类和大麻，通常主要由纤维素组成。

通常情况下，可以通过不同的成型技术将整个聚合物复合材料成型为所需的尺寸和形状。

复合材料根据以下分区进行制造，即： i. 开放成型，ii. 封闭成型

可以使用各种技术来制造复合材料组件，尽管某些技术（如注塑成型）已经被复制，但许多其他技术是为了解决特定的设计或生产约束而创造的。

因此，材料、零件设计以及预期的使用或应用将影响选择给定零件的过程，在复合材料的生产过程中，使用各种成型方法来塑造树脂和增强材料。

在固化之前和固化过程中，未成形的树脂/纤维组合必须使用模具工具赋予形状，可以参考一般的材料、工艺和用于制造模具工具的种类。

复合材料在汽车车轮设计与制造中的应用与性能分析

在本实验研究中，使用的基体和增强材料包括：•聚酯树脂、•增强纤维 - 碳纤维和玻璃纤维、• 增强填料 - 纳米椰壳粉和飞灰

与其他树脂一样，聚酯树脂在固化过程中产生放热反应，属于热固性树脂，因此，在固化过程中过量使用催化剂可能导致炭化甚至点燃。

过量使用催化剂可能潜在地导致产品断裂或橡胶状物质的形成，碳纤维束由数千根碳纤维构成，可以单独使用或编织成织物。

碳纤维通常与其他材料混合以制造复合材料，当碳纤维浸渍塑料树脂、经过烘烤和干燥后，产生一种碳纤维增强聚合物，也称为碳纤维。

它非常坚硬，具有很高的强度重量比，但也稍微脆弱，碳纤维还与其他材料（如石墨）复合，以制造高度耐热的碳-碳增强复合材料。

玻璃纤维的机械性能与其他纤维（如聚合物纤维和碳纤维）相当，在复合材料中使用时，它比碳纤维要脆弱得多，成本也要低得多，但刚度和强度较低。

玻璃纤维被用作增强剂，用于制造玻璃纤维增强塑料（GRP），也称为“玻璃钢”，这是一种非常强大且相对轻巧的纤维增强聚合物（FRP）复合材料。

与玻璃棉相比，这种材料的气体含量要低得多，密度要高得多，提供的热隔热性能要差得多。

椰子壳是椰子油产业和私人住宅的副产品，用于制造壳粉，这种粉末具有多种用途，包括用作合成树脂胶水、酚醛模塑粉末、驱蚊线圈、胶黏剂、树脂浇铸等中的填料和延伸剂。

印度所有椰子生产州，包括喀拉拉邦、泰米尔纳德邦、卡纳塔克邦和安得拉邦，占全国产量的90%以上。

以下是常遵循的标准，自由流动、透明浅褐色粉末，含水量不超过10%，表观密度为0.6至0.7 g/cm³，灰分不得超过1.5%，筛分分析不得超过0.1%，微米颗粒可能保留在200目B.S.筛中。

混合粒径不得大于通过200目筛网的部分中的6和10 µm，作为燃烧煤的副产品，飞灰由微小颗粒组成，在英国有时被称为“粉煤灰”，与烟囱排放的烟气一起排出锅炉。

在锅炉底部积聚的灰称为底渣，在现代燃煤电厂中，烟气到达烟囱之前，经常通过静电除尘器或其他粒子过滤设备收集飞灰。

与从锅炉中清除的底灰一起，它被称为煤灰，根据燃烧的煤的来源和组成，飞灰可能具有各种组分。

然而，所有飞灰中都含有煤层岩层中存在的主要矿物化合物的大量成分：二氧化硅（SiO2）（无定形和晶体）、氧化铝（Al2O3）和氧化钙（CaO）。

纳米聚合物复合材料车轮的创新设计与性能

在一个单一的、集成的、可扩展的平台上，Pro-E提供了全面的设计、分析和生产能力。

这些能力包括实体建模、曲面建模、渲染、数据互操作性、路由系统设计、仿真等等。

车轮轮毂的设计是在Pro-E软件中完成的，具有适当的尺寸，跨度=3500毫米，厚度=250毫米，宽度=1490毫米。

此外，还使用ANSYS软件进行了几项数值分析，但在本文中没有透露，这些复合材料是采用手工层压和真空袋技术的改进适应制造的。

真空袋技术是一种夹紧技术，利用气压将粘合剂或树脂涂层的层压材料固定在一起，直到粘合剂干燥。

而手工层压是将增强材料与聚酯或环氧树脂手动结合的过程，在制造复合材料时，手工层压和真空袋技术常常一起使用。

工件首先通过手工层压工艺制成，然后放入真空袋中进行固化，为了制造复合材料，纤维被增强在不饱和异苯二甲酸聚酯树脂中。

使用传统的压缩模塑技术，制造复合板，在增强之前，将3%的甲基乙基甲酮过氧化物（MEKP）与异苯二甲酸聚酯树脂充分混合，再加入2%的萘甲酸钴（作为催化剂）。

棕榈叶柄纤维和纯树脂被用来制造具有随机定向（纤维在复合材料中的排列）的复合材料。

为了使铸件能够在室温下正确固化，它们会在约三到四小时内进行负载，计算机化的万能材料试验机经常用于进行拉伸试验。

对于拉伸试验，最常用的试样是狗骨形状和带有端标签的直边型，在这里，样品在切割成ASTM D638狗骨形状（150x10x5）之后进行测量。

在整个试验过程中，通过试样的两端施加单轴力，ASTM标准试验方法D638用于确定纤维树脂复合材料的拉伸特性。

从拉伸试验中得出的结果，包括应力、应变和位移，都会被检查。材料在负荷下承受变形的能力被称为抗弯强度。

为了确定层间剪切强度的值，复合材料样本会接受短梁剪切（SBS）测试（ILSS），这是一个3点弯曲试验，在大多数情况下有利于层间剪切破坏。

通过加载一个具有所需形状（6x6）且跨度长度至少是深度的三倍的试样来测量，用psi表示的断裂模量（MR）用于表达弯曲强度（MPa）。

冲击测试是将试验样品迅速受到冲击，以模拟材料在重载情况下的反应，在这里，使用夏比冲击试验仪进行冲击试验。

夏比冲击试验，也称为夏比V缺口试验，是一种标准化的高应变率试验，用于测量材料在破裂前吸收多少能量。

这种吸收的能量可以用来研究温度依赖的韧性-脆性转变，并评估材料的凹口韧性，样本首先被切成片，使用的是ASTM D 695标准。

在对硬材料进行洛氏硬度测试时，锥形钻石，顶角为1200，半径为0.2毫米，被用作压痕机。

对于较软的材料，通常使用1.5毫米直径的硬化钢球，有几种硬度标尺，每一种都适用于某种特定类型的材料。

最后成功地完成了使用3种不同复合材料设计和制造车轮轮毂，纳米聚合物复合材料的研究得出以下结论：

通过手工层压和真空袋技术完成了基于聚合物的复合材料制造，使用便宜的纳米级天然填料椰壳粉制备了有效的纳米聚合物复合材料，并对其力学性能进行了评估。

与不同聚合物复合材料之间的比较表明，混合纤维纳米聚合物复合材料的性能优越。

因此，基于开发的纳米聚合物复合材料的汽车车轮鼓将成为汽车上替代部件，用于推动车辆。

本文研究聚焦于使用不同类型的复合材料设计制造汽车轮毂，并深入分析了这些材料的物理和机械性能。

纳米聚合物复合材料的研究结果表明，通过合理的工艺制造，这些复合材料在汽车车轮领域具有潜在的替代价值，有望在未来的汽车工业中发挥重要作用。

这项研究为推动汽车轮毂领域的创新和发展提供了有力的支持，也为更加环保、高性能的汽车部件设计提供了新的思路和可能性。