هل ألياف الكربون قابلة للتطبيق في ديسكات الفرامل؟ تجارب صموئيل.

تثير دوارات أقراص ألياف الكربون دهشةً. فسمعة المادة في ضعف تبديد الحرارة أمرٌ مُثبت في عالم فرامل الجنوط، لذا من الإنصاف التساؤل عما إذا كانت هذه المادة مناسبة بالقرب من سطح الكبح. وقد أخضع صامويل دوار TC-160 لاختبارات اعتماد من طرف ثالث للإجابة على هذا السؤال بالبيانات.

حجة فرامل الجنوط الكربونية، ولماذا لا تنطبق على دوارات الأقراص

صورة 1: المصدر: dandyhorse.cc، صورة لمسار فرامل جنط كربوني فاشل.

يتمثل الانتقاد في أن ألياف الكربون موصل ضعيف للحرارة، وبالتالي، تحت الكبح المستمر، تفشل الجنوط الكربونية في تبديد الحرارة، مما يزيد من درجة حرارة الجنط وقد يؤدي إلى فشل الجنط أو حتى انفجار الإطار.

تتكون مركبات ألياف الكربون من مادتين: خيوط ألياف الكربون وراتنج الإيبوكسي الذي يربطها ببعضها البعض.

عادةً ما لا تكون مقاومة الحرارة لخيوط ألياف الكربون نفسها هي المشكلة، بل راتنج الإيبوكسي، وتحديداً درجة حرارة انتقاله الزجاجي (Tg).

عندما يصل الراتنج إلى درجة حرارة الانتقال الزجاجي، فإنه يلين ويفقد الهيكل تماسكه.

يستخدم العديد من مصنعي الجنوط راتنجات ذات درجة حرارة انتقال زجاجي عالية مصنفة لتصل إلى 200-230 درجة مئوية على الورق، لكنهم يتجاهلون مرحلة المعالجة اللاحقة الحاسمة أثناء الإنتاج. بدون معالجة لاحقة مناسبة (عادةً من 90 إلى 120 دقيقة عند درجة حرارة مرتفعة)، لا يحقق الراتنج درجة حرارة الانتقال الزجاجي المصنفة له، وقد تحدث أعطال عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 100 درجة مئوية.

تتعارض المعالجة اللاحقة مع إنتاجية الإنتاج. فهي تستغرق وقتاً طويلاً، وتحد من الإنتاج اليومي، وتضيف تكلفة.

تعلن العديد من ماركات الجنوط الصينية عن إنتاج عالٍ وأسعار منخفضة. في كثير من الحالات، يعود السبب ببساطة إلى تخطي مرحلة المعالجة اللاحقة تماماً. وبدونها، لا يمكنك إنتاج جنط بمقاومة عالية للحرارة. وهذا سبب آخر لتحول الصناعة من فرامل الجنوط إلى فرامل الأقراص، حيث أن السعي للحصول على مجموعات عجلات محسنة ديناميكياً هو بمثابة التنازل عن سلامة الكبح.

صورة 2: دوار صامويل إيرو بزعانف كربونية.

ومع ذلك، مع فرامل الأقراص، يتغير الحمل الحراري على هيكل الكربون بالكامل. فسطح الكبح مادة منفصلة، وعادة ما يكون من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ + الألومنيوم + الفولاذ، كما هو الحال في شيمانو. فلم يعد الكربون في العجلات ضمن الحلقة الحرارية.

والآن، السؤال هو: كيف تتصرف دوارات الكربون ذات الزعانف تحت الحمل الحراري؟

ولكن أولاً، دعنا نستكشف كيف يختلف دوار TC-160 المصنوع من ألياف الكربون ذات الزعانف.

ما الذي يميز TC-160؟

يستخدم TC-160 راتنجات من درجة الفضاء الجوي، مع معالجة لاحقة كاملة، مما يسمح للزعانف الكربونية بالحفاظ على سلامتها الهيكلية حتى 350 درجة مئوية.

بالمقارنة، تتمتع سبائك الألومنيوم بنطاق تشغيل آمن يبلغ حوالي 110-120 درجة مئوية فقط.

بالإضافة إلى طبقات ألياف الكربون ذات معامل متوسط إلى عالي، يكون الدوار أكثر صلابة هيكلياً من مكافئه المصنوع من الألومنيوم، مما يقلل من خطر التواء الدوار تحت الحرارة، مما يتسبب في احتكاك الفرامل.

تستمر عملية المعالجة اللاحقة لمدة 8-9 ساعات لكل دفعة. وتبرد الأجزاء بشكل طبيعي داخل الفرن لتجنب الإجهادات الداخلية الناتجة عن التغير السريع في درجة الحرارة، مما يحد من الإنتاج إلى دورة فرن واحدة يومياً ودورتين إلى ثلاث دورات فقط في الأسبوع.

يمكنك أن ترى لماذا يميل العديد من الشركات إلى تخطي عملية المعالجة اللاحقة لمواكبة الطلب. ومع ذلك، لا يتبع صامويل طرقاً مختصرة ويختار القيام بالأمور بالطريقة الصحيحة، على حساب قدرته الإنتاجية.

نقطة أخرى لا يعرفها الكثيرون هي أن ألياف الكربون لديها تردد اهتزاز طبيعي أعلى مقارنة بالمعدن. وهذا يعني أن TC-160 أقل عرضة بطبيعتها لصرير الفرامل الناتج عن الاحتكاك أثناء الكبح، مقارنة بالدوارات العادية ذات الزعانف الألومنيومية.

كيف يقارن TC-160 بـ Shimano؟

أجرى صامويل اختبارات باستخدام كاميرات التصوير الحراري. الألوان المعروضة هي درجات حرارة نسبية، وليست درجات حرارة مطلقة.

بالنسبة لدرجات الحرارة المطلقة، يجب تعديل المعلمات لتتوافق مع انبعاثية كل مادة من أجل الحصول على درجة الحرارة الحقيقية في كل موقع. وبالتالي، فإن كتل الألوان الحالية هي لأغراض تحديد الهوية البصرية فقط.

تتميز الدوارات المكونة من قطعتين بتصميمات زعانف من الألومنيوم (Shimano Dura-Ace كمرجع) بتوصيل جيد للحرارة، مما يسحبها بعيداً عن مسار الكبح المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ بكفاءة.

صورة 3: تصوير حراري لدوارات Dura-Ace

تُظهر الصورة 3 بالفعل توصيل حراري قوي. تُسحب الحرارة من مسار الفرامل إلى زعانف الألومنيوم، كما يتضح من الإبرازات الحمراء.

صورة 4: تصوير حراري لدوارات TC-160.

تتميز زعانف الكربون في TC-160 بالفعل بتوصيل حراري أقل مقارنة بدوار Dura-Ace، ومع ذلك:

1. تعمل المسامير الفولاذية المقاومة للصدأ عند نقطة الالتقاء بين الزعانف الكربونية ومسار الفرامل كحاجز حراري، مما يحد من انتقال الحرارة إلى هيكل الكربون.
2. يتميز مركب الكربون نفسه بتوصيل حراري منخفض ومقاومة عالية للحرارة.

باختصار، تتمتع الزعانف الألومنيومية بتوصيل حراري جيد ولكنها أقل صلابة مقارنة بألياف الكربون.

لا يبدد TC-160 الحرارة بنفس الكفاءة، ولكن التصميم الهيكلي مبني على مقاومة عالية للحرارة بدلاً من التوصيل الحراري، مما يقلل من خطر تشوه الدوار من خلال الحفاظ على صلابة ممتازة عبر الزعانف.

كيف تتصرف الزعانف الكربونية تحت الحمل الحراري؟

صورة 5: بيانات درجة الحرارة التي تم جمعها بعد نزول منحدر شديد بنسبة 15% وكبح شديد.

صورة 6: بيانات درجة الحرارة التي تم جمعها بعد 10 ثوانٍ من منحدر 15%.

تشير الصورة 5 إلى درجات حرارة عالية في مسار الفرامل المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ، بينما تظل المناطق المحيطة باردة، كما يظهر في المنطقة الزرقاء الباردة/الخضراء الفاتحة بعد الكبح الشديد على منحدر بنسبة 15%.

تُظهر الصورة 6 أن درجة حرارة مسار الفرامل المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ تتناقص تدريجياً. وفي الوقت نفسه، تنتقل الحرارة عند أضلاع الفولاذ المقاوم للصدأ ببطء إلى نقاط التثبيت وتنتشر إلى أعلى زعانف ألياف الكربون.

يشير هذا إلى أن الحرارة العالية للوحة الاحتكاك المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ تنتشر تدريجياً عبر الأضلاع إلى نقطة التثبيت. ولذلك، يمكن رؤية بقعة دافئة مخضرة حول نقطة التثبيت.

على الرغم من أن الراتنج وسط لتخزين الحرارة، إلا أن قيمة التوصيل الحراري المحوري (k) لألياف الكربون لا تزال عالية بشكل مدهش، لذا لا تزال تُلاحظ بقع الألوان حيث يتم سحب الحرارة بواسطة ألياف الكربون.

التحقق من طرف ثالث: تقرير اختبار CHC

قدم صامويل دوار TC-160 لاختبار مستقل من خلال CHC (مركز البحث والتطوير لصناعة الدراجات والصحة)، وهي هيئة اختبار تايوانية معتمدة من TAF (مؤسسة الاعتماد التايوانية). ويعني اعتماد TAF أن النتائج تتمتع باعتراف دولي.

أكد تقرير CHC أن TC-160 يلبي معايير الأداء الحراري لدوارات أقراص الفرامل.

في الاختبارات العملية على جهاز الاختبار، تجاوز سطح الكبح المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ 600 درجة مئوية، بينما بلغ قياس قسم الزعنفة الكربونية أكثر بقليل من 100 درجة مئوية تحت نفس الظروف، وهو أقل بكثير من حدها البالغ 350 درجة مئوية.

في الواقع، لا يمكن لدراجات الطريق توليد درجات حرارة احتكاك لفرامل الأقراص تتجاوز 600 درجة مئوية، مما يؤكد متانة هذه الدوارات.

النسخة الديناميكية الهوائية (Aero)

تستخدم نسخة TC-160/140 Aero شكلاً معدلاً للزعانف لتقليل اضطراب تدفق الهواء المماسي المحوري. والمقايضة هي زيادة طفيفة في حساسية الرياح الجانبية مقارنة بـ TC-160 القياسي. إنها تناسب دراجات الطريق الهوائية المخصصة وإعدادات الترياثلون حيث تكون هذه المقايضة منطقية.

ملخص

دوارات أقراص الكربون ليست فرامل جنط كربونية. دوارات أقراص الكربون ليست عرضة لأعطال فرامل جنط الكربون بسبب الاختلاف في الهندسة.

تعتبر المعالجة اللاحقة السليمة لمركبات ألياف الكربون ضرورية وتضيف إلى متانة هذه الدوارات، بحيث لا يمكن، في الظروف الواقعية، حدوث فشل في دوار TC-160 بسبب تلين الإيبوكسي، مما يسمح له باجتياز شهادة CHC، المعتمدة من مؤسسة الاعتماد التايوانية.