هل ألياف الكربون قابلة للتطبيق في ديسكات الفرامل؟ تجارب صموئيل.
تثير أقراص المكابح المصنوعة من ألياف الكربون التساؤلات. فسمعة هذه المادة في ضعف تبديد الحرارة راسخة في عالم مكابح الحافة، لذا فمن المشروع التساؤل عما إذا كان من المناسب استخدامها بالقرب من سطح الكبح. أخضع Samuel قرص TC-160 لاختبارات اعتماد من جهة مستقلة للإجابة عن ذلك بالبيانات.
حجة مكابح الحافة المصنوعة من الكربون، ولماذا لا تنطبق على أقراص المكابح
الصورة 1: المصدر: dandyhorse.cc، صورة لمسار كبح حافة مصنوع من الكربون وقد تعرّض للتلف.
تسير الانتقادات على النحو التالي: ألياف الكربون موصل حراري ضعيف، ولذلك، عند الكبح المستمر، تفشل حواف الكربون في تبديد الحرارة، ما يزيد درجة حرارة الحافة وقد يؤدي إلى تلفها أو حتى انفجار الإطار.
تتكوّن مركّبات ألياف الكربون من مادتين: خيوط ألياف الكربون وراتنج الإيبوكسي الذي يثبتها معًا.
عادةً لا تكون مقاومة خيوط ألياف الكربون للحرارة هي المشكلة، بل راتنج الإيبوكسي، وتحديدًا درجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) الخاصة به.
عندما يصل الراتنج إلى Tg، يصبح لينًا، ويفقد الهيكل تماسكه.
يستخدم العديد من مصنّعي الحواف راتنجات ذات Tg مرتفع ومُصنّفة نظريًا عند 200-230°C، لكنهم يتجاوزون مرحلة المعالجة اللاحقة الحرجة أثناء الإنتاج. من دون المعالجة اللاحقة المناسبة (عادةً لمدة 90-120 دقيقة عند درجة حرارة مرتفعة)، لا يحقق الراتنج قيمة Tg المصنّفة له، وقد تحدث الأعطال عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 100°C.
تتعارض المعالجة اللاحقة مع سرعة الإنتاج. فهي تستغرق وقتًا، وتحد من الإنتاج اليومي، وتضيف تكلفة.
تعلن العديد من علامات الحواف الصينية في البر الرئيسي عن إنتاجية عالية وأسعار منخفضة. وفي كثير من الحالات، يعود السبب ببساطة إلى تخطي مرحلة المعالجة اللاحقة بالكامل. ومن دونها، لا يمكن إنتاج حافة مقاومة لدرجات الحرارة العالية. وهذا سبب آخر وراء انتقال القطاع من مكابح الحافة إلى المكابح القرصية، إذ إن السعي إلى إنتاج أطقم عجلات محسّنة هوائيًا يعني تقديم تنازل عن أمان الكبح.
الصورة 2: قرص Samuel الهوائي مع زعانف كربونية.
لكن مع المكابح القرصية، يتغير الحمل الحراري على الهيكل الكربوني بالكامل. فسَطح الكبح مصنوع من مادة منفصلة، عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ أو من فولاذ+ألمنيوم+فولاذ، كما هو مستخدم لدى Shimano. ولم يعد الكربون الموجود في العجلات ضمن الحلقة الحرارية.
إذًا، السؤال الآن هو: كيف تؤدي أقراص المكابح ذات الزعانف المصنوعة من ألياف الكربون تحت الحمل الحراري؟
لكن قبل ذلك، لنستكشف اختلاف قرص TC-160 ذي الزعانف المصنوعة من ألياف الكربون.
ما الذي يميز TC-160؟
يستخدم TC-160 راتنجًا بمواصفات الطيران والفضاء، مع معالجة لاحقة كاملة، ما يسمح للزعانف الكربونية بالحفاظ على تماسكها الهيكلي حتى 350°C.
وبالمقارنة، لا يتجاوز نطاق التشغيل الآمن لسبائك الألمنيوم نحو 110-120°C.
وبالاقتران مع طبقات من ألياف الكربون متوسطة إلى عالية المعامل، يكون القرص أكثر صلابة هيكليًا من نظيره المصنوع من الألمنيوم، ما يقلل خطر التواء القرص تحت تأثير الحرارة والتسبب في احتكاك المكابح.
تستغرق عملية المعالجة اللاحقة 8-9 ساعات لكل دفعة. وتبرد الأجزاء طبيعيًا داخل الفرن لتجنب الإجهادات الداخلية الناتجة عن التغير السريع في درجة الحرارة، ما يحد الإنتاج إلى دورة فرن واحدة يوميًا ودورتين إلى ثلاث دورات أسبوعيًا فقط.
يمكنك أن ترى سبب إغراء العديد من الشركات بتخطي عملية المعالجة اللاحقة لمواكبة الطلب. أما Samuel فلا يتخذ اختصارات، ويختار تنفيذ العمل بالطريقة الصحيحة، ولو كان ذلك على حساب طاقته الإنتاجية.
ومن النقاط الأخرى التي لا يعرفها كثيرون أن ألياف الكربون تتمتع بتردد اهتزاز طبيعي أعلى مقارنةً بالمعادن. وهذا يعني أن TC-160 أقل عرضة بطبيعته لصرير المكابح الناتج عن الاحتكاك أثناء الكبح، مقارنةً بالأقراص التقليدية ذات الزعانف المصنوعة من الألمنيوم.
كيف يقارن TC-160 بمنتج Shimano؟
أجرى Samuel اختبارات باستخدام كاميرات تصوير حراري. والألوان المعروضة تمثل درجات حرارة نسبية، وليست درجات حرارة مطلقة.
أما للحصول على درجات الحرارة المطلقة، فيجب ضبط المعايير بما يتوافق مع انبعاثية كل مادة للحصول على درجة الحرارة الحقيقية في كل موضع. ولذلك، فإن كتل الألوان الحالية مخصصة للتعريف البصري فقط.
توصّل الأقراص المكوّنة من قطعتين ذات تصميم الزعانف المصنوعة من الألمنيوم (مع اعتماد Shimano Dura-Ace كمرجع) الحرارة جيدًا، وتسحبها بكفاءة بعيدًا عن مسار الكبح المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ.
الصورة 3: تصوير حراري لأقراص Dura-Ace
تُظهر الصورة 3 بالفعل توصيلًا حراريًا قويًا. إذ تنتقل الحرارة من مسار الكبح إلى الزعانف المصنوعة من الألمنيوم، كما توضح الإضاءات الحمراء.
الصورة 4: تصوير حراري لأقراص TC-160.
تتمتع زعانف TC-160 الكربونية بالفعل بتوصيل حراري أقل مقارنةً بقرص Dura-Ace، إلا أن:
- تعمل المسامير المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ عند الوصلة بين الزعانف الكربونية ومسار الكبح كحاجز حراري، ما يحد من انتقال الحرارة إلى الهيكل الكربوني.
- يتمتع المركّب الكربوني نفسه بتوصيل حراري منخفض ومقاومة عالية للحرارة.
باختصار، تتمتع الزعانف المصنوعة من الألمنيوم بتوصيل حراري جيد، لكنها أقل صلابة مقارنةً بألياف الكربون.
لا يبدد TC-160 الحرارة بالكفاءة نفسها، لكن تصميمه الهيكلي قائم على مقاومة الحرارة العالية بدلًا من التوصيل الحراري، ما يقلل خطر التواء القرص من خلال الحفاظ على صلابة ممتازة عبر الزعانف.
كيف تؤدي الزعانف الكربونية تحت الحمل الحراري؟
الصورة 5: بيانات درجة الحرارة المجمّعة بعد منحدر شديد الانحدار بنسبة 15% وكبح قوي.
الصورة 6: بيانات درجة الحرارة المجمّعة بعد 10 ثوانٍ من منحدر بنسبة 15%.
تشير الصورة 5 إلى درجات حرارة مرتفعة عند مسار الكبح المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ، بينما تظل المناطق المحيطة باردة، كما يظهر في المنطقة الزرقاء/الخضراء الفاتحة الباردة بعد الكبح القوي على منحدر بنسبة 15%.
تُظهر الصورة 6 أن درجة حرارة مسار الكبح المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ تنخفض تدريجيًا. وفي الوقت نفسه، تنتقل الحرارة من الأضلاع المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ ببطء إلى نقاط المسامير، ثم تنتشر إلى الجزء العلوي من الزعانف المصنوعة من ألياف الكربون.
يشير ذلك إلى أن الحرارة العالية الناتجة عن صفيحة الاحتكاك المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ تنتشر تدريجيًا عبر الأضلاع إلى نقطة المسمار. ولذلك، تظهر بقعة دافئة مائلة إلى الأخضر حول نقطة المسمار.
وعلى الرغم من أن الراتنج يعمل كوسط لتخزين الحرارة، فإن قيمة التوصيل الحراري المحوري (k) لألياف الكربون لا تزال مرتفعة بشكل مفاجئ، ولذلك تستمر ملاحظة بقع لونية في المواضع التي تسحب فيها ألياف الكربون الحرارة بعيدًا.
التحقق من جهة مستقلة: تقرير اختبارات CHC
قدّم Samuel قرص TC-160 للاختبار المستقل من خلال CHC (مركز البحث والتطوير لصناعة الدراجات وتقنيات الصحة)، وهي جهة اختبار تايوانية حاصلة على اعتماد TAF (مؤسسة الاعتماد التايوانية). ويعني اعتماد TAF أن النتائج تحظى باعتراف دولي.
أكد تقرير CHC أن TC-160 يستوفي معايير الأداء الحراري لأقراص المكابح.
في الاختبارات الواقعية على آلة الاختبار، تجاوز سطح الكبح المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ 600°C، بينما سجّل قسم الزعانف الكربونية أكثر بقليل من 100°C في الظروف نفسها، أي أقل بكثير من حدّه البالغ 350°C.
في الواقع، لا تستطيع دراجات الطريق توليد درجات حرارة احتكاك في مكابح الأقراص تتجاوز 600°C، ما يؤكد متانة هذه الأقراص.
النسخة الهوائية
تستخدم نسخة TC-160/140 Aero شكلًا معدلًا للزعانف لتقليل اضطراب تدفق الهواء المحوري العرضي. والمقابل لذلك هو زيادة طفيفة في الحساسية للرياح الجانبية مقارنةً بـ TC-160 القياسي. وهي مناسبة لدراجات الطريق الهوائية المتخصصة وتجهيزات الترياثلون التي يكون فيها هذا التنازل منطقيًا.
الخلاصة
أقراص المكابح الكربونية ليست مكابح حافة كربونية. ولا تتعرض أقراص المكابح الكربونية للأعطال التي تصيب مكابح الحافة الكربونية، بسبب اختلاف التصميم الهندسي.
تُعد المعالجة اللاحقة المناسبة لمركّبات ألياف الكربون ضرورية، وتضيف إلى متانة هذه الأقراص، بحيث إن تعطل قرص TC-160 بسبب تليّن الإيبوكسي غير ممكن في ظروف الاستخدام الواقعية، ما سمح له باجتياز اعتماد CHC المعتمد من مؤسسة الاعتماد التايوانية.
2 تعليقات
I doubt we’ll see full carbon brake rotors on bicycles.. Full carbon brakes exhibit poor performance in cold temperatures, and cycling doesn’t generate enough heat to get them working optimally. But perhaps one day someone might design something of a hybrid…?
That is not a carbon brake rotor as such. It is just a standard rotor with a carbon spider which tansfers not heat at all. All the gibberish about the carbon is marketing fluff.