Je uhlíkové vlákno použitelné pro brzdové kotouče? Testy Samuela.

Kotoučové rotory z uhlíkových vláken budí pozornost. Pověst materiálu ohledně špatného odvodu tepla je ve světě ráfkových brzd zasloužená, takže je oprávněné se ptát, zda patří do blízkosti brzdné plochy. Samuel podrobil TC-160 certifikačním testům třetích stran, aby na tuto otázku odpověděl daty.

Argumentace proti ráfkovým brzdám z uhlíkových vláken a proč to neplatí u kotoučových rotorů

Obrázek 1: Zdroj: dandyhorse.cc, obrázek selhané brzdné plochy karbonového ráfku.

Kritika zní následovně: uhlíkové vlákno je špatný tepelný vodič, a proto při dlouhodobém brzdění uhlíkové ráfky nedokáží odvádět teplo, což zvyšuje teplotu ráfku a potenciálně vede k selhání ráfku nebo dokonce k prasknutí pneumatiky.

Kompozity z uhlíkových vláken se skládají ze 2 materiálů: vlákna z uhlíkových vláken a epoxidové pryskyřice, která je drží pohromadě.

Tepelná odolnost samotných vláken z uhlíkových vláken obvykle není problémem, ale spíše epoxidová pryskyřice, konkrétně její teplota skelného přechodu (Tg).

Když pryskyřice dosáhne Tg, změkne a struktura ztrácí integritu.

Mnoho výrobců ráfků používá pryskyřice s vysokou Tg, které jsou na papíře dimenzovány na 200–230 °C, ale při výrobě vynechávají kritickou fázi následného vytvrzování. Bez řádného následného vytvrzování (obvykle 90–120 minut při zvýšené teplotě) pryskyřice nikdy nedosáhne své jmenovité Tg a k selhání může dojít při teplotách již od 100 °C.

Následné vytvrzování je v rozporu s výrobní propustností. Je časově náročné, omezuje denní výkon a zvyšuje náklady.

Mnoho značek ráfků z pevninské Číny inzeruje vysokou produkci a nízké ceny. V mnoha případech je důvodem jednoduše to, že je fáze následného vytvrzování zcela vynechána. Bez ní nelze vyrobit ráfek s vysokou tepelnou odolností. To je další důvod, proč se průmysl přesunul z ráfkových brzd na kotoučové brzdy, jelikož snaha o aerodynamicky optimalizované sady kol znamená kompromisy v bezpečnosti brzdění.

Obrázek 2: Aero rotor Samuel s karbonovými žebry.

Avšak, u kotoučových brzd se tepelné zatížení uhlíkové struktury zcela mění. Brzdná plocha je vyrobena z jiného materiálu, obvykle z nerezové oceli nebo oceli+hliníku+oceli, jak to dělá Shimano. Uhlík v kolech již není součástí tepelného cyklu.

Nyní se tedy naskýtá otázka: jak si vedou kotouče s žebry z uhlíkových vláken pod tepelným zatížením?

Nejprve se ale podívejme, v čem se kotouč s žebry z uhlíkových vláken TC-160 liší.

Čím se TC-160 liší?

TC-160 používá leteckou pryskyřici, s kompletním následným vytvrzením, což umožňuje uhlíkovým lamelám udržet strukturální integritu až do 350 °C.

Pro srovnání, hliníkové slitiny mají bezpečný provozní rozsah kolem 110-120 °C.

V kombinaci s vrstvením uhlíkových vláken se středním až vysokým modulem je rotor strukturálně tužší než hliníkový ekvivalent, čímž se snižuje riziko deformace rotoru vlivem tepla, která způsobuje tření brzd.

Proces následného vytvrzování trvá 8-9 hodin na dávku. Díly se přirozeně ochlazují uvnitř pece, aby se zabránilo vnitřním napětím z rychlé změny teploty, což omezuje výkon na jeden cyklus pece denně a pouze dva až tři cykly týdně.

Je zřejmé, proč je mnoho společností v pokušení přeskočit proces následného vytvrzování, aby udržely krok s poptávkou. Samuel však nedělá zkratky a rozhodl se dělat věci správně, na úkor své výrobní kapacity.

Dalším bodem, se kterým mnoho lidí není obeznámeno, je, že uhlíkové vlákno má vyšší přirozenou frekvenci vibrací ve srovnání s kovem. To znamená, že TC-160 je ze své podstaty méně náchylný k vrzání brzd způsobenému třením během brzdění, než běžné rotory s hliníkovými žebry.

Jak si TC-160 stojí ve srovnání s Shimano?

Samuel provedl testy s termokamerami. Zobrazené barvy jsou relativní teploty, nikoli absolutní teploty.

Pro absolutní teploty je nutné upravit parametry tak, aby odpovídaly emisivitě každého materiálu a získala se tak skutečná teplota v každém místě. Současné barevné bloky slouží tedy pouze pro vizuální identifikaci.

Dvoudílné rotory s hliníkovými žebry (Shimano Dura-Ace jako reference) dobře vedou teplo a účinně ho odvádějí od brzdné plochy z nerezové oceli.

Obrázek 3: Termální snímání rotorů Dura-Ace

Obrázek 3 skutečně ukazuje silnou tepelnou vodivost. Teplo je odváděno z brzdné plochy na hliníkové lamely, jak ukazují červené zvýraznění.

Obrázek 4: Termální snímky rotorů TC-160.

Uhlíkové lamely TC-160 mají skutečně nižší tepelnou vodivost ve srovnání s rotorem Dura-Ace, nicméně:

1. Nerezové nýty na spoji mezi uhlíkovými lamelami a brzdnou plochou působí jako tepelná bariéra, omezující přenos tepla do uhlíkové struktury.
2. Samotný uhlíkový kompozit má nízkou tepelnou vodivost a vysokou tepelnou odolnost.

Stručně řečeno, hliníková žebra mají dobrou tepelnou vodivost, ale jsou méně tuhá ve srovnání s uhlíkovými vlákny.

TC-160 neodvádí teplo tak efektivně, ale konstrukční řešení je založeno spíše na vysoké tepelné odolnosti než na tepelné vodivosti, čímž se snižuje riziko deformace rotoru díky zachování vynikající tuhosti žeber.

Jak si karbonová žebra vedou pod tepelným zatížením?

Obrázek 5: Teplotní data shromážděná po prudkém 15% svahu a intenzivním brzdění.

Obrázek 6: Teplotní data shromážděná 10 sekund po 15% svahu.

Obrázek 5 ukazuje vysoké teploty na brzdné dráze z nerezové oceli, zatímco okolní oblasti zůstávají chladné, jak je vidět v chladné modré/světle zelené zóně po intenzivním brzdění z 15% sklonu.

Obrázek 6 ukazuje, že teplota brzdné dráhy z nerezové oceli postupně klesá. Mezitím se teplo na nerezových žebrech pomalu přenáší do bodů nýtů a rozptyluje se na vrchol uhlíkových lamel.

To naznačuje, že vysoké teplo nerezové třecí desky se postupně šíří přes žebra až k bodu nýtů. Proto je kolem bodu nýtů viditelná nazelenalá teplá skvrna.

Ačkoli pryskyřice je médium pro ukládání tepla, axiální tepelná vodivost (k) uhlíkového vlákna je stále překvapivě vysoká, takže barevné skvrny jsou stále pozorovány tam, kde je teplo odváděno uhlíkovým vláknem.

Ověření třetí stranou: Zkušební zpráva CHC

Samuel předložil TC-160 k nezávislému testování prostřednictvím CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), taiwanského zkušebního orgánu s akreditací TAF (Taiwan Accreditation Foundation). Akreditace TAF znamená, že výsledky mají mezinárodní uznání.

Zpráva CHC potvrdila, že TC-160 splňuje výkonnostní požadavky na brzdové kotouče z hlediska tepelné odolnosti.

Při reálných testech na zkušebním stroji brzdná plocha z nerezové oceli překročila 600 °C, zatímco část s karbonovými žebry naměřila za stejných podmínek něco málo přes 100 °C, což je výrazně pod jejím limitem 350 °C.

Ve skutečnosti silniční kola nemohou generovat brzdné teploty kotoučů přesahující 600 °C, což potvrzuje robustnost těchto kotoučů.

Aero varianta

Verze TC-160/140 Aero používá upravený profil žeber k minimalizaci axiálně tangenciálního narušení proudění vzduchu. Kompromisem je mírně zvýšená citlivost na boční vítr oproti standardnímu TC-160. Hodí se pro specializovaná aero silniční kola a triatlonové sestavy, kde má tento kompromis smysl.

Shrnutí

Karbonové kotoučové rotory nejsou karbonové ráfkové brzdy. Karbonové kotoučové rotory nejsou náchylné k selhání karbonových ráfkových brzd kvůli rozdílům v konstrukci.

Správné následné vytvrzování kompozitů z uhlíkových vláken je nezbytné a zvyšuje robustnost těchto rotorů, takže za reálných podmínek selhání rotoru TC-160 v důsledku změkčené epoxidové pryskyřice prostě není možné, což mu umožnilo projít certifikací CHC, akreditovanou Taiwanskou akreditační nadací.