Je uhlíkové vlákno použitelné pro brzdové kotouče? Testy Samuela.

Kotoučové rotory z karbonových vláken vzbuzují rozpaky. Pověst tohoto materiálu coby špatného odváděče tepla je ve světě ráfkových brzd oprávněná, takže je zcela namístě ptát se, zda patří do blízkosti brzdné plochy. Samuel podrobil TC-160 certifikačním testům nezávislé třetí strany, aby na tuto otázku odpověděl na základě dat.

Argument proti karbonovým ráfkovým brzdám a proč neplatí pro kotoučové rotory

Obrázek 1: Zdroj: dandyhorse.cc, snímek poškozené brzdné plochy karbonového ráfku.

Kritika zní následovně: karbonová vlákna jsou špatným vodičem tepla, a proto karbonové ráfky při dlouhodobém brzdění nedokážou odvádět teplo, což zvyšuje teplotu ráfku a může vést k jeho selhání nebo dokonce k explozi pneumatiky.

Karbonové kompozity se skládají ze 2 materiálů: karbonového vlákna a epoxidové pryskyřice, která vše drží pohromadě. 

Tepelná odolnost samotných karbonových vláken obvykle není problémem. Problém představuje spíše epoxidová pryskyřice, konkrétně její teplota skelného přechodu (Tg).

Po dosažení Tg pryskyřice změkne a konstrukce ztratí integritu.

Mnoho výrobců ráfků používá pryskyřice s vysokým Tg, na papíře dimenzované na 200-230°C, ale při výrobě vynechává kritickou fázi dodatečného vytvrzení. Bez správného dodatečného vytvrzení (obvykle 90-120 minut při zvýšené teplotě) pryskyřice nikdy nedosáhne deklarovaného Tg a k selhání může dojít už při teplotách kolem 100°C.

Dodatečné vytvrzení je v rozporu s efektivitou výroby. Je časově náročné, omezuje denní produkci a zvyšuje náklady.

Mnoho značek ráfků z pevninské Číny inzeruje vysokou produkci a nízké ceny. V mnoha případech je důvod jednoduše ten, že fáze dodatečného vytvrzení je zcela vynechána. Bez ní nelze vyrobit ráfek s vysokou teplotní odolností. To je další důvod, proč se průmysl přesunul od ráfkových ke kotoučovým brzdám, protože snaha o aerodynamicky optimalizované zapletené výplety znamená kompromis v bezpečnosti brzdění.

Obrázek 2: Aero Samuel Rotor s karbonovými žebry.

U kotoučových brzd se však tepelné zatížení karbonové konstrukce zásadně mění. Brzdná plocha je vyrobena z odděleného materiálu, obvykle z nerezové oceli nebo z kombinace ocel+hliník+ocel, jakou používá například Shimano. Karbon v kole již není součástí tepelného okruhu.

Otázka tedy zní: jak si karbonové rotory s žebry vedou při tepelném zatížení?

Nejprve se však podívejme, v čem se karbonový rotor TC-160 s žebry liší.

V čem se TC-160 liší?

TC-160 používá pryskyřici letecké kvality, včetně dodatečného vytvrzení, díky čemuž si karbonová žebra zachovávají strukturální integritu až do 350°C.

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

V kombinaci s karbonovými výztužemi se středním až vysokým modulem je rotor konstrukčně tužší než hliníkový ekvivalent, což snižuje riziko deformace rotoru vlivem tepla a následného drhnutí brzdy.

Proces dodatečného vytvrzení trvá 8-9 hodin na každou várku. Díly chladnou přirozeně uvnitř pece, aby se zabránilo vnitřnímu pnutí způsobenému rychlou změnou teploty, což omezuje produkci na jeden cyklus pece denně a pouze dva až tři cykly týdně.

Je zřejmé, proč je mnoho společností v pokušení proces dodatečného vytvrzení vynechat, aby dokázaly držet krok s poptávkou. Samuel však nezkracuje postupy a volí správné řešení, i za cenu omezení výrobní kapacity. 

Dalším bodem, který si mnoho lidí neuvědomuje, je skutečnost, že karbonová vlákna mají ve srovnání s kovem vyšší vlastní frekvenci vibrací. To znamená, že TC-160 je přirozeně méně náchylný k pískání brzd způsobenému třením při brzdění než běžné rotory s hliníkovými žebry.

Jak si TC-160 vede ve srovnání se Shimano? 

Samuel provedl testy pomocí termovizních kamer. Zobrazené barvy představují relativní teploty, nikoli absolutní teploty.

Pro zjištění absolutních teplot je nutné parametry upravit podle emisivity jednotlivých materiálů, aby bylo možné získat skutečnou teplotu v každém místě. Aktuální barevné bloky proto slouží pouze k vizuální identifikaci.

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

Obrázek 3: Termovizní snímek rotorů Dura-Ace

Obrázek 3 skutečně ukazuje vysokou tepelnou vodivost. Teplo je odváděno z brzdné plochy do hliníkových žeber, jak ukazují červeně zvýrazněná místa.

Obrázek 4: Termovizní snímek rotorů TC-160.

Karbonová žebra TC-160 mají ve srovnání s rotorem Dura-Ace skutečně nižší tepelnou vodivost, avšak:

1. Nerezové nýty ve spoji mezi karbonovými žebry a brzdnou plochou působí jako tepelná bariéra a omezují přenos tepla do karbonové konstrukce.
2. Samotný karbonový kompozit má nízkou tepelnou vodivost a vysokou tepelnou odolnost.

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

TC-160 neodvádí teplo tak účinně, ale jeho konstrukce je založena na vysoké tepelné odolnosti namísto vedení tepla, čímž snižuje riziko deformace rotoru a díky žebrům zachovává vynikající tuhost.

Jak si karbonová žebra vedou při tepelném zatížení?

Obrázek 5: Teplotní data získaná po prudkém klesání se sklonem 15 % a intenzivním brzdění.

Obrázek 6: Teplotní data získaná 10 sekund po klesání se sklonem 15 %.

Obrázek 5 ukazuje vysoké teploty na brzdné ploše z nerezové oceli, zatímco okolní oblasti zůstávají chladné, jak je patrné z chladné modré až světle zelené zóny po intenzivním brzdění při klesání se sklonem 15 %.

Obrázek 6 ukazuje, že teplota brzdné plochy z nerezové oceli postupně klesá. Mezitím se teplo z nerezových žeber pomalu přenáší do míst nýtů a rozptyluje se do horní části karbonových žeber.

To ukazuje, že vysoká teplota třecí plochy z nerezové oceli se postupně šíří žebry do místa nýtu. Proto je kolem místa nýtu vidět nazelenalá teplá oblast.

Přestože pryskyřice slouží jako médium pro akumulaci tepla, axiální hodnota tepelné vodivosti (k) karbonových vláken je stále překvapivě vysoká, takže jsou stále patrné barevné oblasti v místech, kde karbonová vlákna odvádějí teplo.

Ověření třetí stranou: zkušební protokol CHC

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

Protokol CHC potvrdil, že TC-160 splňuje požadované parametry tepelného výkonu pro kotoučové brzdové rotory.

Při testování na zkušebním stroji v reálných podmínkách překročila nerezová brzdná plocha 600°C, zatímco karbonová část s žebry dosáhla za stejných podmínek jen něco málo přes 100°C, tedy výrazně méně než její limit 350°C.

Silniční kola ve skutečnosti nemohou vytvářet třecí teploty kotoučových brzd přesahující 600°C, což potvrzuje robustnost těchto rotorů.

Varianta Aero

Verze TC-160/140 Aero používá upravený profil žeber, který minimalizuje narušení axiálního a tangenciálního proudění vzduchu. Kompromisem je o něco vyšší citlivost na boční vítr ve srovnání se standardním TC-160. Hodí se pro specializovaná aerodynamická silniční kola a triatlonová kola, kde tento kompromis dává smysl.

shrnutí

Karbonové kotoučové rotory nejsou karbonové ráfkové brzdy. Karbonové kotoučové rotory nejsou kvůli odlišné konstrukci náchylné k selháním karbonových ráfkových brzd.

Správné dodatečné vytvrzení karbonových kompozitů je zásadní a přispívá k robustnosti těchto rotorů. Za reálných podmínek proto selhání rotoru TC-160 v důsledku změknutí epoxidu jednoduše není možné, což mu umožnilo projít certifikací CHC akreditovanou Taiwan Accreditation Foundation.