Er kulfiber velegnet til skivebremserotorer? Samuel tester.

Bremseskiver i carbonfibre vækker opsigt. Materialets ry for dårlig varmeafledning er velfortjent i fælgbremseverdenen, så det er et rimeligt spørgsmål, om det hører hjemme nær en bremseflade. Samuel lod TC-160 gennemgå certificeringstest hos en uafhængig tredjepart for at besvare spørgsmålet med data.

Argumentet om carbonfælgbremser – og hvorfor det ikke gælder for skivebremserotorer

Billede 1: Kilde: dandyhorse.cc, billede af et defekt carbonbremsefelt på en fælg.

Kritikken lyder sådan: Carbonfibre er en dårlig varmeleder, og under vedvarende opbremsning kan carbonfælge derfor ikke aflede varmen effektivt. Det øger fælgtemperaturen og kan potentielt føre til fælgsvigt eller endda dæksprængninger.

Carbonfibre-kompositter består af 2 materialer: carbonfibertråde og den epoxyharpiks, der holder det hele sammen. 

Det er normalt ikke selve carbonfibertrådenes varmebestandighed, der er problemet, men snarere epoxyharpiksen, nærmere bestemt dens glasovergangstemperatur (Tg).

Når harpiksen når Tg, bliver den blød, og konstruktionen mister sin integritet.

Mange fælgproducenter anvender harpikser med høj Tg, som på papiret er klassificeret til 200-230°C, men springer det kritiske efterhærdningstrin over under produktionen. Uden korrekt efterhærdning (typisk 90-120 minutter ved forhøjet temperatur) opnår harpiksen aldrig sin nominelle Tg, og svigt kan opstå ved temperaturer helt ned til 100°C.

Efterhærdning er i konflikt med produktionskapaciteten. Det er tidskrævende, begrænser den daglige produktion og øger omkostningerne.

Mange kinesiske fælgmærker fra fastlandet reklamerer med høj produktion og lave priser. I mange tilfælde skyldes det ganske enkelt, at efterhærdningstrinnet helt springes over. Uden det kan man ikke fremstille en fælg med høj temperaturbestandighed. Det er endnu en grund til, at branchen skiftede fra fælgbremser til skivebremser, da jagten på aerodynamisk optimerede hjulsæt indebærer kompromiser med bremsesikkerheden.

Billede 2: Aero Samuel Rotor med carbonfinner.

Men med skivebremser ændres varmebelastningen på en carbonkonstruktion fuldstændigt. Bremsefladen er fremstillet af et separat materiale, typisk rustfrit stål eller stål+aluminium+stål, som hos Shimano. Carbonmaterialet i hjulene er ikke længere en del af den termiske kreds.

Spørgsmålet er derfor: Hvordan klarer carbonfiberrotorer med finner sig under termisk belastning?

Men først ser vi på, hvad der adskiller TC-160 carbonfiberrotoren med finner.

Hvad adskiller TC-160?

TC-160 anvender harpiks i aerospace-kvalitet med fuld efterhærdning, så carbonfinnerne bevarer deres strukturelle integritet op til 350°C.

Til sammenligning har aluminiumslegeringer kun et sikkert driftsområde på omkring 110-120°C.

Kombineret med carbonfiberlag i mellem til høj modulus er rotoren strukturelt stivere end en tilsvarende rotor i aluminium, hvilket reducerer risikoen for, at rotoren slår sig ved varme og forårsager bremseskrab.

Efterhærdningsprocessen varer 8-9 timer pr. batch. Delene afkøles naturligt inde i ovnen for at undgå indre spændinger som følge af hurtige temperaturændringer, hvilket begrænser produktionen til én ovncyklus om dagen og kun to til tre cyklusser om ugen.

Det er let at forstå, hvorfor mange virksomheder fristes til at springe efterhærdningsprocessen over for at følge med efterspørgslen. Samuel tager imidlertid ikke genveje og vælger at gøre tingene korrekt, selv om det sker på bekostning af produktionskapaciteten. 

Et andet forhold, som mange ikke kender, er, at carbonfibre har en højere naturlig vibrationsfrekvens end metal. Det betyder, at TC-160 i sig selv er mindre tilbøjelig til at frembringe bremseskrig forårsaget af friktion under opbremsning end almindelige rotorer med aluminiumsfinner.

Hvordan klarer TC-160 sig sammenlignet med Shimano? 

Samuel udførte tests med termiske kameraer. De viste farver angiver relative temperaturer, ikke absolutte temperaturer.

For at måle absolutte temperaturer skal parametrene justeres, så de svarer til hvert materiales emissivitet, for at opnå den faktiske temperatur på hvert sted. De aktuelle farvefelter er derfor kun beregnet til visuel identifikation.

To-delte rotorer med aluminiumsfinner (Shimano Dura-Ace som reference) leder varmen effektivt væk fra bremsefladen i rustfrit stål.

Billede 3: Termisk billeddannelse af Dura-Ace-rotorerne

Billede 3 viser tydeligt en høj varmeledningsevne. Varmen ledes fra bremsefladen til aluminiumsfinnerne, som vist med de røde markeringer.

Billede 4: Termisk billeddannelse af TC-160-rotorer.

TC-160's carbonfinner har ganske vist lavere varmeledningsevne end Dura-Ace-rotoren, men:

1. Nitter i rustfrit stål ved samlingen mellem carbonfinnerne og bremsefladen fungerer som en termisk barriere, der begrænser varmeoverførslen til carbonkonstruktionen.
2. Selve carbonkompositten har lav varmeledningsevne og høj varmebestandighed.

Kort sagt har aluminiumsfinner god varmeledningsevne, men er mindre stive end carbonfibre.

TC-160 afleder ikke varmen lige så effektivt, men den strukturelle konstruktion er baseret på høj varmebestandighed snarere end varmeledning, hvilket reducerer risikoen for, at rotoren slår sig, ved at bevare en fremragende stivhed gennem finnerne.

Hvordan klarer carbonfinnerne sig under termisk belastning?

Billede 5: Temperaturdata indsamlet efter en stejl stigning på 15% og kraftig opbremsning.

Billede 6: Temperaturdata indsamlet 10 sekunder efter en stigning på 15%.

Billede 5 viser høje temperaturer ved bremsefladen i rustfrit stål, mens de omkringliggende områder stadig er kølige, som det fremgår af det kølige blå/lysegrønne område efter kraftig opbremsning ned ad en 15% stigning.

Billede 6 viser, at temperaturen på bremsefladen i rustfrit stål gradvist falder. Samtidig overføres varmen i ribberne af rustfrit stål langsomt til nittepunkterne og diffunderer til toppen af carbonfinnerne.

Det viser, at den høje varme fra friktionspladen i rustfrit stål gradvist spredes gennem ribberne til nittepunktet. Derfor kan der ses et grønligt varmt område omkring nittepunktet.

Selv om harpiksen fungerer som et varmelagrende medium, er carbonfiberens aksiale varmeledningsevne (k)-værdi stadig overraskende høj, så der kan fortsat observeres farvefelter dér, hvor carbonfiberen leder varmen væk.

Tredjepartsvalidering: CHC-testrapport

Samuel indsendte TC-160 til uafhængig test gennem CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), et taiwanesisk testorgan med TAF (Taiwan Accreditation Foundation)-akkreditering. TAF-akkreditering betyder, at resultaterne er internationalt anerkendte.

CHC-rapporten bekræftede, at TC-160 opfylder benchmarks for termisk ydeevne for skivebremserotorer.

Ved test i den virkelige verden på testmaskinen oversteg bremsefladen i rustfrit stål 600°C, mens carbonfindelen målte lidt over 100°C under de samme forhold, langt under dens grænse på 350°C.

I praksis kan racercykler ikke skabe friktionstemperaturer ved skivebremser på over 600°C, hvilket bekræfter disse rotors robusthed.

Aero-varianten

TC-160/140 Aero-versionen anvender en modificeret finneprofil for at minimere forstyrrelser i den aksiale og tangentielle luftstrøm. Kompromiset er en lidt øget følsomhed over for sidevind sammenlignet med standard TC-160. Den egner sig til dedikerede aerodynamiske racercykler og triatlonopsætninger, hvor kompromiset giver mening.

Opsummering

Carbon-skivebremserotorer er ikke carbonfælgbremser. Carbon-skivebremserotorer er ikke udsat for de samme svigt som carbonfælgbremser på grund af forskellene i konstruktionen.

Korrekt efterhærdning af carbonfiberkompositter er afgørende og bidrager til disse rotors robusthed, så et svigt i TC-160 på grund af blødgjort epoxy under virkelige forhold ganske enkelt ikke er muligt. Det gjorde det muligt for rotoren at bestå CHC-certificeringen, som er akkrediteret af Taiwan Accreditation Foundation.