Είναι οι ανθρακονημάτινοι δίσκοι φρένων βιώσιμοι; Δοκιμές από τον Samuel.

Οι δίσκοι φρένων από ανθρακονήματα προκαλούν προβληματισμό. Η φήμη του υλικού για χαμηλή απαγωγή θερμότητας είναι απολύτως δικαιολογημένη στον κόσμο των φρένων στεφάνης, επομένως είναι εύλογο να αναρωτηθεί κανείς αν έχει θέση κοντά σε μια επιφάνεια πέδησης. Ο Samuel υπέβαλε τον TC-160 σε δοκιμές πιστοποίησης από ανεξάρτητο φορέα, ώστε να απαντήσει με δεδομένα.

Το επιχείρημα κατά των ανθρακονημάτινων φρένων στεφάνης και γιατί δεν ισχύει για τους δίσκους φρένων

Εικόνα 1: Πηγή: dandyhorse.cc, εικόνα κατεστραμμένης επιφάνειας πέδησης ανθρακονημάτινου στεφανιού.

Η κριτική έχει ως εξής: τα ανθρακονήματα είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας και, επομένως, κατά το παρατεταμένο φρενάρισμα, τα ανθρακονημάτινα στεφάνια δεν αποβάλλουν αποτελεσματικά τη θερμότητα, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του στεφανιού και ενδεχομένως οδηγώντας σε αστοχία του στεφανιού ή ακόμη και σε εκρήξεις ελαστικών.

Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα αποτελούνται από 2 υλικά: νήματα ανθρακονημάτων και εποξική ρητίνη για τη συγκράτηση όλων των επιμέρους στοιχείων. 

Συνήθως, το πρόβλημα δεν είναι η αντοχή των ίδιων των νημάτων ανθρακονημάτων στη θερμότητα, αλλά η εποξική ρητίνη, και συγκεκριμένα η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης (Tg).

Όταν η ρητίνη φτάσει στη Tg, μαλακώνει και η δομή χάνει την ακεραιότητά της.

Πολλοί κατασκευαστές στεφανιών χρησιμοποιούν ρητίνες υψηλής Tg, με ονομαστική αντοχή στους 200-230°C, αλλά παραλείπουν το κρίσιμο στάδιο μετεπεξεργασίας κατά την παραγωγή. Χωρίς σωστή μετεπεξεργασία (συνήθως 90-120 λεπτά σε αυξημένη θερμοκρασία), η ρητίνη δεν επιτυγχάνει ποτέ την ονομαστική Tg και μπορούν να προκύψουν αστοχίες σε θερμοκρασίες έως και 100°C.

Η μετεπεξεργασία έρχεται σε σύγκρουση με την παραγωγική δυναμικότητα. Απαιτεί χρόνο, περιορίζει την ημερήσια παραγωγή και αυξάνει το κόστος.

Πολλές κινεζικές μάρκες στεφανιών της ηπειρωτικής Κίνας διαφημίζουν υψηλή παραγωγή και χαμηλές τιμές. Σε πολλές περιπτώσεις, ο λόγος είναι απλώς ότι το στάδιο της μετεπεξεργασίας παραλείπεται εντελώς. Χωρίς αυτό, δεν είναι δυνατή η παραγωγή στεφανιού με υψηλή αντοχή στη θερμοκρασία. Αυτός είναι ακόμη ένας λόγος για τον οποίο η βιομηχανία μετακινήθηκε από τα φρένα στεφάνης στα δισκόφρενα, καθώς η επιδίωξη αεροδυναμικά βελτιστοποιημένων τροχών συνεπάγεται συμβιβασμούς στην ασφάλεια πέδησης.

Εικόνα 2: Aero Samuel Rotor με πτερύγια από ανθρακονήματα.

Ωστόσο, στα δισκόφρενα, το θερμικό φορτίο σε μια ανθρακονημάτινη δομή μεταβάλλεται πλήρως. Η επιφάνεια πέδησης είναι κατασκευασμένη από διαφορετικό υλικό, συνήθως ανοξείδωτο χάλυβα ή χάλυβα+αλουμίνιο+χάλυβα, όπως στην περίπτωση της Shimano. Τα ανθρακονήματα στους τροχούς δεν συμμετέχουν πλέον στο θερμικό κύκλωμα.

Το ερώτημα τώρα είναι: πώς αποδίδουν οι δίσκοι με πτερύγια από ανθρακονήματα υπό θερμικό φορτίο;

Πρώτα, όμως, ας εξετάσουμε πώς διαφέρει ο δίσκος με πτερύγια από ανθρακονήματα TC-160.

Σε τι διαφέρει ο TC-160;

Ο TC-160 χρησιμοποιεί ρητίνη αεροδιαστημικού τύπου, με πλήρη μετεπεξεργασία, επιτρέποντας στα πτερύγια από ανθρακονήματα να διατηρούν τη δομική τους ακεραιότητα έως τους 350°C.

Συγκριτικά, τα κράματα αλουμινίου έχουν ασφαλές εύρος λειτουργίας μόνο περίπου 110-120°C.

Σε συνδυασμό με στρώσεις ανθρακονημάτων μεσαίου έως υψηλού μέτρου ελαστικότητας, ο δίσκος είναι δομικά πιο άκαμπτος από έναν αντίστοιχο δίσκο αλουμινίου, μειώνοντας τον κίνδυνο στρέβλωσης του δίσκου υπό θερμότητα, η οποία προκαλεί επαφή με τα τακάκια.

Η διαδικασία μετεπεξεργασίας διαρκεί 8-9 ώρες ανά παρτίδα. Τα εξαρτήματα ψύχονται φυσικά μέσα στον φούρνο, ώστε να αποφεύγονται οι εσωτερικές τάσεις από την απότομη μεταβολή θερμοκρασίας, γεγονός που περιορίζει την παραγωγή σε έναν κύκλο φούρνου την ημέρα και μόνο δύο έως τρεις κύκλους την εβδομάδα.

Είναι εύκολο να καταλάβει κανείς γιατί πολλές εταιρείες μπαίνουν στον πειρασμό να παραλείψουν τη διαδικασία μετεπεξεργασίας για να ανταποκριθούν στη ζήτηση. Ο Samuel, όμως, δεν κάνει συντομεύσεις και επιλέγει να κάνει τα πράγματα σωστά, εις βάρος της παραγωγικής του δυναμικότητας. 

Ένα ακόμη σημείο που πολλοί δεν γνωρίζουν είναι ότι τα ανθρακονήματα έχουν υψηλότερη φυσική συχνότητα ταλάντωσης σε σύγκριση με τα μέταλλα. Αυτό σημαίνει ότι ο TC-160 είναι εκ φύσεως λιγότερο επιρρεπής στο σφύριγμα των φρένων που προκαλείται από την τριβή κατά το φρενάρισμα, σε σχέση με τους συμβατικούς δίσκους με πτερύγια αλουμινίου.

Πώς συγκρίνεται ο TC-160 με τη Shimano; 

Ο Samuel πραγματοποίησε δοκιμές με θερμικές κάμερες. Τα χρώματα που εμφανίζονται αντιπροσωπεύουν σχετικές θερμοκρασίες και όχι απόλυτες θερμοκρασίες.

Για τις απόλυτες θερμοκρασίες, οι παράμετροι πρέπει να προσαρμοστούν ώστε να αντιστοιχούν στην εκπεμπτικότητα κάθε υλικού, προκειμένου να ληφθεί η πραγματική θερμοκρασία σε κάθε σημείο. Επομένως, οι τρέχουσες χρωματικές ζώνες χρησιμοποιούνται μόνο για οπτική αναγνώριση.

Οι δίσκοι δύο τεμαχίων με πτερύγια αλουμινίου (με αναφορά τον Shimano Dura-Ace) μεταφέρουν καλά τη θερμότητα, απομακρύνοντάς την αποτελεσματικά από την επιφάνεια πέδησης ανοξείδωτου χάλυβα.

Εικόνα 3: Θερμική απεικόνιση των δίσκων Dura-Ace

Η Εικόνα 3 δείχνει πράγματι υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Η θερμότητα μεταφέρεται από την επιφάνεια πέδησης στα πτερύγια αλουμινίου, όπως φαίνεται από τις κόκκινες περιοχές.

Εικόνα 4: Θερμική απεικόνιση των δίσκων TC-160.

Τα πτερύγια ανθρακονημάτων του TC-160 έχουν πράγματι χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα σε σύγκριση με τον δίσκο Dura-Ace, ωστόσο:

1. Τα πριτσίνια από ανοξείδωτο χάλυβα στη σύνδεση μεταξύ των πτερυγίων ανθρακονημάτων και της επιφάνειας πέδησης λειτουργούν ως θερμικό φράγμα, περιορίζοντας τη μεταφορά θερμότητας στη δομή από ανθρακονήματα.
2. Το ίδιο το σύνθετο υλικό από ανθρακονήματα έχει χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και υψηλή αντοχή στη θερμότητα.

Με λίγα λόγια, τα πτερύγια αλουμινίου έχουν καλή θερμική αγωγιμότητα, αλλά είναι λιγότερο άκαμπτα σε σύγκριση με τα ανθρακονήματα.

Ο TC-160 δεν αποβάλλει τη θερμότητα εξίσου αποτελεσματικά, όμως η δομική σχεδίαση βασίζεται στην υψηλή αντοχή στη θερμότητα αντί στη θερμική αγωγιμότητα, μειώνοντας τον κίνδυνο στρέβλωσης του δίσκου διατηρώντας εξαιρετική ακαμψία σε όλο το μήκος των πτερυγίων.

Πώς αποδίδουν τα πτερύγια ανθρακονημάτων υπό θερμικό φορτίο;

Εικόνα 5: Δεδομένα θερμοκρασίας που συλλέχθηκαν μετά από απότομη κλίση 15% και έντονο φρενάρισμα.

Εικόνα 6: Δεδομένα θερμοκρασίας που συλλέχθηκαν 10 δευτερόλεπτα μετά από κλίση 15%.

Η Εικόνα 5 δείχνει υψηλές θερμοκρασίες στην επιφάνεια πέδησης από ανοξείδωτο χάλυβα, ενώ οι γύρω περιοχές παραμένουν ψυχρές, όπως φαίνεται από την ψυχρή μπλε/ανοιχτοπράσινη ζώνη μετά από έντονο φρενάρισμα σε κατηφόρα 15%.

Η Εικόνα 6 δείχνει ότι η θερμοκρασία της επιφάνειας πέδησης από ανοξείδωτο χάλυβα μειώνεται σταδιακά. Παράλληλα, η θερμότητα στις νευρώσεις από ανοξείδωτο χάλυβα μεταφέρεται αργά στα σημεία των πριτσινιών και διαχέεται προς το πάνω μέρος των πτερυγίων ανθρακονημάτων.

Αυτό δείχνει ότι η υψηλή θερμότητα της πλάκας τριβής από ανοξείδωτο χάλυβα διαχέεται σταδιακά μέσω των νευρώσεων προς το σημείο του πριτσινιού. Επομένως, γύρω από το σημείο του πριτσινιού εμφανίζεται μια πρασινωπή θερμή περιοχή.

Παρότι η ρητίνη λειτουργεί ως μέσο αποθήκευσης θερμότητας, η αξονική θερμική αγωγιμότητα (k) των ανθρακονημάτων παραμένει εκπληκτικά υψηλή, επομένως εξακολουθούν να παρατηρούνται χρωματικές περιοχές στα σημεία όπου η θερμότητα απομακρύνεται μέσω των ανθρακονημάτων.

Ανεξάρτητη επικύρωση: Έκθεση δοκιμών CHC

Ο Samuel υπέβαλε τον TC-160 σε ανεξάρτητες δοκιμές μέσω του CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), ενός ταϊβανέζικου φορέα δοκιμών με διαπίστευση TAF (Taiwan Accreditation Foundation). Η διαπίστευση TAF σημαίνει ότι τα αποτελέσματα αναγνωρίζονται διεθνώς.

Η έκθεση του CHC επιβεβαίωσε ότι ο TC-160 πληροί τα σημεία αναφοράς θερμικής απόδοσης για δίσκους φρένων.

Σε δοκιμές πραγματικών συνθηκών στο μηχάνημα δοκιμών, η επιφάνεια πέδησης από ανοξείδωτο χάλυβα ξεπέρασε τους 600°C, ενώ το τμήμα με τα πτερύγια ανθρακονημάτων μετρήθηκε λίγο πάνω από τους 100°C υπό τις ίδιες συνθήκες, αρκετά κάτω από το όριο των 350°C.

Στην πραγματικότητα, τα ποδήλατα δρόμου δεν μπορούν να δημιουργήσουν θερμοκρασίες τριβής στα δισκόφρενα που να ξεπερνούν τους 600°C, γεγονός που επιβεβαιώνει την ανθεκτικότητα αυτών των δίσκων.

Η έκδοση Aero

Η έκδοση TC-160/140 Aero χρησιμοποιεί τροποποιημένο προφίλ πτερυγίων, ώστε να ελαχιστοποιείται η διαταραχή της αξονικής εφαπτομενικής ροής αέρα. Το αντάλλαγμα είναι ελαφρώς αυξημένη ευαισθησία στους πλευρικούς ανέμους σε σύγκριση με τον τυπικό TC-160. Ταιριάζει σε ποδήλατα δρόμου αποκλειστικά aero και σε διαμορφώσεις τριάθλου, όπου αυτός ο συμβιβασμός έχει νόημα.

Σύνοψη

Οι ανθρακονημάτινοι δίσκοι φρένων δεν είναι ανθρακονημάτινα φρένα στεφάνης. Οι ανθρακονημάτινοι δίσκοι φρένων δεν είναι ευάλωτοι στις αστοχίες των ανθρακονημάτινων φρένων στεφάνης, λόγω της διαφορετικής μηχανολογικής σχεδίασης.

Η σωστή μετεπεξεργασία των σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα είναι απαραίτητη και ενισχύει την ανθεκτικότητα αυτών των δίσκων, έτσι ώστε, υπό πραγματικές συνθήκες, η αστοχία του δίσκου TC-160 λόγω μαλακωμένης εποξικής ρητίνης να είναι πρακτικά αδύνατη, επιτρέποντάς του να περάσει την πιστοποίηση CHC, η οποία είναι διαπιστευμένη από το Taiwan Accreditation Foundation.