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

Οι δίσκοι ανθρακονήματος προκαλούν εντυπώσεις. Η φήμη του υλικού για κακή απαγωγή θερμότητας είναι δικαιολογημένη στον κόσμο των φρένων στεφάνης, οπότε είναι εύλογο να αναρωτηθούμε αν ανήκει κοντά σε μια επιφάνεια πέδησης. Η Samuel υπέβαλε το TC-160 σε δοκιμές πιστοποίησης από τρίτους για να απαντήσει σε αυτό με δεδομένα.

Το επιχείρημα για τα φρένα στεφάνης από ανθρακονήματα, και γιατί δεν ισχύει για τους δίσκους

Εικόνα 1: Πηγή: dandyhorse.cc, εικόνα μιας αποτυχημένης επιφάνειας φρένων στεφάνης από ανθρακονήματα.

Η κριτική έχει ως εξής: το ανθρακόνημα είναι κακός θερμικός αγωγός, και έτσι, κάτω από συνεχή πέδηση, οι ζάντες από ανθρακονήματα δεν διαχέουν τη θερμότητα, αυξάνοντας τη θερμοκρασία της ζάντας και δυνητικά οδηγώντας σε αστοχία της ζάντας ή ακόμα και σε σκασίματα ελαστικών.

Τα σύνθετα υλικά ανθρακοτεμαχιδίων αποτελούνται από 2 υλικά: ίνα άνθρακα και την ρητίνη εποξειδίου για να συγκρατήσει όλα αυτά μαζί.

Η αντοχή στη θερμότητα των ίδιων των ινών άνθρακα συνήθως δεν είναι το πρόβλημα, αλλά μάλλον, η εποξειδική ρητίνη, ειδικά η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασής της (Tg).

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

Πολλοί κατασκευαστές ζαντών χρησιμοποιούν ρητίνες υψηλής Tg με ονομαστική τιμή 200-230°C στα χαρτιά, αλλά παραλείπουν το κρίσιμο στάδιο μετα-σκλήρυνσης (post-cure) κατά την παραγωγή. Χωρίς σωστή μετα-σκλήρυνση (συνήθως 90-120 λεπτά σε αυξημένη θερμοκρασία), η ρητίνη δεν επιτυγχάνει ποτέ την ονομαστική της Tg, και μπορεί να συμβούν αστοχίες σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο 100°C.

Η μετα-σκλήρυνση συγκρούεται με την παραγωγική ικανότητα. Είναι χρονοβόρα, περιορίζει την ημερήσια παραγωγή και προσθέτει κόστος.

Πολλές κινεζικές μάρκες ζαντών διαφημίζουν υψηλή απόδοση και χαμηλές τιμές. Σε πολλές περιπτώσεις, ο λόγος είναι απλά ότι το στάδιο της μετα-σκλήρυνσης παραλείπεται εντελώς. Χωρίς αυτό, δεν μπορείς να παράγεις μια ζάντα με υψηλή αντοχή στη θερμοκρασία. Αυτός είναι ένας ακόμη λόγος που η βιομηχανία μετατοπίστηκε από τα φρένα στεφάνης στα δισκόφρενα, καθώς η αναζήτηση αεροδυναμικά βελτιστοποιημένων τροχών σημαίνει συμβιβασμό στην ασφάλεια πέδησης.

Εικόνα 2: Αεροδυναμικός ρότορας Samuel με πτερύγια από ανθρακόνημα.

Ωστόσο, με τα δισκόφρενα, το θερμικό φορτίο σε μια δομή από ανθρακόνημα αλλάζει εντελώς. Η επιφάνεια πέδησης είναι ένα ξεχωριστό υλικό, συνήθως ανοξείδωτος χάλυβας ή χάλυβας+αλουμίνιο+χάλυβας, όπως γίνεται από τη Shimano. Το ανθρακόνημα στους τροχούς δεν βρίσκεται πλέον στον θερμικό βρόχο.

Τώρα λοιπόν, το ερώτημα είναι: πώς αποδίδουν οι δίσκοι με πτερύγια από ανθρακόνημα υπό θερμικό φορτίο;

Αλλά πρώτα, ας εξερευνήσουμε πώς διαφέρει ο δίσκος με πτερύγια από ανθρακόνημα TC-160.

Τι διαφορετικό έχει το TC-160;

Το TC-160 χρησιμοποιεί ρητίνη αεροδιαστημικής ποιότητας, με πλήρη μετα-σκλήρυνση, επιτρέποντας στα ανθρακονημάτινα πτερύγια να διατηρούν τη δομική ακεραιότητα μέχρι τους 350°C.

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

Σε συνδυασμό με στρώσεις ανθρακονημάτων μέτριου έως υψηλού συντελεστή ελαστικότητας, ο δίσκος είναι δομικά πιο άκαμπτος από ένα αντίστοιχο αλουμινίου, μειώνοντας τον κίνδυνο στρέβλωσης του δίσκου υπό θερμότητα, που προκαλεί τριβή στα φρένα.

Η διαδικασία μετα-σκλήρυνσης διαρκεί 8-9 ώρες ανά παρτίδα. Τα εξαρτήματα ψύχονται φυσικά μέσα στον φούρνο για να αποφευχθούν εσωτερικές καταπονήσεις από την ταχεία αλλαγή θερμοκρασίας, γεγονός που περιορίζει την παραγωγή σε έναν κύκλο φούρνου την ημέρα και μόνο δύο έως τρεις κύκλους την εβδομάδα.

Μπορείτε να καταλάβετε γιατί πολλές εταιρείες μπαίνουν στον πειρασμό να παραλείψουν τη διαδικασία μετα-σκλήρυνσης για να ανταποκριθούν στη ζήτηση. Ο Samuel, ωστόσο, δεν επιλέγει τις συντομεύσεις και επιλέγει να κάνει τα πράγματα με τον σωστό τρόπο, εις βάρος της παραγωγικής τους ικανότητας.

Ένα άλλο σημείο με το οποίο πολλοί άνθρωποι δεν είναι εξοικειωμένοι είναι ότι το ανθρακόνημα έχει υψηλότερη φυσική συχνότητα δόνησης σε σύγκριση με το μέταλλο. Αυτό σημαίνει ότι ο TC-160 είναι εγγενώς λιγότερο επιρρεπής σε τριγμούς φρένων που προκαλούνται από την τριβή κατά την πέδηση, σε σχέση με τους κανονικούς δίσκους με πτερύγια αλουμινίου.

Πώς συγκρίνεται το TC-160 με τη Shimano;

Η Samuel έκανε δοκιμές με κάμερες θερμικής απεικόνισης. Τα χρώματα που εμφανίζονται είναι σχετικές θερμοκρασίες, όχι απόλυτες θερμοκρασίες.

Για απόλυτες θερμοκρασίες, οι παράμετροι πρέπει να ρυθμιστούν ώστε να αντιστοιχούν στην εκπομπή κάθε υλικού προκειμένου να ληφθεί η πραγματική θερμοκρασία σε κάθε θέση. Ως εκ τούτου, τα τρέχοντα χρωματικά μπλοκ είναι μόνο για οπτικούς σκοπούς αναγνώρισης.

Οι δίσκοι δύο τεμαχίων με σχέδια από πτερύγια αλουμινίου (ως αναφορά η Shimano Dura-Ace) αγωγούν τη θερμότητα καλά, απομακρύνοντάς την αποτελεσματικά από την επιφάνεια πέδησης από ανοξείδωτο χάλυβα.

Εικόνα 3: Θερμική απεικόνιση των δίσκων Dura-Ace

Η εικόνα 3 δείχνει πράγματι ισχυρή θερμική αγωγιμότητα. Η θερμότητα μεταφέρεται από την επιφάνεια πέδησης στα πτερύγια αλουμινίου, όπως φαίνεται από τις κόκκινες ενδείξεις.

Εικόνα 4: Θερμική απεικόνιση των δίσκων TC-160.

Τα ανθρακονημάτινα πτερύγια του TC-160 έχουν πράγματι χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα σε σύγκριση με το ρότορα Dura-Ace, ωστόσο:

1. Οι ανοξείδωτες καρφίτσες στη διασταύρωση μεταξύ των ανθρακονημάτινων πτερυγίων και της επιφάνειας πέδησης λειτουργούν ως θερμικό φράγμα, περιορίζοντας τη μεταφορά θερμότητας στην ανθρακονημάτινη δομή.
2. Το ίδιο το σύνθετο υλικό από ανθρακόνημα έχει χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και υψηλή αντίσταση στη θερμότητα.

Εν ολίγοις, τα πτερύγια αλουμινίου έχουν καλή θερμική αγωγιμότητα αλλά είναι λιγότερο άκαμπτα σε σύγκριση με το ανθρακόνημα.

Το TC-160 δεν διαχέει τη θερμότητα τόσο αποτελεσματικά, αλλά ο δομικός σχεδιασμός είναι κατασκευασμένος με γνώμονα την υψηλή αντοχή στη θερμότητα και όχι την αγωγιμότητα της θερμότητας, μειώνοντας τον κίνδυνο στρέβλωσης του δίσκου διατηρώντας εξαιρετική ακαμψία μέσω των πτερυγίων.

Πώς αποδίδουν τα ανθρακονημάτινα πτερύγια υπό θερμικό φορτίο;

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

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

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

Η Εικόνα 6 δείχνει ότι η θερμοκρασία της επιφάνειας πέδησης από ανοξείδωτο χάλυβα μειώνεται σταδιακά. Εν τω μεταξύ, η θερμότητα στις νευρώσεις από ανοξείδωτο χάλυβα μεταφέρεται αργά στα σημεία των καρφιών και διαχέεται στην κορυφή των ανθρακονημάτινων πτερυγίων.

Αυτό υποδηλώνει ότι η υψηλή θερμότητα της πλάκας τριβής από ανοξείδωτο χάλυβα διαδίδεται σταδιακά μέσω των νευρώσεων στο σημείο του πριτσίνι. Επομένως, ένα πρασινωπό θερμό σημείο μπορεί να παρατηρηθεί γύρω από το σημείο του πριτσίνι.

Αν και η ρητίνη είναι μέσο αποθήκευσης θερμότητας, η αξονική θερμική αγωγιμότητα (k)-τιμή της ίνας άνθρακα είναι ακόμα εκπληκτικά υψηλή, οπότε παρατηρούνται ακόμα χρωματικές κηλίδες όπου η θερμότητα απομακρύνεται από την ίνα άνθρακα.

Επικύρωση από Τρίτους: Έκθεση Δοκιμών CHC

Η Samuel υπέβαλε το 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 έχουν διεθνή αναγνώριση.

Η έκθεση της CHC επιβεβαίωσε ότι το TC-160 πληροί τα πρότυπα θερμικής απόδοσης για τους δίσκους φρένων.

Σε πραγματικές δοκιμές στη μηχανή δοκιμών, η επιφάνεια πέδησης από ανοξείδωτο χάλυβα ξεπέρασε τους 600°C, ενώ το τμήμα των ανθρακονημάτινων πτερυγίων μετρήθηκε μόλις πάνω από 100°C υπό τις ίδιες συνθήκες, πολύ κάτω από το όριο των 350°C.

Στην πραγματικότητα, τα ποδήλατα δρόμου δεν μπορούν να παράγουν θερμοκρασίες τριβής δισκόφρενων που να ξεπερνούν τους 600°C, επικυρώνοντας την ανθεκτικότητα αυτών των δίσκων.

Η αεροδυναμική έκδοση

Η έκδοση TC-160/140 Aero χρησιμοποιεί τροποποιημένο προφίλ πτερυγίου για να ελαχιστοποιήσει τη διαταραχή της αξονικής εφαπτομενικής ροής αέρα. Ο συμβιβασμός είναι μια ελαφρώς αυξημένη ευαισθησία στον πλευρικό άνεμο σε σχέση με το τυπικό TC-160. Ταιριάζει σε εξειδικευμένα αεροδυναμικά ποδήλατα δρόμου και σε ρυθμίσεις τριάθλου όπου αυτός ο συμβιβασμός έχει νόημα.

Περίληψη

Οι δίσκοι άνθρακα δεν είναι φρένα ζάντας άνθρακα. Οι δίσκοι άνθρακα δεν είναι ευάλωτοι στις αστοχίες των φρένων ζάντας άνθρακα λόγω της διαφοράς στη μηχανική κατασκευή.

Η σωστή μετα-σκλήρυνση των σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα είναι απαραίτητη και συμβάλλει στην ανθεκτικότητα αυτών των δίσκων, έτσι ώστε υπό πραγματικές συνθήκες, η αστοχία του δίσκου TC-160 λόγω μαλακωμένης εποξειδικής ρητίνης είναι απλώς αδύνατη, επιτρέποντάς του να περάσει την πιστοποίηση CHC, διαπιστευμένη από το Ίδρυμα Διαπίστευσης της Ταϊβάν.