Je li karbonsko vlakno pogodno za rotore disk kočnica? Samuel testira.

Karbonски disk-rotori izazivaju podignute obrve. Reputacija ovog materijala zbog slabe disipacije topline dobro je poznata u svijetu obručnih kočnica, pa je razumno zapitati se pripada li u blizinu kočne površine. Samuel je podvrgnuo TC-160 neovisnom certificiranom testiranju kako bi na to pitanje odgovorio podacima.

Argument o karbonskim obručnim kočnicama i zašto se ne odnosi na disk-rotore

Slika 1: Izvor: dandyhorse.cc, slika oštećene kočne staze karbonskog obruča.

Kritika glasi ovako: karbonska vlakna slabi su toplinski vodič pa, pri dugotrajnom kočenju, karbonski obruči ne uspijevaju odvoditi toplinu, zbog čega raste temperatura obruča, što potencijalno može dovesti do otkaza obruča ili čak pucanja gume.

Karbonski kompoziti sastoje se od 2 materijala: filamenta karbonskih vlakana i epoksidne smole koja ih drži na okupu.

Toplinska otpornost samih karbonskih filamenata obično nije problem, već epoksidna smola, točnije njezina temperatura staklastog prijelaza (Tg).

Kada smola dosegne Tg, omekšava i struktura gubi cjelovitost.

Mnogi proizvođači obruča koriste smole s visokom Tg vrijednosti, na papiru deklarirane na 200-230°C, ali tijekom proizvodnje preskaču ključnu fazu naknadnog očvršćivanja. Bez pravilnog naknadnog očvršćivanja (obično 90-120 minuta pri povišenoj temperaturi), smola nikada ne doseže deklarirani Tg, pa se otkazi mogu pojaviti već pri temperaturama od 100°C.

Naknadno očvršćivanje nije usklađeno s proizvodnim kapacitetom. Oduzima mnogo vremena, ograničava dnevnu proizvodnju i povećava troškove.

Mnogi kineski proizvođači obruča s kontinentalnog dijela Kine oglašavaju veliku proizvodnju i niske cijene. U mnogim slučajevima razlog je jednostavno potpuno preskakanje faze naknadnog očvršćivanja. Bez nje nije moguće proizvesti obruč otporan na visoke temperature. To je još jedan razlog zbog kojeg je industrija prešla s obručnih na disk-kočnice, jer težnja za aerodinamički optimiziranim setovima kotača znači kompromis u sigurnosti kočenja.

Slika 2: Aero Samuel Rotor s karbonskim rebrima.

Međutim, kod disk-kočnica toplinsko opterećenje karbonske strukture potpuno je drukčije. Kočna površina izrađena je od zasebnog materijala, obično od nehrđajućeg čelika ili čelika+aluminija+čelika, kao kod modela Shimano. Karbon u kotačima više nije dio toplinskog kruga.

Stoga se postavlja pitanje: kako se karbonski disk-rotori s rebrima ponašaju pod toplinskim opterećenjem?

No najprije pogledajmo po čemu se TC-160 s karbonskim vlaknima i rebrima razlikuje.

Po čemu se TC-160 razlikuje?

TC-160 koristi smolu zrakoplovne kvalitete, uz potpuno naknadno očvršćivanje, što karbonskim rebrima omogućuje očuvanje strukturne cjelovitosti do 350°C.

Za usporedbu, aluminijske legure imaju siguran raspon rada od približno 110-120°C.

U kombinaciji s laminatima karbonskih vlakana srednjeg do visokog modula, rotor je strukturno krući od ekvivalentnog aluminijskog rotora, čime se smanjuje rizik od deformacije rotora pod utjecajem topline i posljedičnog struganja kočnice.

Postupak naknadnog očvršćivanja traje 8-9 sati po seriji. Dijelovi se prirodno hlade unutar peći kako bi se izbjegla unutarnja naprezanja uzrokovana naglom promjenom temperature, što ograničava proizvodnju na jedan ciklus peći dnevno i samo dva do tri ciklusa tjedno.

Jasno je zašto su mnoge tvrtke u iskušenju preskočiti postupak naknadnog očvršćivanja kako bi pratile potražnju. Samuel, međutim, ne traži prečace i bira ispravan postupak, na štetu vlastitog proizvodnog kapaciteta.

Još jedna činjenica s kojom mnogi nisu upoznati jest da karbonska vlakna imaju višu prirodnu frekvenciju vibracija u usporedbi s metalom. To znači da je TC-160 po prirodi manje sklon škripanju kočnica uzrokovanom trenjem pri kočenju nego uobičajeni rotori s aluminijskim rebrima.

Kako se TC-160 uspoređuje sa Shimano?

Samuel je proveo testiranja termografskim kamerama. Prikazane boje predstavljaju relativne temperature, a ne apsolutne temperature.

Za apsolutne temperature parametre je potrebno prilagoditi emisivnosti svakog materijala kako bi se dobila stvarna temperatura na svakoj lokaciji. Stoga su trenutačni blokovi boja namijenjeni samo vizualnoj identifikaciji.

Dvodijelni rotori s aluminijskim rebrima (kao referenca korišten je Shimano Dura-Ace) dobro provode toplinu i učinkovito je odvode od kočne staze od nehrđajućeg čelika.

Slika 3: Termografski prikaz rotora Dura-Ace

Slika 3 doista pokazuje visoku toplinsku vodljivost. Toplina se odvodi s kočne staze na aluminijska rebra, što je prikazano crvenim oznakama.

Slika 4: Termografski prikaz rotora TC-160.

Karbonska rebra TC-160 doista imaju slabiju toplinsku vodljivost u usporedbi s rotorom Dura-Ace, međutim:

1. Zakovice od nehrđajućeg čelika na spoju karbonskih rebara i kočne staze djeluju kao toplinska barijera i ograničavaju prijenos topline u karbonsku strukturu.
2. Sam karbonski kompozit ima slabu toplinsku vodljivost i visoku toplinsku otpornost.

Ukratko, aluminijska rebra imaju dobru toplinsku vodljivost, ali su manje kruta u usporedbi s karbonskim vlaknima.

TC-160 ne odvodi toplinu jednako učinkovito, ali njegova je konstrukcija usmjerena na visoku toplinsku otpornost, a ne na provođenje topline, čime se smanjuje rizik od deformacije rotora zahvaljujući izvrsnoj krutosti rebara.

Kako se karbonska rebra ponašaju pod toplinskim opterećenjem?

Slika 5: Podaci o temperaturi prikupljeni nakon strmog nagiba od 15% i snažnog kočenja.

Slika 6: Podaci o temperaturi prikupljeni 10 sekundi nakon nagiba od 15%.

Slika 5 pokazuje visoke temperature na kočnoj stazi od nehrđajućeg čelika, dok okolna područja ostaju hladna, što je vidljivo u hladnoj plavoj/svijetlozelenoj zoni nakon snažnog kočenja niz nagib od 15%.

Slika 6 pokazuje da se temperatura kočne staze od nehrđajućeg čelika postupno smanjuje. U međuvremenu se toplina na rebrima od nehrđajućeg čelika polako prenosi do točaka zakovica i širi prema vrhu karbonskih rebara.

To pokazuje da se visoka toplina frikcijske ploče od nehrđajućeg čelika postupno širi kroz rebra do točke zakovice. Zato se oko točke zakovice može vidjeti zelenkasta topla zona.

Iako je smola medij za pohranu topline, vrijednost aksijalne toplinske vodljivosti (k) karbonskih vlakana i dalje je iznenađujuće visoka, pa se zone boje i dalje vide na mjestima gdje karbonska vlakna odvode toplinu.

Potvrda neovisnog tijela: izvještaj o testiranju CHC

Samuel je poslao TC-160 na neovisno testiranje putem CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), tajvanskog tijela za testiranje s TAF (Taiwan Accreditation Foundation) akreditacijom. TAF akreditacija znači da rezultati imaju međunarodno priznanje.

Izvještaj CHC-a potvrdio je da TC-160 ispunjava referentne vrijednosti toplinskih svojstava za disk-kočione rotore.

U testiranju u stvarnim uvjetima na testnom stroju, kočna površina od nehrđajućeg čelika premašila je 600°C, dok je dio s karbonskim rebrima u istim uvjetima izmjerio tek nešto više od 100°C, što je znatno ispod granice od 350°C.

U stvarnosti cestovni bicikli ne mogu proizvesti temperature trenja disk-kočnica veće od 600°C, što potvrđuje robusnost ovih rotora.

Aero varijanta

Aero verzija TC-160/140 koristi modificirani profil rebara kako bi se smanjilo narušavanje aksijalnog tangencijalnog strujanja zraka. Kompromis je nešto veća osjetljivost na bočni vjetar u odnosu na standardni TC-160. Odgovara namjenskim aero cestovnim biciklima i triatlonskim konfiguracijama u kojima takav kompromis ima smisla.

Sažetak

Karbonski disk-rotori nisu karbonske obručne kočnice. Karbonski disk-rotori nisu podložni kvarovima karbonskih obručnih kočnica zbog razlike u konstrukciji.

Pravilno naknadno očvršćivanje karbonskih kompozita ključno je i pridonosi robusnosti ovih rotora, tako da je u stvarnim uvjetima otkaz TC-160 rotora zbog omekšane epoksidne smole jednostavno nemoguć, što mu omogućuje prolazak CHC certifikacije, akreditirane pri Taiwan Accreditation Foundation.