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

Diskovi rotori od karbonskih vlakana izazivaju podignute obrve. Reputacija materijala za loše odvođenje topline dobro je poznata u svijetu kočnica s obručima, pa je pošteno zapitati se pripada li blizu kočne površine. Samuel je TC-160 podvrgnuo testiranju certifikacije treće strane kako bi na to odgovorio podacima.

Argument za karbonske obruče kočnica i zašto se ne odnosi na disk rotore

Slika 1: Izvor: dandyhorse.cc, slika uništene karbonske kočne staze obruča.

Kritika ide ovako: karbonska vlakna su loš toplinski vodič, i stoga, pri duljem kočenju, karbonski obruči ne uspijevaju odvesti toplinu, povećavajući temperaturu obruča i potencijalno dovodeći do otkazivanja obruča ili čak pucanja guma.

Kompoziti od karbonskih vlakana sastoje se od 2 materijala: filamenata karbonskih vlakana i epoksidne smole koja sve drži zajedno.

Otpornost na toplinu samih filamenata karbonskih vlakana obično nije problem, već epoksidna smola, posebno njezina temperatura staklastog prijelaza (Tg).

Kada smola dosegne Tg, omekšava i struktura gubi cjelovitost.

Mnogi proizvođači naplataka koriste smole visokog Tg-a, deklarirane na 200-230°C, ali preskaču kritičnu fazu naknadnog očvršćavanja tijekom proizvodnje. Bez pravilnog naknadnog očvršćavanja (obično 90-120 minuta na povišenoj temperaturi), smola nikada ne postiže deklarirani Tg, a do kvara može doći pri temperaturama već od 100°C.

Naknadno očvršćavanje je u sukobu s propusnošću proizvodnje. To je dugotrajno, ograničava dnevnu proizvodnju i povećava troškove.

Mnoge kineske marke naplataka reklamiraju visoku proizvodnju i niske cijene. U mnogim slučajevima, razlog je jednostavno to što se faza naknadnog očvršćavanja potpuno preskače. Bez toga ne možete proizvesti naplatak s visokom otpornošću na toplinu. To je još jedan razlog zašto se industrija prebacila s kočnica na naplatcima na disk kočnice, jer potraga za aerodinamički optimiziranim setovima kotača znači kompromis oko sigurnosti kočenja.

Slika 2: Aero Samuel rotor s karbonskim perajima.

Međutim, kod disk kočnica, toplinsko opterećenje na karbonsku strukturu potpuno se mijenja. Kočna površina je zaseban materijal, obično nehrđajući čelik ili čelik+aluminij+čelik, kako to radi Shimano. Ugljik u kotačima više nije u toplinskoj petlji.

Dakle, sada se postavlja pitanje: kako karbonski rotori s perajima rade pod toplinskim opterećenjem?

Ali prvo, pogledajmo po čemu se TC-160 rotor s perajima od karbonskih vlakana razlikuje.

Po čemu se TC-160 razlikuje?

TC-160 koristi smole zrakoplovne kvalitete, potpune s naknadnim očvršćavanjem, što omogućuje karbonskim perajima da zadrže strukturni integritet do 350°C.

U usporedbi, aluminijske legure imaju siguran radni raspon od oko 110-120°C.

U kombinaciji sa slojevima karbonskih vlakana srednjeg do visokog modula, rotor je strukturno čvršći od aluminijskog ekvivalenta, smanjujući rizik od savijanja rotora pod toplinom, što uzrokuje trenje kočnica.

Proces naknadnog očvršćavanja traje 8-9 sati po seriji. Dijelovi se prirodno hlade unutar pećnice kako bi se izbjegla unutarnja naprezanja od naglih promjena temperature, što ograničava proizvodnju na jedan ciklus pećnice dnevno i samo dva do tri ciklusa tjedno.

Možete vidjeti zašto mnoge tvrtke dolaze u iskušenje da preskoče proces naknadnog očvršćavanja kako bi pratile potražnju. Samuel, međutim, ne koristi prečace i odlučuje se stvari raditi na pravi način, na štetu svog proizvodnog kapaciteta.

Još jedna točka s kojom mnogi ljudi nisu upoznati je da karbonska vlakna imaju veću prirodnu frekvenciju vibracija u usporedbi s metalom. To znači da je TC-160 inherentno manje sklon škripanju kočnica uzrokovanom trenjem tijekom kočenja, nego obični rotori s aluminijskim perajima.

Kako se TC-160 uspoređuje sa Shimanom?

Samuel je provodio testove s termovizijskim kamerama. Prikazane boje su relativne temperature, a ne apsolutne temperature.

Za apsolutne temperature, parametri se moraju prilagoditi kako bi odgovarali emisivnosti svakog materijala kako bi se dobila prava temperatura na svakom mjestu. Stoga su trenutni blokovi boja samo za vizualnu identifikaciju.

Dvodijelni rotori s aluminijskim perajima (Shimano Dura-Ace kao referenca) dobro provode toplinu, učinkovito je odvodeći s kočne staze od nehrđajućeg čelika.

Slika 3: Termalni prikaz Dura-Ace rotora

Slika 3 doista pokazuje jaku toplinsku vodljivost. Toplina se odvodi s kočnog traga na aluminijska peraja, kao što pokazuju crveni naglasci.

Slika 4: Termalni prikaz TC-160 rotora.

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

1. Zakivci od nehrđajućeg čelika na spoju između karbonskih peraja i kočnog traga djeluju kao toplinska barijera, ograničavajući prijenos topline u karbonsku strukturu.
2. Karbonski kompozit sam po sebi ima nisku toplinsku vodljivost i visoku otpornost na toplinu.

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

TC-160 ne rasipa toplinu tako učinkovito, ali strukturni dizajn izgrađen je oko visoke otpornosti na toplinu, a ne na provođenje topline, smanjujući rizik od savijanja rotora održavajući izvrsnu krutost kroz peraja.

Kako se karbonska peraja ponašaju pod toplinskim opterećenjem?

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

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

Slika 5 prikazuje visoke temperature na kočnom tragu od nehrđajućeg čelika, dok okolna područja ostaju hladna, kao što je prikazano u hladnoj plavo/svijetlozelenoj zoni nakon snažnog kočenja niz nagib od 15%.

Slika 6 prikazuje da se temperatura kočnog traga od nehrđajućeg čelika postupno smanjuje. U međuvremenu, toplina na rebrima od nehrđajućeg čelika polako se prenosi na točke zakivanja i širi se na vrh peraja od karbonskih vlakana.

To ukazuje na to da se visoka toplina frikcijske ploče od nehrđajućeg čelika postupno širi kroz rebra do točke zakivanja. Stoga se oko točke zakivanja može vidjeti zelenkasta topla mrlja.

Iako je smola medij za pohranu topline, aksijalna toplinska vodljivost (k)-vrijednost karbonskih vlakana i dalje je iznenađujuće visoka, tako da se još uvijek promatraju mrlje u boji gdje se toplina odvodi karbonskim vlaknima.

Validacija treće strane: CHC izvješće o testiranju

Samuel je poslao TC-160 na neovisno testiranje putem CHC-a (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.

CHC izvješće potvrdilo je da TC-160 ispunjava mjerila toplinske performanse za rotore disk kočnica.

U stvarnim testiranjima na ispitnom stroju, kočna površina od nehrđajućeg čelika prešla je 600°C, dok je dio karbonskih peraja mjerio nešto više od 100°C pod istim uvjetima, znatno ispod svoje granice od 350°C.

U stvarnosti, cestovni bicikli ne mogu generirati temperature trenja disk kočnica koje prelaze 600°C, što potvrđuje robusnost ovih rotora.

Aero varijanta

Aero verzija TC-160/140 koristi modificirani profil peraja kako bi se minimizirao aksijalni tangencijalni poremećaj protoka zraka. Kompromis je malo povećana osjetljivost na bočni vjetar u usporedbi sa standardnim TC-160. Odgovara namjenskim aero cestovnim biciklima i triatlonskim postavkama gdje taj kompromis ima smisla.

Sažetak

Karbonski diskovi rotori nisu karbonske kočnice s obručima. Karbonski diskovi rotori nisu podložni kvarovima karbonskih kočnica s obručima zbog razlike u inženjerstvu.

Pravilno naknadno očvršćavanje kompozita od karbonskih vlakana je ključno i doprinosi robusnosti ovih rotora, tako da u stvarnim uvjetima, kvar TC-160 rotora zbog omekšale epoksidne smole jednostavno nije moguć, što mu omogućuje prolazak CHC certifikacije, akreditirane od strane Tajvanske zaklade za akreditaciju.