카본 파이버 디스크 브레이크 로터, 실용적일까? 사무엘의 테스트.

카본 파이버 디스크 로터는 눈길을 끕니다. 열 방출이 잘 되지 않는다는 이 소재의 명성은 림 브레이크 세계에서 잘 알려져 있으므로, 브레이크 표면 근처에 사용해도 되는지에 대한 의문을 갖는 것은 당연합니다. 사무엘은 TC-160을 제3자 인증 테스트에 통과시켜 데이터로 그 답을 얻었습니다.

카본 림 브레이크 논쟁과 디스크 로터에는 해당되지 않는 이유

이미지 1: 출처: dandyhorse.cc, 파손된 카본 림 브레이크 트랙 이미지.

비판은 이렇습니다. 카본 파이버는 열 전도율이 낮아서 지속적인 제동 시 카본 림이 열을 제대로 방출하지 못해 림 온도가 상승하고 잠재적으로 림 파손 또는 타이어 파열로 이어질 수 있다는 것입니다.

탄소 섬유 복합 재료는 2가지 재료로 구성됩니다. 바로 탄소 섬유 필라멘트와 이 모든 것을 함께 고정하는 에폭시 수지입니다.

탄소 섬유 필라멘트 자체의 내열성은 일반적으로 문제가 되지 않지만, 에폭시 수지, 특히 유리 전이 온도(Tg)가 문제입니다.

수지가 Tg에 도달하면 부드러워지고 구조가 무결성을 잃습니다.

많은 림 제조업체는 이론상 200-230°C 등급의 고Tg 수지를 사용하지만, 생산 중 중요한 후경화 단계를 건너뜁니다. 적절한 후경화(일반적으로 고온에서 90-120분) 없이는 수지가 정격 Tg를 달성하지 못하며, 최저 100°C에서도 파손이 발생할 수 있습니다.

후경화는 생산 처리량과 충돌합니다. 시간이 많이 걸리고 일일 생산량을 제한하며 비용을 추가합니다.

많은 중국 본토 림 브랜드는 높은 생산량과 낮은 가격을 광고합니다. 많은 경우, 그 이유는 단순히 후경화 단계를 완전히 건너뛰기 때문입니다. 이 과정 없이는 고온 저항성을 가진 림을 생산할 수 없습니다. 이것은 산업이 림 브레이크에서 디스크 브레이크로 전환된 또 다른 이유입니다. 공기역학적으로 최적화된 휠셋을 추구하는 것은 제동 안전성을 희생해야 하기 때문입니다.

이미지 2: 카본 핀이 있는 에어로 사무엘 로터.

그러나 디스크 브레이크에서는 카본 구조에 가해지는 열 부하가 완전히 달라집니다. 브레이크 표면은 일반적으로 스테인리스 스틸 또는 시마노에서 하는 것처럼 스틸+알루미늄+스틸과 같은 별도의 재료입니다. 휠의 카본은 더 이상 열 루프에 있지 않습니다.

이제 문제는 탄소 섬유 핀 로터가 열 부하에서 어떻게 작동하는가입니다.

하지만 먼저, TC-160 탄소 섬유 핀 로터가 어떻게 다른지 살펴보겠습니다.

TC-160은 어떻게 다른가요?

TC-160은 후경화가 완료된 항공우주 등급 수지를 사용하여 카본 핀이 최대 350°C까지 구조적 무결성을 유지할 수 있도록 합니다.

이에 비해 알루미늄 합금은 약 110-120°C의 안전 작동 범위만 가집니다.

중간에서 고탄성률 카본 파이버 레이업과 결합하여 로터는 알루미늄 등가물보다 구조적으로 더 견고하여 열에 의한 로터 변형 위험을 줄여 브레이크 마찰을 유발합니다.

후경화 공정은 배치당 8-9시간 동안 진행됩니다. 부품은 급격한 온도 변화로 인한 내부 응력을 피하기 위해 오븐 내에서 자연적으로 냉각되므로 하루에 한 번의 오븐 사이클, 주당 2~3회 사이클로 생산이 제한됩니다.

많은 기업이 수요를 충족하기 위해 후경화 공정을 건너뛰고 싶어 하는 이유를 알 수 있습니다. 그러나 사무엘은 지름길을 택하지 않고 생산 능력 손실을 감수하고 올바른 방식으로 작업을 수행합니다.

많은 사람들이 모르는 또 다른 점은 탄소 섬유가 금속에 비해 자연 진동 주파수가 더 높다는 것입니다. 이는 TC-160이 일반 알루미늄 핀이 있는 로터보다 제동 시 마찰로 인한 브레이크 소음에 덜 취약하다는 것을 의미합니다.

TC-160은 시마노와 어떻게 비교되나요?

사무엘은 열화상 카메라로 테스트를 진행했습니다. 표시된 색상은 절대 온도가 아닌 상대 온도입니다.

절대 온도의 경우, 각 위치에서 실제 온도를 얻기 위해 각 재료의 방사율에 따라 매개변수를 조정해야 합니다. 따라서 현재 색상 블록은 시각적 식별 목적으로만 사용됩니다.

알루미늄 핀 디자인이 적용된 2피스 로터(참고용 시마노 듀라-에이스)는 열을 잘 전달하여 스테인리스 스틸 브레이크 트랙에서 효율적으로 열을 빼냅니다.

이미지 3: 듀라-에이스 로터의 열화상

이미지 3은 실제로 강한 열전도성을 보여줍니다. 빨간색으로 강조 표시된 것처럼 열이 브레이크 트랙에서 알루미늄 핀으로 전달됩니다.

이미지 4: TC-160 로터의 열화상.

TC-160의 카본 핀은 듀라-에이스 로터에 비해 열전도율이 낮지만:

1. 카본 핀과 브레이크 트랙의 접합부에 있는 스테인리스 스틸 리벳은 열 장벽 역할을 하여 카본 구조로의 열 전달을 제한합니다.
2. 카본 복합재 자체는 열전도율이 낮고 내열성이 높습니다.

요약하자면, 알루미늄 핀은 열전도율이 좋지만 카본 파이버에 비해 강성이 떨어집니다.

TC-160은 열을 효율적으로 방출하지는 않지만, 구조 설계는 열전도보다는 높은 내열성을 중심으로 구축되어 핀을 통해 탁월한 강성을 유지함으로써 로터 변형 위험을 줄입니다.

열 부하에서 카본 핀은 어떻게 작동하나요?

이미지 5: 15% 경사면 급제동 후 수집된 온도 데이터.

이미지 6: 15% 경사면 주행 10초 후 수집된 온도 데이터.

이미지 5는 스테인리스 스틸 브레이크 트랙에서 높은 온도를 나타내는 반면, 주변 영역은 15% 경사면을 급제동한 후에도 시원한 파란색/연한 녹색 영역으로 표시되어 여전히 시원하게 유지됨을 보여줍니다.

이미지 6은 스테인리스 스틸 브레이크 트랙의 온도가 점차 감소함을 보여줍니다. 한편, 스테인리스 스틸 리브의 열은 리벳 지점으로 서서히 전달되어 탄소 섬유 핀의 상단으로 확산됩니다.

이는 스테인리스 스틸 마찰판의 높은 열이 리브를 통해 리벳 지점으로 점차 퍼진다는 것을 나타냅니다. 따라서 리벳 지점 주변에서 녹색빛을 띠는 따뜻한 패치를 볼 수 있습니다.

수지는 열 저장 매체이지만, 탄소 섬유의 축방향 열전도율(k)은 여전히 놀라울 정도로 높아 탄소 섬유에 의해 열이 빠져나가는 곳에서는 여전히 색상 패치가 관찰됩니다.

제3자 검증: CHC 테스트 보고서

사무엘은 TAF(대만 인증 재단) 인증을 받은 대만의 테스트 기관인 CHC(Cycling and Health Tech Industry R&D Center)를 통해 TC-160에 대한 독립 테스트를 의뢰했습니다. TAF 인증은 결과가 국제적으로 인정된다는 것을 의미합니다.

CHC 보고서는 TC-160이 디스크 브레이크 로터의 열 성능 기준을 충족함을 확인했습니다.

테스트 기기에서 실제 테스트 결과, 스테인리스 스틸 브레이크 표면은 600°C를 초과했지만, 카본 핀 부분은 동일한 조건에서 350°C 한계보다 훨씬 낮은 100°C를 약간 넘는 수준으로 측정되었습니다.

실제로 로드 자전거는 600°C를 초과하는 디스크 브레이크 마찰 온도를 발생시킬 수 없으므로, 이 로터의 견고성이 입증됩니다.

에어로 버전

TC-160/140 에어로 버전은 축방향 접선 기류 교란을 최소화하기 위해 수정된 핀 프로필을 사용합니다. 이는 표준 TC-160에 비해 측풍 감도가 약간 증가하는 단점이 있습니다. 이 단점이 타당한 에어로 로드 자전거 및 철인 3종 경기 설정에 적합합니다.

요약

카본 디스크 로터는 카본 림 브레이크가 아닙니다. 카본 디스크 로터는 엔지니어링의 차이로 인해 카본 림 브레이크의 고장에 취약하지 않습니다.

탄소 섬유 복합재의 적절한 후경화는 필수적이며 이 로터의 견고성을 더하여 실제 조건에서 TC-160 로터의 연화된 에폭시로 인한 고장이 불가능하게 하여 대만 인증 재단에서 인증받은 CHC 인증을 통과할 수 있도록 합니다.