Is koolstofvezel bruikbaar voor remschijven? Samuel test het.

Remschijven van koolstofvezel doen wenkbrauwen fronsen. De reputatie van het materiaal, dat slecht warmte afvoert, is in de wereld van velgremmen welverdiend, dus het is een terechte vraag om te stellen of het wel thuishoort bij een remoppervlak. Samuel heeft de TC-160 onderworpen aan onafhankelijke certificeringstests om die vraag met data te beantwoorden.

Het argument tegen carbon velgremmen, en waarom dit niet geldt voor schijfremmen

Afbeelding 1: Bron: dandyhorse.cc, afbeelding van een defecte carbon velgremrand.

De kritiek luidt als volgt: koolstofvezel is een slechte warmtegeleider, en daardoor slagen carbon velgen er bij langdurig remmen niet in om warmte af te voeren, waardoor de velgtemperatuur stijgt en mogelijk leidt tot velgbreuk of zelfs klapbanden.

Koolstofvezel composieten bestaan uit 2 materialen: koolstofvezelfilament en de epoxyhars om alles bij elkaar te houden.

De hittebestendigheid van de koolstofvezelfilamenten zelf is meestal niet het probleem, maar eerder de epoxyhars, specifiek de glasovergangstemperatuur (Tg).

Wanneer hars Tg bereikt, wordt het zacht en verliest de structuur zijn integriteit.

Veel velgfabrikanten gebruiken op papier harsen met een hoge Tg, beoordeeld op 200-230°C, maar slaan de kritieke nabewerkingfase tijdens de productie over. Zonder de juiste nabewerking (doorgaans 90-120 minuten bij verhoogde temperatuur) bereikt de hars nooit zijn nominale Tg, en kunnen storingen optreden bij temperaturen zo laag als 100°C.

Nabewerking botst met de productiedoorvoer. Het is tijdrovend, beperkt de dagelijkse productie en voegt kosten toe.

Veel Chinese velgmerken adverteren met hoge output en lage prijzen. In veel gevallen is de reden simpelweg dat de nabewerkingfase volledig wordt overgeslagen. Zonder deze fase kunt u geen velg produceren met hoge temperatuurbestendigheid. Dit is een andere reden waarom de industrie overgestapt is van velgremmen naar schijfremmen, aangezien de zoektocht naar aerodynamisch geoptimaliseerde wielsets compromissen sluit op het gebied van remveiligheid.

Afbeelding 2: Aero Samuel Rotor met carbon vinnen.

Echter, bij schijfremmen verandert de warmtebelasting op een koolstofconstructie volledig. Het remoppervlak is een afzonderlijk materiaal, doorgaans roestvrij staal of staal+aluminium+staal, zoals gedaan door Shimano. Het carbon in de wielen bevindt zich niet langer in de thermische lus.

De vraag is nu: hoe presteren koolstofvezel schijfremmen met vinnen onder thermische belasting?

Maar eerst, laten we onderzoeken hoe de TC-160 koolstofvezel schijfrem met vinnen verschilt.

Waarin verschilt de TC-160?

De TC-160 gebruikt aerospace-kwaliteit hars, compleet met nabewerking, waardoor de carbon vinnen hun structurele integriteit behouden tot 350°C.

Ter vergelijking: aluminiumlegeringen hebben slechts een veilig werkbereik van ongeveer 110-120°C.

In combinatie met koolstofvezellagen met middelhoge tot hoge modulus is de rotor structureel stijver dan een aluminium equivalent, waardoor het risico op kromtrekken van de rotor door hitte, wat leidt tot aanlopen van de rem, wordt verminderd.

Het nabewerkingsproces duurt 8-9 uur per batch. Onderdelen koelen op natuurlijke wijze af in de oven om interne spanningen door snelle temperatuurveranderingen te voorkomen, wat de productie beperkt tot één ovencyclus per dag en slechts twee tot drie cycli per week.

U ziet waarom veel bedrijven in de verleiding komen om het nabewerkingsproces over te slaan om aan de vraag te voldoen. Samuel neemt echter geen kortere wegen en kiest ervoor om de dingen op de juiste manier te doen, ten koste van hun productiecapaciteit.

Een ander punt waar veel mensen onbekend mee zijn, is dat koolstofvezel een hogere natuurlijke trillingsfrequentie heeft dan metaal. Dit betekent dat de TC-160 van nature minder gevoelig is voor piepende remmen veroorzaakt door wrijving tijdens het remmen, dan gewone rotoren met aluminium vinnen.

Hoe verhoudt de TC-160 zich tot Shimano?

Samuel heeft tests uitgevoerd met warmtebeeldcamera's. De weergegeven kleuren zijn relatieve temperaturen, geen absolute temperaturen.

Voor absolute temperaturen moeten de parameters worden aangepast om overeen te komen met de emissiviteit van elk materiaal om de ware temperatuur op elke locatie te verkrijgen. Vandaar dat de huidige kleurblokken alleen dienen ter visuele identificatie.

Tweedelige rotoren met aluminium vin-ontwerpen (Shimano Dura-Ace als referentie) geleiden warmte goed, waardoor deze efficiënt wordt afgevoerd van het roestvrijstalen remoppervlak.

Afbeelding 3: Warmtebeeld van de Dura-Ace rotors

Afbeelding 3 toont inderdaad een sterke warmtegeleidbaarheid. Warmte wordt van het remspoor naar de aluminium vinnen geleid, zoals blijkt uit de rode accenten.

Afbeelding 4: Warmtebeeld van TC-160 rotoren.

De carbon vinnen van de TC-160 hebben inderdaad een lagere thermische geleidbaarheid dan de Dura-Ace rotor, echter:

1. Roestvrijstalen klinknagels op de overgang tussen de carbon vinnen en het remoppervlak fungeren als een thermische barrière, waardoor warmteoverdracht naar de carbon structuur wordt beperkt.
2. Het carbon composiet zelf heeft een lage thermische geleidbaarheid en een hoge hittebestendigheid.

Kortom, aluminium vinnen hebben een goede thermische geleidbaarheid, maar zijn minder stijf dan koolstofvezel.

De TC-160 voert warmte minder efficiënt af, maar het constructieve ontwerp is gebouwd op hoge hittebestendigheid in plaats van warmtegeleiding, wat het risico op kromtrekken van de rotor vermindert door een uitstekende stijfheid via de vinnen te behouden.

Hoe presteren de carbon vinnen onder thermische belasting?

Afbeelding 5: Temperatuurgegevens verzameld na een steile helling van 15% en zwaar remmen.

Afbeelding 6: Temperatuurgegevens verzameld 10 seconden na 15% helling.

Afbeelding 5 toont hoge temperaturen op het roestvrijstalen remoppervlak, terwijl de omliggende gebieden nog koel blijven, zoals te zien is in de koele blauw/lichtgroene zone na zwaar remmen op een helling van 15%.

Afbeelding 6 toont dat de temperatuur van het roestvrijstalen remoppervlak geleidelijk afneemt. Ondertussen wordt de warmte bij de roestvrijstalen ribben langzaam overgedragen naar de klinknagelpunten en verspreidt zich naar de bovenkant van de koolstofvezelvinnen.

Dit geeft aan dat de hoge warmte van de roestvrijstalen frictieplaat zich geleidelijk via de ribben naar het klinknagelpunt verspreidt. Daarom is een groenachtige warme plek te zien rond het klinknagelpunt.

Hoewel de hars een warmte-opslagmedium is, is de axiale thermische geleidbaarheid (k)-waarde van de koolstofvezel nog verrassend hoog, dus kleurenpunten worden nog steeds waargenomen waar warmte door de koolstofvezel wordt weggetrokken.

Validatie door derden: CHC testrapport

Samuel heeft de TC-160 ter onafhankelijke test ingediend bij CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), een Taiwanese testinstantie met TAF (Taiwan Accreditation Foundation) accreditatie. TAF accreditatie betekent dat de resultaten internationale erkenning genieten.

Het CHC-rapport bevestigde dat de TC-160 voldoet aan de thermische prestatiebenchmarks voor schijfremrotoren.

Bij praktijktesten op de testmachine overschreed het roestvrijstalen remoppervlak 600°C, terwijl het koolstofvin-gedeelte onder dezelfde omstandigheden net iets meer dan 100°C mat, ver onder de limiet van 350°C.

In werkelijkheid kunnen racefietsen geen wrijvingstemperaturen van schijfremmen boven de 600°C genereren, wat de robuustheid van deze rotoren valideert.

De Aero Variant

De TC-160/140 Aero-versie maakt gebruik van een gemodificeerd vinprofiel om axiale tangentiële luchtstroomverstoring te minimaliseren. De afweging is een iets verhoogde zijwindgevoeligheid ten opzichte van de standaard TC-160. Het is geschikt voor speciale aerodynamische racefietsen en triatlonopstellingen waar die afweging zinvol is.

Samenvatting

Carbon schijfremmen zijn geen carbon velgremmen. Carbon schijfremmen zijn niet gevoelig voor de storingen van carbon velgremmen vanwege het verschil in engineering.

Een correcte nabewerking van koolstofvezel composieten is essentieel en draagt bij aan de robuustheid van deze rotoren, zodat onder reële omstandigheden, falen van de TC-160 rotor door verzacht epoxy gewoon niet mogelijk is, waardoor deze de CHC-certificering, geaccrediteerd door de Taiwan Accreditation Foundation, kon behalen.