Czy włókno węglowe nadaje się do tarcz hamulcowych? Testy Samuela.

Węglowe tarcze hamulcowe budzą wątpliwości. Reputacja włókna węglowego jako materiału słabo odprowadzającego ciepło jest w pełni zasłużona w świecie hamulców szczękowych, dlatego zasadne jest pytanie, czy taki materiał powinien znajdować się w pobliżu powierzchni hamującej. Samuel poddał TC-160 testom certyfikacyjnym przeprowadzonym przez niezależną stronę, aby udzielić odpowiedzi na podstawie danych.

Argument dotyczący węglowych obręczy w hamulcach szczękowych i dlaczego nie ma zastosowania do tarcz hamulcowych

Obraz 1: Źródło: dandyhorse.cc, zdjęcie uszkodzonej węglowej powierzchni hamującej obręczy.

Krytyka wygląda następująco: włókno węglowe jest słabym przewodnikiem ciepła, dlatego podczas długotrwałego hamowania węglowe obręcze nie odprowadzają skutecznie ciepła, co powoduje wzrost temperatury obręczy i może prowadzić do jej uszkodzenia, a nawet do rozerwania opony.

Kompozyty z włókna węglowego składają się z 2 materiałów: filamentu z włókna węglowego oraz żywicy epoksydowej, która spaja całość. 

Odporność cieplna samych filamentów z włókna węglowego zwykle nie stanowi problemu. Problemem jest raczej żywica epoksydowa, a konkretnie jej temperatura zeszklenia (Tg).

Po osiągnięciu Tg żywica mięknie, a konstrukcja traci integralność.

Wielu producentów obręczy stosuje żywice o wysokiej wartości Tg, nominalnie wytrzymujące 200-230°C, ale pomija kluczowy etap wygrzewania końcowego podczas produkcji. Bez prawidłowego wygrzewania końcowego (zwykle przez 90-120 minut w podwyższonej temperaturze) żywica nigdy nie osiąga deklarowanej wartości Tg, a uszkodzenia mogą wystąpić już przy temperaturze zaledwie 100°C.

Wygrzewanie końcowe jest sprzeczne z wysoką wydajnością produkcji. Zajmuje dużo czasu, ogranicza dzienną produkcję i zwiększa koszty.

Wiele chińskich marek obręczy reklamuje wysoką wydajność i niskie ceny. W wielu przypadkach powodem jest po prostu całkowite pominięcie etapu wygrzewania końcowego. Bez niego nie można wyprodukować obręczy odpornej na wysoką temperaturę. To kolejny powód, dla którego branża przeszła z hamulców szczękowych na tarczowe, ponieważ dążenie do aerodynamicznie zoptymalizowanych kół oznacza kompromis w zakresie bezpieczeństwa hamowania.

Obraz 2: Samuel Rotor Aero z karbonowymi żebrami.

Jednak w przypadku hamulców tarczowych obciążenie cieplne konstrukcji węglowej zmienia się całkowicie. Powierzchnia hamująca jest wykonana z oddzielnego materiału, zazwyczaj ze stali nierdzewnej lub ze stali+aluminium+stali, jak w rozwiązaniu Shimano. Włókno węglowe w kołach nie znajduje się już w obiegu cieplnym.

Pytanie brzmi więc: jak węglowe tarcze z żebrami odprowadzającymi ciepło radzą sobie pod obciążeniem cieplnym?

Najpierw przyjrzyjmy się jednak, czym różni się węglowa tarcza z żebrami odprowadzającymi ciepło TC-160.

Czym różni się TC-160?

TC-160 wykorzystuje żywicę klasy lotniczej, a także pełny proces wygrzewania końcowego, dzięki czemu karbonowe żebra zachowują integralność strukturalną do temperatury 350°C.

Dla porównania, stopy aluminium mają bezpieczny zakres pracy wynoszący zaledwie około 110-120°C.

W połączeniu z warstwami włókna węglowego o średnim i wysokim module sprężystości tarcza jest sztywniejsza konstrukcyjnie od aluminiowego odpowiednika, co zmniejsza ryzyko odkształcenia tarczy pod wpływem ciepła i ocierania hamulca.

Proces wygrzewania końcowego trwa 8-9 godzin na partię. Części stygną naturalnie wewnątrz pieca, aby uniknąć naprężeń wewnętrznych spowodowanych gwałtowną zmianą temperatury, co ogranicza produkcję do jednego cyklu pieca dziennie i tylko dwóch do trzech cykli tygodniowo.

Łatwo zrozumieć, dlaczego wiele firm ulega pokusie pominięcia procesu wygrzewania końcowego, aby sprostać popytowi. Samuel nie idzie jednak na skróty i wybiera właściwą metodę, kosztem mocy produkcyjnych.

Kolejną kwestią, z której wiele osób nie zdaje sobie sprawy, jest to, że włókno węglowe ma wyższą naturalną częstotliwość drgań niż metal. Oznacza to, że TC-160 z natury jest mniej podatna na piszczenie hamulców powodowane tarciem podczas hamowania niż standardowe tarcze z aluminiowymi żebrami.

Jak TC-160 wypada w porównaniu z Shimano? 

Samuel przeprowadził testy za pomocą kamer termowizyjnych. Wyświetlane kolory przedstawiają temperatury względne, a nie bezwzględne.

Aby uzyskać temperatury bezwzględne, należy dostosować parametry do emisyjności każdego materiału, tak aby otrzymać rzeczywistą temperaturę w każdym miejscu. Dlatego obecne pola kolorów służą wyłącznie do identyfikacji wizualnej.

Dwuczęściowe tarcze z aluminiowymi żebrami (jako punkt odniesienia przyjęto Shimano Dura-Ace) dobrze przewodzą ciepło, skutecznie odprowadzając je ze stalowej nierdzewnej powierzchni hamującej.

Obraz 3: Obraz termowizyjny tarcz Dura-Ace

Obraz 3 rzeczywiście pokazuje wysoką przewodność cieplną. Ciepło jest odprowadzane z powierzchni hamującej do aluminiowych żeber, co wskazują czerwone obszary.

Obraz 4: Obraz termowizyjny tarcz TC-160.

Węglowe żebra TC-160 rzeczywiście mają niższą przewodność cieplną niż tarcza Dura-Ace, jednak:

1. Nity ze stali nierdzewnej w miejscu połączenia węglowych żeber z powierzchnią hamującą działają jak bariera cieplna, ograniczając przepływ ciepła do konstrukcji węglowej.
2. Sam kompozyt węglowy ma niską przewodność cieplną i wysoką odporność na ciepło.

Krótko mówiąc, aluminiowe żebra dobrze przewodzą ciepło, ale są mniej sztywne niż włókno węglowe.

TC-160 nie odprowadza ciepła tak skutecznie, jednak jej konstrukcja została opracowana z myślą o wysokiej odporności cieplnej, a nie o przewodzeniu ciepła. Zmniejsza to ryzyko odkształcenia tarczy, ponieważ żebra zachowują doskonałą sztywność.

Jak węglowe żebra radzą sobie pod obciążeniem cieplnym?

Obraz 5: Dane dotyczące temperatury zebrane po zjeździe o nachyleniu 15% i intensywnym hamowaniu.

Obraz 6: Dane dotyczące temperatury zebrane 10 sekund po zjeździe o nachyleniu 15%.

Obraz 5 wskazuje wysokie temperatury na stalowej nierdzewnej powierzchni hamującej, podczas gdy obszary wokół niej pozostają chłodne, co pokazuje niebieska/jasnozielona strefa po intensywnym hamowaniu na zjeździe o nachyleniu 15%.

Obraz 6 pokazuje, że temperatura stalowej nierdzewnej powierzchni hamującej stopniowo spada. W tym samym czasie ciepło ze stalowych żeber powoli przenosi się do punktów nitowania i rozprasza w górnej części węglowych żeber.

Oznacza to, że wysoka temperatura stalowej płytki ciernej stopniowo rozchodzi się przez żebra do punktów nitowania. Dlatego wokół punktu nitowania widoczna jest zielonkawa, ciepła plama.

Chociaż żywica jest medium magazynującym ciepło, osiowa przewodność cieplna (k) włókna węglowego jest nadal zaskakująco wysoka, dlatego w miejscach, w których włókno węglowe odprowadza ciepło, nadal widoczne są kolorowe obszary.

Niezależne potwierdzenie: raport z testów CHC

Samuel przekazał TC-160 do niezależnych testów przeprowadzonych przez CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), tajwańską jednostkę badawczą posiadającą akredytację TAF (Taiwan Accreditation Foundation). Akredytacja TAF oznacza, że wyniki są uznawane na arenie międzynarodowej.

Raport CHC potwierdził, że TC-160 spełnia wymagania dotyczące parametrów cieplnych tarcz hamulcowych.

W testach przeprowadzonych w warunkach rzeczywistych na stanowisku badawczym stalowa nierdzewna powierzchnia hamująca przekroczyła 600°C, podczas gdy sekcja z węglowymi żebrami osiągnęła nieco ponad 100°C w tych samych warunkach, czyli znacznie poniżej limitu 350°C.

W rzeczywistości rowery szosowe nie są w stanie wygenerować temperatur tarcia hamulców tarczowych przekraczających 600°C, co potwierdza wytrzymałość tych tarcz.

Wersja Aero

Wersja TC-160/140 Aero wykorzystuje zmodyfikowany profil żeber, aby zminimalizować zaburzenia osiowego i stycznego przepływu powietrza. Kompromisem jest nieco większa wrażliwość na boczny wiatr w porównaniu ze standardową TC-160. Jest odpowiednia do wyspecjalizowanych rowerów szosowych aero oraz konfiguracji triathlonowych, w których taki kompromis ma sens.

Podsumowanie

Węglowe tarcze hamulcowe nie są węglowymi hamulcami szczękowymi. Węglowe tarcze hamulcowe nie są podatne na uszkodzenia charakterystyczne dla węglowych hamulców szczękowych ze względu na różnice konstrukcyjne.

Prawidłowe wygrzewanie końcowe kompozytów z włókna węglowego ma kluczowe znaczenie i zwiększa wytrzymałość tych tarcz. W rzeczywistych warunkach uszkodzenie tarczy TC-160 z powodu zmiękczenia żywicy epoksydowej jest po prostu niemożliwe, co pozwoliło jej przejść certyfikację CHC akredytowaną przez Taiwan Accreditation Foundation.