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

Karbonowe tarcze hamulcowe budzą kontrowersje. Sława tego materiału, wynikająca ze słabego rozpraszania ciepła w przypadku hamulców szczękowych, jest dobrze uzasadniona, więc zasadne jest pytanie, czy należy go umieszczać w pobliżu powierzchni hamującej. Aby odpowiedzieć na to pytanie danymi, Samuel poddał TC-160 certyfikacji przez stronę trzecią.

Argumentacja dotycząca karbonowych hamulców szczękowych i dlaczego nie ma zastosowania w przypadku tarcz hamulcowych

Zdjęcie 1: Źródło: dandyhorse.cc, zdjęcie uszkodzonej karbonowej powierzchni hamowania.

Krytyka jest następująca: włókno węglowe jest słabym przewodnikiem ciepła, a zatem podczas długotrwałego hamowania karbonowe obręcze nie rozpraszają ciepła, zwiększając temperaturę obręczy i potencjalnie prowadząc do uszkodzenia obręczy, a nawet wystrzału opony.

Kompozyty z włókna węglowego składają się z 2 materiałów: włókna węglowego i żywicy epoksydowej, która spaja je wszystkie w całość.

Odporność na ciepło samych włókien węglowych zazwyczaj nie stanowi problemu, ale raczej żywica epoksydowa, a konkretnie jej temperatura zeszklenia (Tg).

Kiedy żywica osiąga Tg, mięknie, a struktura traci integralność.

Wielu producentów obręczy używa żywic o wysokiej Tg, przystosowanych do 200-230°C na papierze, ale pomija krytyczny etap utwardzania końcowego podczas produkcji. Bez odpowiedniego utwardzania końcowego (zazwyczaj 90-120 minut w podwyższonej temperaturze) żywica nigdy nie osiąga deklarowanej Tg, a uszkodzenia mogą wystąpić w temperaturach już od 100°C.

Utwardzanie końcowe jest sprzeczne z wydajnością produkcji. Jest czasochłonne, 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 utwardzania końcowego. Bez niego nie można wyprodukować obręczy o wysokiej odporności na temperaturę. Jest to kolejny powód, dla którego przemysł przeszedł z hamulców szczękowych na tarczowe, ponieważ dążenie do aerodynamicznie zoptymalizowanych zestawów kół oznacza kompromis w kwestii bezpieczeństwa hamowania.

Zdjęcie 2: Aerodynamiczna tarcza Samuela ze skrzydłami z włókna węglowego.

Jednakże, w przypadku hamulców tarczowych, obciążenie cieplne konstrukcji z włókna węglowego zmienia się całkowicie. Powierzchnia hamująca jest oddzielnym materiałem, zazwyczaj ze stali nierdzewnej lub stali+aluminium+stali, jak to robi Shimano. Włókno węglowe w kołach nie jest już częścią obiegu termicznego.

Pytanie brzmi: jak karbonowe tarcze z żebrami radzą sobie pod obciążeniem cieplnym?

Najpierw jednak zbadajmy, czym różni się tarcza TC-160 z żebrami z włókna węglowego.

Czym różni się TC-160?

TC-160 wykorzystuje żywicę klasy lotniczej, w pełni utwardzaną końcowo, co pozwala karbonowym żebrom zachować integralność strukturalną do 350°C.

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

W połączeniu z układami włókien węglowych o średnim do wysokiego modułu, tarcza jest strukturalnie sztywniejsza niż odpowiednik z aluminium, zmniejszając ryzyko wypaczenia tarczy pod wpływem ciepła, co powoduje ocieranie się hamulców.

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

Można zrozumieć, dlaczego wiele firm ulega pokusie pominięcia procesu utwardzania końcowego, aby sprostać popytowi. Samuel jednak nie idzie na skróty i wybiera właściwą drogę, kosztem swojej zdolności produkcyjnej.

Innym aspektem, z którym wiele osób nie jest zaznajomionych, jest to, że włókno węglowe ma wyższą naturalną częstotliwość drgań w porównaniu do metalu. Oznacza to, że TC-160 jest z natury mniej podatny na piszczenie hamulców spowodowane tarciem podczas hamowania niż zwykłe tarcze z aluminiowymi żebrami.

Jak TC-160 wypada w porównaniu z Shimano?

Samuel przeprowadził testy z użyciem kamer termowizyjnych. Wyświetlane kolory to temperatury względne, a nie bezwzględne.

Dla temperatur bezwzględnych, parametry muszą być dostosowane do emisyjności każdego materiału, aby uzyskać rzeczywistą temperaturę w każdym miejscu. Dlatego obecne bloki kolorów służą wyłącznie do wizualnej identyfikacji.

Dwuczęściowe tarcze z aluminiowymi żebrami (Shimano Dura-Ace jako punkt odniesienia) dobrze przewodzą ciepło, skutecznie odprowadzając je z toru hamowania ze stali nierdzewnej.

Zdjęcie 3: Termowizja tarcz Dura-Ace

Zdjęcie 3 rzeczywiście pokazuje silne przewodnictwo cieplne. Ciepło jest odprowadzane z toru hamowania do aluminiowych żeber, co widać po czerwonych odcieniach.

Zdjęcie 4: Termowizja tarcz TC-160.

Karbonowe żebra TC-160 mają mniejszą przewodność cieplną w porównaniu z tarczą Dura-Ace, jednakże:

1. Nity ze stali nierdzewnej na styku między karbonowymi żebrami a powierzchnią hamującą działają jak bariera termiczna, ograniczając transfer ciepła do struktury karbonowej.
2. Sam kompozyt węglowy ma niską przewodność cieplną i wysoką odporność na ciepło.

Krótko mówiąc, aluminiowe żebra mają dobrą przewodność cieplną, ale są mniej sztywne w porównaniu z włóknem węglowym.

TC-160 nie rozprasza ciepła tak efektywnie, ale konstrukcja jest oparta na wysokiej odporności na ciepło, a nie na przewodzeniu ciepła, zmniejszając ryzyko wypaczenia tarczy poprzez utrzymanie doskonałej sztywności żeber.

Jak karbonowe żebra zachowują się pod obciążeniem termicznym?

Zdjęcie 5: Dane temperaturowe zebrane po stromym zjeździe 15% i intensywnym hamowaniu.

Zdjęcie 6: Dane temperaturowe zebrane 10 sekund po zjeździe 15%.

Zdjęcie 5 wskazuje na wysokie temperatury na stalowej powierzchni hamowania, podczas gdy otaczające obszary pozostają chłodne, co widać w chłodnej niebiesko-jasnozielonej strefie po intensywnym hamowaniu na zjeździe o nachyleniu 15%.

Zdjęcie 6 pokazuje, że temperatura stalowej powierzchni hamowania stopniowo spada. W międzyczasie ciepło ze stalowych żeber powoli przenosi się do punktów nitowania i rozprasza się na wierzchu karbonowych żeber.

Wskazuje to, że wysoka temperatura stalowej płyty ciernej stopniowo rozprzestrzenia się poprzez żebra do punktu nitowania. Dlatego wokół punktu nitowania widoczne jest zielonkawe, ciepłe pole.

Mimo że żywica jest medium magazynującym ciepło, osiowa przewodność cieplna (współczynnik k) włókna węglowego jest zaskakująco wysoka, więc obserwuje się plamy kolorystyczne tam, gdzie ciepło jest odprowadzane przez włókno węglowe.

Walidacja przez stronę trzecią: Raport z badań CHC

Samuel przedłożył TC-160 do niezależnych testów w CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), tajwańskiej jednostce badawczej z akredytacją TAF (Taiwan Accreditation Foundation). Akredytacja TAF oznacza, że wyniki są uznawane na całym świecie.

Raport CHC potwierdził, że TC-160 spełnia normy wydajności termicznej dla tarcz hamulcowych.

W rzeczywistych testach na maszynie powierzchnia hamowania ze stali nierdzewnej przekroczyła 600°C, podczas gdy sekcja z karbonowymi żebrami mierzyła nieco ponad 100°C w tych samych warunkach, znacznie poniżej limitu 350°C.

W rzeczywistości rowery szosowe nie mogą generować temperatur tarcia tarcz hamulcowych przekraczających 600°C, co potwierdza wytrzymałość tych tarcz.

Wariant Aero

Wersja TC-160/140 Aero wykorzystuje zmodyfikowany profil żeber, aby zminimalizować zakłócenia przepływu powietrza osiowo-stycznego. Kompromisem jest nieco zwiększona czułość na boczne wiatry w porównaniu ze standardowym TC-160. Pasuje do dedykowanych rowerów szosowych aero i zestawów triathlonowych, gdzie taki kompromis ma sens.

Podsumowanie

Karbonowe tarcze hamulcowe to nie karbonowe hamulce szczękowe. Karbonowe tarcze hamulcowe nie są podatne na awarie karbonowych hamulców szczękowych ze względu na różnice w inżynierii.

Właściwe utwardzanie końcowe kompozytów z włókna węglowego jest niezbędne i zwiększa wytrzymałość tych tarcz, tak że w rzeczywistych warunkach awaria tarczy TC-160 z powodu zmiękczonej żywicy jest po prostu niemożliwa, co pozwoliło jej przejść certyfikację CHC, akredytowaną przez Taiwan Accreditation Foundation.