Fibra de Carbono é Viável para Discos de Freio? Testes de Samuel.
Os rotores de disco de fibra de carbono levantam algumas dúvidas. A reputação do material de má dissipação de calor é bem conhecida no mundo dos freios de aro, então é justo questionar se ele pertence perto de uma superfície de frenagem. Samuel submeteu o TC-160 a testes de certificação de terceiros para responder a isso com dados.
O Argumento do Freio de Aro de Carbono e Por que Não se Aplica aos Rotores de Disco
Imagem 1: Fonte: dandyhorse.cc, imagem de uma pista de freio de aro de carbono com falha.
A crítica é a seguinte: a fibra de carbono é um mau condutor térmico e, portanto, sob frenagem sustentada, os aros de carbono não conseguem dissipar o calor, aumentando a temperatura do aro e podendo levar à falha do aro ou até mesmo a estouros de pneus.
Os compósitos de fibra de carbono consistem em 2 materiais: filamento de fibra de carbono e a resina epóxi para manter tudo unido.
A resistência ao calor dos filamentos de fibra de carbono em si geralmente não é o problema, mas sim a resina epóxi, especificamente sua temperatura de transição vítrea (Tg).
Quando a resina atinge a Tg, ela amolece e a estrutura perde integridade.
Muitos fabricantes de aros usam resinas de alta Tg classificadas para 200-230°C no papel, mas pulam o estágio crítico de pós-cura durante a produção. Sem uma pós-cura adequada (tipicamente 90-120 minutos em temperatura elevada), a resina nunca atinge sua Tg nominal, e falhas podem ocorrer em temperaturas tão baixas quanto 100°C.
A pós-cura conflita com a produtividade da produção. É demorada, limita a produção diária e adiciona custo.
Muitas marcas de aros da China continental anunciam alta produção e preços baixos. Em muitos casos, a razão é simplesmente que o estágio de pós-cura é totalmente omitido. Sem ele, não é possível produzir um aro com alta resistência à temperatura. Esta é outra razão pela qual a indústria mudou de freios de aro para freios a disco, pois a busca por conjuntos de rodas aerodinamicamente otimizados significa comprometer a segurança da frenagem.
Imagem 2: Rotor Samuel Aero com aletas de carbono.
No entanto, com os freios a disco, a carga térmica em uma estrutura de carbono muda completamente. A superfície de frenagem é um material separado, tipicamente aço inoxidável ou aço+alumínio+aço, como feito pela Shimano. O carbono nas rodas não está mais no ciclo térmico.
Então, a pergunta é: como os rotores com aletas de fibra de carbono se comportam sob carga térmica?
Mas primeiro, vamos explorar como o rotor com aletas de fibra de carbono TC-160 difere.
Qual a diferença do TC-160?
O TC-160 utiliza resina de grau aeroespacial, completa com pós-cura, permitindo que as aletas de carbono mantenham a integridade estrutural em até 350°C.
Em comparação, as ligas de alumínio têm uma faixa de operação segura de apenas cerca de 110-120°C.
Combinado com camadas de fibra de carbono de módulo médio a alto, o rotor é estruturalmente mais rígido do que um equivalente de alumínio, reduzindo o risco de empenamento do rotor sob calor, o que causa atrito do freio.
O processo de pós-cura leva de 8 a 9 horas por lote. As peças resfriam naturalmente dentro do forno para evitar tensões internas devido a mudanças rápidas de temperatura, o que limita a produção a um ciclo de forno por dia e apenas dois a três ciclos por semana.
É fácil entender por que muitas empresas são tentadas a pular o processo de pós-cura para acompanhar a demanda. Samuel, no entanto, não pega atalhos e opta por fazer as coisas da maneira correta, à custa de sua capacidade de produção.
Outro ponto que muitas pessoas desconhecem é que a fibra de carbono tem uma frequência de vibração natural mais alta em comparação com o metal. Isso significa que o TC-160 é inerentemente menos propenso a rangidos de freio causados por atrito durante a frenagem do que os rotores regulares com aletas de alumínio.
Como o TC-160 se Compara com o Shimano?
Samuel realizou testes com câmeras de imagem térmica. As cores exibidas são temperaturas relativas, não temperaturas absolutas.
Para temperaturas absolutas, os parâmetros devem ser ajustados para corresponder à emissividade de cada material, a fim de obter a temperatura real em cada local. Portanto, os blocos de cores atuais são apenas para fins de identificação visual.
Rotores de duas peças com designs de aletas de alumínio (Shimano Dura-Ace como referência) conduzem bem o calor, afastando-o eficientemente da pista de frenagem de aço inoxidável.
Imagem 3: Imagem térmica dos rotores Dura-Ace
A Imagem 3 realmente mostra forte condutividade térmica. O calor é retirado da pista de freio para as aletas de alumínio, conforme mostram os realces vermelhos.
Imagem 4: Imagem térmica dos rotores TC-160.
As aletas de carbono do TC-160 de fato têm menor condutividade térmica em comparação com o rotor Dura-Ace, no entanto:
- Os rebites de aço inoxidável na junção entre as aletas de carbono e a pista de frenagem atuam como uma barreira térmica, limitando a transferência de calor para a estrutura de carbono.
- O próprio compósito de carbono tem baixa condutividade térmica e alta resistência ao calor.
Em suma, as aletas de alumínio têm boa condutividade térmica, mas são menos rígidas em comparação com a fibra de carbono.
O TC-160 não dissipa o calor tão eficientemente, mas o projeto estrutural é construído em torno da alta resistência ao calor em vez da condução de calor, reduzindo o risco de empenamento do rotor, mantendo excelente rigidez através das aletas.
Como as Aletas de Carbono se Comportam sob Carga Térmica?
Imagem 5: Dados de temperatura coletados após uma inclinação íngreme de 15% e frenagem forte.
Imagem 6: Dados de temperatura coletados 10 segundos após uma inclinação de 15%.
A Imagem 5 indica altas temperaturas na pista de freio de aço inoxidável, enquanto as áreas circundantes permanecem frias, como mostra a zona azul/verde claro após uma frenagem forte em uma descida de 15%.
A Imagem 6 mostra que a temperatura da pista de freio de aço inoxidável diminui gradualmente. Enquanto isso, o calor nas nervuras de aço inoxidável se transfere lentamente para os pontos de rebite e se difunde para a parte superior das aletas de fibra de carbono.
Isso indica que o alto calor da placa de atrito de aço inoxidável se espalha gradualmente pelas nervuras até o ponto de rebite. Portanto, uma mancha quente esverdeada pode ser vista ao redor do ponto de rebite.
Embora a resina seja um meio de armazenamento de calor, o valor de condutividade térmica axial (k) da fibra de carbono ainda é surpreendentemente alto, de modo que manchas de cor ainda são observadas onde o calor é removido pela fibra de carbono.
Validação por Terceiros: Relatório de Teste CHC
Samuel submeteu o TC-160 para testes independentes através do CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), um órgão de testes taiwanês com acreditação TAF (Taiwan Accreditation Foundation). A acreditação TAF significa que os resultados têm reconhecimento internacional.
O relatório do CHC confirmou que o TC-160 atende aos benchmarks de desempenho térmico para rotores de freio a disco.
Em testes reais na máquina de teste, a superfície de frenagem de aço inoxidável excedeu 600°C, enquanto a seção da aleta de carbono mediu pouco mais de 100°C nas mesmas condições, bem abaixo do seu limite de 350°C.
Na realidade, as bicicletas de estrada não podem gerar temperaturas de atrito do freio a disco superiores a 600°C, validando a robustez desses rotores.
A Variante Aero
A versão TC-160/140 Aero utiliza um perfil de aleta modificado para minimizar a perturbação do fluxo de ar tangencial axial. A desvantagem é uma sensibilidade ligeiramente aumentada ao vento lateral em relação ao TC-160 padrão. É adequado para bicicletas de estrada aero dedicadas e configurações de triatlo onde essa desvantagem faz sentido.
Resumo
Os rotores de disco de carbono não são freios de aro de carbono. Os rotores de disco de carbono não são suscetíveis às falhas dos freios de aro de carbono devido à diferença na engenharia.
A pós-cura adequada dos compósitos de fibra de carbono é essencial e aumenta a robustez desses rotores, de modo que, em condições reais, a falha do rotor TC-160 devido ao amolecimento da epóxi simplesmente não é possível, permitindo que ele passe na certificação CHC, acreditada pela Taiwan Accreditation Foundation.