Подходит ли углеродное волокно для роторов дисковых тормозов? Тесты Сэмюэля.

Карбоновые дисковые роторы вызывают вопросы. Репутация этого материала как плохо отводящего тепло вполне заслужена в мире ободных тормозов, поэтому закономерно спросить, уместен ли он рядом с тормозной поверхностью. Samuel передал TC-160 на сертификационные испытания независимой третьей стороне, чтобы ответить на этот вопрос с помощью данных.

Аргумент против карбоновых ободных тормозов и почему он неприменим к дисковым роторам

Изображение 1: Источник: dandyhorse.cc, фотография разрушенной тормозной дорожки карбонового обода.

Критика звучит так: углеродное волокно плохо проводит тепло, поэтому при длительном торможении карбоновые обода не успевают отводить тепло, из-за чего температура обода повышается, что потенциально может привести к разрушению обода или даже разрыву покрышки.

Карбоновые композиты состоят из 2 материалов: углеродного волокна и эпоксидной смолы, которая удерживает всё вместе. 

Обычно проблема заключается не в термостойкости самих углеродных волокон, а в эпоксидной смоле, точнее — в её температуре стеклования (Tg).

При достижении смолой Tg она размягчается, и конструкция теряет целостность.

Многие производители ободов используют смолы с высокой Tg, рассчитанные на 200-230°C, но пропускают критически важный этап постотверждения при производстве. Без правильного постотверждения (обычно 90-120 минут при повышенной температуре) смола не достигает заявленной Tg, и разрушение может произойти уже при температуре около 100°C.

Постотверждение противоречит требованиям высокой производительности производства. Оно занимает много времени, ограничивает ежедневный выпуск и увеличивает себестоимость.

Многие китайские бренды ободов рекламируют высокую производительность и низкие цены. Во многих случаях причина заключается просто в полном отказе от этапа постотверждения. Без него невозможно изготовить обод с высокой термостойкостью. Это ещё одна причина перехода отрасли от ободных тормозов к дисковым: стремление к аэродинамически оптимизированным колёсным системам приводит к компромиссам в безопасности торможения.

Изображение 2: Aero Samuel Rotor с карбоновыми рёбрами.

Однако в дисковых тормозах тепловая нагрузка на карбоновую конструкцию полностью меняется. Тормозная поверхность выполнена из отдельного материала — обычно из нержавеющей стали или стали+алюминия+стали, как в изделиях Shimano. Карбон в колёсах больше не участвует в тепловом контуре.

Итак, возникает вопрос: как карбоновые роторы с рёбрами охлаждения ведут себя под тепловой нагрузкой?

Но сначала рассмотрим, чем отличается карбоновый ротор TC-160 с рёбрами охлаждения.

Чем отличается TC-160?

В TC-160 используется смола аэрокосмического класса с последующим постотверждением, благодаря чему карбоновые рёбра сохраняют структурную целостность при температуре до 350°C.

Для сравнения, безопасный рабочий диапазон алюминиевых сплавов составляет всего около 110-120°C.

В сочетании с раскладкой из углеродного волокна среднего и высокого модуля это делает ротор конструктивно более жёстким, чем алюминиевый аналог, снижая риск деформации ротора при нагреве и последующего задевания колодок.

Процесс постотверждения длится 8-9 часов для каждой партии. Детали естественным образом остывают внутри печи, чтобы избежать внутренних напряжений из-за резкого изменения температуры, что ограничивает производительность одной печной загрузкой в день и всего двумя-тремя циклами в неделю.

Теперь понятно, почему многие компании поддаются искушению пропустить процесс постотверждения, чтобы удовлетворить спрос. Однако Samuel не идёт на компромиссы и выбирает правильный подход, жертвуя производственными мощностями.

Многие также не знают, что углеродное волокно имеет более высокую собственную частоту вибрации по сравнению с металлом. Это означает, что TC-160 от природы меньше склонен к скрипу тормозов, вызванному трением при торможении, чем обычные роторы с алюминиевыми рёбрами.

Как TC-160 сравнивается с Shimano? 

Samuel проводил испытания с помощью тепловизионных камер. Отображаемые цвета показывают относительные, а не абсолютные температуры.

Для определения абсолютных температур параметры необходимо скорректировать с учётом коэффициента излучения каждого материала, чтобы получить истинную температуру в каждой точке. Поэтому текущие цветовые зоны предназначены только для визуальной идентификации.

Двухкомпонентные роторы с алюминиевыми рёбрами (эталоном служит Shimano Dura-Ace) хорошо проводят тепло, эффективно отводя его от тормозной дорожки из нержавеющей стали.

Изображение 3: Тепловизионная съёмка роторов Dura-Ace

Изображение 3 действительно демонстрирует высокую теплопроводность. Тепло отводится от тормозной дорожки к алюминиевым рёбрам, что видно по красным участкам.

Изображение 4: Тепловизионная съёмка роторов TC-160.

Карбоновые рёбра TC-160 действительно обладают меньшей теплопроводностью по сравнению с ротором Dura-Ace, однако:

1. Заклёпки из нержавеющей стали в месте соединения карбоновых рёбер с тормозной дорожкой служат тепловым барьером, ограничивая передачу тепла в карбоновую конструкцию.
2. Сам карбоновый композит обладает низкой теплопроводностью и высокой термостойкостью.

Иными словами, алюминиевые рёбра хорошо проводят тепло, но уступают углеродному волокну по жёсткости.

TC-160 отводит тепло менее эффективно, однако его конструкция рассчитана на высокую термостойкость, а не на теплопроводность, что снижает риск деформации ротора благодаря сохранению высокой жёсткости рёбер.

Как карбоновые рёбра ведут себя под тепловой нагрузкой?

Изображение 5: Данные о температуре, полученные после крутого спуска с уклоном 15% и интенсивного торможения.

Изображение 6: Данные о температуре, полученные через 10 секунд после спуска с уклоном 15%.

Изображение 5 показывает высокую температуру тормозной дорожки из нержавеющей стали, тогда как окружающие участки остаются прохладными, что видно по синим и светло-зелёным зонам после интенсивного торможения на спуске с уклоном 15%.

Изображение 6 показывает, что температура тормозной дорожки из нержавеющей стали постепенно снижается. Тем временем тепло от рёбер из нержавеющей стали медленно передаётся к точкам крепления заклёпок и рассеивается в верхней части карбоновых рёбер.

Это показывает, что сильный нагрев фрикционной пластины из нержавеющей стали постепенно распространяется по рёбрам к точке крепления заклёпки. Поэтому вокруг точки крепления заклёпки виден тёплый участок зеленоватого цвета.

Хотя смола служит средой для накопления тепла, осевая теплопроводность (k)-значение углеродного волокна всё ещё удивительно высоко, поэтому цветовые зоны также наблюдаются там, где тепло отводится углеродным волокном.

Подтверждение независимой стороной: отчёт об испытаниях CHC

Samuel передал TC-160 на независимые испытания в CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center) — тайваньский испытательный центр, аккредитованный TAF (Taiwan Accreditation Foundation). Аккредитация TAF означает, что результаты признаются на международном уровне.

Отчёт CHC подтвердил, что TC-160 соответствует нормативным требованиям к тепловым характеристикам дисковых тормозных роторов.

В ходе испытаний на стенде тормозная поверхность из нержавеющей стали нагрелась выше 600°C, тогда как температура карбоновой секции с рёбрами при тех же условиях составила немногим более 100°C — значительно ниже предела 350°C.

В реальных условиях шоссейные велосипеды не способны создавать температуру трения дискового тормоза выше 600°C, что подтверждает надёжность этих роторов.

Аэродинамическая версия

Версия TC-160/140 Aero использует изменённый профиль рёбер, чтобы минимизировать возмущение осевого и тангенциального воздушного потока. Компромиссом становится немного более высокая чувствительность к боковому ветру по сравнению со стандартным TC-160. Она подходит для специализированных аэродинамичных шоссейных велосипедов и триатлонных конфигураций, где такой компромисс оправдан.

Итоги

Карбоновые дисковые роторы — это не карбоновые ободные тормоза. Карбоновые дисковые роторы не подвержены разрушениям, характерным для карбоновых ободных тормозов, благодаря различиям в конструкции.

Правильное постотверждение карбоновых композитов имеет решающее значение и повышает надёжность этих роторов. Поэтому в реальных условиях разрушение ротора TC-160 из-за размягчения эпоксидной смолы практически невозможно, что позволило ему пройти сертификацию CHC, аккредитованную Taiwan Accreditation Foundation.