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

Роторы из углеродного волокна вызывают удивление. Репутация этого материала как плохо рассеивающего тепло хорошо заработана в мире ободных тормозов, поэтому вполне логично задаться вопросом, стоит ли его использовать рядом с тормозной поверхностью. Самуэль отправил TC-160 на сторонние сертификационные испытания, чтобы получить ответ, основанный на данных.

Доводы против карбоновых ободных тормозов и почему они не применимы к дисковым роторам

Изображение 1: Источник: dandyhorse.cc, изображение поврежденной тормозной дорожки карбонового обода.

Критика заключается в следующем: углеродное волокно является плохим теплопроводником, и, таким образом, при длительном торможении карбоновые обода не рассеивают тепло, что приводит к повышению температуры обода и потенциально к его разрушению или даже к разрыву покрышек.

Композиты из углеродного волокна состоят из 2 материалов: углеродное волокно и эпоксидная смола, которая все это скрепляет.

Теплостойкость самих волокон углеродного волокна обычно не является проблемой, а скорее эпоксидная смола, в частности ее температура стеклования (Tg).

Когда смола достигает Tg, она размягчается, и структура теряет свою целостность.

Многие производители ободов используют смолы с высокой Tg, рассчитанные на 200-230°C на бумаге, но пропускают критическую стадию пост-отверждения во время производства. Без надлежащего пост-отверждения (обычно 90-120 минут при повышенной температуре) смола никогда не достигает своей номинальной Tg, и отказы могут произойти при температурах всего 100°C.

Пост-отверждение конфликтует с пропускной способностью производства. Это трудоемкий процесс, который ограничивает ежедневную производительность и увеличивает затраты.

Многие китайские бренды ободов рекламируют высокую производительность и низкие цены. Во многих случаях причина просто в том, что стадия пост-отверждения полностью пропускается. Без нее невозможно произвести обод с высокой термостойкостью. Это еще одна причина, по которой промышленность перешла от ободных тормозов к дисковым, поскольку стремление к аэродинамически оптимизированным колесным парам означает компромисс в безопасности торможения.

Изображение 2: Аэродинамический ротор Samuel с карбоновыми ребрами.

Однако с дисковыми тормозами тепловая нагрузка на карбоновую конструкцию полностью меняется. Тормозная поверхность является отдельным материалом, обычно нержавеющей сталью или сталью+алюминием+сталью, как это сделано Shimano. Карбон в колесах больше не участвует в тепловом цикле.

Таким образом, теперь вопрос заключается в следующем: как карбоновые роторы с ребрами работают под тепловой нагрузкой?

Но сначала давайте рассмотрим, чем отличается карбоновый ротор TC-160 с ребрами.

Чем отличается TC-160?

В TC-160 используется смола аэрокосмического класса, полностью прошедшая пост-отверждение, что позволяет карбоновым ребрам сохранять структурную целостность при температуре до 350°C.

Для сравнения, алюминиевые сплавы имеют безопасный рабочий диапазон всего около 110-120°C.

В сочетании с многослойной укладкой углеродного волокна средней и высокой модульности ротор структурно жестче, чем его алюминиевый аналог, что снижает риск деформации ротора под воздействием тепла, вызывающей трение тормозов.

Процесс пост-отверждения длится 8-9 часов на партию. Детали естественным образом остывают внутри печи, чтобы избежать внутренних напряжений от быстрого изменения температуры, что ограничивает производительность одним циклом печи в день и только двумя-тремя циклами в неделю.

Вы можете понять, почему многие компании испытывают искушение пропустить процесс пост-отверждения, чтобы удовлетворить спрос. Самуэль, однако, не ищет легких путей и предпочитает делать все правильно, ценой своей производственной мощности.

Еще один момент, о котором многие не знают, заключается в том, что углеродное волокно имеет более высокую естественную частоту вибрации по сравнению с металлом. Это означает, что TC-160 по своей природе менее подвержен визгу тормозов, вызванному трением во время торможения, чем обычные роторы с алюминиевыми ребрами.

Как TC-160 сравнивается с Shimano?

Самуэль проводил испытания с использованием тепловизионных камер. Отображаемые цвета представляют относительные, а не абсолютные температуры.

Для абсолютных температур параметры должны быть скорректированы в соответствии с излучательной способностью каждого материала, чтобы получить истинную температуру в каждом месте. Следовательно, текущие цветовые блоки предназначены только для визуальной идентификации.

Двухкомпонентные роторы с алюминиевыми ребрами (Shimano Dura-Ace в качестве эталона) хорошо проводят тепло, эффективно отводя его от тормозной дорожки из нержавеющей стали.

Изображение 3: Тепловизионное изображение роторов Dura-Ace

Изображение 3 действительно демонстрирует сильную теплопроводность. Тепло отводится от тормозной дорожки к алюминиевым ребрам, о чем свидетельствуют красные выделения.

Изображение 4: Тепловизионное изображение роторов TC-160.

Карбоновые ребра TC-160 действительно имеют меньшую теплопроводность по сравнению с ротором Dura-Ace, однако:

1. Заклепки из нержавеющей стали на стыке между карбоновыми ребрами и тормозной дорожкой действуют как тепловой барьер, ограничивая передачу тепла в карбоновую структуру.
2. Сам карбоновый композит обладает низкой теплопроводностью и высокой термостойкостью.

Короче говоря, алюминиевые ребра обладают хорошей теплопроводностью, но менее жесткие по сравнению с углеродным волокном.

TC-160 не рассеивает тепло так эффективно, но его конструкция основана на высокой термостойкости, а не на теплопроводности, что снижает риск деформации ротора за счет сохранения отличной жесткости ребер.

Как карбоновые ребра работают под тепловой нагрузкой?

Изображение 5: Данные о температуре, собранные после крутого спуска в 15% и интенсивного торможения.

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

Изображение 5 показывает высокие температуры на тормозной дорожке из нержавеющей стали, в то время как окружающие области остаются холодными, как показано в прохладной сине-светло-зеленой зоне после интенсивного торможения на 15%-ном спуске.

Изображение 6 показывает, что температура тормозной дорожки из нержавеющей стали постепенно снижается. Между тем, тепло на ребрах из нержавеющей стали медленно передается к точкам заклепок и распространяется на верхнюю часть карбоновых ребер.

Это указывает на то, что высокая температура фрикционной пластины из нержавеющей стали постепенно распространяется через ребра к точке заклепки. Поэтому вокруг точки заклепки можно увидеть зеленоватое теплое пятно.

Хотя смола является средой для хранения тепла, аксиальная теплопроводность (k)-значение углеродного волокна все еще удивительно высока, поэтому цветовые пятна все еще наблюдаются там, где тепло отводится углеродным волокном.

Сторонняя проверка: Отчет об испытаниях CHC

Самуэль представил TC-160 на независимое тестирование через CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), тайваньскую испытательную организацию с аккредитацией TAF (Taiwan Accreditation Foundation). Аккредитация TAF означает, что результаты имеют международное признание.

Отчет CHC подтвердил, что TC-160 соответствует стандартам тепловых характеристик для дисковых тормозных роторов.

В реальных испытаниях на испытательной машине поверхность торможения из нержавеющей стали превышала 600°C, в то время как секция карбоновых ребер измерялась чуть более 100°C в тех же условиях, что значительно ниже ее предела в 350°C.

В действительности, шоссейные велосипеды не могут генерировать температуры трения дисковых тормозов, превышающие 600°C, что подтверждает прочность этих роторов.

Аэродинамический вариант

Версия TC-160/140 Aero использует модифицированный профиль ребер для минимизации возмущений осевого тангенциального воздушного потока. Компромиссом является несколько повышенная чувствительность к боковому ветру по сравнению со стандартным TC-160. Он подходит для специализированных аэродинамических шоссейных велосипедов и триатлонных установок, где такой компромисс оправдан.

Краткое содержание

Карбоновые дисковые роторы — это не карбоновые ободные тормоза. Карбоновые дисковые роторы не подвержены отказам карбоновых ободных тормозов из-за различий в конструкции.

Правильное пост-отверждение композитов из углеродного волокна является необходимым и повышает прочность этих роторов, так что в реальных условиях выход из строя ротора TC-160 из-за размягченной эпоксидной смолы просто невозможен, что позволяет ему пройти сертификацию CHC, аккредитованную Тайваньским фондом аккредитации.