Är kolfiber lämpligt för bromsskivor? Samuel testar.

Rotorer i kolfiber får många att höja på ögonbrynen. Materialets rykte om dålig värmeavledning är välförtjänt i fälgbromsvärlden, så det är en rimlig fråga att undra om det hör hemma nära en bromsyta. Samuel lät TC-160 genomgå tredjepartscertifieringstester för att besvara den frågan med data.

Argumentet med kolfiberfälgbromsar, och varför det inte gäller för skivbromsrotorer

Bild 1: Källa: dandyhorse.cc, bild av en förstörd bromsyta i kolfiberfälg.

Kritiken lyder så här: kolfiber är en dålig värmeledare, och därför, under långvarig bromsning, klarar kolfiberfälgarna inte av att avleda värme, vilket ökar fälgtemperaturen och potentiellt kan leda till fälgfel eller till och med däckexplosioner.

Kolfiberkompositer består av två material: kolfiberfilament och epoxiharts för att hålla ihop det hela.

Själva kolfiberfilamentens värmebeständighet är vanligtvis inte problemet, utan snarare epoxihartsen, särskilt dess glasövergångstemperatur (Tg).

När hartsen når Tg mjuknar den, och strukturen förlorar sin integritet.

Många fälgtillverkare använder hartser med hög Tg, specificerade till 200–230°C på pappret, men hoppar över det kritiska efterhärdningssteget under produktionen. Utan ordentlig efterhärdning (vanligtvis 90–120 minuter vid förhöjd temperatur) uppnår hartsen aldrig sin specificerade Tg, och fel kan uppstå vid temperaturer så låga som 100°C.

Efterhärdning strider mot produktionseffektiviteten. Det är tidskrävande, begränsar den dagliga produktionen och medför extra kostnader.

Många kinesiska fälgmärken annonserar hög produktion och låga priser. I många fall är anledningen helt enkelt att efterhärdningssteget helt hoppas över. Utan det kan man inte producera en fälg med hög temperaturbeständighet. Detta är ytterligare en anledning till att industrin skiftade från fälgbromsar till skivbromsar, då strävan efter aerodynamiskt optimerade hjuluppsättningar innebär att kompromissa med bromssäkerheten.

Bild 2: Aero Samuel Rotor med kolfiberfenor.

Men med skivbromsar ändras värmebelastningen på en kolfiberstruktur helt. Bromsytan är ett separat material, vanligtvis rostfritt stål eller stål+aluminium+stål, som Shimano använder. Kolfibret i hjulen är inte längre med i den termiska kretsen.

Så frågan är nu: hur presterar kolfiberrotorer med fenor under termisk belastning?

Men först, låt oss utforska hur TC-160 kolfiberrotor med fenor skiljer sig.

Hur skiljer sig TC-160?

TC-160 använder flygplansklassat harts, komplett med efterhärdning, vilket gör att kolfiberfenorna kan bibehålla sin strukturella integritet upp till 350°C.

Som jämförelse har aluminiumlegeringar endast ett säkert driftsområde på cirka 110-120°C.

Kombinerat med kolfiberuppbyggnader med medelhög till hög modul, är rotorn strukturellt styvare än en motsvarande i aluminium, vilket minskar risken för rotorvridning under värme, vilket orsakar bromsfriktion.

Efterhärdningsprocessen pågår i 8-9 timmar per sats. Delarna kyls naturligt inne i ugnen för att undvika inre spänningar från snabba temperaturförändringar, vilket begränsar produktionen till en ugnscykel per dag och endast två till tre cykler per vecka.

Man förstår varför många företag frestas att hoppa över efterhärdningsprocessen för att möta efterfrågan. Samuel tar dock inga genvägar utan väljer att göra saker på rätt sätt, på bekostnad av sin produktionskapacitet.

En annan punkt som många inte känner till är att kolfiber har en högre naturlig vibrationsfrekvens jämfört med metall. Detta innebär att TC-160 i sig är mindre benägen att ge upphov till bromsoljud orsakat av friktion under bromsning, än vanliga rotorer med aluminiumfenor.

Hur står sig TC-160 jämfört med Shimano?

Samuel utförde tester med värmekameror. Färgerna som visas är relativa temperaturer, inte absoluta temperaturer.

För absoluta temperaturer måste parametrarna justeras för att motsvara varje materials emissivitet för att erhålla den sanna temperaturen på varje plats. Därför är de nuvarande färgblocken endast för visuell identifiering.

Tvådelade rotorer med aluminiumfenor (Shimano Dura-Ace som referens) leder värme bra och avleder den effektivt från bromsytan i rostfritt stål.

Bild 3: Värmebild av Dura-Ace-rotorerna

Bild 3 visar verkligen stark värmeledningsförmåga. Värme dras från bromsbanan till aluminiumfenorna, vilket visas av de röda markeringarna.

Bild 4: Värmebild av TC-160 rotorer.

TC-160:s kolfiberfenor har verkligen lägre värmeledningsförmåga jämfört med Dura-Ace-rotorn, dock:

1. Nitar i rostfritt stål vid kopplingen mellan kolfiberfenorna och bromsbanan fungerar som en termisk barriär som begränsar värmeöverföringen till kolfiberstrukturen.
2. Kolfiberkompositen i sig har låg värmeledningsförmåga och hög värmebeständighet.

Kort sagt, aluminiumfenor har god värmeledningsförmåga men är mindre styva jämfört med kolfiber.

TC-160 avleder inte värme lika effektivt, men den strukturella designen är byggd kring hög värmebeständighet snarare än värmeledning, vilket minskar risken för rotorvridning genom att bibehålla utmärkt styvhet genom fenorna.

Hur presterar kolfiberfenorna under termisk belastning?

Bild 5: Temperaturdata insamlad efter en 15 % brant backe och kraftig bromsning.

Bild 6: Temperaturdata insamlad 10 sekunder efter 15 % backe.

Bild 5 visar höga temperaturer vid bromsbanan i rostfritt stål, medan de omgivande områdena fortfarande är svala, vilket visas i den svala blå/ljusgröna zonen efter kraftig bromsning nedför en 15 % lutning.

Bild 6 visar att temperaturen på bromsbanan i rostfritt stål gradvis minskar. Samtidigt överförs värmen vid de rostfria ribborna långsamt till nitpunkterna och sprider sig till toppen av kolfiberfenorna.

Detta indikerar att den höga värmen från friktionsplattan i rostfritt stål gradvis sprider sig genom ribborna till nitpunkten. Därför kan en grönaktig varm fläck ses runt nitpunkten.

Även om hartset är ett värmelagringsmedium är den axiella värmeledningsförmågan (k)-värdet för kolfiber fortfarande överraskande högt, så färgfläckar observeras fortfarande där värme dras bort av kolfiber.

Tredjepartsvalidering: CHC-testrapport

Samuel lämnade in TC-160 för oberoende tester genom CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), ett taiwanesiskt testorgan med TAF (Taiwan Accreditation Foundation) ackreditering. TAF-ackrediteringen innebär att resultaten har internationellt erkännande.

CHC-rapporten bekräftade att TC-160 uppfyller termiska prestandakrav för skivbromsrotorer.

I verkliga tester på testmaskinen översteg bromsytan i rostfritt stål 600°C, medan kolfiberfensektionen mätte drygt 100°C under samma förhållanden, långt under dess gräns på 350°C.

I verkligheten kan racercyklar inte generera skivbromsfriktionstemperaturer som överstiger 600°C, vilket validerar dessa rotorers robusthet.

Aerovarianten

TC-160/140 Aero-versionen använder en modifierad fenprofil för att minimera axiell tangentiell luftflödesstörning. Kompromissen är en något ökad känslighet för sidvind jämfört med standard TC-160. Den passar för dedikerade aerodynamiska racercyklar och triathlonuppställningar där den kompromissen är meningsfull.

Sammanfattning

Kolfiberskivbromsar är inte kolfiberfälgbromsar. Kolfiberskivbromsar är inte mottagliga för de fel som kolfiberfälgbromsar har på grund av skillnaden i konstruktion.

Korrekt efterhärdning av kolfiberkompositer är avgörande och bidrar till rotorernas robusthet, så att under verkliga förhållanden är ett fel på TC-160-rotorn på grund av uppmjukat epoxi helt enkelt inte möjligt, vilket gör att den klarar CHC-certifieringen, ackrediterad av Taiwan Accreditation Foundation.