Är kolfiber lämpligt för bromsskivor? Samuel testar.

Bromsskivor av kolfiber väcker frågor. Materialets rykte om dålig värmeavledning är välförtjänt i fälgbromsvärlden, så det är en rimlig fråga att ställa om det hör hemma nära en bromsyta. Samuel lät genomföra tredjepartstester och certifiering av TC-160 för att besvara frågan med data.

Argumentet mot kolfiberfälgbromsar – och varför det inte gäller bromsskivor

Bild 1: Källa: dandyhorse.cc, bild av en skadad bromsbana på en kolfiberfälg.

Kritiken lyder så här: kolfiber är en dålig värmeledare och vid långvarig bromsning kan kolfiberfälgar därför inte avleda värmen tillräckligt. Det ökar fälgtemperaturen och kan i värsta fall leda till fälghaveri eller till och med däckexplosioner.

Kolfiberkompositer består av 2 material: kolfiberfilament och epoxihartset som håller ihop allt.

Det är vanligtvis inte värmetåligheten hos själva kolfiberfilamenten som är problemet, utan snarare epoxihartset, särskilt dess glasomvandlingstemperatur (Tg).

När hartset når Tg mjuknar det och konstruktionen förlorar sin integritet.

Många fälgtillverkare använder hartser med hög Tg, på papperet klassade för 200-230°C, men hoppar över det kritiska efterhärdningssteget under produktionen. Utan korrekt efterhärdning (vanligtvis 90-120 minuter vid förhöjd temperatur) uppnår hartset aldrig sin angivna Tg, och haverier kan inträffa redan vid temperaturer så låga som 100°C.

Efterhärdning står i konflikt med produktionsgenomströmningen. Det är tidskrävande, begränsar den dagliga produktionen och ökar kostnaderna.

Många kinesiska fälgmärken från fastlandet marknadsför hög produktionstakt och låga priser. I många fall beror detta helt enkelt på att efterhärdningssteget hoppas över helt. Utan det kan man inte tillverka en fälg med hög temperaturtålighet. Detta är ytterligare en anledning till att branschen gick från fälgbromsar till skivbromsar, eftersom strävan efter aerodynamiskt optimerade hjulset innebär kompromisser när det gäller bromssäkerheten.

Bild 2: Aero Samuel Rotor med kolfiberfenor.

Med skivbromsar förändras däremot värmebelastningen på en kolfiberkonstruktion helt. Bromsytan är tillverkad av ett separat material, vanligtvis rostfritt stål eller stål+aluminium+stål, som hos Shimano. Kolfibern i hjulen ingår inte längre i den termiska kretsen.

Frågan är alltså: hur presterar bromsskivor med kolfiberfenor under termisk belastning?

Men först ska vi titta på hur den kolfiberfenförsedda bromsskivan TC-160 skiljer sig.

Hur skiljer sig TC-160?

TC-160 använder harts av flyg- och rymdkvalitet, inklusive efterhärdning, vilket gör att kolfiberfenorna kan behålla sin strukturella integritet upp till 350°C.

Som jämförelse har aluminiumlegeringar endast ett säkert driftintervall på omkring 110-120°C.

I kombination med kolfiberlaminat med medelhög till hög modul blir bromsskivan strukturellt styvare än en motsvarande aluminiummodell, vilket minskar risken för att skivan slår sig av värme och orsakar bromsskrap.

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

Det är lätt att förstå varför många företag frestas att hoppa över efterhärdningsprocessen för att möta efterfrågan. Samuel tar dock inga genvägar och väljer att göra saker på rätt sätt, på bekostnad av produktionskapaciteten.

En annan punkt som många inte känner till är att kolfiber har en högre naturlig vibrationsfrekvens än metall. Det innebär att TC-160 i sig är mindre benägen att ge upphov till bromsvissel på grund av friktion vid bromsning än vanliga bromsskivor med aluminiumfenor.

Hur står sig TC-160 jämfört med Shimano?

Samuel genomförde tester med värmekameror. De visade färgerna anger relativa temperaturer, inte absoluta temperaturer.

För absoluta temperaturer måste parametrarna justeras så att de motsvarar emissiviteten hos varje material, för att den verkliga temperaturen på varje plats ska kunna fastställas. De aktuella färgområdena används därför endast för visuell identifiering.

Bromsskivor i två delar med aluminiumfenor (Shimano Dura-Ace som referens) leder värme väl och transporterar effektivt bort den från bromsbanan i rostfritt stål.

Bild 3: Värmebild av Dura-Ace-bromsskivorna

Bild 3 visar tydligt en stark värmeledningsförmåga. Värmen leds från bromsbanan till aluminiumfenorna, vilket visas av de röda markeringarna.

Bild 4: Värmebild av TC-160-bromsskivor.

TC-160:s kolfiberfenor har visserligen sämre värmeledningsförmåga än Dura-Ace-bromsskivan, men:

1. Nitar av rostfritt stål i skarven mellan kolfiberfenorna och bromsbanan fungerar som en termisk barriär och begränsar värmeöverföringen till kolfiberkonstruktionen.
2. Den kolfiberkomposit som används har låg värmeledningsförmåga och hög värmetålighet.

Kort sagt har aluminiumfenor god värmeledningsförmåga men är mindre styva än kolfiber.

TC-160 avleder inte värme lika effektivt, men konstruktionen är utformad för hög värmetålighet snarare än värmeledning. Det minskar risken för att bromsskivan slår sig genom att fenorna behåller en utmärkt styvhet.

Hur presterar kolfiberfenorna under termisk belastning?

Bild 5: Temperaturdata insamlade efter en brant stigning på 15 % och kraftig bromsning.

Bild 6: Temperaturdata insamlade 10 sekunder efter en stigning på 15 %.

Bild 5 visar höga temperaturer vid bromsbanan i rostfritt stål, medan områdena runt omkring fortfarande är svala, vilket visas av de kalla blå och ljusgröna zonerna efter kraftig bromsning nedför en lutning på 15 %.

Bild 6 visar att temperaturen på bromsbanan i rostfritt stål gradvis sjunker. Samtidigt överförs värmen i de rostfria stålribborna långsamt till nitpunkterna och sprids till toppen av kolfiberfenorna.

Detta visar att den höga värmen från friktionsplattan i rostfritt stål gradvis sprids genom ribborna till nitpunkten. Därför syns en grönaktigt varm zon runt nitpunkten.

Även om hartset fungerar som ett värmelagrande medium är kolfiberns axiella värmeledningsförmåga (k)-värde fortfarande förvånansvärt högt. Därför syns fortfarande färgområden där värmen leds bort av kolfibern.

Tredjepartsvalidering: CHC-testrapport

Samuel skickade 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-ackreditering innebär att resultaten är internationellt erkända.

CHC-rapporten bekräftade att TC-160 uppfyller riktvärdena för termisk prestanda hos bromsskivor.

Vid tester i verkliga förhållanden på testmaskinen översteg bromsytan i rostfritt stål 600°C, medan kolfiberfenorna uppmätte strax över 100°C under samma förhållanden, långt under gränsen på 350°C.

I verkligheten kan landsvägscyklar inte skapa friktionstemperaturer i skivbromsar som överstiger 600°C, vilket bekräftar bromsskivornas robusthet.

Aero-versionen

TC-160/140 Aero-versionen använder en modifierad fenprofil för att minimera störningar i det axiella tangentiella luftflödet. Kompromissen är en något ökad känslighet för sidvind jämfört med standardversionen av TC-160. Den passar dedikerade aerodynamiska landsvägscyklar och triathlonkonfigurationer där denna kompromiss är rimlig.

Sammanfattning

Bromsskivor av kolfiber är inte samma sak som kolfiberfälgbromsar. Bromsskivor av kolfiber drabbas inte av de haverier som kan uppstå hos kolfiberfälgbromsar, eftersom konstruktionen skiljer sig.

Korrekt efterhärdning av kolfiberkompositer är avgörande och bidrar till bromsskivornas robusthet. Under verkliga förhållanden är det därför inte möjligt att TC-160 -bromsskivan havererar på grund av mjuknat epoxiharts, vilket gör att den klarar CHC-certifieringen, ackrediterad av Taiwan Accreditation Foundation.