คาร์บอนไฟเบอร์ใช้กับจานเบรกได้หรือไม่? แซมมวลทดสอบ

คาร์บอนไฟเบอร์ดิสก์โรเตอร์เป็นที่น่าจับตามอง ชื่อเสียงของวัสดุที่ระบายความร้อนได้ไม่ดีนั้นเป็นที่รู้จักกันดีในวงการเบรกก้ามปู ดังนั้นจึงเป็นคำถามที่สมเหตุสมผลที่จะถามว่ามันเหมาะสมที่จะอยู่ใกล้กับพื้นผิวเบรกหรือไม่ Samuel ได้นำ TC-160 ไปผ่านการทดสอบการรับรองจากหน่วยงานภายนอกเพื่อตอบคำถามนั้นด้วยข้อมูล

ข้อโต้แย้งเรื่องเบรกก้ามปูคาร์บอน และเหตุผลที่มันไม่สามารถนำมาใช้กับดิสก์โรเตอร์ได้

ภาพที่ 1: ที่มา: dandyhorse.cc, ภาพพื้นผิวเบรกก้ามปูคาร์บอนที่เสียหาย

ข้อวิพากษ์วิจารณ์กล่าวไว้ว่า: คาร์บอนไฟเบอร์เป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี ดังนั้นภายใต้การเบรกอย่างต่อเนื่อง ขอบล้อคาร์บอนจึงไม่สามารถกระจายความร้อนได้ ทำให้ขอบล้อมีอุณหภูมิสูงขึ้น และอาจนำไปสู่ความเสียหายของขอบล้อ หรือแม้แต่ยางระเบิด

วัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์ ประกอบด้วย วัสดุ 2 ชนิด: เส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์ และ เรซินอีพ็อกซี่ เพื่อยึดทุกอย่างไว้ด้วยกัน

ความทนทานต่อความร้อนของเส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์เองโดยทั่วไปไม่ใช่ปัญหา แต่เป็น เรซินอีพ็อกซี่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้ว (Tg) ของมัน

เมื่อเรซินถึง Tg มันจะอ่อนตัวลง และโครงสร้างจะสูญเสียความสมบูรณ์

ผู้ผลิตขอบล้อจำนวนมากใช้เรซินที่มีค่า Tg สูง ซึ่งได้รับการจัดอันดับไว้ที่ 200-230°C ในทางทฤษฎี แต่ข้ามขั้นตอนสำคัญคือ การบ่มหลังการผลิต (post-cure stage) หากไม่มีการบ่มหลังการผลิตที่เหมาะสม (โดยปกติจะใช้เวลา 90-120 นาทีที่อุณหภูมิสูง) เรซินจะไม่สามารถทำอุณหภูมิ Tg ที่ระบุไว้ได้ และ ความล้มเหลวอาจเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำถึง 100°C

การอบหลังการขึ้นรูปขัดแย้งกับปริมาณการผลิต ต้องใช้เวลานาน จำกัดผลผลิตรายวัน และเพิ่มต้นทุน

แบรนด์ขอบล้อจากจีนแผ่นดินใหญ่หลายแห่งโฆษณาว่ามีผลผลิตสูงและราคาต่ำ ในหลายกรณี สาเหตุง่ายๆ คือขั้นตอนการบ่มหลังการผลิตถูกข้ามไปทั้งหมด หากไม่มีขั้นตอนนี้ คุณไม่สามารถผลิตขอบล้อที่ทนความร้อนได้ นี่เป็นอีกเหตุผลหนึ่งที่อุตสาหกรรมเปลี่ยนจากเบรกขอบล้อมาเป็นดิสก์เบรก เนื่องจากการแสวงหาชุดล้อที่ปรับปรุงตามหลักอากาศพลศาสตร์หมายถึงการประนีประนอมกับความปลอดภัยในการเบรก

ภาพที่ 2: Samuel Rotor แบบแอโร่พร้อมครีบคาร์บอน

อย่างไรก็ตาม สำหรับดิสก์เบรก ภาระความร้อนบนโครงสร้างคาร์บอนจะเปลี่ยนไปโดยสิ้นเชิง พื้นผิวเบรกเป็นวัสดุแยกต่างหาก ซึ่งโดยทั่วไปคือสแตนเลส หรือเหล็ก + อลูมิเนียม + เหล็ก เช่นเดียวกับที่ Shimano ทำ คาร์บอนในล้อไม่ได้อยู่ในวงจรความร้อนอีกต่อไป

ตอนนี้คำถามคือ: ดิสก์โรเตอร์ที่มีครีบคาร์บอนไฟเบอร์จะทำงานอย่างไรภายใต้ภาระความร้อน?

แต่ก่อนอื่น เรามาสำรวจความแตกต่างของโรเตอร์ครีบคาร์บอนไฟเบอร์ TC-160 กัน

TC-160 แตกต่างอย่างไร?

TC-160 ใช้ เรซินเกรดเดียวกับอุตสาหกรรมอากาศยาน พร้อมการบ่มหลังการผลิต ทำให้ครีบคาร์บอนสามารถรักษาโครงสร้างที่สมบูรณ์ได้ถึง 350°C

เมื่อเทียบกับโลหะผสมอลูมิเนียมซึ่งมีช่วงการทำงานที่ปลอดภัยประมาณ 110-120°C เท่านั้น

เมื่อรวมกับการวางชั้นคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีโมดูลัสปานกลางถึงสูง ทำให้โรเตอร์มีความแข็งแกร่งทางโครงสร้างมากกว่าโรเตอร์อลูมิเนียม ลดความเสี่ยงของการบิดงอของโรเตอร์ภายใต้ความร้อน ซึ่งทำให้เกิดการเสียดสีของเบรก

กระบวนการ บ่มหลังการผลิตใช้เวลา 8-9 ชั่วโมงต่อชุดการผลิต ชิ้นส่วนจะเย็นลงตามธรรมชาติภายในเตาอบเพื่อหลีกเลี่ยงความเครียดภายในจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว ซึ่งจำกัด ผลผลิตให้เหลือเพียงหนึ่งรอบเตาอบต่อวัน และเพียงสองถึงสามรอบต่อสัปดาห์

คุณคงเห็นแล้วว่าทำไมหลายบริษัทจึงถูกล่อลวงให้ข้ามกระบวนการบ่มหลังการผลิตเพื่อตอบสนองความต้องการ แต่ Samuel ไม่ได้ลัดขั้นตอนและเลือกที่จะทำสิ่งต่างๆ อย่างถูกต้อง แม้ว่าจะส่งผลต่อกำลังการผลิตก็ตาม

อีกประเด็นหนึ่งที่หลายคนไม่คุ้นเคยคือ คาร์บอนไฟเบอร์มีความถี่การสั่นสะเทือนตามธรรมชาติสูงกว่าโลหะ ซึ่งหมายความว่า TC-160 มีแนวโน้มที่จะเกิดเสียงเบรกเอี๊ยดน้อยกว่า ที่เกิดจากการเสียดสีระหว่างการเบรก เมื่อเทียบกับโรเตอร์ปกติที่มีครีบอะลูมิเนียม

TC-160 เปรียบเทียบกับ Shimano อย่างไร?

Samuel ได้ทำการทดสอบด้วยกล้องถ่ายภาพความร้อน สีที่แสดงเป็นอุณหภูมิสัมพัทธ์ ไม่ใช่อุณหภูมิสัมบูรณ์

สำหรับอุณหภูมิสัมบูรณ์ จะต้องปรับพารามิเตอร์ให้สอดคล้องกับค่าการแผ่รังสีของวัสดุแต่ละชนิด เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่แท้จริงในแต่ละตำแหน่ง ดังนั้นบล็อกสีปัจจุบันจึงมีไว้เพื่อการระบุด้วยสายตาเท่านั้น

โรเตอร์สองชิ้นที่ออกแบบครีบอะลูมิเนียม (อ้างอิงจาก Shimano Dura-Ace) นำความร้อนได้ดี ดึงความร้อนออกจากพื้นผิวเบรกสแตนเลสได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ภาพที่ 3: การถ่ายภาพความร้อนของโรเตอร์ Dura-Ace

ภาพที่ 3 แสดงให้เห็นถึงการนำความร้อนที่แข็งแกร่ง ความร้อนถูกดึงออกจากพื้นผิวเบรกไปยังครีบอะลูมิเนียม ดังที่แสดงด้วยไฮไลท์สีแดง

ภาพที่ 4: การถ่ายภาพความร้อนของโรเตอร์ TC-160

ครีบคาร์บอนของ TC-160 มีค่าการนำความร้อนน้อยกว่าเมื่อเทียบกับโรเตอร์ Dura-Ace อย่างไรก็ตาม:

1. หมุดย้ำสแตนเลส ตรงรอยต่อระหว่างครีบคาร์บอนและพื้นผิวเบรกทำหน้าที่เป็นฉนวนกันความร้อน จำกัดการถ่ายเทความร้อนเข้าสู่โครงสร้างคาร์บอน
2. วัสดุผสมคาร์บอน เองมีค่าการนำความร้อนต่ำและทนความร้อนสูง

สรุปคือ ครีบอะลูมิเนียมมีการนำความร้อนที่ดี แต่มีความแข็งแกร่งน้อยกว่าเมื่อเทียบกับคาร์บอนไฟเบอร์

TC-160 ไม่กระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่การออกแบบโครงสร้างสร้างขึ้นจากความต้านทานความร้อนสูงมากกว่าการนำความร้อน ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการบิดงอของโรเตอร์โดยรักษาความแข็งแกร่งที่ดีเยี่ยมผ่านครีบ

ครีบคาร์บอนทำงานอย่างไรภายใต้ภาระความร้อน?

ภาพที่ 5: ข้อมูลอุณหภูมิที่เก็บรวบรวมหลังจากการขึ้นทางชัน 15% และการเบรกอย่างรุนแรง

ภาพที่ 6: ข้อมูลอุณหภูมิที่เก็บรวบรวม 10 วินาทีหลังจากทางลาด 15%

ภาพที่ 5 แสดงให้เห็นอุณหภูมิสูงที่พื้นผิวเบรกสแตนเลส ในขณะที่บริเวณรอบๆ ยังคงเย็นสบาย ดังที่แสดงในบริเวณสีน้ำเงิน/เขียวอ่อนหลังจากเบรกอย่างหนักลงทางลาดชัน 15%

ภาพที่ 6 แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของพื้นผิวเบรกสแตนเลสลดลงอย่างต่อเนื่อง ในขณะเดียวกัน ความร้อนที่ซี่โครงสแตนเลสจะค่อยๆ ถ่ายเทไปยังจุดยึดหมุดย้ำและกระจายไปยังส่วนบนของครีบคาร์บอนไฟเบอร์

สิ่งนี้บ่งชี้ว่าความร้อนสูงของแผ่นเสียดทานสแตนเลสค่อยๆ แพร่กระจายผ่านซี่โครงไปยังจุดยึดหมุดย้ำ ดังนั้นจึงสามารถมองเห็นรอยสีเขียวอ่อนๆ รอบจุดยึดหมุดย้ำได้

แม้ว่าเรซินจะเป็นตัวกักเก็บความร้อน แต่ค่าการนำความร้อนตามแนวแกน (k) ของคาร์บอนไฟเบอร์ยังคงสูงอย่างน่าประหลาดใจ ดังนั้นจึงยังคงสังเกตเห็นรอยสีในบริเวณที่ความร้อนถูกดึงออกไปโดยคาร์บอนไฟเบอร์

การตรวจสอบจากบุคคลที่สาม: รายงานผลการทดสอบจาก CHC

Samuel ได้ส่ง TC-160 เพื่อทดสอบโดยอิสระผ่าน CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center) ซึ่งเป็นหน่วยงานทดสอบในไต้หวันที่มี การรับรองจาก TAF (Taiwan Accreditation Foundation) การรับรองจาก TAF หมายความว่าผลการทดสอบได้รับการยอมรับในระดับสากล

รายงานของ CHC ยืนยันว่า TC-160 ตรงตามเกณฑ์ประสิทธิภาพทางความร้อนสำหรับดิสก์เบรกโรเตอร์

ในการทดสอบจริงบนเครื่องทดสอบ พื้นผิวเบรกสแตนเลสมีอุณหภูมิสูงกว่า 600°C ในขณะที่ส่วนครีบคาร์บอนวัดได้เพียงกว่า 100°C ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ซึ่งต่ำกว่าขีดจำกัด 350°C มาก

ในความเป็นจริง จักรยานเสือหมอบไม่สามารถสร้างอุณหภูมิการเสียดสีของดิสก์เบรกที่เกิน 600°C ได้ ซึ่งเป็นการยืนยันความทนทานของโรเตอร์เหล่านี้

รุ่นแอโร่

TC-160/140 รุ่น Aero ใช้ครีบที่ได้รับการปรับแต่งเพื่อลดการรบกวนของกระแสลมตามแนวแกน การแลกเปลี่ยนคือความไวต่อลมด้านข้างที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่อเทียบกับ TC-160 รุ่นมาตรฐาน เหมาะสำหรับจักรยานเสือหมอบแอโร่และจักรยานไตรกีฬาที่การแลกเปลี่ยนนี้มีความสมเหตุสมผล

สรุป

ดิสก์โรเตอร์คาร์บอนไม่ใช่เบรกขอบล้อคาร์บอน ดิสก์โรเตอร์คาร์บอนไม่เสี่ยงต่อความเสียหายของเบรกขอบล้อคาร์บอนเนื่องจากความแตกต่างทางวิศวกรรม

การบ่มหลังการผลิตของวัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์เป็นสิ่งสำคัญและช่วยเพิ่มความแข็งแรงของโรเตอร์เหล่านี้ ทำให้ภายใต้สภาพการใช้งานจริง ความล้มเหลวของโรเตอร์ TC-160 เนื่องจากอีพ็อกซี่อ่อนตัวลงนั้นเป็นไปไม่ได้ ซึ่งทำให้ผ่านการรับรองจาก CHC ซึ่งได้รับการรับรองจาก Taiwan Accreditation Foundation