คาร์บอนไฟเบอร์ใช้กับจานเบรกได้หรือไม่? แซมมวลทดสอบ
จานโรเตอร์ดิสก์เบรกคาร์บอนไฟเบอร์ทำให้หลายคนตั้งข้อสงสัย วัสดุชนิดนี้มีชื่อเสียงด้านการระบายความร้อนที่ไม่ดีในโลกของเบรกขอบล้อ ซึ่งเป็นข้อกังวลที่สมเหตุสมผลว่าเหมาะจะอยู่ใกล้พื้นผิวเบรกหรือไม่ Samuel จึงส่ง TC-160 เข้ารับการทดสอบเพื่อขอการรับรองจากหน่วยงานอิสระ เพื่อหาคำตอบจากข้อมูลจริง
ข้อโต้แย้งเรื่องเบรกขอบล้อคาร์บอน และเหตุใดจึงใช้กับจานโรเตอร์ดิสก์เบรกไม่ได้
ภาพที่ 1: แหล่งที่มา: dandyhorse.cc ภาพรางเบรกขอบล้อคาร์บอนที่เสียหาย
ข้อวิจารณ์มีอยู่ว่า คาร์บอนไฟเบอร์เป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี ดังนั้นเมื่อเบรกต่อเนื่อง ขอบล้อคาร์บอนจึงระบายความร้อนได้ไม่ทัน ทำให้อุณหภูมิขอบล้อสูงขึ้น และอาจนำไปสู่ความเสียหายของขอบล้อหรือแม้แต่ยางระเบิด
วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ประกอบด้วย วัสดุ 2 ชนิด: เส้นใยคาร์บอน และ เรซินอีพ็อกซีที่ยึดส่วนประกอบทั้งหมดเข้าด้วยกัน
โดยปกติ ปัญหาไม่ได้อยู่ที่ความทนความร้อนของเส้นใยคาร์บอนเอง แต่อยู่ที่ เรซินอีพ็อกซี โดยเฉพาะอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg)
เมื่อเรซินมีอุณหภูมิถึง Tg เรซินจะอ่อนตัว และโครงสร้างจะสูญเสียความสมบูรณ์
ผู้ผลิตขอบล้อหลายรายใช้เรซินค่า Tg สูง ซึ่งระบุบนเอกสารว่ารองรับอุณหภูมิ 200-230°C แต่กลับข้ามขั้นตอนสำคัญอย่าง การบ่มหลังการขึ้นรูปในกระบวนการผลิต หากไม่มีการบ่มหลังการขึ้นรูปอย่างเหมาะสม (โดยทั่วไปคือ 90-120 นาทีที่อุณหภูมิสูง) เรซินจะไม่สามารถทำค่า Tg ได้ตามที่ระบุ และอาจเกิดความเสียหายได้ที่อุณหภูมิต่ำเพียง 100°C
การบ่มหลังการขึ้นรูปขัดแย้งกับประสิทธิภาพด้านกำลังการผลิต เพราะใช้เวลานาน จำกัดจำนวนการผลิตต่อวัน และเพิ่มต้นทุน
แบรนด์ขอบล้อจากจีนแผ่นดินใหญ่หลายรายโฆษณาว่าผลิตได้ปริมาณมากและจำหน่ายในราคาต่ำ ในหลายกรณี สาเหตุเรียบง่ายคือการข้ามขั้นตอนการบ่มหลังการขึ้นรูปทั้งหมด หากไม่มีขั้นตอนนี้ ก็ไม่สามารถผลิตขอบล้อที่ทนต่ออุณหภูมิสูงได้ นี่เป็นอีกเหตุผลที่อุตสาหกรรมเปลี่ยนจากเบรกขอบล้อมาเป็นดิสก์เบรก เนื่องจากการมุ่งพัฒนาชุดล้อที่มีแอโรไดนามิก оптимизированный ทำให้ต้องแลกกับความปลอดภัยในการเบรก
ภาพที่ 2: Samuel Rotor แบบแอโรพร้อมครีบคาร์บอน
อย่างไรก็ตาม สำหรับดิสก์เบรก ภาระความร้อนที่เกิดกับโครงสร้างคาร์บอนแตกต่างไปโดยสิ้นเชิง พื้นผิวเบรกเป็นวัสดุแยกต่างหาก โดยทั่วไปคือสเตนเลสสตีล หรือ steel+aluminium+steel เช่นเดียวกับที่ Shimano ใช้ คาร์บอนในล้อจึงไม่อยู่ในวงจรถ่ายเทความร้อนอีกต่อไป
ดังนั้น คำถามคือ จานโรเตอร์ครีบคาร์บอนไฟเบอร์ทำงานภายใต้ภาระความร้อนได้ดีเพียงใด
แต่ก่อนอื่น มาดูกันว่า TC-160 จานโรเตอร์ครีบคาร์บอนไฟเบอร์มีความแตกต่างอย่างไร
TC-160 แตกต่างอย่างไร
TC-160 ใช้เรซินเกรดอากาศยาน พร้อมการบ่มหลังการขึ้นรูป ทำให้ครีบคาร์บอนคงความสมบูรณ์ของโครงสร้างได้ถึง 350°C
เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว โลหะผสมอะลูมิเนียมมีช่วงอุณหภูมิใช้งานที่ปลอดภัยเพียงประมาณ 110-120°C
เมื่อผสานกับการวางชั้นคาร์บอนไฟเบอร์ระดับโมดูลัสปานกลางถึงสูง จานโรเตอร์จึงมีความแข็งเชิงโครงสร้างมากกว่ารุ่นอะลูมิเนียมที่เทียบเท่า ช่วยลดความเสี่ยงที่จานโรเตอร์จะบิดตัวจากความร้อนจนเกิดอาการเบรกเสียดสี
กระบวนการบ่มหลังการขึ้นรูปใช้เวลา 8-9 ชั่วโมงต่อหนึ่งแบตช์ ชิ้นส่วนจะเย็นตัวตามธรรมชาติภายในเตาอบ เพื่อหลีกเลี่ยงความเค้นภายในจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ผลิตได้เพียงหนึ่งรอบเตาอบต่อวัน และเพียงสองถึงสามรอบต่อสัปดาห์
จึงเห็นได้ว่าหลายบริษัทมีแรงจูงใจที่จะข้ามกระบวนการบ่มหลังการขึ้นรูปเพื่อให้ผลิตทันความต้องการ อย่างไรก็ตาม Samuel ไม่ใช้ทางลัด และเลือกทำทุกอย่างอย่างถูกต้อง แม้ต้องแลกกับกำลังการผลิตก็ตาม
อีกประเด็นหนึ่งที่หลายคนไม่คุ้นเคยคือ คาร์บอนไฟเบอร์มีความถี่การสั่นตามธรรมชาติสูงกว่าโลหะ ซึ่งหมายความว่า TC-160 มีแนวโน้มเกิดเสียงเบรกแหลมน้อยกว่าโดยธรรมชาติ เมื่อเกิดแรงเสียดทานขณะเบรก เมื่อเทียบกับจานโรเตอร์ทั่วไปที่ใช้ครีบอะลูมิเนียม
TC-160 เปรียบเทียบกับ Shimano อย่างไร
Samuel ทำการทดสอบด้วยกล้องถ่ายภาพความร้อน สีที่แสดงเป็นอุณหภูมิสัมพัทธ์ ไม่ใช่อุณหภูมิสัมบูรณ์
สำหรับอุณหภูมิสัมบูรณ์ ต้องปรับพารามิเตอร์ให้สอดคล้องกับค่าการแผ่รังสีของวัสดุแต่ละชนิด เพื่อให้ได้อุณหภูมิจริงในแต่ละตำแหน่ง ดังนั้น แถบสีในปัจจุบันจึงใช้เพื่อระบุตำแหน่งด้วยสายตาเท่านั้น
จานโรเตอร์แบบสองชิ้นที่มีครีบอะลูมิเนียม (ใช้ Shimano Dura-Ace เป็นข้อมูลอ้างอิง) นำความร้อนได้ดี โดยดึงความร้อนออกจากแทร็กเบรกสเตนเลสสตีลได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ภาพที่ 3: ภาพถ่ายความร้อนของจานโรเตอร์ Dura-Ace
ภาพที่ 3 แสดงให้เห็นการนำความร้อนที่ดีอย่างชัดเจน ความร้อนถูกดึงจากแทร็กเบรกไปยังครีบอะลูมิเนียม ดังที่แสดงด้วยจุดสีแดง
ภาพที่ 4: ภาพถ่ายความร้อนของจานโรเตอร์ TC-160
ครีบคาร์บอนของ TC-160 มีการนำความร้อนน้อยกว่าจานโรเตอร์ Dura-Ace จริง อย่างไรก็ตาม:
- หมุดย้ำสเตนเลสสตีลบริเวณจุดเชื่อมต่อระหว่างครีบคาร์บอนกับแทร็กเบรกทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อน จำกัดการถ่ายเทความร้อนเข้าสู่โครงสร้างคาร์บอน
- วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนเองมีการนำความร้อนต่ำและทนความร้อนสูง
สรุปคือ ครีบอะลูมิเนียมนำความร้อนได้ดี แต่มีความแข็งน้อยกว่าคาร์บอนไฟเบอร์
TC-160 ระบายความร้อนได้ไม่มีประสิทธิภาพเท่า แต่การออกแบบโครงสร้างมุ่งเน้นการทนความร้อนสูงมากกว่าการนำความร้อน ช่วยลดความเสี่ยงที่จานโรเตอร์จะบิดตัวด้วยการคงความแข็งในระดับดีเยี่ยมตลอดแนวครีบ
ครีบคาร์บอนทำงานภายใต้ภาระความร้อนได้อย่างไร
ภาพที่ 5: ข้อมูลอุณหภูมิที่เก็บหลังจากลงทางลาดชัน 15% และเบรกอย่างหนัก
ภาพที่ 6: ข้อมูลอุณหภูมิที่เก็บ 10 วินาทีหลังจากทางลาดชัน 15%
ภาพที่ 5 แสดงให้เห็นว่าแทร็กเบรกสเตนเลสสตีลมีอุณหภูมิสูง ขณะที่บริเวณโดยรอบยังคงเย็น ดังที่เห็นจากโซนสีน้ำเงิน/เขียวอ่อนหลังการเบรกอย่างหนักขณะลงทางลาดชัน 15%
ภาพที่ 6 แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของแทร็กเบรกสเตนเลสสตีลค่อย ๆ ลดลง ขณะเดียวกัน ความร้อนจากซี่สเตนเลสสตีลจะค่อย ๆ ถ่ายเทไปยังจุดหมุดย้ำและกระจายไปยังส่วนบนของครีบคาร์บอนไฟเบอร์
สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่า ความร้อนสูงจากแผ่นเสียดทานสเตนเลสสตีลค่อย ๆ แผ่ผ่านซี่ไปยังจุดหมุดย้ำ ดังนั้นจึงเห็นบริเวณอุ่นสีเขียวรอบจุดหมุดย้ำ
แม้เรซินจะเป็นตัวกลางกักเก็บความร้อน แต่ค่าการนำความร้อนตามแนวแกน (k) ของคาร์บอนไฟเบอร์ยังคงสูงอย่างน่าประหลาดใจ จึงยังสังเกตเห็นแถบสีในบริเวณที่คาร์บอนไฟเบอร์ดึงความร้อนออกไปได้
การยืนยันจากหน่วยงานอิสระ: รายงานการทดสอบ CHC
Samuel ส่ง TC-160 เข้ารับการทดสอบอิสระผ่าน CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center) หน่วยงานทดสอบจากไต้หวันที่ได้รับการรับรองจาก TAF (Taiwan Accreditation Foundation) การรับรองจาก TAF หมายความว่าผลการทดสอบได้รับการยอมรับในระดับสากล
รายงาน CHC ยืนยันว่า TC-160 ผ่านเกณฑ์ประสิทธิภาพด้านความร้อนสำหรับจานโรเตอร์ดิสก์เบรก
ในการทดสอบจริงบนเครื่องทดสอบ พื้นผิวเบรกสเตนเลสสตีลมีอุณหภูมิเกิน 600°C ขณะที่ส่วนครีบคาร์บอนวัดได้เพียงเล็กน้อยกว่า 100°C ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ซึ่งต่ำกว่าขีดจำกัด 350°C อย่างมาก
ในความเป็นจริง จักรยานถนนไม่สามารถสร้างอุณหภูมิจากแรงเสียดทานของดิสก์เบรกที่เกิน 600°C ได้ ผลการทดสอบจึงยืนยันความทนทานของจานโรเตอร์เหล่านี้
รุ่น Aero
รุ่น TC-160/140 Aero ใช้รูปทรงครีบที่ปรับปรุงใหม่เพื่อลดการรบกวนการไหลของอากาศตามแนวแกนและแนวสัมผัส ข้อแลกเปลี่ยนคือมีความไวต่อลมด้านข้างเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเมื่อเทียบกับ TC-160 รุ่นมาตรฐาน เหมาะสำหรับจักรยานถนนแอโรโดยเฉพาะและชุดอุปกรณ์ไตรกีฬาที่ข้อแลกเปลี่ยนดังกล่าวเหมาะสม
สรุป
จานโรเตอร์ดิสก์เบรกคาร์บอนไม่ใช่เบรกขอบล้อคาร์บอน จานโรเตอร์ดิสก์เบรกคาร์บอนไม่มีความเสี่ยงต่อความเสียหายแบบเดียวกับเบรกขอบล้อคาร์บอน เนื่องจากมีวิศวกรรมการออกแบบที่แตกต่างกัน
การบ่มหลังการขึ้นรูปอย่างเหมาะสมสำหรับวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นสิ่งจำเป็น และช่วยเพิ่มความทนทานของจานโรเตอร์เหล่านี้ จนภายใต้สภาวะการใช้งานจริง ความเสียหายของจานโรเตอร์ TC-160 จากอีพ็อกซีอ่อนตัวจึงไม่สามารถเกิดขึ้นได้ ทำให้ผ่านการรับรอง CHC ซึ่งได้รับการรับรองโดย Taiwan Accreditation Foundation
2 ความคิดเห็น
I doubt we’ll see full carbon brake rotors on bicycles.. Full carbon brakes exhibit poor performance in cold temperatures, and cycling doesn’t generate enough heat to get them working optimally. But perhaps one day someone might design something of a hybrid…?
That is not a carbon brake rotor as such. It is just a standard rotor with a carbon spider which tansfers not heat at all. All the gibberish about the carbon is marketing fluff.