Phanh Đĩa Sợi Carbon Có Khả Thi Không? Samuel Kiểm Tra.

Đĩa phanh carbon khiến nhiều người hoài nghi. Danh tiếng về khả năng tản nhiệt kém của vật liệu này trong lĩnh vực phanh vành là hoàn toàn có cơ sở, vì vậy việc đặt câu hỏi liệu carbon có phù hợp với khu vực gần bề mặt phanh hay không là điều hợp lý. Samuel đã đưa TC-160 đi kiểm định chứng nhận bởi bên thứ ba để trả lời bằng dữ liệu.

Lập luận về phanh vành carbon và lý do không áp dụng cho đĩa phanh

Hình 1: Nguồn: dandyhorse.cc, hình ảnh bề mặt phanh vành carbon bị hỏng.

Nhận định chỉ trích thường là: sợi carbon dẫn nhiệt kém, vì vậy khi phanh liên tục, vành carbon không thể tản nhiệt hiệu quả, làm tăng nhiệt độ vành và có thể dẫn đến hỏng vành hoặc thậm chí nổ lốp.

Vật liệu composite sợi carbon gồm 2 vật liệu: sợi carbon và nhựa epoxy liên kết toàn bộ cấu trúc.

Khả năng chịu nhiệt của bản thân các sợi carbon thường không phải vấn đề, mà vấn đề nằm ở nhựa epoxy, cụ thể là nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) của nhựa.

Khi nhựa đạt đến Tg, nó mềm đi và cấu trúc mất tính toàn vẹn.

Nhiều nhà sản xuất vành sử dụng nhựa có Tg cao, trên lý thuyết được định mức 200-230°C, nhưng lại bỏ qua giai đoạn hậu đóng rắn quan trọng trong quá trình sản xuất. Nếu không hậu đóng rắn đúng cách (thường là 90-120 phút ở nhiệt độ cao), nhựa sẽ không bao giờ đạt được Tg định mức, và có thể xảy ra hỏng hóc ở nhiệt độ thấp tới 100°C.

Hậu đóng rắn ảnh hưởng đến năng suất sản xuất. Quy trình này tốn thời gian, giới hạn sản lượng mỗi ngày và làm tăng chi phí.

Nhiều thương hiệu vành Trung Quốc đại lục quảng bá sản lượng cao và giá thấp. Trong nhiều trường hợp, lý do đơn giản là giai đoạn hậu đóng rắn bị bỏ qua hoàn toàn. Nếu không có bước này, không thể sản xuất vành có khả năng chịu nhiệt cao. Đây cũng là một lý do ngành xe đạp chuyển từ phanh vành sang phanh đĩa, bởi việc theo đuổi bộ bánh tối ưu khí động học đồng nghĩa với việc phải đánh đổi độ an toàn khi phanh.

Hình 2: Samuel Rotor khí động học với cánh tản nhiệt carbon.

Tuy nhiên, với phanh đĩa, tải nhiệt tác động lên cấu trúc carbon hoàn toàn khác. Bề mặt phanh là một vật liệu riêng biệt, thường là thép không gỉ hoặc thép+nhôm+thép, như thiết kế của Shimano. Carbon trong bánh xe không còn nằm trong vòng tuần hoàn nhiệt.

Vậy đĩa phanh có cánh tản nhiệt bằng sợi carbon hoạt động thế nào dưới tải nhiệt?

Nhưng trước tiên, hãy tìm hiểu điểm khác biệt của đĩa phanh có cánh tản nhiệt bằng carbon TC-160.

TC-160 khác biệt như thế nào?

TC-160 sử dụng nhựa cấp hàng không vũ trụ, được hậu đóng rắn đầy đủ, giúp các cánh carbon duy trì tính toàn vẹn kết cấu ở nhiệt độ lên tới 350°C.

Trong khi đó, hợp kim nhôm chỉ có phạm vi nhiệt độ vận hành an toàn khoảng 110-120°C.

Kết hợp với cấu trúc lớp sợi carbon có mô đun trung bình đến cao, đĩa phanh có độ cứng kết cấu cao hơn phiên bản tương đương bằng nhôm, giảm nguy cơ đĩa bị cong vênh do nhiệt và gây cạ má phanh.

Quy trình hậu đóng rắn kéo dài 8-9 giờ mỗi mẻ. Các chi tiết nguội tự nhiên bên trong lò để tránh ứng suất bên trong do thay đổi nhiệt độ đột ngột, khiến sản lượng chỉ giới hạn ở một chu kỳ lò mỗi ngày và chỉ hai đến ba chu kỳ mỗi tuần.

Bạn có thể hiểu vì sao nhiều công ty muốn bỏ qua quy trình hậu đóng rắn để đáp ứng nhu cầu. Tuy nhiên, Samuel không đi đường tắt mà chọn thực hiện đúng quy trình, chấp nhận đánh đổi công suất sản xuất.

Một điểm khác mà nhiều người chưa biết là sợi carbon có tần số rung tự nhiên cao hơn kim loại. Điều này có nghĩa là TC-160 vốn ít có xu hướng phát ra tiếng rít phanh hơn do ma sát khi phanh, so với các đĩa phanh thông thường có cánh tản nhiệt bằng nhôm.

TC-160 so với Shimano như thế nào?

Samuel đã thử nghiệm bằng camera chụp ảnh nhiệt. Các màu hiển thị là nhiệt độ tương đối, không phải nhiệt độ tuyệt đối.

Để đo nhiệt độ tuyệt đối, cần điều chỉnh các thông số tương ứng với độ phát xạ của từng vật liệu nhằm thu được nhiệt độ thực tế tại mỗi vị trí. Do đó, các vùng màu hiện tại chỉ nhằm mục đích nhận diện trực quan.

Đĩa phanh hai mảnh với thiết kế cánh tản nhiệt bằng nhôm (lấy Shimano Dura-Ace làm tham chiếu) dẫn nhiệt tốt, truyền nhiệt ra khỏi bề mặt phanh bằng thép không gỉ một cách hiệu quả.

Hình 3: Ảnh nhiệt của đĩa phanh Dura-Ace

Hình 3 cho thấy khả năng dẫn nhiệt mạnh. Nhiệt được truyền từ bề mặt phanh đến các cánh nhôm, thể hiện qua những vùng màu đỏ.

Hình 4: Ảnh nhiệt của đĩa phanh TC-160.

Các cánh carbon của TC-160 thực sự có khả năng dẫn nhiệt thấp hơn đĩa Dura-Ace, tuy nhiên:

1. Đinh tán bằng thép không gỉ tại vị trí nối giữa các cánh carbon và bề mặt phanh hoạt động như một rào cản nhiệt, hạn chế truyền nhiệt vào cấu trúc carbon.
2. Bản thân vật liệu composite carbon có khả năng dẫn nhiệt thấp và chịu nhiệt cao.

Tóm lại, cánh nhôm có khả năng dẫn nhiệt tốt nhưng kém cứng hơn so với sợi carbon.

TC-160 không tản nhiệt hiệu quả bằng, nhưng thiết kế kết cấu được xây dựng dựa trên khả năng chịu nhiệt cao thay vì dẫn nhiệt, giảm nguy cơ đĩa bị cong vênh bằng cách duy trì độ cứng vượt trội thông qua các cánh tản nhiệt.

Các cánh carbon hoạt động thế nào dưới tải nhiệt?

Hình 5: Dữ liệu nhiệt độ thu thập sau đoạn dốc 15% và phanh gấp.

Hình 6: Dữ liệu nhiệt độ thu thập 10 giây sau đoạn dốc 15%.

Hình 5 cho thấy nhiệt độ cao tại bề mặt phanh bằng thép không gỉ, trong khi các khu vực xung quanh vẫn mát, thể hiện qua vùng màu xanh dương/xanh lá nhạt sau khi phanh gấp trên đoạn dốc 15%.

Hình 6 cho thấy nhiệt độ của bề mặt phanh bằng thép không gỉ giảm dần. Trong khi đó, nhiệt từ các gân thép không gỉ từ từ truyền đến các điểm đinh tán và khuếch tán lên phần trên của các cánh sợi carbon.

Điều này cho thấy nhiệt độ cao của tấm ma sát bằng thép không gỉ dần lan truyền qua các gân đến điểm đinh tán. Vì vậy, có thể thấy một vùng ấm màu xanh lục xung quanh điểm đinh tán.

Mặc dù nhựa là môi trường tích trữ nhiệt, giá trị độ dẫn nhiệt theo trục (k) của sợi carbon vẫn cao đáng ngạc nhiên, nên vẫn quan sát được các vùng màu tại những nơi nhiệt được sợi carbon truyền đi.

Xác nhận từ bên thứ ba: Báo cáo thử nghiệm CHC

Samuel đã gửi TC-160 đi kiểm định độc lập tại CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), một tổ chức kiểm định của Đài Loan được TAF (Taiwan Accreditation Foundation) công nhận. Việc được TAF công nhận đồng nghĩa với việc các kết quả có giá trị quốc tế.

Báo cáo CHC xác nhận TC-160 đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu năng nhiệt đối với đĩa phanh.

Trong thử nghiệm thực tế trên máy kiểm tra, bề mặt phanh bằng thép không gỉ vượt quá 600°C, trong khi phần cánh carbon chỉ đạt hơn 100°C trong cùng điều kiện, thấp hơn nhiều so với giới hạn 350°C.

Trên thực tế, xe đạp đường trường không thể tạo ra nhiệt độ ma sát ở đĩa phanh vượt quá 600°C, qua đó xác nhận độ bền chắc của các đĩa phanh này.

Phiên bản khí động học

Phiên bản TC-160/140 Aero sử dụng biên dạng cánh tản nhiệt được sửa đổi để giảm thiểu nhiễu dòng khí tiếp tuyến theo trục. Đánh đổi là độ nhạy với gió ngang tăng nhẹ so với TC-160 tiêu chuẩn. Phiên bản này phù hợp với xe đường trường chuyên khí động học và cấu hình xe ba môn phối hợp, nơi sự đánh đổi đó là hợp lý.

Tóm tắt

Đĩa phanh carbon không phải là phanh vành carbon. Đĩa phanh carbon không gặp các lỗi của phanh vành carbon do sự khác biệt về kỹ thuật thiết kế.

Hậu đóng rắn đúng cách đối với vật liệu composite sợi carbon là yếu tố thiết yếu và góp phần tăng độ bền chắc của các đĩa phanh này. Trong điều kiện thực tế, đĩa phanh TC-160 không thể bị hỏng do epoxy bị mềm, nhờ đó vượt qua chứng nhận CHC được TAF công nhận.