Carbon Clincher test mei nummer
Geplaatst: 05 mei 2015 15:24
Met veel interesse heb ik het artikel in het Mei nummer van Fiets gelezen over carbon clincher. Ook omdat ik (binnenkort) zelf eigenaar ben van een setje Bora Ultra’s.
Met stijgende verbazing lees ik dat 6 van de 9 setjes de Stockeu test niet overleven. Hoewel de test zelf zwaar is opgezet (113kg in totaal, 1 rem gebruiken en slepend remmen) is de Stockeu nu ook weer geen zware, lange col (je zult maar de Mortirolo afmoeten). Deze praktijkresultaten vind ik echt ongelofelijk!
Wat niet helemaal duidelijk voor mij wordt, is het exacte faalmechanisme. Er wordt wel gesproken over ‘temperatuur stijging’, ‘slechtere warmte afvoer’, ‘klapband’, etc, maar wat nu wanneer waarom kapot gaat is mij niet helemaal duidelijk. Zeker ook e.e.a. in relatie tot verschil met aluminium velgen.
Zelf vermoed ik dat bij de carbonvelgen tijdens het remmen de temperatuur lokaal hoog oploopt. Meer dan bij aluminium omdat de warmtegeleiding van carbon/epoxy lager is (circa 80 W/mK voor carbon vs 240 W/mK aluminium). M.a.w. bij carbon wordt de velg heel lokaal warm in de cirkel waar het remblokje langs de velg wrijft, bij aluminium wordt de warmte meer verdeeld over de hele velg.
Bij deze hoge lokale temperatuur neemt de sterkte van carbon zeer sterk af, velg vervormt daardoor en uiteindelijk schiet buitenband over velg / binnenband klapt. Aluminium heeft geen last van deze sterkte afname bij temperatuurstijging.
De drukstijging van de binnenband als gevolg van het oplopen van de temperatuur is in mijn ogen dus niet de oorzaak (zorgt er alleen voor dat velg eerder bezwijkt). Ook zouden (de meeste) carbon clinchers een bandendruk van circa 11 bar, bij normale temperatuur, aan moeten kunnen (zie onder).
Voor de volledigheid ben ik ook nog even aan het rekenen geslagen:
Vrijkomende energie a.g.v. remmen.
In geval van snelheidsverlaging, wordt bij remmen bewegingsenergie door middel van wrijving omgezet in warmte. In de Stockeu test, die wordt uitgevoerd met een constante snelheid, is het de zwaartekrachtcomponent die “weggeremd” moet worden (vandaar de constante snelheid). De hoeveelheid energie (warmte) die hierbij vrijkomt, zal voor zowel aluminium- als carbon velgen echter gelijk zijn! Omdat de wrijvingscoëfficiënt van carbon lager zal zijn, zul je wel harder in de remmen moeten knijpen om een zelfde wrijvingskracht te krijgen. De remkracht (de kracht waarmee het remblokje op de velg drukt) legt echter geen afstand af en levert dus ook geen arbeid.
Op basis van de testgegevens, heb ik een schatting gemaakt van de hoeveelheid energie die bij de Stockeu test vrij komt. Deze hoeveelheid energie is overigens vergelijkbaar met de hoeveelheid energie die het kost om naar boven te fietsen met zelfde snelheid (niet helemaaal 100% gelijk agv bv rolweerstand). Eea in lijn met Wet van Behoud van Energie.
Met de aangegeven testcondities:
m = 73+30+10 = 113kg
minder steil: 8% gem, 1000m lang, 28km/h
steil stuk: 13% gem, 1400m lang, 20km/h
Levert dit:
minder steil: 700W, 128 seconde lang
steil stuk: 800W, 252 seconde lang
Dit zijn idd behoorlijke vermogens gedurende lange tijd! Maar, nogmaals, gelijk voor carbon en aluminium.
Temperatuurstijging a.g.v. vrijkomende energie
De temperatuurstijging zal afhangen van materiaaleigenschappen als warmtegeleidingcoëfficiënt en warmte capaciteit.
Een snelle schatting geeft dat bij bovenstaande vermogens/duur (en bij een goede warmte stroming/overdracht) een blok aluminium van 0,5kg circa 650gr C zal opwarmen! Carbon zal iets minder ver opwarmen a.g.v. een hogere warmte capaciteit (880 J/kg K alu vs 1150 carbon/epoxy).
Dat een dergelijke temperatuur in praktijk niet gehaalde wordt, heeft te maken met afkoeling aan de buitenlucht/rijwind. Dus, als gevolg van deze ‘gedwongen convectie’ zal de velg een bepaalde evenwichtstemperatuur bereiken. Een schatting van deze temperatuur is te berekenen via:
Q = A x h x (Tvelg- T lucht)
Met:
Q: warmte transport (bij evenwicht dus gelijk aan de vrijkomende remenergie, in Stockeu voorbeeld dus 800W)
A: oppervlak (velg+band)
h: warmteoverdrachtscoëfficiënt (op basis van internet-gegevens heb ik 25 W/ m2 K genomen).
Met bovenstaande formule kom ik tot een totale stijging van circa 120 gr C. Dus, bij een begin temperatuur van 20 gr C zal na een tijdje (ergens bij Mercxk monument) de velg een temperatuur hebben van 140 gr C. Dit is dus idd vele malen hoger dan de maximale ‘operating temp’ van bv latex (circa 85 gr C).
Drukstijging binnenband agv temperatuur stijging
Met behulp van de algemene gaswet (p x V = n x R x T) is de drukstijging van de binnenband goed uit te rekenen. Bij een begindruk van 8 bar, zal bij een stijging van 120gr C de druk oplopen naar 11,3 bar. Hoog, maar niet heel extreem. Kijk ik naar de gebruiksaanwijzing van enkele carbon clinchers:
• Zipp: max 8,62bar!
• Campa: geen maximale druk. Wel wordt aangegeven niet de maximale druk van de buitenband te overschrijden. Op bv mijn Vittoria’s staaat een maximale druk van 11bar.
Dus, een beetje samenvattend:
• Vrijkomende remenergie bij carbon en aluminium gelijk;
• Carbon velg zal lokaal (contactcirkel remblokken) warmer worden dan aluminium;
• Na een tijdje zeer intensief remmen kan de temperatuur van velg/band oplopen tot zeker 140gr C;
• Bij carbon zal het iets langer duren voordat de hele velg/banden deze temperatuur bereikt heeft;
• Druk in binnenband kan, bij zowel aluminium als carbon, oplopen tot hoge waarde maar niet heel extreem.
Wil je dus schade voorkomen, zul je moeten zorgen dat temperatuur laag genoeg blijft. Goede remtechniek dus. Het verlagen van de bandenspanning alleen (voor aanvang van afdaling) is onvoldoende. Weliswaar zal in dat geval de band wellicht niet klappen, door de hoge temperatuur zal de velg toch vervormen en in toekomst problemen opleveren (aanlopen ed).
Met stijgende verbazing lees ik dat 6 van de 9 setjes de Stockeu test niet overleven. Hoewel de test zelf zwaar is opgezet (113kg in totaal, 1 rem gebruiken en slepend remmen) is de Stockeu nu ook weer geen zware, lange col (je zult maar de Mortirolo afmoeten). Deze praktijkresultaten vind ik echt ongelofelijk!
Wat niet helemaal duidelijk voor mij wordt, is het exacte faalmechanisme. Er wordt wel gesproken over ‘temperatuur stijging’, ‘slechtere warmte afvoer’, ‘klapband’, etc, maar wat nu wanneer waarom kapot gaat is mij niet helemaal duidelijk. Zeker ook e.e.a. in relatie tot verschil met aluminium velgen.
Zelf vermoed ik dat bij de carbonvelgen tijdens het remmen de temperatuur lokaal hoog oploopt. Meer dan bij aluminium omdat de warmtegeleiding van carbon/epoxy lager is (circa 80 W/mK voor carbon vs 240 W/mK aluminium). M.a.w. bij carbon wordt de velg heel lokaal warm in de cirkel waar het remblokje langs de velg wrijft, bij aluminium wordt de warmte meer verdeeld over de hele velg.
Bij deze hoge lokale temperatuur neemt de sterkte van carbon zeer sterk af, velg vervormt daardoor en uiteindelijk schiet buitenband over velg / binnenband klapt. Aluminium heeft geen last van deze sterkte afname bij temperatuurstijging.
De drukstijging van de binnenband als gevolg van het oplopen van de temperatuur is in mijn ogen dus niet de oorzaak (zorgt er alleen voor dat velg eerder bezwijkt). Ook zouden (de meeste) carbon clinchers een bandendruk van circa 11 bar, bij normale temperatuur, aan moeten kunnen (zie onder).
Voor de volledigheid ben ik ook nog even aan het rekenen geslagen:
Vrijkomende energie a.g.v. remmen.
In geval van snelheidsverlaging, wordt bij remmen bewegingsenergie door middel van wrijving omgezet in warmte. In de Stockeu test, die wordt uitgevoerd met een constante snelheid, is het de zwaartekrachtcomponent die “weggeremd” moet worden (vandaar de constante snelheid). De hoeveelheid energie (warmte) die hierbij vrijkomt, zal voor zowel aluminium- als carbon velgen echter gelijk zijn! Omdat de wrijvingscoëfficiënt van carbon lager zal zijn, zul je wel harder in de remmen moeten knijpen om een zelfde wrijvingskracht te krijgen. De remkracht (de kracht waarmee het remblokje op de velg drukt) legt echter geen afstand af en levert dus ook geen arbeid.
Op basis van de testgegevens, heb ik een schatting gemaakt van de hoeveelheid energie die bij de Stockeu test vrij komt. Deze hoeveelheid energie is overigens vergelijkbaar met de hoeveelheid energie die het kost om naar boven te fietsen met zelfde snelheid (niet helemaaal 100% gelijk agv bv rolweerstand). Eea in lijn met Wet van Behoud van Energie.
Met de aangegeven testcondities:
m = 73+30+10 = 113kg
minder steil: 8% gem, 1000m lang, 28km/h
steil stuk: 13% gem, 1400m lang, 20km/h
Levert dit:
minder steil: 700W, 128 seconde lang
steil stuk: 800W, 252 seconde lang
Dit zijn idd behoorlijke vermogens gedurende lange tijd! Maar, nogmaals, gelijk voor carbon en aluminium.
Temperatuurstijging a.g.v. vrijkomende energie
De temperatuurstijging zal afhangen van materiaaleigenschappen als warmtegeleidingcoëfficiënt en warmte capaciteit.
Een snelle schatting geeft dat bij bovenstaande vermogens/duur (en bij een goede warmte stroming/overdracht) een blok aluminium van 0,5kg circa 650gr C zal opwarmen! Carbon zal iets minder ver opwarmen a.g.v. een hogere warmte capaciteit (880 J/kg K alu vs 1150 carbon/epoxy).
Dat een dergelijke temperatuur in praktijk niet gehaalde wordt, heeft te maken met afkoeling aan de buitenlucht/rijwind. Dus, als gevolg van deze ‘gedwongen convectie’ zal de velg een bepaalde evenwichtstemperatuur bereiken. Een schatting van deze temperatuur is te berekenen via:
Q = A x h x (Tvelg- T lucht)
Met:
Q: warmte transport (bij evenwicht dus gelijk aan de vrijkomende remenergie, in Stockeu voorbeeld dus 800W)
A: oppervlak (velg+band)
h: warmteoverdrachtscoëfficiënt (op basis van internet-gegevens heb ik 25 W/ m2 K genomen).
Met bovenstaande formule kom ik tot een totale stijging van circa 120 gr C. Dus, bij een begin temperatuur van 20 gr C zal na een tijdje (ergens bij Mercxk monument) de velg een temperatuur hebben van 140 gr C. Dit is dus idd vele malen hoger dan de maximale ‘operating temp’ van bv latex (circa 85 gr C).
Drukstijging binnenband agv temperatuur stijging
Met behulp van de algemene gaswet (p x V = n x R x T) is de drukstijging van de binnenband goed uit te rekenen. Bij een begindruk van 8 bar, zal bij een stijging van 120gr C de druk oplopen naar 11,3 bar. Hoog, maar niet heel extreem. Kijk ik naar de gebruiksaanwijzing van enkele carbon clinchers:
• Zipp: max 8,62bar!
• Campa: geen maximale druk. Wel wordt aangegeven niet de maximale druk van de buitenband te overschrijden. Op bv mijn Vittoria’s staaat een maximale druk van 11bar.
Dus, een beetje samenvattend:
• Vrijkomende remenergie bij carbon en aluminium gelijk;
• Carbon velg zal lokaal (contactcirkel remblokken) warmer worden dan aluminium;
• Na een tijdje zeer intensief remmen kan de temperatuur van velg/band oplopen tot zeker 140gr C;
• Bij carbon zal het iets langer duren voordat de hele velg/banden deze temperatuur bereikt heeft;
• Druk in binnenband kan, bij zowel aluminium als carbon, oplopen tot hoge waarde maar niet heel extreem.
Wil je dus schade voorkomen, zul je moeten zorgen dat temperatuur laag genoeg blijft. Goede remtechniek dus. Het verlagen van de bandenspanning alleen (voor aanvang van afdaling) is onvoldoende. Weliswaar zal in dat geval de band wellicht niet klappen, door de hoge temperatuur zal de velg toch vervormen en in toekomst problemen opleveren (aanlopen ed).
)