Як нові матеріали революціонізують велосипед - спектр науки
200 років серії велосипедів: легкі, безпечні та універсальні
Простіше, ніж дозволено - так можна описати велосипед, який німець Гюнтер Май представив публіці в 2008 році. Повністю придатний для гонки гоночний велосипед важив лише 3,2 кілограма. Це був світовий рекорд і менше половини з 6,8 кілограмів, які Міжнародна федерація велосипедного спорту UCI передбачає як мінімальну вагу велосипеда для офіційних перегонів.
"Велосипед завжди був типовим легким продуктом", - каже Ерік Грос з Інституту технологій надійності при Технічному університеті Гарбурга. "Висока вага автомобіля має дуже негативний ефект не тільки при їзді вгору, але й загальній керованості". Ще в 19 столітті було зроблено численні винаходи, спеціально для велосипедів, включаючи кулькові підшипники, дротяні спиці, сталеві труби та пневматичні шини.
Інженер Грос є членом робочої групи з питань безпеки велосипедів при Німецькій асоціації з досліджень та випробувань матеріалів, оскільки зменшення ваги велосипедів не повинно відбуватися за рахунок стабільності та безпеки. Відповідно, гірські велосипеди є більш міцними та важчими, ніж гоночні. Завдяки своїм розмірам вирішальними компонентами для ваги є рама та всі прискорені маси, наприклад ободи.
Стійким і легким стає важко
В принципі, легка конструкція не залежить від вибору матеріалу, пояснює Грос. Справа в тому, щоб максимально точно розробити кожен компонент для індивідуального навантаження. "Усі компоненти, такі як рама, вилка, колеса, кермо та підвіска сидіння, є спеціалістами у своїй галузі застосування", - говорить інженер. Однак, оскільки різні матеріали мають різну придатність, певні матеріали зрештою домінують на ринку велосипедів.
Коли ви говорите про легкі велосипеди у повсякденному використанні, ви зазвичай думаєте про алюміній. Через низьку щільність 2,7 грам на кубічний сантиметр компоненти, виготовлені з легкого металу, важать лише приблизно третину від порівнянних компонентів, виготовлених із сталі. Тому алюміній на сьогоднішній день є найбільш продаваним матеріалом для велосипедних рам та деталей.
"Велосипед завжди був типовим легким продуктом" (Ерік Грос)
Як і сталь або титан, алюміній є ізотропним матеріалом. Це означає, що він має однакову поведінку при розтягуванні і, отже, однакову вантажопідйомність у кожному напрямку. Товщина стінки компонента є визначальною для стабільності. Тому алюмінієві труби типового алмазного каркаса змінюються за своїм ходом від 0,8 до 3 міліметрів товщини стінки, остання особливо в зоні зварних з'єднань. Зазвичай це не видно зовні. "Тільки наклейка" подвійний або трикратний "вказує на різну внутрішню товщину матеріалу", Ерік Грос дає підказку.
Недолік алюмінію
Слабкість алюмінію як матеріалу полягає в тому, що він має обмежену міцність при зміні навантажень. У матеріалознавстві розрізняють міцність як властивість, яка запобігає розбиванню матеріалу, та жорсткість, яка захищає матеріал від деформації. "У випадку з алюмінієм сотні тисяч обертів педальних кривошипів або дорожні нерівності можуть втомлювати матеріал", - говорить Грос, пояснюючи межі міцності. Що стосується динамічних навантажень, сталь є більш толерантною, ніж алюміній, і тому її все ще можна знайти у велосипедах, які, як очікується, проїдуть більше 20 000 кілометрів, таких як туристичні велосипеди.
Ось чому існує також легка конструкція зі сталлю: "Легована сталь досягає дуже високої міцності на розрив, до 1200 ньютонів на квадратний міліметр", - повідомляє Ронні Хартнік з Інституту досліджень та розробки спортивного обладнання в Берліні. Інженери можуть використовувати його, щоб зробити стінки труб дуже тонкими. "І все-таки важко наблизитись до ваги алюмінію", - зізнається Гартнік.
Будь то алюміній, титан або сталь: зважаючи на вагу, структурна проблема залишається невирішуваною. Оскільки метали ізотропні, у компонентах багато матеріалу, який зовсім не узгоджується з навантаженнями, які там виникають. Тепер рама завантажується по суті в поздовжньому напрямку, а не в бік. Отже, у професійних видах спорту та з використанням танкерів вуглецеві волокна або вуглецеві волокна та армовані вуглецевими волокнами композити (CFRP) зарекомендували себе як обраний матеріал. Вони складають основу для гоночних велосипедів, які, як серійні моделі, мають загальну вагу менше п’яти кіло.
Впорядковані волокна
Вуглецеві волокна є анізотропними і не демонструють ніякої незалежної від форми поведінки матеріалу. Їх властивості виникають лише в компоненті в результаті проектування, заснованого на потребах. "Ви можете думати про вуглецеві волокна як про нитку, з якої зроблена тканина", - пояснює Хартнік. У поздовжньому напрямку ця нитка більш ніж у десять разів міцніша від алюмінію - але тільки в цьому напрямку. Тому розробники легких деталей з вуглецю повинні переробити нитки в тканину таким чином, щоб вони були орієнтовані паралельно напрямку натягування.
Тому більшість волокон вирівнюються однаково для каркасної трубки. "Але для того, щоб ви могли торкнутися велосипеда, не розвалюючись, зовні все ще є шар волокна, який повернутий на 90 градусів", - говорить спортивний інженер Хартнік. З обширного аналізу ми тепер знаємо, які компоненти завантажуються і яким способом. Наприклад, нижня трубка піддається торсіонному напруженню з боку нижнього кронштейна. Для вуглеволокнистої тканини це означає, що волокна повинні ткатись під кутом плюс/мінус 45 градусів. "Таким чином ми досягаємо максимальної стійкості до кручення з мінімальним використанням матеріалу", - резюмує Хартнік. Якщо на певних ділянках виникають високі точкові навантаження, вуглецеві волокна повинні бути покриті іншим шаром тканини, який розподіляє навантаження і таким чином захищає вуглець.
Як для металевих, так і для вугільних каркасів та компонентів застосовується таке: Виробники повинні знати точні навантаження, що діють на них, щоб правильно проектувати їх компоненти. Особливо високі вимоги до педелеків, які зазнають більших навантажень через більшу середню швидкість та більший пробіг. Дослідницький проект "TherMobility", проведений компаніями Rehau, Storck Bicycle та TU Dresden, розробив це питання та розробив раму для електронних велосипедів із нового типу спеціальної суміші матеріалів.
"Тут безперервні армовані волокнами термопластичні напівфабрикати поєднуються з армованими короткими волокнами сумішами для лиття під тиском у рамках цілісного виробничого процесу", - пояснює Майкл Краль з Інституту легких конструкцій та технологій пластмас ТУ Дрезден. Ця комбінація матеріалів, вперше використана у велосипедних рамах, дозволяє поєднувати чудові специфічні механічні властивості волокнистих композитів з ефективними об’ємними технологіями, такими як лиття під тиском. Це може допомогти знизити іноді п’ятизначні ціни на надзвичайно легкі велосипеди. Крім того, рецептура полімеру та тип армуючого волокна можуть бути легко адаптовані до індивідуальних вимог.
Альтернатива від природи?
Однак спектр матеріалів, що використовуються у велосипедному будівництві, також включає деякі екзотичні. Нейлоновий велосипед інженерів Airbus "Airbike" послужив лише для демонстрації можливостей тривимірного процесу друку "Виробництво аддитивних шарів". Він все ще був стабільним, легким та функціональним. Але справжні альтернативні матеріали надходять з області природних волокон. Великою перевагою природних волокон є їх вуглецевий слід.
"Натуральні волокна по мірі свого росту пов'язують вуглекислий газ, а це означає, що напівфабрикати з натуральних волокон виділяють лише приблизно десяту частину СО2 порівняно з вуглецем під час росту та виробництва напівфабрикатів", - пояснює Макс Кірхгофф з інженерного бюро Onyx Composites. Там був розроблений "конопляний велосипед". Конопляні волокна мають міцність на розрив, порівнянну з міцністю алюмінію, але подібно вуглецю лише у напрямку волокон. Через щільність лише 1,45 грама на кубічний сантиметр, конопляний каркас опиняється між порівнянними за вагою компонентами, виготовленими з алюмінію та вуглецевих волокон. Рама конопляного велосипеда має помітно широкі трубки. "Це збільшує момент інерції, і сили, що виникають, краще поглинаються, незважаючи на малу товщину стінки", пояснює Кірхгоф. На сьогодні, однак, деякі ключові цифри, необхідні для структурних аналізів, відсутні для незвичайного матеріалу конопель.
Перевірена якість
Поточні стандарти випробувань (DIN, EN та ISO) включають випробування на перевантаження (статичну міцність), динамічні випробування (випробування на витривалість) та випробування на удар, кожен з урахуванням типу велосипеда (міський/трекінговий, гірський, гоночний та молодіжний, але також спеціально Педелеки). Застосування стандартів є добровільним, але всі відомі виробники використовують цю процедуру - у випадку з високоякісною продукцією, іноді з ще вищими вимогами. Тому пошкодження внаслідок несправності компонента дуже рідкісні. "Тим не менше, клієнти легкого велосипеда повинні регулярно самостійно перевіряти свій транспортний засіб або давати його перевіряти, щоб своєчасно виявити пошкодження та замінити деталі у разі сумнівів", - попереджає експерт з безпеки Ерік Грос. Це особливо актуально після падінь.
Найпопулярнішим натуральним волокном, мабуть, є бамбук. Патенти на конструкцію бамбукового велосипеда були подані вже наприкінці XIX століття. Донині конструкція таких коліс є ручною роботою. Однак властивості переконливі. Бамбук має жорсткість, подібну до сталі, але лише третину своєї ваги. Його міцність також досягає дуже хороших показників, але не наближається до високоякісних вуглецевих коліс. Бамбук популярний серед міських та трекінгових велосипедів завдяки кращому демпфуванню, де за якістю він не відстає від алюмінієвих велосипедів. Оскільки бамбукові осколки замість того, щоб зламатися під надмірним напруженням, відновити пошкодження можна порівняно легко. Однак, як і у випадку з усіма натуральними волокнами, важлива якісна обробка, щоб ніяка волога не могла проникнути і не зросла цвіль.