Він дуже легкий, але також надзвичайно крихкий.

Знайти правильний матеріал для велосипедної рами надзвичайно складно. Тому що означає "правильно"? На це питання фактично немає відповіді. Оскільки кількість різних думок щодо каркасних матеріалів та методів будівництва приблизно однакова з кількістю людей, які їздять на велосипеді. Ця стаття покликана ознайомити з технічною базою, пояснити деякі технічні терміни та представити найпоширеніші каркасні матеріали.

Для того, щоб мати можливість об'єктивно порівняти різні матеріали, потрібно ввести певні критерії, щоб зробити можливим порівняння. Наприклад, у веложурналах. завжди говорити про міцність на розрив. Зараз я поясню ці та інші цінності.

Для того, щоб мати можливість дослідити міцність матеріалу, було винайдено випробування на розтяг. Назва насправді говорить про що йдеться. (Часто циліндричний) зразок розривають на обох кінцях, поки він не стукне. Випробувальна машина, побудована для цієї мети, вимірює силу, необхідну для розриву зразка. Оскільки кожен матеріал деформується, поки не зламається, деформацію також постійно вимірюють. Якщо я зараз створю діаграму з цими значеннями, це виглядає, наприклад. так: (Шлях зазвичай наноситься на вісь x, сила на вісь y).

надзвичайно

З діаграми тепер можна зрозуміти, що пружна деформація (тобто, що не залишається постійної деформації) поширюється лише до межі текучості. Коли міцність на розрив досягнута, матеріал вже надзвичайно деформувався, що досить небажано. Отже, міцність на розрив має більше теоретичного значення і мало корисна для конструкції. Одиниця межі міцності на розрив і межі текучості є простим розглядом. Зразок розривається з певною силою, на матеріал діє натяг. Сила дана в Ньютонах (N). (Один кілограм дорівнює 9,81 н.). Щоб отримати достовірне порівняння, я повинен врахувати силу, що перетинає поперечний переріз. (= Натяг) Отже: Н/ммІ - одиниця межі міцності на розрив або межі текучості. Після досягнення міцності на розрив можна помітити падіння сили або натягу. Чому? Поперечний переріз зразка зменшується в певній точці. (= Звуження) Натяг поперечного перерізу продовжує зростати, але оскільки це стає все меншим, сила, необхідна для деформації зразка, стає все меншою і меншою.

Тепер ми знаємо, що матеріал може витримати максимум і коли він починає постійно деформуватися. (= від межі текучості). Якщо ми вимірюємо подовження після поломки, ми також знаємо, наскільки міцний матеріал. Це значення називається подовженням при розриві (А) і дається у відсотках від початкової довжини. Ця величина також важлива, оскільки вона є важливою для безпеки в разі перевантаження. Високе значення гарантує, що напр. кермо не зламається при перевантаженні, а навпаки, деформується (постійно). Це також руйнує кермо, але дозволяє уникнути серйозного падіння.

Ще одне, що є ще більш важливим для рами, все ще відсутнє: жорсткість, відома в техніці як модуль пружності (коротше E-модуль), яку також можна визначити з випробування на розтягування. Жорсткість є мірою відхилення матеріалу під навантаженням. Модуль пружності залежить від матеріалу, але майже не залежить від сплаву. Таким чином, пруток, виготовлений з найдешевшої конструкційної сталі, є настільки ж жорстким, як пруток, виготовлений з високоякісної інструментальної сталі з однаковими розмірами!

Натяг - це сила розтягування, пов’язана з початковим перерізом у кожен момент випробування на розтяг. Межа міцності при розтягуванні - це напруження, яке виникає внаслідок максимальної сили розтягування, пов'язаної з початковим перерізом. Межа текучості - це напруга, при якій сила розтягування залишається незмінною або вперше зменшується зі збільшенням подовження. Подовження - це збільшення відносно початкової довжини. Жорсткість, модуль пружності, залежить лише від матеріалу, але не від сплаву.

Вимоги до матеріалу рами - які властивості матеріалу важливі для рами велосипеда?

Жорсткість: Жорсткість рами, мабуть, одна з найважливіших величин. Як я можу тепер збільшити жорсткість? З одного боку, я можу використовувати матеріал, який за своєю суттю є дуже жорстким, а це означає, що він має високий модуль пружності. З металів, які підходять для велосипедної рами, сталь, мабуть, має найвищий модуль пружності, тому вона є найтвердішим матеріалом. Однак вирішальним фактором для жорсткості труби є не матеріал (модуль пружності), а діаметр. При розрахунку жорсткості труби діаметру дається потужність три. модуль пружності лише лінійний. Ось чому алюмінієві рами значно жорсткіші, ніж сталеві. Низька щільність алюмінію дозволяє накачувати трубки для збільшення жорсткості. Але чому я не можу просто зробити сталеву трубу такою ж товстою? Причина в тому, що мені тоді довелося б радикально зменшити товщину стінки, ризик вм'ятини був би занадто великий. (= Кола може впливати).

Міцність: Міцність рами зазвичай досить висока, оскільки класичний алмазний каркас вже оптимізований з точки зору міцності. Звичайно, перевантаження все одно може призвести до поломки. Для стійкої рами важливо використовувати форму алмазу, плавні переходи та незначну кількість піків напружень, тобто чисті зварні шви без насічок та сходинок, а також розумне використання арматурних плит та використання природної еластичності матеріалу та конструкції.

Немає кадру, який би все витримав. Якщо відбувається перевантаження - здебільшого через помилки водіння - компонент повинен поступитися. Поки це відбувається в діапазоні пружності, водій цього не помітить. Однак, якщо компонент поступається пластично, тобто деформується, компонент пошкоджується. Звичайно, тріщини погані, які трапляються частіше, коли використовується матеріал з низькою в’язкістю або компонент раніше був пошкоджений, наприклад через несправні зварні шви, неправильну обробку, неправильну конструкцію, вм’ятини або отвори. Типовий "матеріальний дефект" практично не зустрічається. Всі матеріали, що використовуються в каркасному будівництві, можна вважати без дефектів.

Втомна міцність: Практично не має значення для велосипедних рам, але коротко пояснено: всі метали постійно втрачають свою міцність через пошкодження поверхні - мікротріщини. Тільки сталь вважається втомною міцністю, оскільки сталь вже не може втратити свою міцність після певної кількості змін навантаження, а всі інші метали можуть. Ця кількість змін навантаження називається межею втоми. Однак він настільки високий, що навіть не цікавий для гонщиків.

також

Вага: Вибираючи рамку, здоровий глузд у цьому плані дуже важливий. Неймовірна вага рами 1300 г і менше вимагає огляду. Завжди слід пам’ятати про наступне: 1. Виробники готують лише з водою. 2. Чаклунства не існує. 3. Гелієві пломби приносять максимум 10 грам і тому не справляються.;-)

Кожен грам менше зазвичай коштує або жорсткості, або міцності, або того й іншого. Ваги, корисні для гонок на XC (MTB Hardtail, RH: 48 см, приблизно): Сталь: 1900-2000gr, алюміній: 1800-1900gr; Титан: 1600-1800гр, вуглець (залежно від конструкції): 1500-1800гр

Захист від корозії: Як і красиво відполіровані алюмінієві рами: Вони вимагають великої обережності, оскільки солона вода у вигляді поту, ізотонічних напоїв, розсолу солі тощо атакує і послаблює матеріал. (Примітка збоку: AL-7075, який не використовується в конструкції рами, повинен бути захищений.) Тому необхідна обробка поверхні. Анодування дуже гарне та функціональне, але воно має два недоліки: 1. Це дуже шкідливо для навколишнього середовища. 2. Корозійну хімічну попередню обробку (травлення) потрібно видалити повністю (насправді повністю), оскільки міцність страждає. Як відомо, сталь іржавіє, тому її також потрібно захищати. Для обох матеріалів, сталі та алюмінію, порошкове покриття є найбільш розумним варіантом. Титан стійкий до корозії і не вимагає ніякої обробки поверхні. Вуглецеві рами повинні мати принаймні прозорий лак, оскільки пластикова матриця любить поглинати воду і тому втрачає мало своєї міцності.

Подовження при розриві та ударна в'язкість: Яка користь від найтвердішої та найжорсткішої рами, якщо вона зламана після падіння? Вуглецеві рами мають справжню проблему: через низьку еластичність цього матеріалу карбонова рама дуже легко руйнується при попаданні, хоча вона досить міцна з точки зору міцності та жорсткості! Це можна пом'якшити більшими розмірами або включенням більш жорстких волокон (Kevlar®).

Як потрібно будувати каркас? Звичайно, це також питання смаку, я просто хочу описати важливі особливості, які роблять хороший кадр.

Остаточне посилення каркасних труб: На кінцях (стиках) трубок необхідно мати більше міцності, ніж в середині. Ось чому каркасні труби зміцнюються на кінцях. Це також часто неправильно називають торцевим. Насадки, ластовиці тощо не повинні знаходитися поза підкріпленнями. Найгіршим буде ластовиця, яка знаходиться саме на переході від арматури до тонкої середньої частини. Тоді рамка була б менш стабільною, ніж без ластовиці!

Сідниця: Під коніфікацією розуміють, що труба є конічною, тобто вона змінюється в діаметрі. Використовуйте напр. на задніх стійках. Зі сталевими та алюмінієвими трубами остаточне армування та торцеве з'єднання також можна поєднувати, з титаном це (поки) не практикується з міркувань витрат.

Розміри труб: Як уже зазначалося, жорсткість зростає з третьою потужністю діаметра труби. Тому цілком логічно збільшувати діаметр труби. Межі цього полягають у товщині стінки труби. - Небезпека вигинання див. Наступний пункт. Найкращий поперечний переріз труби - це, як правило, кругла труба. Прямокутні перерізи не мають переваг, часто гірші та важчі та використовуються лише як оптичне «поліпшення». Має сенс овалювати там трубу, якщо переважають певні напрямки сили та навантаження.

Небезпека вигинання: Якщо ви підсумуєте згадані на сьогодні конструктивні особливості, то, на вашу думку, найкращим вибором буде дуже товста труба з тонкою стінкою. Однак товсті, тонкостінні труби можна дуже легко вм'яти - це може дати кокс. Тому слід подбати про те, щоб товщина стінок труби не була занадто малою. Для гонщиків, які хочуть бути в безпеці на падінні, рекомендується наступний тест: Покладіть обидві руки на верхню трубу, притисніть двома великими пальцями до однієї точки. Спостерігайте за відбиттям світла трубки: якщо відбите світло описує дугу, це означає, що трубка деформується під тиском великого пальця. Тоді можна припустити, що труба була розроблена з низькою товщиною стінки і чутлива до вм'ятин.

Звичайно, це була лише частка того, що можна сказати про кадри. Хотілося б відзначити ще одне: абсолютно тест-драйв! Тема кадрів настільки складна, що неможливо судити про характеристики обробки кадру лише за його зовнішнім виглядом. Можна годинами філософствувати про геометрію рами.

Найкраще було б запозичити різні рами, виготовлені з різних матеріалів, і, таким чином, перекинутися через знайомий, але складний рельєф. Звичайно, це не завжди можливо, хто любить надавати хороші рамки?

Різні матеріали у скороченому вигляді

Сталь, мабуть, найпоширеніший матеріал. Сталь доступна у багатьох різних сплавах. Хром-молібденові сплави, такі як 25CrMo4 (в США 4130) і дуже рідко 34CrMo4 (US 4135), які мають трохи більшу міцність, є загальними в каркасному будівництві. Нержавіючі сталі також зустрічаються рідко. До виробників сталевих каркасних труб належать: Танг, Рейнольдс, True Temper, Колумб. Тільки один німецький виробник (Potte & Potthoff) пропонує труби з нержавіючої рами.

Переваги сталі в підсумку:

  • велика сила
  • висока жорсткість
  • дуже жорсткий
  • Легко обробляється
  • дешева сировина
  • легко переробляється

недолік

  • висока щільність (важка)
  • Необхідний захист від корозії
  • Завдяки високій міцності виробляється дуже низька товщина стінок, що збільшує ризик вигинання

переваги

  • низька щільність
  • легко переробляється

недолік

  • трохи складніше в роботі, ніж зі сталлю
  • Необхідний захист від корозії
  • Багато енергії потрібно на виробництві (навколишнє середовище)
  • ризик розтріскування через нижче подовження при розриві

переваги

  • дуже сильний
  • ще низька щільність
  • абсолютно корозійно стійкий
  • благородна оптика

недолік

  • дорого
  • важко працювати
  • нижчий модуль пружності слід компенсувати конструкцією
  • вимагає багато енергії для виготовлення

Коли згадується магній, це завжди магнієво-алюмінієві сплави. Магній (справедливо) взагалі не використовується або лише дуже рідко як каркасний матеріал. Він дуже легкий, але також надзвичайно крихкий. Її можна катати лише дуже обмежено, тому виробництво труб майже неможливе. Крім того, магній повинен бути особливо добре захищений від корозії. Магній використовується лише епізодично у велосипедному секторі, за винятком підвісних вилок, де занурювальні трубки часто відливаються з цього матеріалу. Однак високий ступінь крихкості магнію також є проблемою як готової частини. Цей матеріал руйнується без деформації, тобто без попередження. Зокрема, відсіви у підвісних виделках повинні бути по-перше великими, а по-друге, заливати дуже обережно.

переваги

  • низька щільність
  • трохи дешевше алюмінієвих сплавів

недолік

  • дуже крихкий
  • Неможливо переробити в труби (можливе лише заливання)
  • не зварюється
  • дуже чутливий до корозії

Матеріал берилій має лише теоретичне значення. Це був би абсолютно ідеальний матеріал серед металів. Берилій має щільність вуглецевого волокна (дуже легкий!) Міцність Ti3Al2.5V і жорсткість сталі. Хіба це не захоплююче? Чому цей матеріал не використовується все частіше? Перш за все, це досить дорого, воно коштує трохи більше, ніж високоякісне вуглецеве волокно. Він також отруйний. Це збільшує витрати на обробку (гігієна та безпека праці) і робить необхідною хорошу обробку поверхні. До того ж, з цим важко працювати. Про стик або торцеву арматуру навіть не йдеться, а зварювання поки неможливе, берилій повинен бути приклеєний до гільз (переважно з алюмінію).

переваги

  • дуже легко
  • висока жорсткість
  • хороша міцність

недолік

  • Жахливо
  • токсичний
  • важко працювати

Вуглець, армовані вуглецевим волокном пластмаси, CFRP

Примітка: Цей принцип мінімізації напруги застосовується скрізь і для кожного матеріалу. Ось чому фрезеровані (наприклад) кривошипні набори, схожі на ферму, мають сенс лише у вітрині як виставковому об’єкті.

Різні армуючі волокна використовуються у трьох основних формах: як пасмо або пучок паралельних волокон (ровінг), як ткані та плетені тканини у різних їх формах та як ненаправлені килимки або випадкові волокна (лише скляні волокна). Окрім згаданих ровінгів, існують також нитки та шпагати, які створюються шляхом скручування окремих або декількох прядильних ниток. Скручування створює стійку, щільно зв’язану нитку, яку можна легко переробити в текстиль (наприклад, ткацтво). Ровинг: нитки або пучки паралельних волокон називаються ровингами, або якщо вони відносно тонкі, нитками або пряжею. Окремі волокна в ровінгу або нитці, діаметр яких становить приблизно 5-15 мкм для скла, приблизно 7-10 мкм для вуглецю та приблизно 12 мкм для Kevlar®, називаються елементними волокнами або нитками. Кількість ниток вказує товщину або вагу на метр ровинги або нитки.

Вуглецеві волокна доступні в найрізноманітніших конструкціях та якості. У каркасному будівництві зазвичай використовують нижчі класи якості, оскільки високоміцні вуглецеві волокна приблизно 3000 АТС/кг просто занадто дорогі. Але навіть вуглецеві волокна нормальної міцності все ще дуже привабливі завдяки своїй низькій щільності. Вуглецеві волокна дуже крихкі, тому рами або інші компоненти є, наприклад. Арамідні волокна (= Кевлар®), додані до керма, які мають більший подовження при розриві і тому не ламаються відразу.

переваги

  • дуже сильний
  • жорсткий
  • світло
  • привабливий вигляд

недолік

  • дуже крихкий
  • дорого
  • важко обробляється
  • важко виміряти

Арамідні волокна змішуються з вуглецевими волокнами для підвищення міцності на розрив та ударостійкості компонента. Арамідні волокна можна впізнати за жовтим кольором. Як каркасний матеріал ці волокна не надто привабливі завдяки своєму співвідношенню ціна/міцність.

Metal Matrix Composite, MMC

Цей матеріал насправді належить до алюмінію, але також до армованих волокнами матеріалів. Просто тому, що волокна або частинки вставляються в алюмінієву матрицю для армування. Кілька років тому дві компанії представили свою продукцію: Spezialized з армованим частинками каркасом (частинки оксиду алюмінію), Univega з автомобілем, армованим борним волокном. Міцність алюмінію майже не покращується, але жорсткість покращується до 30% за заявою виробника. Однак ці рамки знову зникли з ринку.

переваги

  • низька щільність (= алюміній)
  • дуже жорсткий

недолік

  • ще важче зварювати, ніж алюміній
  • не підлягає вторинній переробці
  • інакше див. алюміній