Как новите материали революционизират велосипеда - спектър на науката
200 години серия велосипеди: леки, безопасни и универсални
По-лесно от позволеното - така бихте могли да опишете мотора, който германският Günter Mai представи на обществеността през 2008 година. Пълен за шофиране състезателен мотор тежи само 3,2 килограма. Това беше световен рекорд и по-малко от половината от 6,8 килограма, които Международната федерация по колоездене UCI определя като минимално тегло на велосипед за официални състезания.
„Велосипедът винаги е бил типичен лек продукт“, казва Ерик Грос от Института за технологии за надеждност към Техническия университет в Харбург. "Високото тегло на превозното средство има много отрицателен ефект не само при шофиране нагоре, но и при общата управляемост." Още през 19-ти век са направени множество изобретения, специално за велосипеди, включително сачмени лагери, телени спици, стоманени тръби и пневматични гуми.
Инженерът Groß е член на работната група за безопасност на велосипедите към Германската асоциация за изследване и изпитване на материали, тъй като намаляването на теглото на велосипедите не трябва да става за сметка на стабилността и безопасността. Съответно планинските велосипеди са по-здрави и по-тежки от състезателните. Поради своя размер, решаващите компоненти за тежестта са рамката и всички ускорени маси, например джантите.
Стабилно и светлина става трудно
По принцип леката конструкция е независима от избора на материал, обяснява Грос. Въпросът е да се проектира всеки компонент възможно най-добре за индивидуалното натоварване. „Всички компоненти - като рамка, вилица, колела, кормило и седалка - са специалисти за своята област на приложение“, казва инженерът. Тъй като обаче различните материали имат различна пригодност, някои материали в крайна сметка доминират на пазара на велосипеди.
Когато говорите за леки велосипеди в ежедневната употреба, обикновено се сещате за алуминий. Поради ниската си плътност от 2,7 грама на кубичен сантиметър, компонентите, изработени от лекия метал, тежат едва около една трета от сравнимите компоненти, изработени от стомана. Следователно алуминият е най-продаваният материал за велосипедни рамки и компоненти днес.
„Велосипедът винаги е бил типичен лек продукт“ (Ерик Грос)
Подобно на стоманата или титана, алуминият е изотропен материал. Това означава, че той има същото поведение на опън и следователно еднаква товароносимост във всяка посока. Дебелината на стената на даден компонент е определяща за стабилността. Следователно алуминиевите тръби на типична диамантена рамка варират в хода си между 0,8 и 3 милиметра дебелина на стената, последната особено в областта на заварените съединения. Това обикновено не се вижда отвън. „Само стикер„ с двойно закрепване “или„ с тройно закрепване “показва различната вътрешна дебелина на материала“, дава съвет на Ерик Грос.
Недостатък на алуминия
Слабостта на алуминия като материал е, че той има ограничена якост, когато натоварванията се променят. В науката за материалите се прави разлика между якостта като свойство, което предотвратява разпадането на материала и твърдостта, която предпазва материала от деформация. „Следователно с алуминий стотици хиляди обороти на педалите или неравности по пътя могат да уморят материала“, казва Грос, обяснявайки границите на якостта. По отношение на динамичните натоварвания стоманата е по-толерантна от алуминия и следователно все още може да се намери в велосипеди, които се очаква да изминат над 20 000 километра, като например туристически велосипеди.
Ето защо има и лека конструкция със стомана: „Легираната стомана постига много висока якост на опън, до 1200 нютона на квадратен милиметър“, съобщава Рони Хартник от Института за изследване и развитие на спортното оборудване в Берлин. Инженерите могат да го използват, за да направят стените на тръбите много тънки. „Въпреки това е трудно да се постигне теглото на алуминия“, признава Хартник.
Дали алуминий, титан или стомана: С оглед на теглото, структурен проблем остава неразрешим. Тъй като металите са изотропни, в компонентите има много материал, който изобщо не е подравнен с натоварванията, които възникват там. Сега рамката е натоварена по същество в надлъжна посока, а не странично. Следователно в професионалните спортове и сред калайджиите въглеродните влакна или въглеродните влакна и подсилените с въглеродни влакна композити (CFRP) се утвърдиха като избрани материали. Те формират основата за състезателни велосипеди, които като серийни модели имат общо тегло по-малко от пет килограма.
Подредени влакна
Въглеродните влакна са анизотропни и не показват независимо от формата поведение на материала. Техните свойства възникват само в компонента в резултат на дизайн, основан на нуждите. „Можете да мислите за въглеродните влакна като конец, от който е направен плат“, обяснява Хартник. В надлъжна посока тази резба е повече от десет пъти по-здрава от алуминия - но само в тази посока. Следователно разработчиците на леки компоненти от въглерод трябва да обработят нишките в плат по такъв начин, че да са ориентирани успоредно на посоката на изтегляне.
Поради това повечето влакна са подравнени по същия начин за рамковата тръба. „Но за да можете да докоснете мотора, без той да се разпада, отвън все още има влакнест слой, който е обърнат с 90 градуса“, казва спортният инженер Хартник. От обширни анализи вече знаем кои компоненти са заредени и по какъв начин. Например, долната тръба е подложена на торсионно напрежение от долната скоба. За тъканите от въглеродни влакна това означава, че влакната трябва да бъдат изтъкани под ъгъл плюс/минус 45 градуса. „По този начин постигаме максимална устойчивост на усукване с минимално използване на материал“, обобщава Хартник. Ако в определени области възникнат високи точкови натоварвания, въглеродните влакна трябва да бъдат покрити от друг слой плат, който разпределя товара и по този начин защитава въглерода.
Както за металните, така и за карбоновите рамки и компоненти се прилага следното: Производителите трябва да знаят точните натоварвания, които действат върху тях, за да проектират правилно своите компоненти. Изискванията са особено високи при педелеците, които са подложени на по-голям стрес поради по-високата средна скорост и по-големия пробег. Изследователският проект "TherMobility" на Rehau, Storck Bicycle и TU Dresden се справи с това и разработи рамка за електронни велосипеди, изработена от нов тип специален микс.
„Тук непрекъснатите подсилени с влакна термопластични полуфабрикати се комбинират с подсилени с къси влакна смеси за шприцване в един цялостен производствен процес“, обяснява Майкъл Крал от Института за олекотено строителство и технологии за пластмаси в TU Dresden. Тази комбинация от материали, използвана за пръв път в рамки за велосипеди, дава възможност да се комбинират отличните специфични механични свойства на влакнести композитни материали с ефективни технологии за масово производство като шприцоване. Това може да помогне за понижаване на понякога петцифрените цени за изключително леки велосипеди. В допълнение, формулировката на полимера и вида на армиращото влакно могат лесно да бъдат адаптирани към индивидуалните изисквания.
Алтернатива от природата?
Спектърът на материалите, използвани в строителството на велосипеди, обаче включва и някои екзотични. Найлоновият велосипед "Airbike" на инженерите на Airbus служи само за демонстриране на възможностите на триизмерния процес, подобен на печата, "Производство на добавъчен слой". Все още беше стабилен, лек и функционален. Но истински алтернативни материали идват от областта на естествените влакна. Голямото предимство на естествените влакна е техният въглероден отпечатък.
„Естествените влакна свързват въглеродния диоксид, докато растат, което означава, че полуфабрикатите от естествени влакна отделят само около една десета от СО2 в сравнение с въглерода по време на растежа и производството на полуфабрикатите“, обяснява Макс Кирхоф от инженерния офис на Onyx Composites. Там е разработен „конопеният мотор“. Конопените влакна имат якост на опън, сравнима с тази на алуминия - но подобно на въглерода само в посока на влакната. Поради плътността от едва 1,45 грама на кубичен сантиметър, конопената рамка се озовава между сравними компоненти, изработени от алуминий и въглеродни влакна по отношение на теглото. Рамката на конопеното колело има забележимо широки тръби. "Това увеличава момента на инерция и силите, които се появяват, се усвояват по-добре въпреки малката дебелина на стената", обяснява Кирххоф. Досега обаче някои от ключовите фигури, необходими за структурните анализи, липсват за необичайния материал коноп.
Доказано качество
Настоящите стандарти за изпитване (DIN, EN и ISO) включват тестове срещу претоварване (статична якост), динамични тестове (тестове за издръжливост) и тестове за удар, всеки от които е съобразен с типа мотоциклет (градски/трекинг велосипед, планински велосипед, състезателен велосипед и младежки велосипеди, но също така специално за Pedelecs). Прилагането на стандартите е доброволно, но всички известни производители използват тази процедура - в случай на висококачествени продукти, понякога с дори по-високи изисквания. Поради това щетите в резултат на повреда на компонента са много редки. „Независимо от това, клиентите на лек велосипед трябва редовно да инспектират сами своето превозно средство или да го инспектират, за да открият навреме щетите и, ако има съмнения, да подменят частите“, предупреждава експертът по безопасност Ерик Грос. Това е особено вярно след падания.
Най-популярното естествено влакно е може би бамбукът. Патентите за конструкция на бамбуков велосипед са подадени още в края на 19 век. И до днес конструкцията на такива колела е ръчна работа. Имотите обаче са убедителни. Бамбукът има твърдост, подобна на стоманата, но само една трета от теглото си. Неговата здравина също постига много добри стойности, но не се доближава до висококачествените карбонови джанти. Бамбукът е популярен поради по-доброто си амортизиране за градски и трекинг велосипеди, където може да бъде в крак с алуминиевите велосипеди по отношение на качеството. Тъй като бамбуковите трески, вместо да се чупят при прекомерен стрес, щетите могат да бъдат отстранени относително лесно. Въпреки това, както при всички естествени влакна, добрата изработка е важна, за да не може да проникне влага и да насърчи образуването на плесен.