Той е много лек, но и изключително чуплив.

Намирането на подходящия материал за велосипедна рамка е изключително трудно. Защото какво се разбира под „правилно“? Всъщност няма отговор на този въпрос. Тъй като броят на различните мнения относно рамковите материали и строителните методи е приблизително същият като броя на хората, които карат велосипед. Тази статия има за цел да даде въведение в техническата основа, да обясни някои технически термини и да представи най-често срещаните рамкови материали.

За да може обективно да се сравняват различните материали, трябва да се въведат определени критерии, за да стане възможно сравнението. В колоездачните списания например. винаги говорете за якост на опън. Сега ще обясня тези и други ценности.

За да може да се изследва здравината на даден материал, е изобретен тестът за опън. Името всъщност казва за какво става въпрос. (Често цилиндрична) проба се изважда от двата края, докато изскочи. Конструираната за тази цел тестова машина измерва силата, необходима за разкъсване на пробата. Тъй като всеки материал се деформира, докато се счупи, деформацията също се измерва непрекъснато. Ако сега създам диаграма с тези стойности, изглежда, например. по следния начин: (Пътят обикновено се нанася върху оста x, силата върху оста y).

От диаграмата вече може да се прочете, че еластичната деформация (т.е., че не остава постоянна деформация) се простира само до границата на текучест. Когато се достигне якостта на опън, материалът вече се деформира значително, което е доста нежелателно. Следователно якостта на опън има по-голямо теоретично значение и е малко полезна за конструкцията. Единицата на якост на опън и граница на провлачване е просто съображение. Пробата се издърпва с определена сила, върху материала действа опън. Силата е дадена в нютони (N). (Един килограм се равнява на 9,81N.) За да получа валидно сравнение, трябва да взема предвид силата в напречното сечение. (= Опън) И така: N/mmІ е единицата на якост на опън или граница на провлачване. След достигане на якостта на опън може да се види спад в силата или напрежението. Защо? Напречното сечение на пробата се намалява в определена точка. (= Свиване) Напрежението в напречното сечение продължава да нараства, но тъй като това става все по-малко, силата, необходима за деформиране на образеца, става все по-малка.

Сега знаем на какво може материалът да издържи максимално и кога започва да се деформира трайно. (= от границата на добив). Ако измерим удължението след счупване, ние също знаем колко здрав е материалът. Тази стойност се нарича удължение при скъсване (A) и се дава като процент от първоначалната дължина. Тази стойност е важна и защото е от съществено значение за безопасността в случай на претоварване. Високата стойност гарантира, че напр. кормилото не се счупва при претоварване, а по-скоро се деформира (за постоянно). Това също разрушава кормилото, но избягва сериозно падане.

Все още липсва едно нещо, което е още по-важно за рамката: твърдостта, известна в технологията като модул на еластичност (накратко E-модул), която също може да бъде определена от изпитването на опън. Твърдостта е мярка за отклонението на материала под товар. Модулът на еластичност зависи от материала, но е почти независим от сплавта. Следователно пръчката, изработена от най-евтината структурна стомана, е също толкова твърда, колкото и пръта от висококачествена инструментална стомана със същите размери!

Напрежението е силата на опън, свързана с първоначалното напречно сечение във всеки момент от изпитването на опън. Якостта на опън е напрежението, което е резултат от максималната сила на опън, свързана с първоначалното напречно сечение. Точката на провлачване е напрежението, при което силата на опън остава същата или намалява за първи път с нарастващо удължение. Удължението е увеличението спрямо първоначалната дължина. Твърдостта, модулът на еластичност, зависи само от материала, но не и от сплавта.

Изисквания към материала на рамката - кои свойства на материала са важни за рамката на велосипеда?

Скованост: Твърдостта на рамката е може би едно от най-важните количества. Как мога сега да увелича твърдостта? От една страна, мога да използвам материал, който по своята същност е много твърд, което означава, че има висок модул на еластичност. От металите, които са подходящи за велосипедна рамка, стоманата има може би най-високия модул на еластичност, така че е най-твърдият материал. Решаващият фактор за твърдостта на тръбата не е материалът (модул на еластичност), а диаметърът. Когато се изчислява твърдостта на тръбата, диаметърът получава мощност от три. модулът на еластичност е само линеен. Ето защо алуминиевите рамки са значително по-твърди от стоманените рамки. Ниската плътност на алуминия позволява надуването на тръбите, за да се увеличи твърдостта. Но защо не мога просто да направя стоманена тръба също толкова дебела? Причината е, че тогава ще трябва да намаля радикално дебелината на стената, рискът от вдлъбнатини би бил твърде голям. (= Cola ефект може).

Сила: Силата на рамката обикновено е достатъчно висока, тъй като класическата диамантена рамка вече е оптимизирана по отношение на здравината. Разбира се, претоварването все пак може да доведе до провал. За стабилна рамка е важно да се използва диамантената форма, течащите преходи и няколко пикови напрежения, т.е.чисти заварки без прорези и стъпала, както и разумно използване на армировъчни плочи и използване на естествената еластичност на материала и конструкцията.

Няма рамка, която да издържа на всичко. Ако възникне претоварване - най-вече поради грешки при шофиране - компонентът трябва да отстъпи. Докато това се случва в еластичния диапазон, водачът няма да го забележи. Ако обаче компонентът се поддаде пластично, т.е. деформира се, компонентът се поврежда. Пукнатините са лоши, разбира се, които се появяват по-често, когато се използва материал с ниска жилавост или компонентът преди това е бил повреден, напр. поради дефектни заварки, неправилна обработка, неправилна конструкция, вдлъбнатини или дупки. Типичният "материален дефект" практически не съществува. Всички материали, използвани в рамковата конструкция, могат да се считат за без дефекти.

Сила на умора: За велосипедни рамки практически без значение, но накратко обяснено: Всички метали непрекъснато губят якост поради увреждане на повърхността - микропукнатини. Само стоманата се счита за якост на умора, тъй като стоманата вече не може да загуби своята якост след определен брой промени в натоварването, но всички други метали могат. Този брой промени в натоварването се нарича граница на умора. То обаче е толкова високо, че дори не е интересно за състезателните пилоти.

Тегло: Когато избирате рамка, здравият разум е много важен в това отношение. Невероятни тежести на рамката от 1300g и по-малко изискват преглед. Винаги трябва да се има предвид следното: 1. Производителите готвят само с вода. 2. Магьосничеството не съществува. 3. Хелиевите пломби носят максимум 10 грама и следователно се провалят.;-)

Всеки грам по-малко обикновено струва или скованост, или якост, или и двете. Тежести, които са полезни за XC състезания (MTB Hardtail, RH: 48cm, приблизително): Стомана: 1900-2000gr, алуминий: 1800-1900gr; Титан: 1600-1800gr, въглерод (в зависимост от конструкцията): 1500-1800gr

Защита от корозия: Тъй като красиво полираните алуминиеви рамки са: Те изискват много грижи, тъй като солената вода под формата на пот, изотонични напитки, разпръскване на сол и др. (Странична бележка: По-специално, AL-7075, който не се използва в конструкцията на рамката, трябва да бъде защитен.) Следователно е необходима повърхностна обработка. Анодирането е много хубаво и функционално, но има два недостатъка: 1. Много е вредно за околната среда. 2. Корозивната химическа предварителна обработка (ецване) трябва да се отстрани напълно (наистина напълно), тъй като якостта страда. Както е известно, стоманата ръждясва, така че трябва да бъде защитена. И за двата материала, стомана и алуминий, праховото покритие е най-разумният вариант. Титанът е устойчив на корозия и не изисква обработка на повърхността. Въглеродните рамки трябва да имат поне прозрачен лак, тъй като пластмасовата матрица обича да абсорбира вода и по този начин губи малко от своята якост.

Удължение при скъсване и якост на удар: Каква полза от най-здравата и твърда рамка, ако тя се счупи след падане? Въглеродните рамки имат реален проблем: Поради ниската еластичност на този материал, карбоновата рамка се счупва много лесно при удар, въпреки че е достатъчно здрава по отношение на здравина и твърдост! Това може да бъде смекчено чрез по-големи размери или чрез включване на по-твърди влакна (Kevlar®).

Как трябва да се изгради рамка? Това разбира се е и въпрос на вкус, просто искам да опиша важните характеристики, които правят добра рамка.

Окончателно усилване на рамковите тръби: В краищата (съединенията) на тръбите е необходимо да има повече якост, отколкото в средата. Ето защо рамковите тръби са подсилени в краищата. Това също често се нарича неправилно като дупене. Приспособленията, ламелите и др. Не трябва да са извън армировките. Най-лошото би било ламелът, който е точно на прехода от армировката към тънката средна част. Тогава рамката ще бъде по-малко стабилна, отколкото без ламела!

Седалище: Под конифицирането се разбира, че тръбата е конична, т.е., че се променя в диаметър. Използвайте напр. на задните стойки. При стоманените и алуминиевите тръби окончателното укрепване и закрепване също могат да се комбинират, с титан това (все още) не се практикува поради съображения за цена.

Оразмеряване на тръбите: Както вече споменахме, твърдостта се увеличава с третата мощност на диаметъра на тръбата. Следователно е логично да се увеличи диаметърът на тръбата. Ограниченията за това са в дебелината на стената на тръбата. - Опасност от изкривяване вижте следващата точка. Най-доброто напречно сечение на тръбата обикновено е кръгла тръба. Правоъгълните напречни сечения нямат предимства, често са по-лоши и по-тежки и се използват само като оптично "подобрение". Само ако преобладават определени посоки на сила и натоварване, може да има смисъл да се овалира тръбата там.

Опасност от изкривяване: Ако обобщите споменатите досега конструктивни характеристики, бихте си помислили, че много дебела тръба с тънка стена би била най-добрият избор. Дебелите, тънкостенни тръби обаче могат да се вдлъбват много лесно - коксът може да въздейства. Следователно трябва да се внимава дебелината на стените на тръбите да не е твърде малка. За ездачи, които искат да бъдат на сигурно място при падане, се препоръчва следният тест: Поставете двете си ръце върху горната тръба, притиснете едно място с двата палеца. Наблюдавайте отражението на светлината на тръбата: Ако отразената светлина описва дъга, това означава, че тръбата се деформира под натиска на палеца. След това може да се приеме, че тръбата е проектирана с ниска дебелина на стената и е чувствителна към вдлъбнатини.

Разбира се, това беше само част от това, което трябва да се каже за кадрите. Бих искал да спомена още нещо: абсолютно тест шофиране! Темата за кадрите е толкова сложна, че е невъзможно да се прецени характеристиката на работа на рамката само по външния й вид. Човек би могъл да философства с часове точно за геометрията на рамката.

Най-доброто нещо, което трябва да направите, би било да заемете различни рамки, изработени от различни материали и по този начин да се прехвърлите върху познат, но труден терен. Това, разбира се, не винаги е възможно, който обича да предоставя добра рамка?

Различните материали в съкратена форма

Стоманата е може би най-широко използваният материал. Стоманата се предлага в много различни сплави. Хром-молибденовите сплави, като 25CrMo4 (в САЩ 4130) и много рядко 34CrMo4 (US 4135), които имат малко по-висока якост, са често срещани в конструкцията на рамката. Рядко се срещат и неръждаеми стомани. Производителите на стоманени рамкови тръби са например: Tange, Reynolds, True Temper, Columbus. Само един немски производител (Potte & Potthoff) предлага тръби от неръждаема рамка.

Предимствата на стоманата в обобщение:

висока якост
висока твърдост
много жилав
Лесна за обработка
евтина суровина
лесно се рециклира

недостатък

висока плътност (тежка)
Необходима защита от корозия
Поради високата якост се получават много ниски дебелини на стените, което увеличава риска от изкривяване

Ползи

ниска плътност
лесно се рециклира

недостатък

малко по-трудна за работа от стомана
Необходима защита от корозия
Много енергия се изисква в производството (околната среда)
има риск от напукване поради по-ниското удължение при скъсване

Ползи

много силен
все още ниска плътност
абсолютно устойчив на корозия
благородна оптика

недостатък

скъпо
трудно се работи
по-ниският модул на еластичност трябва да се компенсира чрез конструкция
изисква много енергия за производство

Когато се споменава магнезий, това винаги са магнезиево-алуминиеви сплави. Магнезият (с право) не се използва изобщо или много рядко като материал на рамката. Той е много лек, но и изключително чуплив. Може да се валцува само в много ограничена степен, така че производството на тръби е почти невъзможно. Освен това магнезият трябва да бъде особено добре защитен срещу корозия. Магнезият се използва само спорадично в сектора на велосипедите, с изключение на окачващите вилици, където потопяемите тръби често се отливат от този материал. Високата степен на чупливост на магнезия обаче също е проблем като завършена част. Този материал се счупва без деформация, т.е.без предупреждение. По-специално отпадащите в окачването вилици трябва първо да бъдат извънгабаритни и второ да се изливат много внимателно.

Ползи

ниска плътност
малко по-евтини от алуминиеви сплави

недостатък

много чуплива
не може да се преработи в тръби (възможно е само наливане)
не може да се заварява
много чувствителен към корозия

Материалът берилий е само от теоретично значение. Това би било абсолютно най-идеалният материал сред металите. Берилият има плътността на въглеродните влакна (много лека!) Силата на Ti3Al2.5V и твърдостта на стоманата. Не е ли очарователно? Защо този материал не се използва все по-често? На първо място, това е доста скъпо, струва малко повече от висококачествените въглеродни влакна. Освен това е отровен. Това увеличава разходите за обработка (здравословни и безопасни условия на труд) и прави необходимата добра повърхностна обработка. Освен това е трудно да се работи. Дори или крайна армировка дори не се споменава, а заваряването все още не е възможно, берилий трябва да бъде залепен в ръкави (предимно от алуминий).

Ползи

много лесно
висока твърдост
добра якост

недостатък

Ужасно
токсичен
трудно се работи

Въглерод, подсилена с въглеродни влакна пластмаса, CFRP

Забележка: Този принцип за минимизиране на напрежението се прилага навсякъде и за всеки материал. Ето защо фрезованите (напр.) Манивела, подобни на ферми, имат смисъл само във витрина като изложбен обект.

Различните подсилващи влакна се използват в три основни форми: като нишка или сноп от паралелни влакна (ровинги), като тъкани и плетени тъкани в различните им форми и като ненасочени рогозки или произволни влакна (само стъклени влакна). В допълнение към споменатите ровинги има и прежди и канапи, които се създават чрез усукване на единични или множество въртящи се конци. Усукването създава устойчива, плътно обвързана нишка, която лесно може да бъде преработена в текстил (например тъкане). Ровинги: нишки или снопове от успоредни влакна се наричат ровинги, или ако са относително тънки, конци или прежда. Отделните влакна в ровинг или конец, които имат диаметър приблизително 5-15 µm за стъкло, приблизително 7-10 µm за въглерод и около 12 µm за Kevlar®, се наричат елементни влакна или нишки. Броят на нишките показва дебелината или теглото на метър от ровинг или конец.

Въглеродните влакна се предлагат в голямо разнообразие от дизайни и качества. Класовете с по-ниско качество се използват най-вече в конструкцията на рамката, тъй като високоякостните въглеродни влакна с около 3000 ATS/kg са просто твърде скъпи. Но дори въглеродните влакна с нормална якост все още са много привлекателни поради ниската си плътност. Въглеродните влакна са много чупливи, така че рамките или други компоненти са например. Арамидни влакна (= Kevlar®), добавени към кормилото, които имат по-голямо удължение при скъсване и следователно не се скъсват веднага.

Ползи

много силен
схванат
светлина
привлекателен външен вид

недостатък

много чуплива
скъпо
труден за обработка
трудни за оразмеряване

Арамидните влакна се смесват с въглеродни влакна, за да се увеличи якостта на скъсване и устойчивостта на удар на компонента. Арамидните влакна могат да бъдат разпознати по жълтия им цвят. Като материал на рамката, тези влакна не са много привлекателни поради съотношението им цена/якост.

Metal Matrix Composite, MMC

Този материал всъщност принадлежи към алуминия, но също и към подсилените с влакна материали. Просто защото влакната или частиците се вкарват в алуминиева матрица за подсилване. Преди няколко години две компании представиха своите продукти: Spezialized с подсилена с частици рамка (частици алуминиев оксид), Univega с подсилено с борни влакна превозно средство. Силата на алуминия почти не се подобрява, но твърдостта се подобрява с до 30% според производителя. Тези рамки обаче отново изчезнаха от пазара.

Ползи

ниска плътност (= алуминий)
много схванат

недостатък

дори по-трудно за заваряване от алуминия
не подлежи на рециклиране
в противен случай вижте алуминий