Материалы рам

Дерево было первым материалом, использованным для постройки велосипеда. На смену ему пришёл металл. Потом высокопрочная сталь, алюминий и титан. Затем появились углепластик и снова дерево. Поэтому вопрос: из чего изготовлена рама велосипеда – один из самых популярных и актуальных вопросов, задаваемых при покупке велосипеда.

Рама велосипеда – основной элемент конструкции, который влияет на характеристики велосипеда, его массу, безопасность, стоимость и даже на восприятие его райдером (и покупателем). От чего же зависят эти характеристики. В немалой степени от материала рамы.

Современная деревянная рама со стальными дропаутами, подседельной трубой и рулевой колонкой

Исторически самый первый велосипедный материал. На момент создания Калом Дрейзе своего велосипеда это был, пожалуй, единственный доступный конструкционный материал. Его отличали неплохие механические характеристики и лёгкость обработки. Однако для массового производства дерево не прижилось и уступило место стали. Сегодня на веловыставках можно увидеть образцы велосипедов с деревянной рамой. Причём от самых простых до настоящих произведений столярного искусства.

Плотность и механические характеристики древесины зависят от породы. Например, плотность бука составляет 690 кг/м3, а ели 450 кг/м3.

Sunday Primer — BMX с рамой из стали Hi-Ten

Долгое время сталь была монополистом на велосипедном рынке. Из неё изготавливали рамы, педали, рули и шатуны. Среди современных велосипедов немало моделей со стальными рамами. Как правило для этого используются два вида стали: т.н. hi-ten и хромомолибденовые стали. Характеристики этих материалов разные. Поэтому рассмотрим стали отдельно.

Плотность стали незначительно зависит от её состав и составляет ок. 7500-7900 кг/м3.

Hi-Ten (Hi Tensile Steel)

Hi Tensile Steel переводится как высокопрочная сталь. По сути это обычная конструкционная сталь с достаточно высоким содержанием углерода. Этот углерод причина высокой жёсткости деталей из стали. Он же источник невысокой пластичности и ударной вязкости, слабой коррозионной стойкости и посредственной свариваемости. При повреждении лакокрасочного покрытия рамы из hi-ten она может «зацвести». Из такой стали сложно сделать лёгкую и прочную раму. Кроме того, рама из hi-ten не обладает необходимыми для велосипеда упругими свойствами. Однако в активе стали невысокая стоимость и хорошая обрабатываемость. Важно, что состав стали не регламентируется стандартами. Поэтому под названием hi-ten встречается сталь как с хорошими механическими свойствами, так и посредственными.

Cro-mo

Легированная сталь. Получила «народное» название хромоль по легирующим добавкам хрому и молибдену. Они придают стали высокую прочности, вязкость, ударную стойкость и стойкость к коррозии. Рамы из такой стали отличаются долговечностью и хорошей упругостью (пружинистостью). При использовании современных технологий из хромомолибденовых сталей можно изготовить раму с переменной толщиной стенок и сечением. По весовым характеристикам она будет лишь немного уступать рамам из алюминия. К недостаткам стали можно отнести склонность к отпускной хрупкости. Последняя может наблюдаться после сварки.

Scott S40 — велосипед с рамой из алюминиевого сплава. При изготовлении рамы использован гидроформинг

Алюминий получил название крылатого металла за свою невысокую плотность. Это очень пластичный материал, который легко поддаётся ковке, штамповке и механической обработке. На воздухе на поверхности алюминия образуются очень стойкие и плотные оксидные плёнки, которые обеспечивают отличную защиту от коррозии. Тем не менее в определённых условиях алюминий корродирует. Признаком коррозии является не жёлтый налёт на поверхности деталей, как у сталей, а белый.

Чтобы придать алюминию необходимую жёсткость в его состав вводят легирующие добавки. С одной стороны, они увеличивают стоимость материала, с другой стороны позволяют добиться требуемых механических характеристик.

Производители велосипедов используются не алюминий в чистом виде, а разные марки сплавов, отличающиеся составом присадок и, как следствие, механическими свойствами. Наибольшее распространение получили алюминиевые сплавы: 6061, 6061T6, 6065, 7000, 7005, 7005T6, 7009T6, 7010T6, и др. Состав 6000-х материалов отличается от 7000-х составом присадок. Основной «добавкой» в 6000-х сплавах является магний, в 7000-х цинк. Поэтому 7000-е обладают более высокими механическими характеристиками и немного более высокой плотностью. Но такие материалы дороже, хуже свариваются и обрабатываются, а также более склонны к коррозии.  Всё вместе это заметно увеличивает стоимость рамы и велосипеда. С другой стороны большая «податливость» 600-х сплавов позволяет использовать при изготовлении из них рам двойной и даже тройной баттинг. Это заметно облегчает раму без снижения прочности.

Чтобы обеспечить алюминиевой раме (и любой другой детали) прочность сопоставимую со стальной рамой приходится увеличивать толщину стенок. В результате рама получается более жёсткая. Кроме того, приходится учитывать низкую выносливость (сокращение срока службы) алюминия в условиях знакопеременных нагрузок.

Плотность 6000-х алюминевых сплавов 2720 кг/м3, 7000-х 2750 кг/м3.

Визуально рама из титана очень похожа на алюминиевую

Подобно алюминию титан представляет собой серебристый металл, который на воздухе покрывается тончайшей оксидной плёнкой. Она обеспечивает надёжную защиту металла от коррозии. От алюминия титан отличается большей плотностью и более высокими механическими характеристиками. Плотность титана на 60% выше алюминия, но прочность примерно равна стали и в два раза выше крылатого металла.

Необходимо отметить сложный характер титана.  С одной стороны, он достаточно лёгкий и обладает необходимыми для изготовления рамы упругими свойствами. С другой стороны, его обрабатывемость и свариваемость намного хуже. Сварка титана очень сложный процесс. Поэтому стоимость титановых деталей, в частности рам, намного выше стальных и алюминиевых.

Плотность титана 4540 кг/м3.

Углепластикова рама

Самый современный велосипедный материал. Получил название по латинскому названию углерода – карбон (carbon). Материал получается при пропитке полимерными смолами нитей или тканей из углеволокна. Отверждение полученного пластика может производится на воздухе или под воздействием высокой температуре. Материал очень сложный и капризный: реагирует на малейшее отклонение от предписанной технологии изготовления и рекомендуемых материалов.

Основа материала: углеродное волокно. Это тонкие нити, образованные атомами углерода. Вместо нитей могут использоваться углеродные нанотрубки. Они представляют из себя трубчатый материал диаметром нескольких нанометров и длиной до нескольких десятков сантиметров. Волокно и трубки имеют высочайшую прочность на разрыв и растяжение: в несколько раз прочнее стали. Однако на изгиб материал не работает.

Для формирования готовой детали нити или ткань специальным образом наматываются или укладываются. Как правило со сменой направления слоёв. После этого заготовка пропитывается полимерной смолой и отверждается. Полученная деталь имеет небольшую массу и высокую прочность.

Достоинство углепластика: прекрасное сочетание массы рамы и её механических свойств (прочности и жёсткости).  Кроме того, углепластиковые детали поглощают вибрации.

Недостатки деталей из углепластика: высокая цена и трудоёмкость изготовления, а также анизатропность. Последнее означает, что деталь имеет разные свойства в разных направлениях. Кроме того, детали из углепластика имеют низкую стойкость к ударным нагрузкам.

Плотность углепластика от 1450 до 2000 кг/м³.

Вывод:

Невозможно выбрать идеальный материал для рамы велосипеда. Каждый обладает набором достоинств и недостатков. Поэтому необходимо трезво оценивать конкретные условия использования велосипеда и исходя из этого выбирать материал.

Прекрасный образец грамотного подхода к выбору материалов: отечественный электрический велосипед RLE Urban с титановой рамой и углепластиковой вилкой. Сочетает высокую жесткость рамы с небольшой общей массой и комфортной вилкой

Физика процесса

Необходимо сделать небольшое пояснение и объяснить, в чем различие между терминами прочность и жёсткость.

Прочность — это свойство материала сопротивляться разрушению под действием воздействием внешних сил.

Жёсткость — это способность детали сопротивляться деформации при внешнем воздействии.

Выносливость — это способность выполнять детали или узла своё назначение в течении времени под действием знакопеременных нагрузок.

В качестве иллюстрации можно привести в пример раму велосипеда. Прочная, но не жёсткая рама при большой нагрузке будет деформироваться. Жёсткая рама сохранит свою геометрию.

С одной стороны, нежёсткая рама будет поглощать вибрации и удары от дороги. С другой стороны, она будет «съедать» часть энергии, прикладываемой к педалям.

Заставка: фото  Red Bull