Имеется удивительное количество фольклорных «мудростей» относительно рам велосипедов и материалов, которые широко распространены, но не имеющих никакого основания к реальности.
Действительность состоит в том, что вы можете сделать хорошую раму велосипеда практически из любого металла, с любыми желаемыми ездовыми качествами, выбирая соответствующий диаметр труб, толщины их стенок и геометрию рамы.
Жесткость, прочность и вес рамы
Прочность и жесткость — различные свойства, которые часто путаются друг с другом. Важно понять различие, если вы хотите понимать различия в материалах рам.
Вообразите, что вы зажимаете один конец металлического бруска в тисках, и вешаете груз на свободном конце, временно сгибая брусок. Когда вы снимаете вес, брусок резко возвращается назад к своей первоначальной форме. Различные материалы согнутся на различные величины при одинаковой приложенной силе. Это — жесткость.
Теперь вообразите, что вешаете более тяжелый груз на стержне, настолько тяжелый, что он остается деформированным постоянно. Когда вы снимаете этот груз, стержень не возвращается назад полностью, к своей первоначальной форме, но остается согнутым до некоторой степени. Когда изменения в металле остаются постоянно, это явление называют «текучестью».Различные материалы могут противостоять различным нагрузкам перед возникновением текучести. Это свойство — прочность.
Жесткость
Жесткость влияет на эксплуатационные качества рамы велосипеда, так как рама не переносит никакую остаточную деформацию в условиях нормальной поездки. Жесткость определяется свойством материала, названным «модулем упругости». Модуль упругости по существу независим от качества или легирующих добавок в данном металле. Все виды стали, например, имеют в основном почти одинаковый модуль упругости.
Прочность
Прочность рамы касается сопротивляемости материала изгибам и поломкам при авариях или общей долговечности рамы, но не имеет никакого эффекта на свойства езды.
Прочность определяется свойством материала, называемым «напряжение текучести» («предел текучести»). На напряжение текучести очень влияет качество, термообработка и легирующие добавки, использованные в конкретной марке / модели труб рамы.
Вес
В дополнение к прочности и жесткости, имеется также вопрос того, насколько тяжелый данный объем материала. Это называется «удельный вес» («плотность») материала. Подобно жесткости, на удельный вес данного металла прибавление различных легирующих добавок влияет не значительно. Хотя ваш велосипед может иметь наклейку, говорящую «Легкая сталь», фактически, вся сталь одинаково тяжела.
Имеются некоторые свойства трех основных металлов рамы (величины приведены не в системе СИ):
| Материал | Модуль упругости | Предел текучести | Плотность |
| Алюминий | 10 — 11 | 11 — 59 (4 — 22 отожженный) | 168.5 |
| Сталь | 30 | 46 — 162 | 490 |
| Титан | 15 — 16.5 | 40 — 120 | 280 |
Заметьте, что модуль упругости (жесткость) и удельный вес (вес) в значительной степени независим от качества, термообработки, или легирующих элементов материалов. Например, все стали, от «водопроводных труб», используемых в велосипедах «из универмага» до экзотических сплавов, используемых в многотысячедолларовых велосипедах, имеют модуль упругости 30, и удельный вес 490.
Любой, кто сообщает вам, что особенная марка стали (или алюминия, или титана) является «легче» или «жестче», чем другая марка или модель, травит байки. Однако, имеются реальные различия в напряжении текучести среди различного качества труб рам.
Эти величины модуля упругости показывают, что, если вы строили бы идентичные рамы из этих трех материалов, используя те же самые диаметры труб и толщины стенок, алюминиевая рама, была бы только на 1/3 столь же жесткой, как стальная, а титановая только наполовину.
Предел прочности показывает, что алюминиевая рама была бы значительно более слабая, в смысле более легко повреждаемая, чем рамы из титана или стали.
Величина удельного веса показывает, что алюминиевая рама весила бы только 1/3 от стальной рамы, в то время как рама из титана весила бы около половина веса от веса стальной.
Эти общие слова, однако, являются в основном бессмысленными, потому что никто не строит рамы из трех различных металлов с одинаковыми размерами труб!
Реальные велосипеды учитывают природу материала при выборе диаметра и толщины стенок каждой трубки, которая составляет раму. Жесткость главным образом связана с диаметром труб. Прочность главным образом связана с толщиной стенок, хотя диаметр также влияет на это. На вес влияют, и диаметр, и толщина стенок. Изготовитель рам может принимать компромиссные решения, выбирая различные толщины стенок и диаметры труб, позволяя раме быть сделанной или жестче, или прочнее, или легче.
Сталь против титана
Посмотрите на таблицу снова. Вы увидите, что идентичная стальная рама по сравнению с титановой была бы относительно равной по прочности, но при этом рама из титана была бы приблизительно половиной по весу и по жесткости. Такая рама была бы гибче из-за сниженной жесткости, особенно в загруженных туристических применениях. Для компенсации, производители титановых рам создают несколько большие диаметры труб, чтобы привести жесткость в соответствие. Эта тенденция немного увеличивает вес, при несколько больших по диаметру трубах, немного более тонких. Это может давать компенсацию до некоторой степени, и создавать раму, которая является все еще легче, чем нормальная стальная рама.
Сталь против алюминия
Ситуация с алюминием даже более характерна. «Идентичная» алюминиевая рама была бы лишь на 1/3 столь же жесткая как стальная, примерно на половину такая же прочная, и всего 1/3 по весу. Такая рама была бы совершенно неудовлетворительна. Именно поэтому алюминиевые рамы вообще имеют заметно большие диаметры труб и более толстостенные трубы. Это вообще приводит к тому, что при адекватной жесткости, такие рамы все еще легче, чем сопоставимые стальные.
Тонкостенные трубы большого диаметра
Преимущества большего диаметра труб могут, теоретически, применяться к стальной конструкции (обычно такие трубы обозначают аббревиатурой FAT), но имеется практический предел. Вы могли бы строить стальную раму с трубами диаметром 2 дюйма, и это будет более жесткая рама, чем что-нибудь реально существующее, даже более жесткая, чем необходимо. Производя стенки труб достаточно тонкими, вы могли бы сделать их также очень, очень легким.
Почему же производители не делают этого? Здесь есть две причины:
— Чем более тонкие стены труб используются, тем тяжелее сделать хорошее соединение труб друг с другом. Это — одна из причин, почему получают трубы с более толстыми стенками около концов, где трубы соединяют вместе с другими трубами.
— Кроме того, если стены получаются слишком тонкими, они станут слишком легко вдавливаться, а также точки крепления для бутылок, ограничителей тросов, креплений переключателей и т.п. будут иметь недостаточную прочность.
Жесткость и качество езды
Жесткость рамы (или отсутствие ее) не имеет так много влияния на качество езды (накат рамы), как многие люди считают и уверяют вас. Давайте посмотрим на это с пары различных направлений:
Жесткость на кручение / изгиб
Это главным образом связано с напряжениями, произведенными силами, которые вы создаете от работы педалями. Любая рама будет гнуться относительно каретки в соответствии с нагрузкой на педалях. Этот изгиб может чувствоваться, и многие велосипедисты принимают это за трату энергии. Фактически, этого не происходит, потому что металлы, используемые в рамах велосипедов — очень эффективные пружины, и энергия возвращается в конце рабочего хода, так что очень немного или почти ничто в действительности не теряется. В то время как не имеется никакой фактической потери эффективности от гибких рам, большинство велосипедистов находит это ощущение неприятным, и предпочитает рамы, которые являются достаточно жесткими в области каретки и цепного привода. Это больше касается крупных, тяжелых велосипедистов, и тех, кто любит активно работать педалями, особенно на подъемах. Светодиодные и комбинированные фонари в интернет магазине снаряжения AllGEAR.ru
Другая область, где жесткость в поперечном направлении может быть проблемой, особенно велотуристу — задний треугольник, когда имеется груз на заднем багажнике. Рама, которая является слишком мягкой в этой области, будет чувствоваться гибкой и может быть склонной к опасным колебаниям при высоких скоростях педалирования. Большая часть этой гибкости — обычно заключается непосредственно в багажнике, но может иметься достаточно гибкости на верхних перьях задней вилки, чтобы ухудшить условия движения.
Вертикальная жесткость
Так как эта статья имеет дело с рамами, проблема — удар идущий от дороги, передаваемый с задней шины на седло. Качества поездки на руле до некоторой степени определены вилкой (особенно, если она амортизаторная), также как геометрией, и гибкостью в других болтовых соединениях, но не связаны с выбором материала рамы.
Многое из того, что обычно говорят относительно различных материалов рамы, касается предполагаемых различий в вертикальной жесткости. Говорится, что одна рама более комфортна при езде и поглощает дорожные удары, в то время как другая — жесткая и заставляет вас чувствовать каждую трещину в тротуаре. Фактически все эти «различия» являются или мнимым эффектом, или вызваны кое-чем другим чем выбор материала рамы.
Удары передаются от задней шины, через колесо, верхние перья задней вилки, подседельный штырь, раму седла, и обтяжку седла. Все эти части рассеивают удар в большей или меньшей степени, но не в равной степени.
Самой большой степенью гибкости и мягкости обладает шина, вероятно второй — непосредственно седло. Если у вас подседельный штырь сильно выдвинут из рамы, то имеется значительный изгиб и в нем. Качество сдерживания удара колесами — незначительно. Верхние перья задней вилки (единственная часть этой системы, которая фактически является частью рамы) загружены в чистом виде сжатием. В этом случае, они настолько жестки, что даже самые легкие и самые тонкие не могут вносить ничего стоящего упоминания в плане способности поглощать удар.
Единственное место, которое в раме сгибается, чтобы внести вклад, -это если вы имеете длинный обнаженный подседельный штырь, который не установлен слишком глубоко в подседельную трубу, нижний его конец может заставлять сгибаться ее слегка. Но даже эта податливость — только часть от податливости сгибающегося подседельного штыря.
Свойство рамы, которое имеет некоторый эффект на смягчение дорожных ударов сзади — тип заднего треугольника. Это — одна из причин, почему туристические велосипеды имеют тенденцию иметь длинные нижние перья задней вилки — это позволяет сместить ездока вперед от заднего колеса. Короткие перья задней вилки дают жесткую езду по той же самой причине, что вы больше раскачиваетесь в задней части автобуса, чем в середине. Если вы находитесь прямо над задним колесом, то все удары идут прямо на седло.
Карбон (углеволокно)
Углеволокно — все более и более популярный материал для рам велосипедов, но оно существенно отличается от металлических труб для построения рам. Из-за волокнистой природы этого материала, он имеет намного более явное «зерно» чем металл. Хорошо разработанная карбоновая рама может иметь структуру, выстроенную таким способом, чтобы обеспечить максимальную прочность в направлениях максимальных напряжений.
К сожалению, в велосипедных применениях, углеволокно — не полностью отработанная технология, как металлические рамы, состоящие из труб. Велосипеды подвергаются очень широкому диапазону различных напряжений с многих различных направлений. Даже с моделированием на компьютере, нагрузки не могут быть полностью предсказаны заранее. Углеволокно имеет большой потенциал, но современные карбоновые рамы не демонстрируют уровень надежности и долговечности, которые желательны для туристического использования в тяжелых условиях. В частности, слабыми точками являются области, где металлические части, типа концов вилок, оболочки каретки, рулевой колонки, и т. д. соединяются с карбоновой рамой. Эти области могут быть ослаблены в плане коррозии через какое-то время, и привести к поломке.
В геометрии, нет ничего столь же прочного, как треугольник. Велосипеды с «ромбовидной» рамой состоят, в общем, из двух треугольников. Элегантность и простота этого решения неоспорима. Миллиарды велосипедов с «ромбовидной» рамой были сделаны из труб более чем за столетие, и в течение этого времени, сотни тысяч очень умных людей потратили миллиарды часов поездок и думали относительно путей к более тонкой «настройке» их велосипедов. Трубчатая ромбовидная рама была четко «настроена» эволюционным процессом к совершенству, применяемым основным пропорциям и материалам. Я часто пересаживаюсь на раму Mead Ranger, построенную в 1916 году. Она несколько тяжелее, чем более современные рамы, но ее общие ездовые качества столь же хороши как у любого велосипеда, который есть у меня.
Если должны быть какие-нибудь большие усовершенствования в конструкции рамы, то это должны быть проекты или полностью отличного типа процесса строительства, вроде углеволокна (карбона) или литого магния; или полностью отличный тип конструкции, вроде велосипеда с «лежащим» велосипедистом (recumbent).
Обслуживаемость
Любой из этих материалов — достаточно подходящий для кратких и средних поездок, совершаемых в развитых странах. Титан, в то же время как дорогостоящий материал, является вообще наиболее долговечным выбором из материалов, но алюминий и сталь тоже превосходны. Никто еще не производит карбоновые туристические велосипеды, насколько я знаю.
Для длительного путешествия в малоразвитых областях, сталь, вероятно, пока что лучший выбор, потому что в случае повреждения, ремонт может быть сделан любым мастером с горелкой и знанием пайки / сварки.