Первая статья из цикла "К вопросу о холодном железе в рамостроении"

Автор: Максютин Сергей

Все нижеизложенное является результатом моей обработки общедоступных через Internet сведений, отражает мое понимание вопроса и не претендует на абсолютную истину. Дополнения, возражения и поправки приветствуются. Электронный адрес для переписки: This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. .

После колес (главным образом втулок и резины), рама является самой главной составляющей, определяющей ездовые качества велосипеда.

Выбор материала, из которого следует изготавливать, велосипедные рамы вызывает жаркие и продолжительные споры уже не один десяток лет. Что лучше: сталь, алюминий, титан или углепластик (карбон) и прочие композиты?

Для начала следует заметить, что традиционная велосипедная рама, состоящая из двух треугольников - весьма выверенная, совершенная конструкция, результат более чем столетней истории развития велосипеда. Постоянные попытки радикально улучшить конструкцию рамы в конечном итоге ничем значимым не заканчивались. И конструкторы снова и снова возвращались к базовой конструкции, которая, таким образом, не претерпела существенных изменений за последние сто лет.

С годами улучшались материалы, совершенствовались технологии изготовления, что позволило значительно снизить вес и повысить прочность рам. В конечном итоге свойства рамы определяются, как ее конструкцией, так и материалами, из которых она изготовлена. Требования, предъявляемые к раме, весьма противоречивы:

1. Рама должна быть достаточно жесткой, чтобы по возможности без потерь передавать усилие велосипедиста с педалей на заднее колесо.

2. Рама должна быть достаточно гибкой (упругой), чтобы поглощать удары и вибрацию от дороги и не передавать их велосипедисту.

3. Рама должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать груз, на нее возложенный (собственно велосипедист и его багаж)

4. Рама должна быть достаточно надежной для обеспечения многих лет эксплуатации.

5. Гоночные рамы отклоняются от оптимума в сторону жесткости.

6. Рамы комфортных серий отклоняются от оптимума в сторону гибкости (упругости).

Соответственно, при выборе труб, из которых следует изготавливать раму, следует учитывать следующие простые и очевидные положения:

1. Трубы становятся жестче при увеличении их диаметра и толщины стенок. Поэтому существуют так называемые oversized трубы - увеличенного более обычного диаметра - чтобы обеспечить требуемую жесткость без излишнего увеличения веса трубы в случае использования материала с низкими механическими качествами. Характерный пример - алюминиевые рамы - они имеют трубы гораздо большего диаметра, нежели классические стальные. Другой пример - дешевые стальные макеты велосипедов - опять же для компенсации использования недостаточного качественных стальных сплавов увеличивают диаметр использованных труб.

2. Трубы становятся гибче (проще гнутся) при увеличении их длины (откуда, в частности следует, что две рамы из аналогичных труб разных ростовок будут иметь разную жесткость).

3. Овальные в сечении трубы жестче в направлении большей оси и более гибки в направлении меньшей оси. (Что приводит к использованию би-овальных труб, которые имеют у рулевой трубы овальный профиль, вытянутый по вертикали, и у каретки - вытянутый по горизонтали)

4. Долговечность труб (стойкость к коррозии / ржавчине и усталостная выносливость) уменьшаются при уменьшении толщины стенок (что приводит нас к существованию явления, названного "race-day-only-tubeset" - рамы, предназначенные только для гонок - облегченные сверх необходимого для обеспечения достижения высоких спортивных результатов, но не пригодных для повседневного использования по причине малого ресурса при таком режиме эксплуатации).

5. Трубы выдерживают больший вес и менее подвержены изгибанию, когда увеличивается прочность использованного сплава (к вопросу о прочности мы в дальнейшем еще вернемся, ибо он не так прост и очевиден, как кажется на первый взгляд).

6. Более прочный сплав увеличит диапазон напряжений, при которых деформация останется упругой трубы, но не обязательно сделает ее жестче при нормальном использовании.

Кроме этих очевидных положений остается важный вопрос о выборе материала рамы (которые, очевидно обладают разными свойствами). Как следует из названия статьи, в качестве материала мы будем рассматривать исключительно сталь и стальные сплавы.

Изготовители рам знают о секретах и свойствах стали уже очень много и очень давно. Фактически, сталь использована при производстве большего числа велосипедов, чем любой другой материал. Она также используется в данном качестве на несколько десятилетий дольше, чем любой другой используемый в настоящее время материал.

Сталь замечательно подходящий материал для велосипедных рам. Сталь легко обрабатывать, она просто сваривается и паяется, стальные рамы ломаются предсказуемо (а не внезапно разрушаются) и они могут быть дешевы (а могут быть и весьма дороги - как мы увидим в дальнейшем).

Современные стальные сплавы позволили еще больше увеличить привлекательность стали как материала для велосипедных рам. В 80-90-е годы 20-го века ведущими фирмами-производителями труб для рам (Reynolds, Columbus, True Temper, Dedacciai) были разработаны и выпущены на рынок новые стальные сплавы, обладающие выдающимися характеристиками, не теряющими прочности после нагревания (например, при сварке), или даже увеличивающие прочность при нагреве, позволившие изготавливать более тонкие и легкие стальные трубы и получать более легкие рамы без потери их прочности и долговечности. К тому же велосипеды, изготовленные из современных тонкостенных стальных труб, отличаются не только легкостью и прочностью, но и удивительно комфортными ощущениями при езде. Хорошим примером может быть то, что знаменитую однодневную гонку Париж-Рубе (дистанция которой где-то на 20-25 процентов проходит по мощеным дорогам, и за победу в которой вручается очень оригинальный приз - булыжник на подставке) многие едут именно на стальных велосипедах, хотя в современном шоссейном велоспорте доминирует алюминий и карбон.

Несмотря на то, что стальные рамы все же тяжелее алюминиевых и композитных, это различие для hi-end изделий не так уж и велико - не более полкилограмма и подобный недостаток может ощущаться только спортсменами высокого уровня на сложном рельефе. Для прочих смертных эти даже 500 грамм лишнего веса на фоне общей массы "велосипед + велосипедист" вряд ли значимы и взамен они получают высокую прочность и комфорт, о которых можно только мечтать.

Еще один маленький факт о весе рам и велосипедов. Откроем каталог Триал-Спорта за 2005 год и сравним два велосипеда одинаковой стоимости: Norco EXC 2.0 HT (1459$) и Jamis Dakota XC (1473$). Отметим, что второй имеет лучшую вилку (Fox Float FRL потив Manitou Scareb Elite). Далее, первая рама демонстрирует новейшие технологические достижения велосипедостроения - из алюминия 6061, с тройным баттингом и карбоновыми верхними перьями. Вторая - классическая стальная рама из труб Reynolds 631, причем, не самых лучших (третьи сверху в линейке труб фирмы Reynolds). Однако, вес велосипедов в сборе практически одинаков - 11,34 и 11,59 кг соответственно! Комментарии излишни.

Отдельный вопрос - использование стальных рам для туризма. На фоне тяжело нагруженного велосипеда лишние 500 грамм рамы еще менее значимы, а предоставляемый стальными рамами комфорт очень важен для многочасовых поездок. Кроме того, для "грузового" и автономного туризма не помешает некоторый запас прочности рамы (то есть дополнительный металл - пусть лучше рама будет потяжелее, чем сломается где-нибудь в глуши). Хорошим примером может служить немецкая фирма Noll. Фирма производит велосипеды исключительно из стали, в том числе и двухподвесы. При этом Noll умеет делать легкие рамы - их кросс-кантрийная и марафонская рама М5 ростовки 17 дюймов весит 1600 гр. (при этом вес всего велосипеда в сборе - менее 10 кг, а с жесткой хромомолибденовой вилкой - менее 9 кг.). Для сравнения - моя рама Norco Storm той же ростовки весит 2050-2100 гр. Однако их туристическая модель, рассчитанная под жесткую вилку, с вытянутой геометрией, с горизонтальной (или близкой к этому) верхней трубой (а, следовательно, большой ростовки) при размере 20" весит уже около 3 кг. Почувствуйте разницу, как говорят в рекламных роликах! Как видим, даже умея делать легкие рамы, для "грузового" туризма фирмой сделан солидный запас прочности.

Ну и напоследок - немаловажный, на мой взгляд, фактор, не влияющий на ходовые и эксплуатационные качества хромомолибденовых рам. Они, в основной своей массе, производятся из труб относительно малого диаметра (по сравнению с алюминиевыми, например) - что придает им особый, изящный внешний вид. Такая рама бросается в глаза (для знатоков), а в наше время засилья дешевого тайваньского алюминия, к тому же, становится своего рода эксклюзивом.

В дальнейшем в данной статье мы рассмотрим свойства стальных сплавов, важных при создании велосипедных рам.

Разработчики рам вынуждены рассматривать множество факторов при выборе материала для своих рам (и не все эти факторы относятся к ходовым или эксплуатационным ее свойствам - на выбор может, например, оказать большое влияние экономический аспект - выбор более дешевого материала приведет к меньшей цене и большему объему сбыта - а вовсе не к получению более качественной рамы). Даже если рассматривать только "относящиеся к делу" свойства материалов, однозначного выбора не получится. Тем не менее, есть много хороших причин использовать именно сталь для велосипедных рам.

Рассмотрим некоторые основные характеристики конструкционных материалов:

1. Плотность

Наиболее простой параметр. Вес образца конструктивного материала единичного объема. Для стали - примерно 7800 кг/м3 . Для сравнения - плотность алюминия 2700 кг/м3 и плотность титана 4400 кг/м3 . Очевидно, что свойство это очень важно, поскольку (по крайней мере, для спортивного применения) рама должна иметь вес возможно меньший. Это основная сложность при изготовлении стальных рам - ее плотность велика по сравнению с конкурентами. Впрочем, плотность - не решающий фактор и это не значит, что алюминиевые рамы получаются в три раза легче стальных.

2. Жесткость

Измеряемую величину, характеризующую жесткость называют модулем упругости или модулем Юнга. Как и плотность, он прост для понимания. Модуль Юнга численно равен напряжению в образце, при котором он удлиняется в два раза (напряжение - сила, отнесенная к единице площади поперечного сечения; фактически, "k" - коэффициент пропорциональности в законе Гука). Вот это - характеристика, где сталь опережает конкурентов: для нее модуль Юнга составляет около 2·1011 Н/м2. Для сравнения - для алюминия он составляет 0,72·1011 Н/м2 и для титана - 1,1·1011 Н/м2. Заметим, что отношения этих величин (2/1,1/0,72) почти равны отношению их плотностей (7,8/4,4/2,7). То есть отношение жесткость-вес для основных материалов примерно одинаково.

Вот здесь может возникнуть вопрос - почему алюминиевые рамы чаще всего так табуреточно жестки, когда этот металл обладает столь низким модулем упругости? На поверхность опять всплывают "oversized" трубы. Поскольку жесткость трубы на изгиб пропорциональна отношению (D4 - (D - 2t)4)/D, где D - внешний диаметр трубы, t - толщина стенок (таким образом, (D - 2t) - внутренний диаметр трубы), то, разложив второе слагаемое числителя по степеням t и учитывая малость t (толщина стенок трубы как минимум на порядок меньше ее диаметра), получим, что жесткость трубы окончательно будет пропорциональна tD2. То есть при возрастании внешнего диаметра трубы в два раза (при неизменной толщине стенок) - жесткость будет возрастать в 4 раза, а вес - только в 2. Уменьшив вдвое толщину стенок одновременно с увеличением диаметра, получим трубу того же веса, но вдвое более жесткую.

Следующий вопрос, который может возникнуть - а почему бы ни увеличить диаметр стальных труб и не уменьшить толщину их стенок, чтобы получить легкую стальную раму? Здесь возникнет "эффект пивной банки" - когда трубы достаточно легкие и жесткие "на изгиб"- но из-за малой толщины стенок чрезвычайно чувствительны к точечным ударам и легко мнутся. Так, например, на моей баттированной хромомолибденовой раме имеется вмятина на верхней трубе главного треугольника от удара концом руля. Эмпирическим пределом для стальных рам считается отношение диаметра труб к толщине стенок около 60-70. Титан и алюминий, обладая меньшими плотностями, позволяют иметь более толстые стенки и избежать этого эффекта.

Следует также отметить, что модуль Юнга не меняется от состава сплава или способа термообработки для одного и того же металла. Так, закаленные Reynolds-953 трубы и шовные трубы из стали 1020 одинакового размера будут иметь одинаковую жесткость.

3. Относительное удлинение

Удлинение образца до его разрушения при растяжении (в процентах). Таким образом, удлинение является характеристикой эластичности материала, то есть его способности выдерживать пластические деформации (то есть такие, которые сохраняются после снятия напряжения - образец изгибается) без разрушения. Материалы с относительным удлинением менее 5% имеют тенденцию разрушаться внезапно. Для изготовления рам эта величина должна быть не менее 10%, для того чтобы рама, деформируясь (например, изгибаясь), могла "подать сигнал", что скоро разрушиться. Этот показатель не полностью характеризует характер разрушения, но достаточно информативен. Для стальных сплавов типичное значение относительного удлинения составляет 9-15%. Для сравнения - для алюминиевых сплавов это значение составляет 6-12% и для титана 20-30%!

В отличие от плотности и модуля упругости, которые практически не изменяются при вариациях состава сплавов и термообработке готовых труб для данного материала, относительное удлинение - это отдельная песня. Как и рассмотренные ниже предел прочности и предел текучести, относительное удлинение сильно зависит от состава сплава и способа его последующей обработки.

4. Предел прочности на разрыв

Это еще одно важное свойство. "Чем больше предел прочности на разрыв - тем лучше" - может служить хорошей отправной точкой в размышлениях о выборе материала рамы. Предел прочности на разрыв равен напряжению в образце, при котором он разрушается (разрывается, ломается). Обычно его значение меньше значения модуля Юнга - что означает, что образец разрушится раньше, чем, например, вытянется вдвое. В дальнейшем будет употребляться более короткий вариант - "предел прочности".

5. Предел упругости

Предел упругости равен напряжению в образце, при котором упругие деформации сменяются пластическими - то есть при снятии напряжения образец останется деформированным (вытянутым или согнутым).

Здесь следует сделать еще одно замечание. Эти характеристики - пределы упругости и прочности нельзя рассматривать в отрыве от всего комплекса свойств материала. Если взять сплав с пределом упругости вдвое большим, чем прежний и сделать стенки труб вдвое тоньше. Рама будет легче. Но будет ли она той же прочности и жесткости? Прослужит ли столь же долго? Нет!

6. Предел выносливости.

Еще одно важное свойство. Об усталостном разрушении говорят, когда разрешение происходит вследствие приложения циклических нагрузок с максимальной величиной, не превышающей предела упругости. Поскольку велосипедная рама постоянно подвергается циклическим нагрузкам: приложение усилий велосипедиста к педалям, поглощение ударов и вибраций от дороги, важно, чтобы материал имел "хорошую выносливость".

Обычно в качестве предела выносливости берут значение напряжения в образце, при котором образец выдерживает не менее 107 (десять миллионов) циклов приложения напряжения. Следует отметить некоторую искусственность такого теста, так как при реальном использовании рамы напряжения не одинаковы по величине и приложены к весьма различным точкам.

Также важно отметить, что стальные и титановые сплавы имеют порог выносливости, то есть пороговое значение напряжения, ниже которого образец может выдержать бесконечное количество циклов приложения напряжений без разрушения. Для стальных сплавов порог выносливости составляет примерно половину от предела упругости. Алюминиевые и магниевые сплавы порога выносливости не имеют, то есть приложение даже слабых циклических напряжений к раме рано или поздно приведет к ее разрушению. (Тут имеет смысл упомянуть, что автору известен случай усталостного разрушения алюминиевой рамы "на ровном месте"). На этой особенности алюминиевых и магниевых сплавов и основаны слухи об их предрасположенности к усталостному разрушению. Также следует отметить, что в руководстве пользователя велосипедов Cannondale (которые изготавливают только из алюминиевых сплавов) присутствует раздел о возможности усталостного разрушения рам и о порядке их профилактического осмотра.

7. Вязкость.

Вязкость в данном случае - способность материала поглощать энергию и деформироваться перед тем, как сломаться. Вязкий металл более тягучий (эластичный) и будет деформироваться, а не "хрупко" ломаться - в частности, вблизи концентраторов напряжений - таких как любой сварной шов, отверстие, острая грань, трещина или зазубрина. Следует добавить, что это свойство, по-видимому, в значительной степени определяется типом кристаллической решетки сплава. Сплавы с гексагональной решеткой - например, титановые и алюминиевые - имеет повышенную чувствительность к наличию концентраторов напряжений и, соответственно, чаще всего ломаются именно вблизи них. Стальные сплавы, напротив, обладают кубической объемно-центрированной кристаллической решеткой - и данного недостатка не имеют. Так как это очень важное свойство для труб велосипедных рам - их способность деформироваться и предупреждать о надвигающемся "крахе", важно уметь численно характеризовать вязкость. Однако это довольно сложная задача. В дальнейшем при необходимости ограничимся рассмотрением вязкости как качественной характеристики.

В заключение следует сказать, что в любом случае, вы выбираете раму, а не материал, из которого она изготовлена - у любого материала есть свои плюсы и минусы, также большое значение имеет геометрия рамы, процесс ее изготовления, культура производства. Выбор за вами.

При написании данного обзора использованы следующие основные источники:

1. Scot Nicol, Metallurgy for Cyclists (www.strongframes.com)

2. Hayduk Douglas, Bicycle Metallurgy for the Cyclist (www.eisentraut.com)

3. Rickey M. Horwitz, Choosing the Materials (www.ihpva.org)

4. Rick Denney, The Truth About Frame Materials, Parts 1-4, Triathlete Magazine 1999-2000.

5. Mario Emiliani, The Metallurgy of Brazing, Parts 1-4, Bicycling Magazine"s Newsletter for the Technical Enthusiast, 1982-1983.

6. Rickey M. Horwitz, Welding (www.ihpva.org)

7. Материалы сайтов фирм Reynolds, Columbus, Dedacciai, True Temper, Desperado Cycles, Anvil Bikeworks, Torelli, Waterford, Henry James Bicycles, Strong Frames, материалы с www.efunda.com.