По материалам фирмы «Anvil Bikeworks»

Перевод и обработка Сергея Максютина

Что произойдет, если неостановимая сила будет приложена к несдвигаемому объекту?

Долговечность велосипедной рамы существенным образом соотносится с царством циклических напряжений, определяется правильным выбором материала для сопротивления этим напряжениям и усталостью конструкции. При реальном использовании, рамы испытывают при использовании постоянно изменяющиеся напряжения. Эти практические напряжения столь же различны, как и все мы, и два различных велосипедиста не приложат одинаковых напряжений к раме, даже если они проедут на одном и том же велосипеде по одной и той же трассе.

Некоторые материалы имеют свойство, называемое пределом выносливости. Предел выносливости – величина напряжения, ниже которой материал более не разрушается в результате приложения циклических нагрузок (теоретически это означает, что материал может вечно противостоять циклическим нагрузкам ниже его предела выносливости). Итак, некоторые металлы, такие как сталь и титан, обладают пределом выносливости, но большинство – нет (в частности, алюминий).

Алюминий, в конце концов, разрушится под действием циклических напряжений, вне зависимости от того, насколько малы прикладываемые напряжения, это всего лишь вопрос времени (или количества приложенных циклов нагрузки). Ключевой момент здесь, который следует запомнить – на это может потребоваться очень большой или очень короткий период времени – в зависимости от того, как прикладываемые напряжения соотносятся с расчетными при разработке рамы. На "дубовой", построенной с основательным запасом прочности раме это может потребовать миллионы циклов нагрузки (или, скажем, несколько лет, возможно даже - десятилетий), но для гоночной, суперлегкой рамы все может кончиться через несколько тысяч или десятков тысяч циклов – то есть рама сломается уже через месяцы. Конечно, при этом предполагается, что на раме отсутствуют очаги коррозии или концентраторы напряжений, так как в противном случае ее жизненный цикл значительно сократится (и это касается всех материалов, а не только алюминия).

В пользу применения алюминия говорит его низкая плотность, а против, естественно, предрасположенность к усталостному разрушению. Как только производитель уменьшит вес алюминиевой рамы и, соответственно, ее прочность, одновременно уменьшится ее способность сопротивляться циклическим нагрузкам и это приведет к уменьшению ее времени службы. Поэтому для «среднестатистического» байкера может быть не лучшей идеей совершить вложение своих капиталов в ультра-легкую алюминиевую раму.

Это же объясняет, почему некоторые алюминиевые рамы жестки, как табуретки и, по-видимому, будут служить вечно: они так чрезмерно усилены, что прилагаемые напряжения значительно ниже использованных при расчете, что дает им возможность перенести миллионы циклов нагружения. Следует, однако, отметить, что такие усиленные рамы уже теряют свое весовое преимущество над титаном и сталью.

Когда обсуждается алюминий, кое-кто всегда вспоминает о самолетах. При разработке самолетов используется то, в чем алюминий лучший: приемлемая прочность и малая плотность. Но отсутствие у алюминия предела выносливости есть очень веская причина обязательного и строгого мониторинга динамически или циклически нагруженных алюминиевых конструкций самолетов. Самолеты также проектируются таким образом, чтобы позволять выполнять частичную разборку с заменой конструкций, которые приближаются к окончанию срока службы. Очевидно, что данный подход не применим к велосипедным рамам. Дополнительным камнем в уже накиданную кучу может служить тот факт, что из алюминия НИКОГДА (выделение переводчика) не делают пружин.

В заключение еще раз отметим, что нет ничего плохого в покупке алюминиевой рамы, если она удовлетворяет вашим требованиям к качеству езды и длине жизненного цикла. Вам всего лишь нужно помнить, что если ваша легковесная алюминиевая рама действительно едет плавно (то есть, гасит (поглощает) дорожную вибрацию) в результате сознательных дизайнерских решений (а не из-за определенным образом выбранных шин, седла, вилки, подседельного штыря, руля и шатунов), это может продолжаться и не так уж долго.

Различие между Columbus Altec 2 (алюминиевый набор труб от Columbus) и обычным Columbus Foco (за комментариями об этом и других упомянутых стальных наборах труб – к статье «Железочки бывают разные») для одного и того же размера рамы, разработанной для того же велосипедиста – около 60 грамм. Повторяю – 60 грамм. Вы еще хотите тратить деньги на рамы, которые прослужат меньше? Я могу привести примеры, которые продемонстрируют различие в пользу другой стороны, примерно как это делают парни из маркетинговых отделов, но это будет всего лишь отдаленно соответствовать реальности для среднестатистического велосипедиста. Можно изготовить раму из набора Foco, которая ликвидирует эту разницу, но таким же образом можно изготовить раму из Altec 2, которая вернет преимущество алюминию. Так или иначе, придется применять компромиссные решения, чтобы добиться этого. Халявы не будет.

Ни ультра-легкие алюминиевые рамы, ни ультра-легкие стальные или титановые рамы – это не то, что можно назвать долговременным капиталовложением для агрессивного внедорожного катания (это относится не только к любителям, но и к профессионалам, которые не получают спонсорских велосипедов). Более того, ни один из этих ультра-легких наборов труб не подтверждает свою надежность нигде, кроме как в глазах маркетологов и копиях их отчетов. Вы должны были обнаружить списки предупреждений, предостережений и советов, которые распространяются производителями наборов труб для изготовителей рам (и присутствующих также и на готовых изделиях). Они просто недостаточно долго тестировались для подтверждения надежности. Рамы становятся в значительной степени похожи на вилсеты (wheelset – набор колес). Кое-кто упоминает легковесные ADA/Lew/Zipp вилсеты (известные производители легковесных колес для шоссейных гонок - так и хочется добавить сюда Shimano WH-7801-carbon с их весом 1300 грамм на пару колес) как "гоночные вилсеты" – и большинство считает, что они непригодны для тренировок, хрупкие, одна авария – и эти колеса – на свалку. Здесь выдвигается предположение, что многие, если не все, рамы ростовки 55 см , весящие меньше 3 фунтов (около 1350 грамм – речь, конечно же, идет о шоссейных рамах) попадают в ту же категорию, НЕЗАВИСИМО ОТ МАТЕРИАЛА, ИЗ КОТОРОГО ОНИ ИЗГОТОВЛЕНЫ (выделение переводчика). Это не маркетинг – это факт (здесь уместно задуматься, например, о цене и долговечности следующего образца – шоссейная рама Ghisallo фирмы Litespeed – титановая рама, в средней ростовке весящая 770 грамм!).

Велосипед на базе рамы Litespeed Ghisallo

Стальные и титановые рамы, будь проклят предел выносливости, тем не менее, могут разрушиться из-за циклических нагрузок. Но будьте уверены – рама, произведенная из этих металлов, разработанная так, что напряжения в ней возникающие остаются ниже предела выносливости, и аккуратно изготовленная с тем, чтобы избежать или минимизировать наличие концентраторов напряжений – прослужит вечно (ИМХО - несколько оптимистично)! Однако многие из нынешних супер-легковесных стальных наборов труб имеют предел упругости очень близко подобравшимся к пределу прочности (за комментариями об этих характеристиках – к первой статье из цикла «К вопросу о холодном железе в рамостроении»). Превысьте расчетные нагрузки для такой трубы всего лишь несколько раз – и у вас проблемы (снова вспомним о race-day-only наборах, таких как Columbus Nemo или Dedacciai EOM 16.5). Алюминий не имеет предела выносливости. Каждое приложение напряжения для алюминиевой рамы – еще одно напряжение, которого она не выдержит в будущем, еще один шаг к свалке. Алюминиевые рамы изготавливают так, чтобы они выдерживали определенное количество циклов приложения нагрузок, при соотношении между прикладываемыми и расчетными нагрузками не выше ожидаемых при проектировании рамы. Алюминиевые рамы могут иметь исключительно долгое время службы, но только те, что весят много больше 1 килограмма. Это причина, по которой производители труб и рам рекомендуют для своих изделий нижнюю весовую границу, основанную на материале и дизайне рам, а также причина, по которой ломаются многие легкие рамы.

Все что отсюда можно извлечь – так это всего лишь то, что отношение предела прочности к плотности материала труб напрямую не связано с долговечностью и усталостными разрушениями рам. Алюминий в три раза легче, чем сталь, и его лучшие образцы также в три раза менее прочные, чем у лучшей стали (410-470 МН/м2 для Starship/U2 наборов против 1400-1500 МН/м2 для Foco/EOM наборов). Здесь не рассмотрен не существовавший еще на момент написания оригинала данного текста набор Reynolds-953, предел прочности материала которого превышает 2000 МН/м2. Впрочем, сторонники алюминия любят заявлять, что алюминий в три раза легче и только в два раза менее прочен, чем сталь, как и будет, если использовать для такого сравнения простенький 4130 сплав. В любом случае, из алюминия действительно можно изготовить более легкие велосипеды, потому что при этом можно использовать трубы большого размера, позволяющие получить требуемую жесткость конструкции рамы – и при этом сохранить стенки достаточно толстыми (избежать эффекта пивной банки) – а раму сохранить легкой – за счет малой плотности алюминия (впрочем, именно поэтому алюминиевые рамы обычно не в разы легче стальных или титановых – стенки их труб значительно толще). Но, КАК ТОЛЬКО МЫ НАЧНЕМ УМЕНЬШАТЬ ЕЕ ВЕС – МЫ СТАНЕМ УМЕНЬШАТЬ СРОК ЕЕ СЛУЖБЫ (выделение переводчика). Рама становится все более и более требовательной к технологичности процесса изготовления и значительно менее терпима к ошибкам производства, а способ, которым будет выражен ее сбой – станет все более и более неприятным (на рисунке представлен отрыв рулевого стакана).

Титан и сталь в предельно облегченных образцах становятся слишком гибкими (на изгиб - речь идет о готовых трубах), когда, сохраняя вес низким, а стенки достаточно толстыми – уменьшают диаметр труб или, напротив, трубы получаются подверженными сминанию и точечным ударам (эффект пивной банки) – когда их изготавливают достаточно жесткими (большого диаметра), но, борясь за вес, с тонкими стенками. Преодолеть эти недостатки отчасти можно изощренной обработкой и формовкой труб, но даже тогда такие трубы не застрахованы от внезапной поломки, усталостного разрушения и чувствительны к погрешностям процесса изготовления, который становится все сложнее (и дороже).

Сталь тяжела – и с этим ничего не поделать. С другой стороны, стальные велосипедные рамы не тяжелы. Сталь в 2 или 3 раза плотнее, чем титан и алюминий, но также в 2-3 раза прочнее. Эта ее прочность позволяет использовать более тонкие стенки в трубах достаточно большого диаметра, чтобы получить необходимую жесткость рам, но сталь никогда не победит алюминий при конструировании легких рам – и ей придется очень тяжело в состязании с титаном. Так, при использовании алюминия можно построить раму, которая будет весить 2 фунта (~900г – шоссейная, конечно же), но она получится недостаточно жесткой – и недолго прослужит. Мы недавно закончили раму ростовки 55 см весом 1168 г (при покраске ее вес увеличится еще на несколько унций – несколько десятков граммов), используя довольно необычную смесь труб – и это нижний предел любой рамы такого размера, которые мы будем изготавливать. Может быть, если бы рама имела компактную геометрию (классическая шоссейная геометрия имеет строго горизонтальную верхнюю трубу, компактная геометрия – слегка наклонную, как у горных велосипедов – что позволяет производителям иметь в ассортименте меньшее количество ростовок, подгоняя посадку более длинным подседельным штырем) ростовки 52 см, от труб кое-что было бы отрезано и вес удалось бы снизить до 2 фунтов – но зачем?

Благодаря превосходной прочности стали, вы можете изготовить супер-легкую стальную раму, но при этом быстро возникает вопрос ее применимости (в качестве примера приведу кросскантрийную стальную раму Noll M5 - ~1600гр для 17 дюймовой ростовки, хотя и это не предел).

Велосипед на базе рамы Noll M5

Чем тоньше трубы (т.е. стенки труб) – тем менее они терпимы к повреждениям. Вы постоянно можете это наблюдать с супер-легкими алюминиевыми рамами. Добавьте сюда тот факт, что легковесные стальные трубы – один из самых сложных материалов, с которым приходится иметь дело при изготовлении рам. По причине их высокой прочности и твердости поверхности такие трубы исключительно сложно резать и сваривать, придавать заданную форму и баттировать – даже в отпущенном состоянии. Если парни из Carpenter Tech найдут способ экономически выгодно баттировать и формировать Aeromet, угадайте – на чем мы все будет ездить? Правильно, на рамах из Aeromet труб с 0,5/0,3/0,5 мм градиентом баттинга, хотя он также исключительно плохо поддается механической обработке.

Впервые упоминание об Aeromet мне встретилось в [1]. Там, в частности, упоминается, что это стальной сплав, запатентованный в 1992 Ray Hemphill и Dave Wert из Carpenter Technology Corporation – и имеющий предел упругости в 1800 МН/м2, предел прочности в 2070 МН/м2 , имеющий высокую усталостную выносливость и стойкость к коррозии. Стоимость производства данного сплава составляет от половины до двух третей цены титана. Также упоминается о высокой сложности обработки, невозможности – на момент написания текста [1] – баттирования и о том, что ряд небольших производителей предлагает рамы из Aeromet с характерным весом порядка 3 фунтов. Долгое время этот сплав оставался забавным курьезом – его производила и обрабатывала мелкая фирма-изобретатель, защитившая свою разработку патентом. Однако, в 2005 году фирма Reynolds объявила о выпуске на рынок стального набора труб нового поколения – набора 953, производимого в кооперации с – угадайте кем – с Carpenter Specialty Alloys! Разработчик уникального стального сплава несколько доработал его состав и по-прежнему занят его производством, поставляя оный фирме Reynolds для дальнейшего проката, формовки труб, баттирования и термообработки. Градиенты баттирования основных труб – те самые 0,5/0,3/0,5 мм! Впрочем, ездить на рамах из 953 набора мы станем не скоро. Во-первых, их еще мало кто производит – и среди оных производителей нет крупных фирм, а во-вторых, цена рамы, например у Desperado Cycles заметно превышает 2000$.

Теперь поговорим о вмятинах. Устойчивость к вмятинам напрямую связана с пределом упругости и твердостью поверхности. Чем выше эти характеристики, тем сложнее трубу смять. Однако, возможен и вариант, когда слишком тонкостенная труба из высокопрочной стали может быть смята легче, чем труба из менее прочной стали со значительно большей толщиной стенок. Толщина стенок тоже имеет значение! Сталь может быть в 3 раза (или больше) прочнее, чем алюминий, что означает, что стенки стальных труб могут быть тоньше при сохранении той же устойчивости к смятию. Однако, сминаемость может стать проблемой для ЛЮБЫХ (выделение переводчика) труб, при снижении толщины стенок ниже определенного предела, НЕЗАВИСИМО ОТ МАТЕРИАЛА (выделение переводчика).

Мы можем использовать любой материал по нашему выбору. Нам нравится титан – это изящный материал, но практичная сторона нашей души ощетинивается и свирепеет при мысли о стоимости бесполезной окраски. Мы перерабатываем тысячи фунтов алюминия в год и платим свои налоги, благодаря ему, но не дадим ему восторженной оценки как материалу для рам нигде, кроме как в рамах для двухподвесных велосипедов. Это оставляет нам старую добрую сталь. По крайней мере, до тех пор, пока кто-нибудь не подтолкнет производителей труб к изготовлению превосходных, пригодных для термообработки, нержавеющих наборов труб в БОЛЬШОМ разнообразии размеров и форм. Между делом, а вы знаете, что холоднокатаные трубы из некоторых нержавеющих сплавов могут после термообработки иметь предел прочности до 2800 МН/м2? Это было, как вы теперь уже знаете, пророческое предположение – вышедший на рынок в 2005 году набор Reynolds-953 как раз имел нержавеющие трубы с пределом прочности более 2000 МН/м2.

Литература.

1. Scot Nicol, Metallurgy for Cyclists. – мне неизвестна ссылка на бумажную версию этого текста, но он широко распространен в сети и найти его, при желании, труда не составит. Например, на сайте www.strongframes.com.