Je veľmi ľahký, ale zároveň mimoriadne krehký.

Nájsť vhodný materiál pre rám bicykla je nesmierne ťažké. Pretože čo sa rozumie pod pojmom „správne“? Na túto otázku vlastne neexistuje žiadna odpoveď. Pretože počet rôznych názorov na materiály rámu a konštrukčné metódy je zhruba rovnaký ako počet ľudí na bicykli. Tento článok je zameraný na úvod do technického prostredia, na vysvetlenie niektorých technických pojmov a na predstavenie najbežnejších materiálov rámov.

Aby bolo možné objektívne porovnať rôzne materiály, je potrebné zaviesť určité kritériá, aby bolo možné porovnanie. Napríklad v cyklistických časopisoch. vždy hovorte o pevnosti v ťahu. Teraz vysvetlím tieto a ďalšie hodnoty.

Aby bolo možné preskúmať pevnosť materiálu, bol vynájdený ťahový test. Názov vlastne hovorí o čo ide. Vzorka (často valcovitá) je na oboch koncoch od seba odťahovaná, až kým nezrazí náraz. Skúšobný stroj skonštruovaný na tento účel meria silu potrebnú na roztrhnutie vzorky. Pretože sa každý materiál deformuje, až kým sa nerozbije, deformácia sa tiež nepretržite meria. Ak teraz vytvorím diagram s týmito hodnotami, vyzerá to napr. takto: (Cesta je zvyčajne vykreslená na osi x, sila na osi y.)

veľmi

Z diagramu je teraz zrejmé, že elastická deformácia (to znamená, že nezostane trvalá deformácia) siaha iba po medzu klzu. Po dosiahnutí pevnosti v ťahu sa materiál už nesmierne zdeformoval, čo je dosť nežiaduce. Pevnosť v ťahu má preto skôr teoretický význam a pre konštrukciu je málo použiteľná. Jednotka pevnosti v ťahu a medza klzu je jednoduchá úvaha. Vzorka sa od seba odtrhne určitou silou, na materiál pôsobí napätie. Sila sa udáva v Newtonoch (N). (Jeden kilogram sa rovná 9,81 N.) Aby som získal platné porovnanie, musím vziať do úvahy silu v priereze. (= Napätie) Takže: N/mmІ je jednotka pevnosti v ťahu alebo medze klzu. Po dosiahnutí pevnosti v ťahu je vidieť pokles sily alebo napätia. Prečo? Prierez vzorky je v určitom bode zmenšený. (= Zúženie) Napätie v priereze sa stále zvyšuje, ale pretože sa zmenšuje a zmenšuje, sila potrebná na deformáciu vzorky sa zmenšuje a zmenší.

Teraz vieme, čo materiál maximálne vydrží a kedy sa začne natrvalo deformovať. (= z medze klzu). Ak zmeriame predĺženie po rozbití, vieme tiež, aký tvrdý je materiál. Táto hodnota sa nazýva predĺženie pri pretrhnutí (A) a udáva sa ako percento pôvodnej dĺžky. Táto hodnota je tiež dôležitá, pretože je nevyhnutná pre bezpečnosť v prípade preťaženia. Vysoká hodnota zaisťuje, že napr. riadidlá sa pri preťažení neodlomia, skôr sa deformujú (natrvalo). To tiež zničí riadidlá, zabráni sa však vážnemu pádu.

Jedna vec, ktorá je pre rám ešte dôležitejšia, stále chýba: tuhosť, ktorá je v technológii známa ako modul pružnosti (skrátene E-modul), ktorá sa dá zistiť aj z ťahovej skúšky. Tuhosť je mierou priehybu materiálu pod zaťažením. Modul pružnosti je závislý od materiálu, ale je takmer nezávislý od zliatiny. Tyč vyrobená z najlacnejšej konštrukčnej ocele je preto rovnako tuhá ako tyč vyrobená z kvalitnej nástrojovej ocele rovnakých rozmerov!

Napätie je ťahová sila súvisiaca s počiatočným prierezom v každom okamihu skúšky ťahom. Pevnosť v ťahu je napätie, ktoré je výsledkom maximálnej sily v ťahu vzťahujúcej sa na počiatočný prierez. Medza klzu je napätie, pri ktorom ťahová sila zostáva rovnaká alebo klesá so zvyšujúcim sa predĺžením po prvýkrát. Predĺženie je zväčšenie vo vzťahu k pôvodnej dĺžke. Tuhosť, modul pružnosti, závisí iba od materiálu, ale nie od zliatiny.

Požiadavky na materiál rámu - ktoré materiálové vlastnosti sú dôležité pre rám bicykla?

Tuhosť: Tuhosť rámu je pravdepodobne jednou z najdôležitejších veličín. Ako teraz môžem zvýšiť tuhosť? Na jednej strane môžem vziať materiál, ktorý je zo svojej podstaty veľmi tuhý, to znamená, že má vysoký modul pružnosti. Z kovov vhodných pre rám bicykla má oceľ pravdepodobne najvyšší modul pružnosti, takže je to najtvrdší materiál. Rozhodujúcim faktorom pre tuhosť potrubia nie je materiál (modul pružnosti), ale priemer. Pri výpočte tuhosti potrubia sa priemeru určí sila troch. modul pružnosti je iba lineárny. Preto sú hliníkové rámy výrazne tuhšie ako oceľové. Nízka hustota hliníka umožňuje nafukovanie rúrok na zvýšenie tuhosti. Prečo však nemôžem vyrobiť rovnako hrubú oceľovú rúrku? Dôvod je ten, že by som potom musel radikálne zmenšiť hrúbku steny, riziko zubov by bolo príliš veľké. (= Cola môže pôsobiť).

Sila: Pevnosť rámu je zvyčajne dostatočne vysoká, pretože klasický diamantový rám je už z hľadiska pevnosti optimalizovaný. Samozrejme, preťaženie môže stále viesť k zlyhaniu. Pre stabilný rám je dôležité použiť kosoštvorcový tvar, plynulé prechody a niekoľko špičiek napätia, t. J. Čisté zvary bez vrubov a stupňov, ako aj rozumné použitie výstužných dosiek a využitie prirodzenej pružnosti materiálu a konštrukcie.

Neexistuje rám, ktorý by vydržal všetko. Ak dôjde k preťaženiu - hlavne kvôli chybám pri jazde - musí niektorý komponent ustúpiť. Pokiaľ sa to stane v elastickom rozmedzí, vodič si to nevšimne. Ak sa však komponent plasticky poddáva, t. J. Deformuje, je poškodený. Praskliny sú samozrejme zlé, vyskytujú sa častejšie, keď sa použije materiál s nízkou húževnatosťou alebo sa predtým poškodil komponent, napr. kvôli chybným zvarom, chybnému spracovaniu, nesprávnej konštrukcii, prehĺbeninám alebo otvorom. Typická „materiálna chyba“ prakticky neexistuje. Všetky materiály použité pri konštrukcii rámu možno považovať za bez vád.

Únavová sila: Pre rámy bicyklov prakticky žiadny význam, ale stručne vysvetlené: Všetky kovy neustále strácajú pevnosť v dôsledku poškodenia povrchu - mikrotrhlinky. Iba oceľ sa považuje za únavovú pevnosť, pretože oceľ už po určitom počte zmien zaťaženia nemôže stratiť svoju pevnosť, ale môžu to byť všetky ostatné kovy. Tento počet zmien zaťaženia sa nazýva limit únavy. Je však taká vysoká, že nie je zaujímavá ani pre závodných jazdcov.

ľahký

Hmotnosť: Pri výbere rámu je v tomto ohľade veľmi dôležitý zdravý rozum. Neuveriteľné hmotnosti rámu 1300 g a menej si vyžadujú kontrolu. Vždy treba mať na pamäti nasledujúce: 1. Výrobcovia varia iba na vode. 2. Čarodejníctvo neexistuje. 3. Výplne hélia prinesú maximálne 10 gramov, a preto zlyhajú.;-)

Každý gram menej stojí obyčajne tuhosť alebo sila alebo oboje. Váhy, ktoré sú užitočné pre závodné účely XC (MTB Hardtail, RH: 48 cm, približne): Oceľ: 1900-2000gr, hliník: 1800-1900gr; Titan: 1600-1800gr, uhlík (v závislosti od konštrukcie): 1500-1800gr

Ochrana proti korózii: Rovnako krásne ako sú leštené hliníkové rámy: Vyžadujú si veľkú starostlivosť, pretože slaná voda vo forme potu, izotonických nápojov, soľnej nátierky atď. Napáda a oslabuje materiál. (Bočná poznámka: AL-7075, ktorý sa nepoužíva pri konštrukcii rámu, musí byť chránený.) Preto je nevyhnutná povrchová úprava. Eloxovanie je veľmi pekné a funkčné, má však dve nevýhody: 1. Je veľmi škodlivé pre životné prostredie. 2. Korózna chemická predbežná úprava (morenie) musí byť úplne (skutočne úplne) odstránená, pretože trpí pevnosť. Ako je známe, oceľ hrdza, takže musí byť tiež chránená. Pre oba materiály, oceľ aj hliník, je najrozumnejším riešením práškové lakovanie. Titán je odolný proti korózii a nevyžaduje žiadnu povrchovú úpravu. Karbónové rámy by mali mať aspoň číry lak, pretože plastová matrica rada absorbuje vodu, a preto stráca len málo zo svojej pevnosti.

Predĺženie pri pretrhnutí a rázová pevnosť: Na čo je najpevnejší a najpevnejší rám, ak sa po páde zlomí? Karbónové rámy majú skutočný problém: Kvôli nízkej elasticite tohto materiálu sa karbónový rám pri náraze veľmi ľahko zlomí, aj keď je dostatočne pevný z hľadiska pevnosti a tuhosti! To je možné zmierniť väčšími rozmermi alebo zabudovaním tvrdších vlákien (Kevlar®).

Ako sa musí postaviť rám? To je samozrejme tiež otázka vkusu, chcem len popísať dôležité vlastnosti, ktoré vytvárajú dobrý rám.

Konečné zosilnenie rúrok rámu: Na koncoch (spojoch) rúrok je potrebné mať väčšiu pevnosť ako v strede. Preto sú rúrkové rámy na koncoch zosilnené. Toto sa tiež často nesprávne označuje ako zadok. Prídavné prvky, výstuhy atď. By nemali byť mimo výstuh. Najhorší by bol klin, ktorý je presne pri prechode z výstuže do tenkej strednej časti. Rám by potom bol menej stabilný ako bez klinového klinu!

Zadok: Pod pojmom konifikácia sa rozumie to, že potrubie je kužeľovité, to znamená, že mení priemer. Použite napr. na zadných vzperách. Pri oceľových a hliníkových rúrach je možné kombinovať aj výslednú výstuž a zosilnenie, pričom pri titáne sa to (zatiaľ) z dôvodu nákladov nepoužíva.

Dimenzovanie potrubia: Ako už bolo spomenuté, tuhosť sa zvyšuje s treťou silou priemeru potrubia. Preto je iba logické zväčšiť priemer potrubia. Limity pre to spočívajú v hrúbke steny potrubia. - Nebezpečenstvo vybočenia, pozri ďalší bod. Najlepším prierezom potrubia je zvyčajne kruhové potrubie. Obdĺžnikové prierezy nemajú žiadne výhody, sú často horšie a ťažšie a používajú sa iba ako optické „vylepšenie“. Ovalalizovať potrubie tam môže mať zmysel iba vtedy, ak prevládajú určité smery sily a zaťaženia.

Nebezpečenstvo vybočenia: Ak zhrniete doteraz spomenuté dizajnové prvky, mysleli by ste si, že najlepšou voľbou by bola veľmi hrubá rúra s tenkou stenou. Hrubé tenkostenné rúry sa však dajú veľmi ľahko dentovať - ​​môže to mať vplyv na koks. Preto je potrebné dbať na to, aby hrúbka steny potrubia nebola príliš malá. Pre jazdcov, ktorí chcú byť pri páde na bezpečnej strane, sa odporúča nasledujúci test: Položte obe ruky na hornú trubicu, stlačte obidve palce proti jednému miestu. Sledujte odraz svetla trubice: Ak odrážané svetlo popisuje oblúk, znamená to, že trubica sa deformuje tlakom palca. Potom sa dá predpokladať, že rúra bola navrhnutá s malou hrúbkou steny a je citlivá na priehlbiny.

To bol samozrejme iba zlomok toho, čo sa dá povedať o rámoch. Rád by som spomenul ešte jednu vec: absolútne skúšobnú jazdu! Téma snímok je taká zložitá, že je nemožné posúdiť manipulačné vlastnosti rámu iba na základe jeho vzhľadu. Dalo by sa filozofovať celé hodiny len o geometrii rámu.

Najlepšie by bolo požičať si rôzne rámy z rôznych materiálov, a teda skrutky cez známy, ale zložitý terén. To samozrejme nie je vždy možné, kto rád poskytuje dobrý rámec?

Rôzne materiály v skrátenej forme

Oceľ je pravdepodobne najbežnejšie používaný materiál. Oceľ je k dispozícii z mnohých rôznych zliatin. Pri konštrukcii rámu sú bežné zliatiny chrómu a molybdénu ako 25CrMo4 (v USA 4130) a veľmi zriedka 34CrMo4 (US 4135), ktoré majú o niečo vyššiu pevnosť. Zriedkavo sa vyskytujú aj nehrdzavejúce ocele. Medzi výrobcov rúr s oceľovým rámom patria: Tange, Reynolds, True Temper, Columbus. Iba jeden nemecký výrobca (Potte & Potthoff) ponúka rúrky z nehrdzavejúceho rámu.

Stručne zhrnuté výhody ocele:

  • vysoká pevnosť
  • vysoká tuhosť
  • veľmi ťažké
  • Ľahko spracovateľné
  • lacná surovina
  • ľahko recyklovateľný

nevýhoda

  • vysoká hustota (ťažká)
  • Ochrana proti korózii nevyhnutná
  • Vďaka vysokej pevnosti sa vytvárajú veľmi malé hrúbky steny, čo zvyšuje riziko vybočenia

výhody

  • nízka hustota
  • ľahko recyklovateľný

nevýhoda

  • s ktorou sa pracuje o niečo ťažšie ako s oceľou
  • Ochrana proti korózii nevyhnutná
  • na výrobu je potrebné veľa energie
  • riziko prasknutia v dôsledku menšieho predĺženia pri pretrhnutí

výhody

  • veľmi silný
  • stále nízka hustota
  • absolútne odolný proti korózii
  • ušľachtilá optika

nevýhoda

  • drahý
  • ťažko sa s ním pracuje
  • nižší modul pružnosti by sa mal kompenzovať konštrukciou
  • vyžaduje veľa energie na výrobu

Keď sa povie horčík, vždy ide o zliatiny horčíka a hliníka. Horčík sa (oprávnene) ako materiál rámu nepoužíva vôbec alebo len veľmi zriedka. Je veľmi ľahký, ale zároveň mimoriadne krehký. Môže sa valcovať iba vo veľmi obmedzenej miere, takže výroba rúr je takmer nemožná. Ďalej musí byť horčík obzvlášť dobre chránený proti korózii. Horčík sa v sektore bicyklov používa iba sporadicky, s výnimkou odpružených vidlíc, kde sú z tohto materiálu často odlievané ponorné trubice. Ale aj ako hotová súčasť je problémom veľká lámavosť horčíka. Tento materiál sa láme bez deformácie, to znamená bez varovania. Najmä výčnelky v závesných vidliciach musia byť najskôr nadrozmerné a potom veľmi opatrne nalievané.

výhody

  • nízka hustota
  • o niečo lacnejšie ako zliatiny hliníka

nevýhoda

  • veľmi krehký
  • Nedá sa spracovať na rúry (možné iba nalievanie)
  • nevariteľné
  • veľmi citlivý na koróziu

Materiál berýlium má iba čisto teoretický význam. Bol by to úplne najideálnejší materiál spomedzi kovov. Berýlium má hustotu uhlíkových vlákien (veľmi ľahké!), Pevnosť Ti3Al2,5V a tuhosť ocele. Nie je to fascinujúce? Prečo sa tento materiál nepoužíva čoraz viac? V prvom rade je to dosť drahé, stojí to o niečo viac ako kvalitné uhlíkové vlákno. Je tiež jedovatý. To zvyšuje náklady na spracovanie (bezpečnosť a ochrana zdravia pri práci) a je nevyhnutná kvalitná povrchová úprava. Navyše sa s tým ťažko pracuje. Butanová alebo koncová výstuž nie je ani spomenutá a zváranie ešte nie je možné, berýlium je potrebné lepiť v objímkach (väčšinou z hliníka).

výhody

  • veľmi ľahké
  • vysoká tuhosť
  • dobrú silu

nevýhoda

  • Strašne
  • toxický
  • ťažko sa s ním pracuje

Uhlík, plasty vystužené uhlíkovými vláknami, CFRP

Poznámka: Tento princíp minimalizácie napätia platí všade a pri každom materiáli. Preto umne frézované (napr.) Kľukové súpravy podobné krovu dávajú zmysel iba vo vitríne ako výstavný objekt.

Rôzne výstužné vlákna sa používajú v troch základných formách: ako prameň alebo zväzok rovnobežných vlákien (pramene), ako tkané a pletené textílie v ich najrôznejších formách a ako nesmerové rohože alebo nepravidelné vlákna (iba sklenené vlákna). Okrem spomenutých predpriadzí existujú aj priadze a nite, ktoré sa vytvárajú krútením jednotlivých alebo viacerých spriadacích nití. Krútením sa vytvorí odolná, pevne zviazaná niť, ktorá sa dá ľahko spracovať na textil (napr. Tkanie). Predpriadze: Pramene alebo zväzky rovnobežných vlákien sa nazývajú predpriadze, alebo ak sú relatívne tenké, vlákna alebo priadza. Jednotlivé vlákna vo vnútri predpriadze alebo vlákna, ktoré majú priemer približne 5 - 15 μm pre sklo, približne 7 - 10 μm pre uhlík a približne 12 μm pre Kevlar®, sa nazývajú elementárne vlákna alebo vlákna. Počet vlákien udáva hrúbku alebo hmotnosť na meter predpriadze alebo nite.

Uhlíkové vlákna sú k dispozícii v najrôznejších prevedeniach a kvalitách. Pri konštrukcii rámu sa zvyčajne používajú triedy nižšej kvality, pretože vysokopevnostné uhlíkové vlákna s približne 3 000 ATS/kg sú jednoducho príliš drahé. Ale aj uhlíkové vlákna normálnej pevnosti sú stále veľmi atraktívne kvôli svojej nízkej hustote. Uhlíkové vlákna sú veľmi krehké, takže napríklad rámy alebo iné súčasti sú. Na riadidlá sa pridávajú aramidové vlákna (= Kevlar®), ktoré majú pri pretrhnutí väčšie predĺženie, a preto sa ihneď nerozlomia.

výhody

  • veľmi silný
  • strnulý
  • svetlo
  • atraktívny vzhľad

nevýhoda

  • veľmi krehký
  • drahý
  • ťažko spracovateľný
  • ťažko dimenzovateľné

Aramidové vlákna sú zmiešané s uhlíkovými vláknami, aby sa zvýšila medzná pevnosť a odolnosť proti nárazu. Aramidové vlákna spoznáte podľa žltej farby. Ako materiál rámu nie sú tieto vlákna príliš atraktívne vzhľadom na pomer cena/sila.

Kompozit z kovovej matrice, MMC

Tento materiál skutočne patrí k hliníku, ale aj k materiálom vystuženým vláknami. Jednoducho preto, lebo vlákna alebo častice sú vložené do hliníkovej matrice na vystuženie. Pred niekoľkými rokmi predstavili svoje výrobky dve spoločnosti: Spezialized s rámom vystuženým časticami (častice oxidu hlinitého), Univega s vozidlom vystuženým bórovými vláknami. Pevnosť hliníka sa ťažko zlepšuje, ale tuhosť sa podľa výrobcu zvyšuje až o 30%. Tieto rámy však opäť z trhu zmizli.

výhody

  • nízka hustota (= hliník)
  • veľmi tuhý

nevýhoda

  • ešte ťažšie zvárať ako hliník
  • nerecyklovateľný
  • inak vid hlinik