Материалы и технология производства велосипедных рам

Андрей Григорьев

Основные требования, предъявляемые к велосипедной раме, заключаются в ее высокой прочности при минимально возможном весе, а, учитывая стоимость рамы среднего велосипеда (порядка трети его полной стоимости), она не должна быть очень дорогой. Производители теми или иными методами достигают баланс между этими тремя показателями для каждого сегмента рынка. Это осуществляется подбором материала рамы и степенью его обработки.

Производители велосипедов обычно ограничиваются лишь изготовлением рам и сборкой на их основе велосипедов с использованием того или иного навесного оборудования сторонних производителей. Более того, даже трубы, используемые при производстве велосипедных рам всеми известными велостроительными компаниями, производятся всего лишь на нескольких заводах. Это, конечно, касается труб из наиболее распространенных материалов, таких как стали и алюминиевые сплавы. Наибольшую известность на данный момент получили трубы производства Columbus, Easton, Reinolds, Tange и еще нескольких компаний.

Основные физические характеристики материалов

Основные физические характеристики материалов: прочность, жесткость и удельный вес. Чем же отличается жесткость от прочности? Жесткость – способность не изменять форму под нагрузкой. Жесткость рамы является ее эксплуатационной характеристикой. А прочность – способность не разрушаться под нагрузкой, например, при авариях, при нормальной эксплуатации значения не имеет.

Интересным является тот факт, что такие характеристики материалов как модуль упругости (жесткость) и удельный вес почти не зависят от наличия в основном металле сплава легирующих добавок. А вот прочность зависит очень существенно.

Материалы, применяемые для изготовления велосипедных рам

Конструктивные особенности велосипедных рам, конечно же, определяются типом велосипеда, который будет собран на данной раме. А геометрия рам и труб играют существенную роль в том, как данный велосипед будет вести себя. Но не менее важное влияние на характеристики оказывает и материал, из которого изготовлены рамы, хотя стоит помнить, что рамы из одного материала могут сильно разниться по своим параметрам. Ведь, к примеру, рама легкого кросс-кантрийного велосипеда имеет мало общего с низкой упрочненной рамой дёртового велосипеда.

В настоящее время в производстве рам используются следующие материалы:

1.стали;

2.алюминиевые сплавы;

3.титановые сплавы;

4.углепластик;

5.редкие (магниевые, алюминиево-скандиевые и бериллевые сплавы.

Стальные рамы

На данный момент, это рамы из низкоуглеродистых сталей, весящие по 4-5 кг для 19'' рамы. На рамах из этих материалов обычно собираются дешевые велосипеды: дорожные (городские), всевозможные безымянные горные и, иногда, самые дешевые модели шоссейных и горных велосипедов малоизвестных фирм

Иногда, рамы делаются из разных материалов. Например, основной треугольник состоит из труб из хромомолибденовой стали, а задний треугольник из более дешевых сталей. Методы производства труб самые разные: спиральная намотка, шовный и бесшовный прокат. Трубы скрепляются между собой с использованием узлов, цельных элементов, в которые вставляются трубы, или без них при помощи сварки.

Из плюсов можно отметить разве что очень низкую стоимость подобных рам. Зато минусы очень существенны. Не смотря на очень высокий вес, прочность стальных рам начального уровня обычно оставляет желать лучшего. Немалую роль в этом случае играет качество термообработки рамы. Рамы из малолегированной стали сильно подвержены коррозии.

Стальные хромомолибденовые рамы

Высоколегированные хромомолибденовые стали гораздо лучше подходят для изготовления велосипедных рам, чем низколегированные. В начале 90-х это был основной материал, используемый в недорогих и средних моделях велосипедов известных производителей. В зависимости от геометрии труб, о чем будет написано ниже, хромомолибденовые стали применялись и в рамах велосипедов высокого уровня. Но сейчас их использование практически прекращено из-за относительно высокой цены, не смотря на множество преимуществ. При производстве рам использовалась безузловая сварка труб.

Вес хромомолибденовых рам существенно ниже, чем у обычных стальных. Прочность хромомолибденовых рам находится на хорошем уровне. Подверженность коррозии заметно меньше. Существенная пластичность хромомолибденовой стали и низкая склонность к накоплению усталости ведут к тому, что такие рамы могут служить десятилетиями. К существенным плюсам вообще всех стальных рам можно отнести хорошее гашение вибраций при езде.

Основной недостаток – не самый низкий вес средней рамы, а значит и невысокая приемистость. Рамы высокого уровня могут иметь довольно низкий вес, но чересчур дороги по сравнению с алюминиевыми рамами такого же веса, поэтому сейчас они практически исчезли из производственных линеек.

Алюминиевые рамы

Алюминиевые рамы в настоящий момент применяются на большинстве велосипедов от начального уровня, до серьезных моделей известных производителей. Точнее, трубы рам производятся из алюминиевых сплавов, с цинком или с магнием и кремнием, т. к. алюминий в чистом виде довольно мягкий материал.

По сравнению с хромомолибденовыми рамами алюминиевые весят меньше - 1,4-2,0 кг для 19'' рамы горного велосипеда. Практически не коррозируют. Сейчас в изготовлении рам в основном применяются сплавы Al 7005 и Al 6061 разной степени обработки, о чем говорит дополнительное обозначение, например Al 7005 T6. К вопросу о различиях между сплавами 7005 и 6061.

За счет применения труб большого диаметра при большей толщине стенок, но, учитывая существенно меньшую плотность алюминия, достигается необходимая прочность при небольшом весе, что является их главным достоинством. Но рамы получаются очень жесткими, так как приходится давать больший запас прочности связанный с большей склонностью алюминия к возникновению усталостных разрушений. Из-за высокой жесткости, вибрации сильно передаются рамой от колес к седлу и рулю. Все это ведет к тому, что алюминиевые рамы менее предпочтительны для длительной езды.

К недостаткам можно отнести свойство алюминия накапливать усталость. Считается, что при активной эксплуатации, алюминиевые рамы «живут» не более 10 лет. И в отличие от стали, хрупкость алюминия ведет к тому, что при сильном ударе рама может не погнуться, а сразу сломаться.

Титановые рамы

В отличие от стальных и алюминиевых рам, титановые стоят недешево из-за дороговизны титановых сплавов, а главное, дорогостоящей обработки. Поэтому на таких рамах собираются велосипеды высокого уровня, как шоссейные, так и горные. Вес титановых рам находится на уровне лучших алюминиевых рам: 1,3-1,6 кг для 19'' рамы. Существует два основных «велосипедных» сплава, отличающихся процентным содержанием алюминия и ванадия: 3Al/2.5V и 6Al/4V. Последний несколько легче и прочнее, но и дороже.

К плюсам можно отнести практически полное отсутствие коррозии, высокую прочность, относительную мягкость при езде. С другой стороны, титановые рамы очень плохо поддаются механической обработке, практически не варятся.

Как показало время, титановые рамы так и не стали массовыми: в верхнем сегменте уже почти безраздельно царит карбон, а в средний им не опуститься из-за высокой стоимости. В основном производятся штучно отечественными производителями или мелкими партиями иностранными компаниями.

Композитные (карбоновые рамы)

Карбоновые рамы стоили столь дорого, что до недавнего времени использовались лишь там, где необходимо достичь очень низкого веса любой ценой: на дорогих моделях шоссейных и горных велосипедов. Но постепенно опускаются с сегмент умеренно дорогих велосипедов, появляясь уже и среди гибридов.

Рамы представляют собой пропитанные смолами и спеченные при высокой температуре переплетенные стекло- и углеродные волокна с вклеенными посадочными местами под другие узлы велосипеда. Нужные характеристики придаются за счет направленного плетения.

Прочность и жесткость карбоновых рам велика, вес низок, но композитные рамы плохо переносят удары и наличие концентраторов напряжений в виде неточностей изготовления, царапин, сколов. Рамы из карбона разрушаются резко и абсолютно неремонотопригодны. Средний срок службы карбоновых рам составляет лишь несколько лет.

Рамы из сплавов металлов с низким удельным весом

Все перечисленные ниже материалы используются не часто. Главной причиной их выбора для рам велосипедов служит их исключительно низкий удельный вес. Насколько мне известно, после некоторого периода промышленного выпуска рам из перечисленных ниже материалов, выпуск или прекращался полностью, или продолжается штучно.

Так называемые скандиевые рамы на самом деле изготавливаются из сплавов скандия и алюминия. Магниевые рамы на данный момент выпускаются, насколько я знаю, только российской компанией Litech. Выпускались и рамы из бериллиевых сплавов, но, судя по полному отсутствию информации, они уже канули в Лету.

Геометрия рам и труб

Как было написано выше, не только выбор материала определяет основные характеристики рамы: прочность, жесткость, вес, вибронагруженность. Кроме материала свое влияние оказывают геометрия рамы в целом и труб в частности. Существует несколько возможностей оптимизировать велосипедную раму для конкретного применения.

Чем больше диаметр трубы используется, тем выше становится ее жесткость на изгиб, даже при пропорциональном снижении толщины стенок трубы. Точнее, обычно толщину стенок снижают несколько сильнее для снижения веса рамы при относительно неизменной жесткости. Поэтому все современные велосипеды имеют трубы большего диаметра, в сравнении с велосипедами 70-80-х. С другой стороны, сделать стенки труб очень тонкими недопустимо из-за возможности смятия трубы при ударе. Для каждого материала, из которого изготавливаются рамы, есть некоторое пороговое значение.

Из прочностных расчетов велосипедных рам следует, что от распределенной по раме нагрузки в ней возникают довольно неравномерные напряжения. Особенно сильно это заметно при изгибающих нагрузках в поперечной плоскости: максимальные напряжения в трубе появляются на ее концах, а в центральной части они заметно меньше. Для снятия лишнего материала в зоне с небольшими нагрузками и добавления его там, где нагрузки максимальны, применяются так называемые баттированные трубы (butted tubing), трубы с переменной по длине толщиной стенки.

Кроме того, утолщение труб по концам положительно сказывается на прочности сварных соединений. При существенном повышении температуры во время сварки, прочность материала снижается. Снижение веса рамы за счет применения баттинга может быть очень велико, но производство баттированных труб существенно дороже, чем обычных, с постоянной толщиной стенки. Поэтому многие производители рам для велосипедов среднего ценового диапазона вместо баттированных труб используют трубы с профилированным сечением, что дает меньший эффект, но значительно дешевле. И если несколько лет назад использовались трубы овального сечения, то сейчас при помощи гидроформовки (hydroforming) трубам можно придать почти любую форму. К сожалению, производители злоупотребляют последней возможностью, ударившись в чисто дизайнерские изыски с формой труб.

Ситуация такова, что современные рамы имеют высокую жесткость в вертикальной и продольной плоскости и низкую в поперечной. С одной стороны, большая жесткость является плюсом, меньше энергии теряется на изгиб рамы, но, с другой стороны, излишняя жесткость сильно утомляет велосипедиста. Для некоторого снижения вертикальной жесткости производители идут на такие решения, как создание рам, у которых верхняя и нижняя трубы рамы сближены и расходятся от рулевой колонки под меньшим углом. Перья заднего треугольника делаются S-образными для обеспечения некоторой амортизации при езде.

Коментарии: