Материалы и геометрия велосипедных рам

Рама - это та основа, на которой размещаются и закрепляются все остальные узлы и детали велосипеда. Основные требования, предъявляемые к велосипедной раме, заключаются в ее высокой мега-прочности при минимально возможном весе, а, учитывая то, что треть стоимости среднего велосипеда - это стоимость его рамы, она не должна быть очень дорогой. В конечном счете, производители теми или иными методами достигают баланс между этими тремя показателями. И этот баланс создаётся подбором материала и степенью его обработки. Производители велосипедных рам.

На нынешней стадии развития экономики и техники гораздо эффективнее иметь узкую, но глубокую специализацию в своей области. Это касается и велостроения. Производители большинства широко известных велосипедов на самом деле не занимаются изготовлением всех его элементов: большая часть узлов выпускается на специализированных предприятиях, одновременно снабжающих множество велозаводов. Производители же велосипедов обычно ограничиваются лишь изготовлением рам и сборкой на их основе велосипедов с использованием того или иного навесного оборудования. 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, True Temper и еще нескольких компаний.

Конечно же, все это относится только к производителям велосипедов с мировым именем. Безымянная китайская или индийская продукция может быть сделана где угодно и из чего угодно, включая металлолом. Такие велики обсуждаться не будут! 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 велосипеда для триала, хотя, обе относятся к горным велосипедам.

Материалы из которых делают рамы

В настоящее время в производстве рам используются следующие материалы:
* стали;
* алюминиевые сплавы;
* титановые сплавы;
* углепластик;
* редкие (магниевые, алюминиево-скандиевые и бериллиевые) сплавы.

Обычно на нижней или подседельной трубе рамы указано из какого материала она изготовлена, трубы каких производителей использовались и имеют ли они особую геометрию.

Стальные рамы

Это рамы из низкоуглеродистых сталей, как их часто называют рамы из "водопроводных труб", весящие по 4-5 кг или более, а также более продвинутые рамы из легированных сталей, которые обычно обозначаются как high tensile, hiten steel, весом 3-4 кг для 19'' рамы. На рамах из этих материалов обычно собираются дешевые велосипеды: дорожные (городские), всевозможные безымянные горные или вседорожные велосипеды и, иногда, самые дешевые модели шоссейных и горных велосипедов не очень хорошо известных фирм. Так же велики типа Урал, Кама, Салют, Стелс и прочие отголоски советских времён.

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 очень низкую стоимость подобных рам, приличное гашение вибраций и, кроме того, возможность легко заварить раму в случае поломки.

Но зато и 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. Типа ржавеют! Стальные хромомолибденовые рамы

Высоколегированные хромомолибденовые стали гораздо лучше подходят для изготовления велосипедных рам, чем низколегированные. Сейчас в основном используется сталь, обозначаемая как CrMo 4130. В начале 90-х это был основной материал, используемый в недорогих и средних моделях велосипедов известных производителей. Подобные стали использовались при производстве рам велосипедов "Старт-шоссе" в 70-х годах, когда они еще были "легендой". В зависимости от геометрии труб, о чем будет написано ниже, хромомолибденовые стали применялись и в рамах велосипедов высокого уровня. Но тенденция такова, что сейчас их использование уже весьма незначительно, не смотря на множество преимуществ. Хромомолибденовые стали используются при производстве рам для всех типов велосипедов: горных, гибридных, шоссейных и других. При производстве рам используется безузловая сварка труб.

Вес хромомолибденовых рам существенно ниже, чем у обычных стальных, 2-3,5 кг для 19'' рамы горного велосипеда. Прочность хромомолибденовых рам находится на высоком уровне. Подверженность коррозии значительно меньше. Существенная пластичность хромомолибденовой стали и низкая склонность к накоплению усталости ведут к тому, что такие рамы могут служить десятилетиями. А также, это обеспечивает плавный выход из строя: рама при ударах гнется, но не ломается, а если трещины и появляются, то они развиваются медленно, и на треснувшей раме можно "дотянуть" до дома. Хромомолибденовые рамы имеют хороший накат. К существенным плюсам вообще всех стальных рам можно отнести хорошее гашение вибраций при езде, обусловленное существенным внутренним трением материала.

Основной недостаток - не самый низкий вес средней рамы, а значит и невысокая приемистость, что очень существенно при использовании велосипеда на соревнованиях на пересеченной местности. Рамы же 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 велозаводов.

Алюминиевые рамы

Алюминиевые рамы в настоящий момент применяются на большинстве велосипедов от весьма недорогих, до очень серьезных моделей известных производителей, как на шоссейных, так и на гибридных и горных велосипедах. Точнее, рамы варятся из алюминиевых сплавов, с цинком или с магнием и кремнием, т. к. алюминий в чистом виде довольно мягкий материал. Самые дешевые рамы обладают плохими характеристиками и являются скорее маркетинговым ходом производителей, старающихся продать недорогие велосипеды по большей цене. По сравнению с хромомолибденовыми рамами алюминиевые весят меньше - 1,3-2,0 кг для 19'' рамы горного велосипеда. Практически не повержены коррозии. 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. Сплавы 6000 серии примерно равны по прочностным параметрам сплавам 7000 серии, но несколько мягче и пластичнее и более устойчивы к коррозии. С другой стороны, из-за более сложной обработки такие рамы стоят значительно дороже.

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, т. к. приходится давать больший запас прочности связанный с большей склонностью алюминия к возникновению усталостных разрушений. Кроме того, из-за высокой жесткости и низкого внутреннего трения в материале, вибрации сильно передаются рамой от колес к седлу и рулю. Все это ведет к тому, что алюминиевые рамы менее предпочтительны для длительной езды. Большинство продвинутых велосипедистов рекомендуют использовать велосипеды с алюминиевыми рамами только с амортизационными вилками. Алюминиевые рамы немного менее накатисты, чем хромомолибденовые подобного уровня.

К недостаткам можно отнести свойство алюминия накапливать усталость. Считается, что при активной эксплуатации, алюминиевые рамы не "живут" больше 10 лет. И в отличие от стали, хрупкость алюминия ведет к поломкам, происходящим весьма резко, т. е. при сильном ударе рама может не погнуться, а сразу сломаться.

Титановые рамы

В отличие от стальных и алюминиевых рам, титановые стоят довольно дорого из-за дороговизны титановых сплавов, а главное, очень дорогостоящей обработки. Поэтому на таких рамах собираются велосипеды весьма 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, опять же, 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 и, главное, сильно накапливают усталость и после длительного использования могут довольно внезапно разрушиться.

Композитные (карбоновые рамы)

Карбоновые рамы стоят столь дорого, что используются лишь там, где необходимо достичь очень низкого веса. Встречаются они лишь на дорогих моделях шоссейных и горных велосипедов. Рамы представляют собой пропитанные смолами и спеченные при высокой температуре переплетенные стекло- и углеродные волокна с вклеенными посадочными местами под другие узлы велосипеда.

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 неремонтопригодны. Средний срок службы такой рамы 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.

Так называемые скандиевые рамы (на данный момент это только рамы из труб Easton Scandium) на самом деле изготавливаются из сплавов скандия и алюминия. Главное достоинство этих рам - очень низкий вес. Ниже, чем у титановых при несколько меньшей стоимости. Такие рамы сочетают в себе высокую прочность, относительную мягкость и невысокую вибронагруженность. Но этот материал требует очень высокой культуры производства, поскольку, при нарушениях технологии, возможно катастрофическое ухудшение свойств рам.

Магниевые рамы на данный момент серийно выпускаются только российской компанией Litech и тайваньской Merida. Также обладают низким весом, достаточной прочностью, довольно низкой вибронагруженностью. Разрушение рам, по заявлению производителей, происходит постепенно, а степень коррозионной активности хоть и не так мала, как у титана или алюминия, но находится в приемлемых пределах.

Выпускались и рамы из бериллиевых сплавов. Но, судя по полному отсутствию информации в последнее время, очень высокие цены не позволили этим рамам конкурировать с карбоном, магнием и скандием.

Геометрия рам и труб

Геометрией рамы называют общепринятую совокупность длин всех труб и углов между ними. От геометрии рамы зависит принадлежность велосипеда к той или иной категории.

* A — длина верхней трубы переднего треугольника;
* B — длина верхней трубы переднего треугольника;
* C — длина верхнего пера заднего треугольника;
* D — высота рулевого стакана;
* E — длина нижнего пера заднего треугольника;
* F — длина нижней трубы переднего треугольника;

* G — рост рамы;
* H — рост рамы;
* K — рост рамы;
* L — угол наклона подседельной трубы;
* M — угол наклона рулевого стакана.

Параметры A и B показывают, как различные производители измеряют длину верхней трубы переднего треугольника.

Параметры G, H и K показывают, как различные производители измеряют рост рамы. Некоторые производители, чаще всего итальянские, считают ростом рамы расстояние от центра оси каретки до центра места соединения подседельной и верхней трубы переднего треугольника (параметр K).

Оптимальная ростовка рамы зависит от роста человека, люди с маленьким ростом нуждаются в более маленьких рамах. Размер колеса велосипеда (26" или 28" обод) не может служить параметром определения размера рамы. Велосипед с 28" колесами и маленькой рамой, может быть меньше чем велосипед с 26" колесами и большой рамой. Рост рамы можно определить приблизительно по таблице. Также рост рамы определяется произведением внутренней длины ноги (расстояние от промежности до пятки) и коэффициента 0.59. Ростовка рамы может указываться как в сантиметрах, так и в дюймах.

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, даже со стальными рамами, 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 на 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. Обычно, в спецификациях велосипедов указывается, что рамы баттированные (butted), но иногда поясняется: double butted, triple butted, что означает, что трубы имеют 2 или 3 характерных размера.

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, что заметно сказывается на стоимости велосипеда. Поэтому многие производители рам для велосипедов среднего ценового диапазона вместо баттированных труб используют трубы с профилированным сечением, что дает меньший эффект, но значительно дешевле. Обычно так изготавливается нижняя труба рамы: у рулевой колонки труба имеет овальное сечение, вытянутое в вертикальной плоскости, в средней части круглое, а у каретки горизонтально-вытянутый овал. Это также позволяет легко сопрягать сверх - размерные трубы с обычными.

Ситуация такова, что современные рамы имеют высокую жесткость в вертикальной 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 с небольшим изгибом в продольной или поперечной плоскости для обеспечения некоторой амортизации при езде.

При покупке велосипеда следует не только определиться с тем, какой тип предпочесть, исходя из предполагаемого назначения и стиля катания, но и то, какое дополнительное оборудование планируется размещать на велосипеде. Ведь далеко не на любой велосипед можно установить грязевые щитки, багажник, генератор, питьевую флягу или какое-либо другое оборудование.

Однако разговор о геометрии рам не может быть закончен, не рассмотрев, хотя бы кратко, основных параметров геометрии рам:

* * *

Стабильность - Способность велосипеда держать "курс", сохранять прямолинейное направление. Большая стабильность велосипеда хороша для фрирайда, даунхилла, или протяженных однообразных участков - а на техничных участках трассы более важный параметр - это маневренность велосипеда.

* * *

Маневренность - Скорость реакции велосипеда на манёвры велосипедиста, способность быстро менять "курс". Маневренный и стабильный велосипед - это идеальное сочетание.

* * *

Сцепление с поверхностью - Сила сцепления заднего колеса с поверхностью. Зависит от правильности распределения веса велосипедиста – то есть от дизайна рамы - угол подседельной трубы (подседельный угол), длины задних перьев и расстояния между колёсами (база) велосипеда.

* * *

Длина верхней трубы - Расстояние между центрами рулевой колонки и подседельного штыря, горизонтальная линия. Длинная верхняя труба дает большую стабильность и меньшую маневренность велосипеда. От длины трубы зависит посадка велосипедиста - более вертикальная - прогулочная или более горизонтальная - гоночная.

* * *

Колесная база - Расстояние между передней и задней осями колёс, горизонтальная линия. Увеличенная база дает большую стабильность и меньшую маневренность велосипеда.

* * *

Длина задних перьев - Расстояние между кареткой и осью задней втулки, горизонтальная линия. Более короткие задние перья рамы обеспечивают большее сцепление заднего колеса с поверхностью почвы и большую маневренность велосипеда. Обычно длина задних перьев минимальна - насколько это возможно.

* * *

Подседельный угол - Угол между подседельной трубой и линией, параллельной земле. При малых углах (большой наклон трубы назад) вес велосипедиста смещается назад - обеспечивая лучшее сцепление, при более вертикальных углах - вес гонщика перемещается вперёд, обеспечивает лучшую посадку для силового педалирования.

* * *

Высота каретки или зазор - Расстояние между кареткой велосипеда и поверхностью почвы (дорожный просвет). Увеличение зазора - уменьшает стабильность велосипеда, но при этом увеличивается проходимость и наоборот. У шоссейных велосипедов каретка находится ниже чем у горных.

* * *

Длина выноса - Расстояние от центра рулевой колонки до руля, горизонтальная линия. Длина выноса оказывает существенное влияние на маневренность велосипеда и посадку велосипедиста.

* * *

Рулевой угол - Угол между рулевой колонкой и линией, параллельной земле. Большой угол (близкий к вертикали) обеспечивает лучшую маневренность велосипеда. Также зависит от хода вилки.

* * *

Зазор вилки - Расстояние между центром втулки переднего колеса и воображаемой линии, проведенной через рулевую колонку, горизонтальная линия. Это характеристика вилки, а не рамы, но в комбинации с рулевым углом и длиной выноса, влияет на маневренность велосипеда. Меньший зазор - обеспечивает лучшую маневренность.

* * *

Уход вилки - Расстояние между точкой соприкосновения переднего колеса до точки соприкосновения с землёй воображаемой линии, проведённой через рулевую колонку. Меньший уход - обеспечивает лучшую маневренность. Зависит от сжатия передней и хода вилки.

Вот, в принципе, кратко о раме