Прочностные характеристики карбоновой велосипедной рамы. Плюсы и минусы алюминиевой рамы для велосипеда и сравнение со стальной рамой

Какую раму выбрать на велосипед: алюминиевую или стальную?

Рама для велосипеда является опорной частью, так как к ней прикреплены все главные составляющие. 70 % нагрузки приходится на раму, именно поэтому конструкция должны выполняться из качественных материалов.

Для многих владельцев главным критерием является вес изделия, чем он меньше, тем удобнее управлять средством. Масса напрямую зависит от материала, поэтому выбирать байк следует исходя из этого критерия, учитывая плюсы и минусы каждого.

Что прочнее — алюминий или сталь?

Сталь намного прочнее алюминия, из-за этого стальные детали больше по весу.

Алюминиевые рамы изготавливают не из чистого металла, а с добавлением различных элементов. Зачастую сплав включает примеси хрома, цинка, титана, марганца, железа, что улучшает характеристики деталей. Чаще всего при изготовлении велосипедных рам, применяют сплавы из алюминия таких марок: 7005 и 6061.

Какую раму выбрать на велосипед?

Стальная рама, плюсы и минусы

Для выполнения стальных рам используют такие виды:

1. Сталь обыкновенная.
2. Углеродистая сталь.
3. Сталь, легированная хромом и молибденом.

Сталь обыкновенного качества. Имеет самые низкие свойства, поэтому велосипеды невысокой стоимости. Такой материал быстро портится, рама ржавеет,и велосипед теряет пригодность.

Рамы из углеродистых сталей имеют хорошие прочностные свойства, а также стойки к коррозии. Они достаточно гибкие, поэтому на дороге сглаживают все неровности. Такие конструкции идеально подходят для обычной езды, а также для выполнения трюков. Углеродистая сталь выдерживает большие нагрузки, вплоть до 150 кг.

Легированные стали позволяют сделать конструкцию более надежной, прочной и легкой. Чаще всего стали для выполнения рам легированы молибденом и хромом. Молибден влияет на структуру стали, делая её мелкозернистой, за счет этого повышается прочность. Хром придает коррозионную стойкость.

Цена на такую раму начинается от 400$. Высокая стоимость самый существенный недостаток, именно поэтому такие велосипеды не пользуются спросом.

Преимущества рам из стали:

• высокие показатели прочности, жесткости;
• долговечны;
• выдерживают удары;
• просты в обслуживании;
• в отличие от алюминиевых рам, стальные не накапливают усталость. Это свойство позволяет не ломаться элементу в один момент, поэтому велосипедист может вовремя заметить трещину и заменить поврежденную деталь;
• ремонтировать стальные конструкции достаточно легко, для этого необходима лишь сварка;
• велосипеды имеют небольшую стоимость;
• физические свойства позволяют гасить вибрации при движении.

Недостатки стальной рамы:

• ощутимый вес конструкции;
• конструкции из обычной стали быстро подвергаются коррозии;
• из-за появления ржавчин, необходимо тщательно ухаживать за велосипедом: окрашивать поверхность, не оставлять под дождем и снегом, и регулярно смазывать.

Алюминиевая рама, плюсы и минусы

Чаще всего для изготовления рам используют алюминиевые сплавы. Такой материал делает конструкцию более легкой и отзывчивой к недостаткам дороги, а также стоек к коррозии. Алюминиевые сплавы превосходят сталь по жесткости, но они имеют меньшую плотность.

Преимущества рамы из алюминия:

• маленький вес рамы. Низкосортные конструкции весят около 2 кг, а качественные до 1,5 кг;
• хорошие характеристики стоят наряду с небольшой стоимостью;
• велосипед разгоняется быстро на любой местности;
• не подвергаются коррозии;
• выдерживают большой вес.

Недостатки этой рамы прямо противоположны достоинствам рамы из стали:

• Несмотря на быстрый разгон, они также стремительно теряют инерцию.
• Некоторые модели не поглощают вибрации от дороги, поэтому езда может стать мучительной.
• Накапливают усталость, поэтому поломка может произойти в любой момент.
• Большинство поломок практически невозможно починить.

Отзывы велосипедистов

Не каждый велосипедист может с первого раза правильно подобрать раму. Необходимо иметь достаточно опыта, для того чтобы ориентироваться в материалах.

Прочностные характеристики карбоновой велосипедной рамы

Благодаря своим физическим свойствам, такой материал как карбон идеально подходит для изготовления велосипедных рам, так как прочность карбоновых нитей намного выше, чем прочностные характеристики алюминиевых сплавов.

К тому же карбон – это ткань, что позволяет, при производстве велосипедных рам, задавать такое направление волокнам которое необходимо в соответствующем месте рамы, для повышения прочности и упругости. Например: верхние перья работают на сжатие, следовательно, карбоновые нити укладываются вдоль, это способствует в несколько раз превзойти прочностные показатели алюминиевых рам и одновременно сделать ее легче. Но в таком случае сопротивление к поперечным нагрузкам будет понижено, что является приемлемым, так как воздействие таких нагрузок на верхнюю трубку перьев не поступает при езде на велосипеде.

Рамы из алюминиевых сплавов проигрывают в прочности конструкциям из карбона, из-за физических свойств металлов, для которых характерно сохранять свою молекулярную структуру во всех направлениях (исключениями являются сложные сплавы, которые не используют в велостроении). Также карбон позволяет комбинировать несколько слоев волокон, различного направления, что дает возможность повысить практичность уязвимых участков рамы.

Виброгашение и жесткость карбоновой рамы

Жесткость – это способность материала деформироваться в зависимости от прикладываемой к нему силы, не изменяя свои физические размеры. Другими словами, чем меньше жесткость, тем больше гибкость и пружинистость материала.

Руководствуясь одним лишь показателем – жесткостью, алюминиевые сплавы были выбраны для производства велосипедных рам. Казалось бы, использование алюминия облегчает раму, но стальные рамы имеют такой же вес, так как выполнены из более тонкой трубы. Например, всемирно известная фирма Colnago все еще производит легкие, стальные велосипеды шоссейного типа, конкурируя с алюминиевыми и карбоновыми велосипедными рамами.

Показатели жесткости у алюминия выше, чем у стали, поэтому, при нагрузке, алюминиевая рама деформируется меньше чем стальная, благодаря чему показатели разгона и управления выше, но способность поглощать вибрацию, во время передвижения, почти нулевая. Стальная рама буквально пружинит на дороге в отличие от алюминиевого сплава. Используя алюминиевую раму, велосипедист принимает на себя все удары, которые не смогли поглотить резиновые покрышки.

Карбоновые рамы имеют высокий показатель виброгашения благодаря своей тканевой структуре. В процессе производства такой рамы, волокна карбона пропитывают специальной вязкой смолой, которая позволяет рассеивать энергию при деформации по всей конструкции. Правильно расположенные карбоновые нити позволяют получить отличные показатели виброгашения и упругости, что совершенно невозможно используя алюминий.

Разработчики карбоновых велосипедных рам изобрели дополнительный способ гасить вибрации – тормозной каллипер сместили на нижнее перо, что позволило сделать верхние перья равными по размеру, и заложили в них способность амортизировать толчки. Некоторые фирмы по производству рам делают верхние перья немного изогнутыми, чтобы они выполняли функцию рессор.

За счет хорошей гибкости, карбон применяется в велостроении уже несколько десятилетий. Например, такие мировые компании как Cannondale и Orbea использовали карбон в безшарнирных двухподвесных рамах, где нижние или верхние перья были гнущимися. Способность карбона выдерживать большое количество циклов нагружения и не деформироваться, дает возможность увеличит амортизирующую способность рамы и одновременно снизить вероятность поломки.

Уровень виброгашения влияет не только на комфортные условия эксплуатации велосипеда, но от этого так же зависит здоровье позвоночника и спины велосипедиста в целом.

Вес карбоновой рамы

Несмотря на то, что карбоновые рамы прочнее алюминиевых и стальных рам, они еще и намного легче. Средний вес рамы из карбона составляет примерно 1150-1300 гр., облегченный вариант – 900 гр. Самые легкие алюминиевые рамы имеют вес 1300-1400 гр. Следовательно, карбоновые рамы намного легче самых облегченных типов рам из алюминия.

Практичность карбоновых рам

Важным фактором в выборе карбоновой рамы является ее надежность. В начале выхода на рынок рам из карбона, был миф о том, что карбон ненадежен и со временем трескается, в надежде снизить их конкурентоспособность.

Теоретически, образование трещин в карбоновой раме возможно лишь в смоле, которая выполняет роль связующего вещества. Но нынешние смолы имеют достаточно большую вязкость, что полностью исключает образование трещин. Можно провести такой опыт: взять смолу ЭД-20, отвердитель, пластификатор, смешать в таких пропорциях – 2-1-1, по поверхности полученного материала, после застывания, наносят удар топором, топор влипает в смолу, не образуя при этом трещин.

Рамы из карбона может разрушиться из-за чрезмерных нагрузок, на которые она не рассчитана. Карбоновые волокна отделяются одна от другой, образуя неглубокие канавки, напоминающие трещины. Причём этот процесс довольно продолжительный, и чтобы рама полностью разрушилась, необходимо прикладывать очень большие нагрузки, с которыми не справится никакой другой материал.

Эти т рещины в карбоновых рамах образовываются на протяжении длительного времени использования велосипеда, но вполне безопасно ездить и на нём с незначительными трещинами. Если небольшие разрывы в карбоновой структуре не увеличиваются, то ремонтные работы можно отложить, но лично я не советую сильно затягивать с ними. Многие велосипедисты, которые использую карбоновую раму, ездят на треснувших или заклеенных рамах.

Алюминиевые рамы весом более 2 кг действительно трескаются и ломаются реже, чем карбоновые, но дело в том, что толщина трубок в таких рамах очень большая и соответственно вес от 15 килограмм и больше. Что касается облегченных рам из алюминиевого сплава с тонкими трубками, то здесь число поломок и трещин очень высокое. Основным минусом алюминиевой рамы является ее физическая структура, из-за которой трещина распространяется по сварному шву, от одного края к другому, что разрушает целостность всей конструкции.

Большой неприятностью будет, если алюминиевая рама треснет на большом расстоянии от дома или ближайшего населенного пункта, потому как у алюминия нет точно выраженного порога усталости, что означает – рама с пробегом 3-5 тысяч километров может дать трещину в любой момент. Карбон в свою очередь имеет высокий показатель надежности при циклической нагрузке.

Ремонтноспособность карбоновых рам

Данное качество является очень важным, так как любая трещина на раме, сделанная из карбона, заклеивается без больших усилий и затрат. Отремонтировать карбоновую раму возможно даже не прибегая к использованию специальных условий. Для ремонта достаточно иметь эпоксидную смолу и стеклоткань, всё это можно найти в магазинах. Так же раму можно отремонтировать до полного восстановления в специальных ремонтных веломастерских за вполне приемлемую сумму, их можно найти в интернете.

Алюминиевые рамы можно отремонтировать с помощью сварки, но для этого необходимо:

• специальные условия;
• баттированные тонкостенные трубки очень сложно заварить;
• теряется смысл ремонта – алюминий накопил усталость и может образоваться новая трещина, как по шву, так и в другом месте.

Небольшой видео-ролик с тестами алюминиевой и карбоновой велосипедных рам:

Плюсы и минусы стальных велосипедных рам

Мы начинаем серию статей, в которой поговорим о материалах, используемых для изготовления велосипедных рам.

Основа любого велосипеда – рама. От ее качества, надежности и прочности зависит практически весь велосипед.

Нужно понимать, что характеристики рамы зависят не только от материала, из которого она изготовлена, но и в немалой степени от технологии его обработки, качестве сварки (соединения труб рамы между собой), ее геометрии. Все это влияет на эксплуатационные и ходовые характеристики всего велосипеда.

Для изготовления рам современных велосипедов обычно используют следующие материалы:

• Сталь (обычную, углеродистую, хромомолибденовую).
• Алюминиевые сплавы (Alloy)
• Титановые сплавы (Titanium)
• Карбон, углепластик (Carbon fiber)
• Различные редкие, экспериментальные и оригинальные материалы (магниевые (Magnesiumc), алюминиево-скандиевые, бериллиевые сплавы, бамбук и т.д.)

У каждого типа материалов есть свои плюсы и минусы. Попробуем с ними разобраться.

Первая статья будет посвящена самому распространенному материалу, который используется при изготовлении велорам – стали.

Различные марки сталей используется для этого уже более 100 лет и, на мой взгляд, это не предел. На сегодняшний день, несмотря на широкое использование других материалов, стальных байков меньше не становится. А перспективы использования вселосипедов с такими рамами не только не ухудшаются, но и наоборот, становятся все более оптимистичными. Современные технологии варки сталей позмоляют получать маркисо все более улучшенными характеристиками.

Сталь, используемая для производства рам, бывает обычно трех типов:

• Обыкновенная сталь (steel)
• Высокотянутая или углеродистая сталь (High Ten)
• Хромомолибденовые сплавы (Cro-Moly, хромоль)

Обыкновенная сталь (steel)

Это самый низший тип сталей, используемый при изготовлении рам для самых дешевых велосипедов. Они быстро ржавеют, очень непрочные и тяжелые. Мы на них не будем останавливаться. Если услышите высказывание, что «этот велосипед сделан из водопроводных труб» – это как раз о них. Китайцы красят такие велосипеды в яркие краски, но это совсем не улучшает их остальных характеристик.

Велорамы из углеродистой (высокотянутой) стали (High Ten)

Рамы из этих сталей обладают очень хорошими прочностными характеристиками, стойкостью к ржавчине. Благодаря гибкости стали такие рамы хорошо ведут себя на дороге, гася ее неровности. С учетом того, что дороги в нашей стране уже много лет не самые ровные в мире и улучшений в ближайшее время не предвидится, эти рамы будут еще долго востребованы.

На велосипедах, изготовленных из них можно совершенно спокойно прыгать с бордюров и более высоких препятствий. Они нормально выдерживают тяжелых велосипедистов и вообще, нагрузка на велосипед порядка 150 кг выдерживается ими совершенно спокойно.

Велосипедные рамы из хромомолибденовой стали (Cro-Moly, хромоль)

Хромомолибденовая сталь (хромоль) получается при добавления молибдена во время её варки. Молибден придает стали мелкозернистую структуру, повышает ее прочностные характеристики и увеличивает прокаливаемость. Чаще всего, для производства бесшовных труб, из которых изготавливают велосипедные рамы, используется легированная конструкционная хромомолибденовая сталь 30ХМА по ГОСТ 4543 или по американской классификации сталь 4130.

Эти марки стали легче, прочнее и надежнее, чем углеродистая сталь, описанная выше. Однако их цена значительно больше, чем углеродистых. Цена на высококачественную хромомолибденовую раму будет начинаться от 400$ (и это только рама!). Так что говорить о доступности велосипедов с такими рамами для обычных граждан в нашей стране не приходится.

Эти марки сталей гораздо меньше подвержены коррозии, чем предыдущие.

Проблемой при производстве таких рам является то, что найти хорошую хромомолибденовую сталь не так просто. Часто это более дешевые марки сталей. По информации в интернете настоящие профессиональные хромомолибденовые стальные рамы производит только фирма Marin (ну может еще один-два элитных бренда).

Свойства стальных велосипедных рам

Часто в обычных и интернет-магазинах продавцы говорят, что стальные велосипеды «это уже прошлый век», что сейчас на них никто не ездит. Это далеко не так. Современное развитие технологий и металлургии позволяет изготавливать стали, с гораздо лучшими свойствами, чем прошлом веке. Они крепче, так что даже трубы с более тонкими стенками спокойно выдерживают статические и динамические нагрузки, возникающие при поездке, при меньшем весе.

Плюсы стальных рам:

• Высокая прочность, жесткость, надежность и долговечность. Не боятся падений и ударов, неприхотливы в обслуживании.
• Очень хорошее и важное свойство стальной рамы в том, что она не накапливает усталость, т.е. ломается постепенно. В отличие от других материалов (алюминиевые сплавы, карбон и т.д.) сталь очень редко просто сразу ломается. Обычно сначала в этом месте появляется трещина, и уже потом ломается. Это позволяет велосипедисту вовремя ее заметить и спасти себя и раму от поломки во время движения, что может привести к тяжелым травмам.
• Отличная ремонтопригодность. Если рама треснула или сломалась – любой сварщик может ее сварить.
• Доступная стоимость для среднестатистического гражданина.
• Хороший накат. Благодаря своему весу велосипед с такой рамой, после того как велосипедист перестал крутить педали, будет продолжать поддерживать набранную скорость.
• Мягкость. Благодаря физическим свойствам стали, рама, изготовленная из нее, хорошо гасит вибрации, смягчает удары и неровности дороги. Кстати, именно поэтому хорошие жесткие стальные вилки тоже делаются из стали.

Недостатки стальной рамы

• Больший вес, по сравнению с рамами, изготовленными из других рассматриваемых нами материалов.
• Подвержены коррозии – могут ржаветь. Однако, при нормальной эксплуатации, если велосипед нормально покрашен, а не поцарапан, не зимует на улице и под дождем, регулярно моется и смазывается – он прослужит не один десяток лет.

Хочется немного остановиться на вопросе веса, который практически всегда приводят противники стальных рам.

Часто именно этот аргумент проталкивают современные маркетологи и продавцы, призывая покупать более легкие алюминиевые, карбоновые или титановые велосипеды, правда, забывая при этом упомянуть их цену и некоторые другие недостатки. А ведь вес – важная, хотя и не самая главная характеристика рамы, особенно для обычного, а не гоночного велосипеда.

Самая главные ее характеристики – прочность, жесткость и надежность. Обычный велосипедист не участвует в гонках на скорость, он использует велосипед или для получения удовольствий от велопрогулок или для работы.

Небольшое замечание: Мы используем два термина жесткость и прочность. Иногда возникает вопрос – чем жесткость отличается от прочности? Поясняем:

Жесткость – это способность материала не менять форму под воздействием нагрузки. Чем меньше жесткость, тем больше гибкость, пружинистость и амортизационные свойства материала.

Прочность – это способность матриала не разрушаться под воздействием на него нагрузки.

К тому же часто для уменьшения веса, стальные рамы делают из баттированных труб (баттированные трубы – это трубы с переменной толщиной стенок) или из труб с переменным или специальным профилем, которые позволяют снизить вес велосипеда, не ухудшая его прочности и надежности.

Баттирование бывает двойным или тройным. Т.е. толщина стенки трубы может меняться два или три раза. При этом в местах наибольших нагрузок, например, в местах сварки, стенка толще, чем в местах с меньшими нагрузками.

По поводу труб с не круглым профилем. Как видно на приведенной фотографии, у городского женского велосипеда Formula Breeze 2016, продающегося в нашем магазине, верхняя рама имеет треугольную форму, а нижняя – овальную, вытянутую в вертикальной плоскости. Такой профиль делает всю конструкцию более прочной, чем если бы она была выполнена из обычных круглых труб. Да, честно говоря, и вид становится симпатичней.

Более подробно почитать о баттировании труб и их сечении можно в статье «Геометрия рамы велосипеда».

Еще одно очень хорошее качество этого материала в том, что он достаточно дешев и велосипеды, изготовленные на основе таких рам, рядовой потребитель в нашей стране может позволить себе купить. Покупать велосипед по цене подержанного автомобиля могут далеко не все. Особенно в нашей стране.

Очень много детских и подростковых моделей велосипедов делается на основе стальных рам. Именно потому, что они надежны и дешевы, не боятся падений и неаккуратного отношения. Ну а что касается подростковых моделей, то вспомните, многие ли из Вас в детстве степенно разъезжали на своих великах во время прогулки. Нет. В основном это были гонки, прыжки, падения и столкновения. Именно поэтому подростковый велосипед должен быть крепким и надежным.

Источники:

http://veloinsider.ru/snaryazhenie/rama-alyuminievaya-ili-stalnaya.html
http://velosreda.ru/5-prichin-vybrat-karbonovuyu-ramu
http://www.sportek.in.ua/blogs/stati/plyusy-i-minusy-stalnyh-velosipednyh-ram