РАМА ВЕЛОСИПЕДА
BICYCLE FRAME

Изобретение относится к велостроению, в частности к конструкциям рамы велосипедов.
Рама - это основа любого велосипеда.
Велосипед классической конструкции состоит из рамы, шарнирно закрепленной на ней рулевой вилки с рулем и передним колесом, заднего колеса, седла на подседельном штыре, педалей с кривошипами, цепной передачи и тормозов.
Материал, из которого изготовлена рама, качество его обработки, применяемые технологии, - все это напрямую влияет на ходовые и эксплуатационные характеристики рамы и велосипеда в целом. Основные требования, предъявляемые к велосипедной раме, заключаются в ее высокой прочности при минимально возможном весе.
В настоящее время материалом для изготовления велосипедных рам служат легированные стали (чаще, хромомолибденовые), различные алюминиевые, титановые и магниевые сплавы, а также углепластик (карбон).
На рамах из низкоуглеродистых сталей, имеющих значительный вес при незначительной прочности, обычно собираются дешевые велосипеды: дорожные (городские), всевозможные безымянные горные и дешевые модели шоссейных и горных велосипедов малоизвестных фирм. Немалую роль в этом случае играет качество термообработки рамы. Рамы из малолегированной стали сильно подвержены коррозии. Высоколегированная сталь (например, HighTen) хорошо работает на неровностях дороги благодаря своей гибкости, однако характеризуется невысокими рабочими характеристиками и большим весом.
Титановые сплавы используются в дорогих рамах, как правило, для спортивных велосипедов, однако низкая технологичность и высокие требования к технологии производства увеличивают цену такой рамы. Кроме того, титан является фрикционным материалом с низким коэффициентом трения, что делает затруднительным использование титана в узлах трения и механических передачах.
Рамы из свариваемых алюминиевых сплавов, дешевые в изготовлении, легкие, имеют хорошую коррозионную стойкость, технологичны. Алюминиевые рамы имеют приблизительно такой же вес, что и титановые, но обладают большей жесткостью (большей чем даже стальные). Для обеспечения жесткости алюминиевые рамы имеют трубы с толстыми стенками и поэтому обладают повышенным запасом прочности. Этот запас необходим из-за того, что применяемые сплавы имеют неудовлетворительные усталостные характеристики, непрерывно накапливают усталость и, в конце концов, разрушаются даже от незначительных нагрузок. При этом, в отличие от стальных, алюминиевые рамы разрушаются внезапно. Из-за высокой жесткости алюминиевых рам вибрации сильно передаются рамой от колес к седлу и рулю. Все это ведет к тому, что алюминиевые рамы менее предпочтительны для длительной езды.
Рамы из магниевых сплавов очень легки, т.к. магниевые сплавы являются самым легким металлическим конструкционным материалом, и при этом имеют отличные механические свойства. Основной недостаток магниевых рам: в большей степени, чем все остальные материалы, боятся агрессивных сред. Это делает невозможным длительную эксплуатацию подобных рам зимой и в условиях "грузового" туризма. Магний очень плохо переносит циклические нагрузки, обладает очень низкой ударной вязкостью и склонностью к образованию большого числа "критериальных точек", которые значительно снижают прочность конструкции в целом. Даже незначительная царапина краски может привести к быстрой коррозии и разрушению рамы. Магний сравнительно устойчив в сухом атмосферном воздухе в дистиллированной воде, но быстро разрушается в воздухе, насыщенном водными парами и загрязненном примесями, в особенности сернистым газом.
Углепластик, или карбон, представляет собой композитный материал. В качестве арматуры применяется сверхпрочное углеволокно, которое заливается пластиком, образуя нужную форму. Карбоновое волокно подразумевает композит - это сплошной неоднородный материал, состоящий из двух армирующих элементов и одного связующего, что благоприятно сказывается на характеристиках: высокая прочность, износостойкость, жесткость. Армирующими элементами могут быть переплетенные нити углепластика и резины, углепластика и кевлара, углепластика и еще какого-либо материала. Нити переплетают между собой под определенным углом, образуя слои, причем в каждом слое карбона углы переплетения разные. Это делается для компенсации ярко выраженных разнонаправленных свойств углепластиков. В листе карбона на 1 мм толщины приходится 3-4 таких слоя. Вся эта конструкция скрепляется эпоксидными смолами. Прочность и жесткость карбоновых рам велика, вес низок, но композитные рамы плохо переносят удары и наличие концентраторов напряжений в виде неточностей изготовления, царапин, сколов.
В качестве компромиссного варианта применяют «гибридные» рамы, с отдельными элементами из углепластика и основой из титана или алюминиевых сплавов.
Полностью углепластиковые рамы могут быть как классической конструкции, так и монококовой, в которой внешняя оболочка является основным и, как правило, единственным несущим элементом, или полумонококовой или усиленной монококовой, в которых нагрузки несут как внешняя тонкостенная оболочка, так и подкрепляющий ее силовой каркас (шпангоуты, стрингеры). Путем применения различных технологий таким рамам можно придавать различные свойства. Велосипеды с карбоновыми рамами очень жесткие и отлично подходят для гоночных дисциплин. 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. При этом многие недостатки других материалов минимизируются. Например, карбоновая рама будет хорошо идти в гору, но при этом в достаточной мере поглощать вибрацию и иметь хороший накат.
Сами углеродные волокна для карбона можно изготовить разными способами, например выращиванием кристаллов в световой дуге или химической осадкой углерода, или построением органических волокон в специальной печи (ее также называют автоклавом).
Последний способ получения волокон для карбона получил наибольшее распространение. В качестве исходного материала используют волокна полиакрилонитрила, которые окисляют на воздухе в течение 24 часов при температуре 250 градусов. Потом волокна переносят в инертный газ, где производится последующий процесс карбонизации - высокотемпературный длительный нагрев в пределах от 800 до 1500 градусов. Нагрев приводит промежуточное изделие к пиролизу (убывают летучие соединения, а в самих волокнах образуются новые связи), при котором материал обугливается. Далее следует графитизация (насыщение углеродом) при температурах 1600-3000 градусов также в инертной среде. На этом процесс изготовления волокон для карбона заканчивается, и осуществляют переплетение готовых нитей с другим армирующим элементом в слои. Углеродные волокна карбона на растяжение так же хороши, как сталь, но вот на сжатие ведут себя не лучшим образом. Решением данной проблемы стало их сплетение в углепластиковое волокно.
Слои карбона собираются двумя способами:
- самым распространенным мокрым способом, в котором волокна укладывают в форму, пропитывают эпоксидной смолой, излишки смолы удаляют в вакууме или под давлением, а оставшуюся смолу полимеризуют. Карбоновое изделие формируют под давлением;
- более сложным сухим способом, в котором из углепластиковых заготовок под давлением и нагревании формируют изделия. Карбон, изготовленный сухим способом, намного прочнее и легче карбона, изготовленного мокрым способом.
При этом карбон на 40% легче, чем сталь, на 20% легче алюминия и легче, чем пластик.
Карбон, собранный из углерода и кевлара, хоть и немного тяжелее, чем резина с углеродом, но имеет намного большую прочность, а при ударах трескается, крошится, но не разбивается на части.
Карбон выдерживает температуру 1600 градусов. Карбон - хороший энергопоглотитель. Карбон, составленный из углепластика и резины, может выдержать высокие ударные нагрузки. В местах контакта карбона с металлом в соленой среде металл быстро корродирует (например, зимой, когда на дорогах используют противообледенительные средства с солью), проблема устраняется стеклопластиковыми вставками между карбоном и металлом, которые встраиваются в углепластик.
Конструктивные особенности велосипедных рам определяются типом велосипеда, который будет собран на данной раме, а геометрия рам играет существенную роль в том, как данный велосипед будет вести себя.
Существует несколько возможностей оптимизировать велосипедную раму для конкретного применения.
Известные рамы в традиционном исполнении состоят из труб или перьев, образующих два треугольника - передний и задний, причем задний треугольник раздвоен и образует заднюю вилку для крепления заднего колеса. Передний треугольник образован подседельной трубой, соединяющей седло и каретку; нижней трубой, соединяющей каретку с рулевой колонкой; и верхней трубой, соединяющей рулевую колонку с подседельной трубой. Задний треугольник образован двумя парами труб, идущих от подседельной трубы и каретки к втулке заднего колеса.
Современные рамы такой конструкции имеют высокую жесткость в вертикальной продольной плоскости и низкую в поперечной. С одной стороны, большая жесткость является плюсом, так как меньше энергии теряется на изгиб рамы, но, с другой стороны, излишняя жесткость сильно утомляет велосипедиста.
Комфортабельность рамы и ходовые качества велосипеда зависят от мягкости материала. Мягкие рамы лучше поглощают вибрацию и имеют лучший накат на неровных поверхностях. Жесткие рамы позволяют передавать энергию от педалей к колесам с меньшими потерями. Жесткость, в основном, связана с размерами поперечного сечения рамы. Прочность, главным образом, в основном, связана с толщиной стенок. Однако в классической конструкции рам из трубных элементов использование более тонких стенок приводит к сложности в обеспечении прочного соединения труб друг с другом, поэтому традиционно используют трубы с более толстыми стенками около концов, где трубы соединяют вместе с другими трубами. Такое выполнение труб при изготовлении их из металлических сплавов приводит и к повышению веса рамы. Если стенки слишком тонки, они станут слишком легко вдавливаться, будут иметь недостаточную прочность.
Из прочностных расчетов традиционных 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.
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 изготавливают нижнюю трубу рамы: у рулевой колонки труба имеет овальное сечение, вытянутое в вертикальной плоскости, в средней части круглое, а у каретки горизонтально-вытянутый овал. Однако, так как при существенном повышении температуры во время сварки прочность материала снижается, использование труб, утолщенных по концам, не приводит к повышению прочности, но увеличивает вес рамы.
Жесткость рамы на кручение/изгиб связана с напряжениями, произведенными силами, которые создаются при работе педалей. Любая рама будет гнуться относительно каретки в соответствии с нагрузкой на педалях. Рама, которая является слишком мягкой в области заднего треугольника, может быть склонной к опасным колебаниям при высоких скоростях вращения педалей.
Важным параметром рамы является ее вертикальная жесткость. Удары от дороги передаются от задней шины через колесо, верхние перья задней вилки, подседельный штырь, раму седла и обтяжку седла. Все эти части рассеивают удар в большей или меньшей степени, но не в равной степени. Сдерживание удара колесами незначительно. Верхние перья задней вилки (единственная часть этой системы, которая фактически является частью рамы) нагружены сжатием. Длинные нижние перья задней вилки позволяют сместить ездока вперед от заднего колеса. Короткие перья задней вилки дают жесткую езду: при размещении ездока прямо над задним колесом все удары идут прямо на седло.
Сила сцепления заднего колеса велосипеда с поверхностью зависит от правильности распределения веса велосипедиста, т.е. от конструкции (геометрии) велосипедной рамы.
Специалистам в области велостроения известно, что с увеличением расстояния между центрами рулевой колонки и подседельного штыря (по горизонтали) повышается стабильность и уменьшается маневренность велосипеда. Увеличение колесной базы велосипеда придает велосипеду большую стабильность и меньшую маневренность. Более короткие задние перья рамы обеспечивают большее сцепление заднего колеса велосипеда с поверхностью и большую маневренность велосипеда. При малых подседельных углах (большой наклон трубы назад) вес велосипедиста смещается назад, обеспечивая лучшее сцепление с дорогой, при более вертикальных углах вес гонщика перемещается вперед, обеспечивает лучшую посадку для силового педалирования. Увеличение высоты каретки уменьшает стабильность велосипеда, но при этом увеличивается его проходимость, и наоборот: у шоссейных велосипедов каретка находится ниже, чем у горных. Длина выноса оказывает существенное влияние на маневренность велосипеда и посадку велосипедиста. Больший рулевой угол (стремящийся к вертикальной линии) обеспечивает лучшую маневренность велосипеда.
Выполнение рамы в традиционном варианте, содержащей отдельные трубные элементы, связанные между собой жесткими сварными соединениями, приводит к неравномерному восприятию трубными элементами сжимающих, изгибающих и ударных нагрузок, что требует изготовления и сопряжения в раме труб разной прочности, разной толщины, что значительно усложняет конструкцию стыковочных узлов рамы.
Аэродинамические характеристики велосипеда в значительной степени обусловлены его конструктивными особенностями, формирующими лобовое сопротивление набегающему воздушному потоку, образованием завихрений воздушной массы вокруг конструктивных элементов велосипеда, в частности вокруг рамы, а также расположением тела спортсмена на велосипеде. Для улучшения аэродинамических характеристик следует ослабить негативные воздействия набегающего потока путем формирования соответствующего профиля рамы и, например, путем опускания руля, сделать положение спортсмена наклонным настолько, насколько это возможно.
Оптимизация конструктивных, аэродинамических и эксплуатационных характеристик велосипеда в зависимости от его назначения является важной задачей.
Одной из тенденций оптимизации характеристик является уменьшение количества силовых элементов рамы и размещение узлов велосипеда внутри аэродинамически улучшенного корпуса рамы.
Известна рама велосипеда (EP, 0198284 A2), в частности спортивного велосипеда, состоящая из конструкции обтекаемой формы, содержащей первый, второй, третий криволинейные элементы, внутри которых размещены средства для установки седла, оси шатунов, оси заднего колеса. Обтекаемая конструкция выполнена соединением двух одинаковых полукруглых элементов, являющихся зеркальным отображением друг к другу, и соединенных с осью симметрии транспортного средства. Третий элемент конструкции, выполненный разъемным, состоит из двух частей, образующих зазор для установки заднего колеса и соответствующих средств торможения. В концевой части первого криволинейного элемента установлены средства механического управления, в концевой части второго криволинейного элемента установлены средства для установки седла, в концевой части третьего элемента - средства для установки заднего колеса и шатунов. При этом конфигурация рамы приближена к традиционному треугольнику, рама имеет сложный профиль, сопряженный из двух продольных частей, аэродинамические характеристики каждого из криволинейных элементов не согласованы и имеют значительное лобовое сопротивление. Такая конструкция рамы является весьма жесткой, ударные нагрузки воспринимаются непосредственно седлом и рулевой колонкой, для создания типоразмеров велосипедов требуется различная геометрия рамы, что снижает технологичность рамы и велосипеда в целом.
Известна рама велосипеда (US, 5273303 A), выполненная из трех элементов конструкции, которые соединены в одном полом неразъемном узле, имеющем W-образную геометрию и выполненном в виде полого корпуса из полимерного волокна (такого, как карбоновое волокно), пропитанного отвержденной синтетической резиной, при этом передняя часть рамы имеет аркообразную форму. Рама велосипеда, соединяющая средства крепления переднего колеса и тормозной системы, опору седла, педалей и заднего колеса, содержит полый неразъемный узел, имеющий W-образную геометрию (профиль). Указанная рама содержит разветвленный задний узел, приспособленный для соединения с креплением заднего колеса, и переднюю часть для соединения с опорой переднего колеса и системой торможения и для соединения с подседельной трубой, установленной в промежутке между передней частью и разветвленным задним узлом. При этом указанная передняя часть, имеющая, главным образом, одинаковую площадь поперечного сечения вдоль целого продольного отрезка, связанного с подседельной трубой передней части, в сущности, имеет выпуклую форму. Передняя часть рамы велосипеда имеет аркообразную форму. Однако такое выполнение рамы обуславливает значительные растягивающие напряжения в передней части и в подседельной трубе и значительные сжимающие напряжения в заднем узле. При этом наличие вертикальных элементов различной толщины в набегающем потоке вызывает значительные завихрения в потоке и тем самым увеличивает лобовое сопротивление велосипеда.
Известна аэродинамическая рама велосипеда (US, 6789814 B1), содержащая:
- основную часть конструкции рамы, обычно выполненную горизонтальной;
- головную переднюю трубу, являющуюся продолжением основной части конструкции рамы и приспособленную для установки вилки велосипеда;
- нижнюю трубу, являющуюся продолжением основной части конструкции рамы, и при этом крайняя верхняя часть нижней трубы рамы совмещена с задней частью основной части конструкции рамы и с основной частью конструкции рамы формирует клиновидный участок;
- пару задних перьев, являющихся продолжением нижней трубы рамы и приспособленных для установки заднего колеса велосипеда и для установки педали велосипеда,
- и при этом пара крайних задних частей пары задних перьев образует с парой крайних нижних частей пары нижней трубы пару вторых клиновидных участков;
- и подседельную трубу, приспособленную для установки седла велосипеда.
Для улучшения аэродинамических характеристик основная часть конструкции рамы, нижняя труба, первый клиновидный участок, пара вторых клиновидных участков, подседельная труба имеют обтекаемую аэродинамическую поверхность, и обычно парные задние перья выполнены горизонтальными, а лобовая поверхность головной трубы выполнена скошенной по вертикали. С целью улучшения аэродинамических характеристик велосипеда рама выполнена обтекаемой формы. Однако в этой раме из-за смещения седла увеличены расстояния до руля и педалей, вследствие чего должны применяться нестандартные узлы и детали, и рама имеет слабые эргономические характеристики. Расширяющаяся часть рамы и широкие перья создают большее аэродинамическое сопротивление.
При создании изобретения была поставлена задача разработки рамы для велосипеда, обладающей высокими аэродинамическими и высокими прочностными свойствами, в которой элементы рамы имели бы более равномерную нагрузку, позволяли бы при этом регулировать высоту и посадку ездока, обеспечивая улучшение условий эксплуатации.
Поставленная задача была решена разработкой рамы велосипеда, содержащей:
- основную часть конструкции рамы,
- переднюю стойку, являющуюся продолжением основной части конструкции рамы и приспособленную для установки рулевой вилки велосипеда с рулем и передним колесом,
- подседельную стойку, приспособленную для установки седла велосипеда,
- пару задних перьев, являющихся продолжением основной части конструкции рамы и приспособленных для установки заднего колеса велосипеда и для установки педали велосипеда, цепной передачи и тормозов,
отличающейся тем, что
- основная часть конструкции рамы совместно с передней стойкой и задними перьями выполнена из углепластика в виде моноблока, имеющего криволинейный участок с образующей в форме дуги окружности в области между передней стойкой и местом крепления заднего колеса в задних перьях и имеющего горизонтально расположенные участки задних перьев между местом крепления заднего колеса и местом крепления педалей, при этом:
- указанный криволинейный участок моноблока в области основной части, передняя стойка, задние перья и подседельная стойка имеют уплощенные по бокам поперечные сечения,
- передняя стойка расположена по касательной к указанной образующей,
- подседельная стойка выполнена на указанном криволинейном участке моноблока и имеет выступающий книзу карман для установки седла с возможностью регулирования глубины посадки седла.
В дальнейшем изобретение поясняется Фиг.1, на которой показан вариант выполнения рамы согласно изобретению.
При этом рама велосипеда выполнена из углепластика в виде моноблока 1, содержащего основную часть 2, переднюю стойку 3, подседельную стойку 4 с карманом 5 и задние перья 6, и имеющего криволинейный участок 7 с образующей 8 в форме дуги окружности в области между передней стойкой 3 и местом 9 крепления заднего колеса в задних перьях 6 и имеющего горизонтально расположенные участки 10 задних перьев 6 между местом 9 крепления заднего колеса и местом 11 крепления педалей. При этом указанный криволинейный участок 7 моноблока 1 в области основной части 2, а также задние перья 6 и подседельная стойка 4 с карманом 5 имеют уплощенные по бокам поперечные сечения. Передняя стойка 3 расположена в направлении касательной к указанной образующей 8 и приспособлена для установки рулевой вилки. С целью улучшения аэродинамических характеристик велосипеда рама выполнена обтекаемой формы и имеет уплощенные по бокам поперечные сечения.
Выполнение рамы согласно изобретению из прочного и легкого карбона дугообразной формы делает ее достаточно жесткой. Рама не имеет отдельных частей, выполнена с сохранением расположения органов управления и другого оборудования по аналогии с традиционным их размещением. Рама согласно изобретению имеет улучшенную по сравнению с известными рамами аэродинамику и меньший вес для развития более высокой скорости, а также для удобства и легкости при транспортировке. Компоновка и принцип конструктивного выполнения рамы существенно отличается от известных рам: использовано минимальное количество элементов в раме, применена силовая схема круглой арки, имеющей уплощенное сечение, что в совокупности со свойствами арки дает дополнительную жесткость. Возможно расположение руля, седла, педального привода, колес, аналогичное существующим компоновкам, сохранены существующие методы регулировки, подгонки деталей, а также могут быть применены уже существующие детали и узлы, позволяет применять различные дизайнерские решения без снижения прочности и жесткости рамы с сохранением эргономичности и аэродинамических характеристик.
Рама согласно изобретению была выполнена мокрым способом, описанным выше, с использованием закладных деталей: алюминиевых чашечек рулевой колонки, втулок с внутренней резьбой под каретку. Подседельный штырь, рулевая вилка были выполнены из алюминиевого сплава.
Рама была испытана в составе велосипеда на трассе 15 км при весе седока 85 кг. При этом было отмечено, что, по сравнению с велосипедом традиционной схемы, улучшены разгонные характеристики, уменьшены усилия по достижению одинаковых скоростей, при одинаковых усилиях скорость велосипеда больше, чем при традиционной схеме компоновки, отмечено удобство транспортировки в связи с уменьшением веса, повышена комфортность при движении, что связано с оптимизацией компоновки рамы.