Материалы рам и компонентов

Шаблон:Достоверность

## Введение

Главный конструктивный элемент велосипеда — рама. Именно на раме монтируются все остальные узлы и агрегаты велосипеда. Основные требования, предъявляемые к рамам, — это прочность, легкость, жесткость, долговечность и, конечно, привлекательный вид.
На сегодняшний день рамы и вилки МТВ изготавливаются из следующих материалов:

* Сталь:
	+ низкоуглеродистые стали;
	+ высоколегированные (хромомолибденовые) стали.
* Алюминиевые сплавы.
* Титановые сплавы.
* Композитный материал — углепластик (карбон).
* Экзотические сплавы — бериллий, скандий, магний.

В чем принципиальное отличие велосипедов, рамы которых сделаны из различных материалов? Вопрос «что же лучше» стоит не один год
и, наверное, останется открытым, какие бы технологические новинки не появились в будущем.

Проблема состоит в том, что подход к выбору материала — сугубо индивидуальный. При выборе велосипеда с рамами из различных материалов ключевым моментом будет все-таки цена. Если мы возьмем самый высокий уровень велосипедов, то разница в весе окажется незначительной. Так, например, самая легкая рама из алюминиевого сплава Klein Adroit весит 1300 г, карбоновая Trek — 1250 г, лидер среди титановых — Merlin XLM — 1300 г. Стальные рамы немного им уступали — существовали рамы из хромомолибденового сплава весом в 1600 г (Scott Team Raicing, например). Естественно, что подобные образцы стоят дорого, так что и принципиальная разница в цене исчезает, здесь главную роль уже играет фирма-изготовитель, а не материал.

На среднем уровне (велосипеды от $ 500 до $ 1500) разница в весе рам, конечно, есть. Хромомолибденовые рамы в этой категории весят около 2 кг, алюминиевые — примерно 1800 г. Титановые рамы среднего уровня бывают только в нашей стране. Отечественные титановые рамы у нас стоят в 3 раза дешевле, чем в Европе или Америке. По весу они укладываются в 1500—2000 г. Велосипед с такой рамой будет стоить не менее $ 1000. Но вернемся все-таки к нашей основной задаче и поговорим об основных отличиях между материалами.

## Стали

В зависимости от уровня и назначения, трубы самих рам и вилок могут изготавливаться как из обычных конструкционных низкоуглеродистых сталей, так и из высоколегированных.

Рамы из низкоуглеродистых сталей обычно имеют трубы из листа со швом по всей длине трубы, или трубы изготавливаются путем наматывания стальной ленты на оправку с последующей сваркой и поверхностной механической обработкой. Такие рамы имеют невысокую стоимость, достаточно большой вес и не предназначены для экстремальных нагрузок. Такая технология позволяет делать рамы из труб большего, чем обычно принято, диаметра, порой такие рамы имеют некруглую форму (эллипс, прямоугольник и т. п.). Массивный внешний вид и яркая окраска привлекают массового покупателя, который думает, что чем больше диаметр труб на раме, тем она прочнее. Это не так. «Умнее» трубы круглого сечения за последние 70 лет никто не придумал (хотя попытки были). Как известно, труба круглого сечения воспринимает нагрузки во всех направлениях одинаково.

Далее надо знать, что рамы и вилки для действительно высококлассных машин, точнее сказать их трубы, имеют баттинг. Баттинг — это величина, характеризующая отношение толщины стенок на конце и в середине трубы. Баттинг бывает двойной, тройной, четверной. Как известно, эпюры нагрузки на раму максимальны в районе рулевой колонки, каретки, подседельного узла. В середине трубы имеем меньшую нагрузку. Это позволяет сделать толщину стенок переменной, то есть толще в местах высокой нагрузки и тоньше в других. В итоге удается значительно снизить вес самой рамы. Хромомолибденовая рама с четверным баттингом по весу сравнима с рамой среднего класса, сделанной из алюминиевого сплава. Внутри баттированных труб могут находиться различные усиливающие спирали (типа нарезов в стволе винтовки), что открывает дополнительные возможности увеличения прочности. Рама из хорошей стали может служить десятки лет и всегда предупредит вас о возможных неприятностях: сначала появятся усталостные трещины и только потом, через некоторое время, она сломается. Трещину всегда можно заметить при осмотре, а стальную раму легко отремонтировать.

Существует не так много фирм, производящих качественные легированные трубы для велосипедных рам. Запомните их названия: Seven (США), Reynolds (США); COLUMBUS (Италия); VITUS PRESTIGE (Франция); TRUE TEMPER (США); ORIA (Азия); TANGE (Япония). Каждая фирма имеет свое клеймо, которое после сварки и покраски наклеивается на подседельной или наклонной трубе и несет информацию о материале труб, их внутреннем профиле и назначении рамы.

В настоящий момент найти качественную *новую* раму из легированной стали крайне тяжело, такая рама будет стоить намного дороже аналогичной по весу алюминиевой, поэтому можно сказать, что стальные рамы уходят в историю.

## Алюминиевый сплав

Алюминий был освоен для промышленной переработки еще в
1886 году, но тогда никто даже не думал о том, чтобы из него изготавливать велосипедные рамы!
Сегодня, после появления широкого спектра алюминиевых сплавов и их триумфа в авиации и космонавтике, этот материал уже нельзя исключить из производства велосипедов. В настоящий момент даже самые дешевые велосипеды состоят преимущественно из алюминия, а велосипеды высокого уровня практически не имеют стальных деталей (за исключением особо нагруженных, таких как болты, вал каретки и т. п.).

Алюминиевые рамы используют трубы большого наружного диаметра с небольшой толщиной стенок. Это обусловлено другими прочностными характеристиками данного материала. Алюминиевые сплавы — недорогие материалы и позволяют делать прочные и легкие рамы, однако срок их службы ограничен (около 10 лет). С течением времени их прочность теряется (в зависимости от сплава, термической обработки и нагрузок при использовании!!!), и рама может сломаться внезапно.(сломаться внезапно может все что угодно, так что рамы из алюминиевых сплавов служат и по 30 лет)

Достаточно редко из алюминиевых сплавов делаются вилки. Обычно передняя вилка на алюминиевых рамах — стальная с тройным баттингом. Шаблон:Устарело(на данный момент все только очень устаревшие дешевые вилки из стали, все современные вилки: ноги, шток, ось - алюминиевый сплав 7075T6, 7050T6, 7055T6, штаны, корона - алюм. магниевый сплав или другой прочный литьевой алюм сплав )

Это обусловлено прочностью самого исходного материала. Вилка подвержена колоссальным вибрациям, и вероятность разрушения алюминиевой вилки выше, чем у стальной. Также нужно знать, что алюминий требует специального покрытия, иначе он очень быстро корродирует.

Ну давайте не преувеличивать, колоссальными можно назвать вибрации при запуске ракеты. А у велосипеда - назовем их просто сильными или большими. Но ведь для велосипедных нагрузок хватает даже прочности сплава 6061! А что уже говорить о 7075T6 и 7055T6, которые в 2.5 раза прочнее и тверже.

Ничего не корродирует, если использовать соответствующий сплав, например 7005, для рамы. Алюминий вообще моментально покрывается защитной оксидной пленкой поэтому и НЕ ПОДВЕРЖЕН коррозии настолько, насколько подвержена не легированная сталь, собственно из-за этой пленки и сваривается плохо. Но если алюминий еще и легированный т.е. дюр-алюминий(впервые легировали в городе ДЮРЕН в Германии), то о коррозии можно особо и не беспокоиться.
Защищают от проникновения разных кислот или солей, это да. Но опять же их влияние очень мало. Это если вы будете постоянно под дождем ездить, в лужи, пребывать годами в кислой среде и НЕ чистить велосипед годами, тогда возможно защитная пленка и разрушится.

 Шаблон:Что

Главное отличие алюминиевых рам от стальных — более высокая жесткость СТАЛЬНОЙ РАМЫ.

Сталь в три раза плотнее алюм ~2700кг/м3 сталь ~8700кг/м3, а легированная еще и тверже раза в 3-4, не говоря уже о пределе прочности.
Стальная легированная рама несоизмеримо жестче чем из алюм сплава!
Другое дело, какие стали и какие алюм сплавы сравнивать. Есть очень мягкие стали, у которых МОДУЛЬ УПРУГОСТИ очень низкий, деталь из такой стали при определенной нагрузке согнется и деформация останется после утсранения нагрузки, а та же деталь, например, из алюм сплава 7075T6(В95T1, 1950) вернется в свое изначальное состояние после устранения нагрузки.
Но кто же делает рамы из таких сталей ? Ведь речь идет о СПЕЦ сплавах. Или о чем ?
Вибрирует больше то, что тоньше и/или имеет меньшую плотность.

```
Соответственно, на СТАЛЬНОЙ раме энергия седока полнее передается в поступательное движение, так как стальная раме ЖЕСТЧЕ, соответственно меньше изгибается под нагрузками седока и др. Ездок ногами буквально «чувствует» поверхность.

```

Из положительных качеств алюминиевых рам назовем их агрессивность — создается впечатление, что байк начинает разгоняться сразу, как только вы начинаете давить педали. Но зато рама сразу (!) прекращает катить, как только вы крутить педали перестаете. -Само собой, ведь она имеет меньшую плотность и жесткость.

```
Как говорят велосипедисты-профи — рама «туповата».

```

Карбоновые рамы еще менее плотны ~1800 кг/м3, и изгибаются при тех же размерах намного сильнее, поэтому детали делаются более объемными и в результате получается та же прочность при сниженном весе.

Стальные рамы таких недостатков не имеют. Они имеют другие недостатки - больший вес. При выборе алюминиевой рамы нужно помнить еще об одном моменте: алюминиевая рама в поворотах изгибается соответствующим образом БОЛЬШЕ чем стальная, так как сталь прочнее и детали из нее в т.ч. и рама менее изгибаются при нагрузках, т.е. они ЖЕТСЧЕ.

Некоторые задают вопрос: почему алюминиевые сплавы используются в качестве материала для рам, хотя его характеристики по прочности, жесткости даже приблизительно не сравнить с теми же свойствами стали?

Ответ формулирует физика: увеличение диаметра трубы ведет
к увеличению жесткости конструкции в кубической пропорции. Это
означает, что двойное увеличение диаметра приводит к восьмикратному увеличению жесткости. А вот толщина стенок трубы оказывает влияние на жесткость всего лишь в линейной пропорции, так же, как и большая твердость материала. То есть в два раза более твердый материал дает в конечном итоге «только» двойную жесткость трубы. Фокус заключается в том, что уменьшая до разумного, с технической точки зрения, толщину стенок трубы, одновременно увеличивают ее диаметр так, чтобы она стала настолько жесткой, насколько этого требуют технические стандарты и настолько легкой, насколько это возможно. А алюминий из всех классических материалов позволяет это сделать лучше всего. Термин «сверхразмер» (oversizing) как нельзя нагляднее объясняет стратегию «надутых» рамных труб. Большие по объему (диаметру) алюминиевые трубы при сравнительно большой толщине своих стенок надежно защищают конструкцию от вмятин и изгибов, и вместе с тем они легче и жестче, чем самые легкие стальные трубы.

Теперь поговорим об алюминиевых сплавах, применяемых в велостроении, и некоторых их свойствах. Чистый алюминий слишком мягок и слаб для того, чтобы из него можно было изготавливать велосипедные рамы или другие велодетали. Для придания необходимых характеристик в алюминий добавляют другие химические элементы: магний, цинк, медь и др. Сплавы в велостроении имеют маркировку из четырех цифр. Номер сплава показывает, какие компоненты были добавлены к исходному алюминию. Велокомпоненты и рамы изготавливаются, главным образом, из 5000-й (5086), 6000-й (6061) и 7000-й (7005) серий. Следует
заметить, что больший номер серии не всегда означает лучшее качество. Первая цифра обозначает основной элемент, который используется в данном рецепте сплава. В сплавы 6000-й серии добавляют магний, 7000-й серии — цинк.

Одним из мировых лидеров по производству рам из алюминиевых сплавов является американская фирма Cannondale (с 1977 г.). Рамы изготовлены из сплавов, применяемых в аэрокосмической промышленности, и в процессе изготовления подвергаются специальной термической обработке, которая увеличивает срок службы материала. На такие рамы фирма дает пожизненную гарантию. В отличие от других фирм производителей алюминиевых рам у Cannondale все сварные швы зашлифованы (причем вручную). Кроме Cannondale, из качественных производителей алюминиевых байков на российском внутреннем рынке представлены фирмы: GT (США); Wheeler (Германия); Trek (США); Marin (США); Giant (Тайвань); Scott (США).

## Титановые сплавы

Встречаются реже, чем рассмотренные выше, ввиду высокой стоимости. Хотя титан — весьма распространенный металл на нашей планете, все изделия из него — это сплавы с вольфрамом, молибденом, кобальтом, и стоимость таких сплавов очень высока. Титановые сплавы трудно поддаются механической обработке и требуют сложных технологий сварки. В плане прочности и веса эти сплавы дают совершенно новые возможности. Титановые сплавы не окисляются и не коррозируют, изделия из них, как правило, не красят, а оставляют в их естественном виде (обычно полируют). Рама МТВ из титанового сплава может весить в пределах 1200—1900 г. Титановые трубы имеют на 50 % меньшую плотность, чем стальные, и в то же время имеют запас прочности, позволяющий пережить любой другой материал. Более гибкий чем сталь, титан обеспечивает мягкую и комфортную езду.

Наиболее «продвинутая» на нашем рынке фирма предлагающая титановые байки — это WHEELER. Шаблон:Устарело
Среди российских производителей титановых рам наиболее известна фирма Rapid.

## Композитные материалы

Изготавливаются с применением полимер-композитных и полимерных материалов на основе жесткоцепных полимеров. Композитная труба изготавливается примерно следующим образом: из нитей фибергласса, кевлара, ноумекса, угольной нити (оно же ПАН-сополимер, подвергнутый циклизации и графитизации - по составу 92-97% углерод: нано- и микроноразмерные кластеры графита) специальная машина на оправке в 68 ниток сплетает трубчатый чулок, который пропитывается компаунд-смолами и спекается при температуре 800 градусов. После механической обработки полученные трубы с помощью металлокерамических клеев приклеиваются к алюминиевым или титановым узлам. Опять же готовое изделие проходит термическую обработку. По весу, прочности, жесткости композитные рамы значительно превосходят все выше указанные материалы, но следует отметить, что современные полимерные технологии подразумевают и «космические» цены, а также склонны к деградации, окислительной и термоокислительной деструкции как материала, так и компонентов композита. И в целом, имеют механические характеристики, несколько отличающиеся от типичных показателей металлов. Так, карбоновая рама Scott CR1 весом менее 1 кг может стоить несколько тысяч долларов.

Из «продвинутых» фирм на нашем рынке следует отметить продукцию фирм Scott, Giant, Trek, Merida.

Шаблон:Материалы

## Примечания

1. ↑ Известна как минимум одна рама с четверным баттингом производства японской компании, весом около 1500 г.
2. ↑ Школьный курс химии говорит о том, что в атмосфере алюминий быстро покрывается оксидной плёнкой Al2O3, которая защищает его от дальнейшей коррозии. Однако, в кислых средах возможны реакции вида Al2O3 + 6 HCl = 2 AlCl3 + 3 H2O, а AlCl3 является растворимым в воде соединением. Также, алюминий восстанавливает из солей медь и железо, что повышает скорость коррозии алюминия при контакте с этими металлами. Таким образом, в дорожных условиях (в основном, зимой от использования противогололёдных составов) коррозия рамы весьма вероятна. Заметить коррозию алюминия сложнее, чем коррозию стали, так как «ржавчина» в этом случае имеет вид белого налёта, а не привычных рыжих пятен.
Алюминий - амфотерный металл и может вступать в реакции как с кислотами (средний ph водяного пара в крупных городах - порядка 6.5-6.7, доходит и до 6), так и со щелочами. В обоих случаях свойства материала противостоять коррозии ухудшаются вследствие образования первичных очагов. А свежеошкуренный алюминий (оксидная пленка на поверхности обладает неплохой прочностью - такой, что разрушается при только при 2500 градусов, в следствие чего и усложняет сварку алюминия) вообще реагирует с водой до образования гидроксида.
- Не надо путать обычный алюминий и легированные сплавы. Да и где это видано, чтобы кусок алюминия в воде превратился в гидроксид ? за 100 лет? В общем, не пугайте людей дезинформацией.

## Ссылки

* wikipedia:ru:Легированная\_сталь
* wikipedia:ru:Титан\_(элемент)
* wikipedia:ru:Алюминий
* wikipedia:ru:Углепластики