Выбор материала рамы

От переводчика

Когда собрался писать статью про свойства разных материалов для рам — нашел в Интернете статью John Olsen про рамы из различных материалов. Мне она показалась интересной и не противоречащей моим понятиям о прочности (все-таки я по образованию — специалист по прочности и долговечности авиационных конструкций, проработал несколько лет в лаборатории прочности ЛА в КуАИ). Язык статьи показался мне вполне понятным для неспециалиста, что тоже большой плюс.Честно говоря, не стал искать в русскоязычном Интернете перевод (может, и есть уже) и перевел статью сам. Olsen осветил большую часть проблем, о которых я собирался писать — не вижу смысла повторять то, что уже написано и вполне, на мой взгляд, понятно, толково и справедливо.В статье не упоминаются принятые среди специалистов термины "удельная прочность" и "удельная жесткость", означающие отношения значений прочности или жесткости к плотности материала, и характеризующие, насколько материал прочный (или жесткий) в расчете на единицу веса, но косвенно дается понять, что эти характеристики приняты конструкторами во внимание.И еще один момент — следует различать, когда идет речь о прочности (жесткости) материала, а когда — о тех же свойствах конструкции. В конструкции (раме) для увеличения прочности и жесткости увеличивают диаметр труб, меняют форму их сечения, применяют различную (в том числе переменную по длине трубы) толщину стенок и т.д. — и все это — для компенсации недостаточных свойств материала. С другой стороны, труба большего диаметра обычно весит больше, чем такая же, но меньшего диаметра и из того же материала — но большая труба жестче. Есть еще и технологические факторы, не затронутые в данной статье (легкость в обработке, свариваемость и т.д.), но влияющие на выбор конструктора.Со своей стороны, я решил написать статью о различиях свойств алюминиевых сплавов 6061, 7005 и 7075.

Введение

Жесткость, вес и прочность велосипедных рам определяются множеством факторов, только некоторые из которых определяются исключительно свойствами материала. Конструкция рамы, оптимальная для одного материала, будет отличаться от оптимальной для другого, поскольку материалы сильно различаются по прочности, жесткости и плотности (весу).
Лучшие алюминиевые рамы имеют толстые тонкостенные трубы и не изгибаются из стороны в сторону, когда вы разгоняетесь. Лучшие стальные рамы имеют тонкостенные трубы малого диаметра и заметно изгибаются при разгоне. Титановые и углепластиковые (карбоновые) рамы находятся посередине между ними.
Опытные велосипедисты часто делятся на два лагеря, сторонники стальных рам критикуют излишнюю жесткость алюминиевых рам и их фанатов, порицающих гибкость легких стальных рам. Мы объясним преимущества и неудобства большинства материалов рам и сравним их на графике, отражающем, насколько они жесткие по сравнению со сталью.

Насколько жесткий ваш байк?

Сравнение жесткости (относительно стали) для различных материалов рам


Reynolds 853 Steel Alloy — Стальной сплав Рейнольдс 853
1010 Steel Alloy — Стальной сплав 1010
Unidirectional Carbon/Epoxy — Однонаправленный углепластик на основе эпоксидной смолы
6Al/4V Titanium Alloy — Титановый сплав 6Al/4V
3Al/2.5V Titanium Alloy — Титановый сплав 3Al/2.5V
7075 Aluminum Alloy — Алюминиевый сплав 7075
6061 Aluminum Alloy — Алюминиевый сплав 6061
Carbon Weave/Epoxy — Углепластик плетеной структуры на основе эпоксидной смолы


Сталь

Сталь жесткая, но плотная (тяжелая). Легкие рамы адекватной жесткости и прочности делают из труб относительно маленького диаметра, но сталь — неподходящий материал для легких рам или больших сильных наездников. Стальные рамы из низкопрочных сталей (недорогие) нуждаются в толстостенных трубах, чтобы быть достаточно прочными, и они тяжелы. Более прочная сталь позволяет изготавливать тонкостенные трубы, но тогда понижается жесткость. Последние разработки включают "закаливаемые на воздухе" стали очень высокой прочности, типа Reynolds 853. (В отличие от большинства других типов сталей, закаливаемые воздухом стали приобретают, а не теряют прочность, когда они охлаждаются после сварки). Все стали имеют ту же самую жесткость, независимо от прочности — 853 не более жесткая, чем 1010 (низкопрочная сталь).

Плюсы:
Лучшие стальные сплавы очень прочны
Лучшая жесткость повсюду
Долговечны
Закаливаемые на воздухе стальные сплавы делают возможным ультравысокую прочность

Минусы:
Должны быть тяжелыми — материал, неподходящий для больших легких рам
Ржавеют

Алюминий

Алюминиевые рамы могут быть очень жесткими и легкими, потому что плотность алюминия очень мала, но трубы рамы должны быть больше в диаметре для компенсации более низкой прочности. Однако сегодня эти "толстотрубные" рамы — распространенная конструкция для качественных велосипедов. Недавние усовершенствования включают добавки в сплав Скандия, элемента, который увеличивает прочность. В целом, алюминий — хороший материал для жестких, легких рам для райдеров всех размеров. Это — также один из двух материалов, которые хорошо подходит для рам нетрадиционных форм.

Плюсы:
Втрое менее плотный, чем сталь, позволяет использовать большие ("толстые") трубы
Легко принимает аэродинамические формы
Даже дешевые рамы могут быть легкими
Позволяет изготовить легкую раму для крупного райдера
Не ржавеет

Минусы:
От одной трети до половины прочности лучших сталей (может сломаться)
Одна треть жесткости любой стали, требуются трубы большого диаметра
Скромная усталостная прочность
Не легко ремонтируется или восстанавливается
Большие, тонкие трубы легко повредить при аварии

Титан

Титан имеет превосходный баланс свойств для создания рам, и дает лучшую комбинацию долговечности и веса. Сплавы титана наполовину столь же жесткие как сталь, но также и вполовину менее плотные. Лучшие сплавы титана сопоставимы по прочности с самыми прочными сталями. Жесткие титановые рамы требуют труб большего диаметра, чем сопоставимые стальные рамы, но не столь большого диаметра, как алюминий. Титан — очень коррозионно стойкий, и очень легкие рамы могут быть сделаны достаточно жесткими и достаточно прочными для больших райдеров. Большинство титановых рам — из сплава 3Al/2.5V (3% алюминия/2.5% ванадия, остальное — титан), хотя все чаще используется более прочный сплав 6Al/4V (6% алюминия/4% ванадия, остальное титан).

Плюсы:
Половина плотности стали, делает самыми легкими наиболее эластичные рамы
Столь же прочный, как и большинство сталей
Не ржавеет — никакая окраска не требуется
Хорошие усталостные свойства
Позволяет изготавливать легкие рамы для крупных райдеров
Минусы:
Половина жесткости стали (также известна как излишняя гибкость)
Сложен в ремонте и обработке
Дорогой

Углепластик

Отдельные волокна углерода чрезвычайно прочны и жестки, но эти их свойства бесполезны, если волокна не выстроены в строгую структуру и не скреплены между собой сильным "клеем" (обычно эпоксидная смола). В отличие от металлов, в которых прочность и жесткость являются почти теми же самыми во всех направлениях, композиты из углеродных волокон могут производиться с более высокими прочностными и жесткостными характеристиками в тех направлениях, где это нужно (например, жесткий по сторонам и гибкий вертикально). Это — лучший материал для рам нетрадиционных форм, поскольку позволяет формоваться и настраивать свои свойства как ни один металл (путем создания многослойных конструкций с разноориентированными волокнами).

Плюсы:
С готовностью формуется в экзотические формы
Превосходная усталостная прочность
Не ржавеет
Прочность и жесткость контролируются на стадии создания рамы
Низкая плотность и высокая прочность делают возможным создание очень легких и прочных рам

Минусы:
Очень дорогой материал
"Бомба" — если изделие плохо разработано или изготовлено (слишком жесткое или слишком гибкое) — может быть "чувствительным" (склонным к поломке).

Текст: Сергей Судариков AKA Honzales .
Источник: Caree.org