обобщение по рамным конструкциям в целом
Велосипедная рама — основная часть велосипеда, к которой крепятся велосипедные компоненты.
В конструкции заднего треугольника рам классических конструкций могут быть предусмотрены шарниры и разъёмы для устройства амортизатора.
Существуют рамы без верхней трубы или с верхней трубой, идущей рядом с нижней. Этот вариант рамы традиционно называется женским. На такой велосипед можно сесть в юбке, не нарушая приличий, что было немаловажно, например, в начале XX века.
Также, можно выделить рамы специального назначения и для экспериментальных велосипедов (например для лигерадов, которые используются для передвижения в положении лёжа), а также рамы детских велосипедов.
Велосипедная рама, как правило, сварена из профилей, образующих два так называемых треугольника — передний и задний.
Конструкция велосипедной рамы:
A — верхняя труба;
B — нижняя труба;
С — подседельная труба;
D — верхние перья заднего треугольника;
E — нижние перья заднего треугольника;
1 — каретка;
2 — место соединения подседельной трубы с подседельным штырём;
3 — рулевой стакан; 4 — кронштейны крепления втулки заднего колеса «дропауты»
Передний треугольник образован «подседельной трубой», соединяющей седло и каретку; «нижней трубой», соединяющей каретку с «рулевой трубой» («стаканом»); и «верхней трубой», соединяющей «рулевую трубу» с «подседельной трубой».
Задний треугольник образован двумя парами труб. Верхняя пара идёт от «подседельной трубы» к кронштейнам крепления втулки заднего колеса «дропауты». Нижняя пара идёт от каретки. Чаще эти пары называют «перьями».
Огромное значение на поведение велосипеда влияет геометрия рамы. Основные элементы, определяющие реакцию рамы на внешние воздействия:
Геометрия велосипедной рамы
A — актуальная (эффективная) длина верхней трубы;
B — длина верхней трубы;
C — длина верхнего пера заднего треугольника;
D — высота рулевого стакана;
E — длина нижнего пера заднего треугольника;
F — длина нижней трубы;
G — эффективная высота седла;
H — размер рамы;
K — высота верхней трубы;
L — угол наклона подседельной трубы;
M — угол наклона рулевого стакана.
Эффективная длина верхней трубы. Расстояние между центрами рулевой колонки и подседельного штыря (на рисунке - A). Длинная верхняя труба дает большую "стабильность" и меньшую маневренность велосипеда.
Рулевой угол. Угол между рулевой колонкой и линией, параллельной земле (на рисунке - M). Большой угол (близкий к вертикали) обеспечивает лучшую маневренность велосипеда.
Подседельный угол. Угол между подседельной трубой и линией, параллельной земле (на рисунке - L). При малых углах (большой наклон трубы назад) вес велосипедиста смещается назад - обеспечивая лучшее сцепление с поверхностью, при более вертикальных углах - вес гонщика перемещается вперёд, обеспечивает лучшую посадку для силового педалирования.
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. Меньшие задние перья рамы обеспечивают лучшее сцепление заднего колеса с поверхностью почвы и большую маневренность велосипеда. Обычно длина задних перьев минимальна, насколько это возможно - для увеличения жёсткости и прочности рамы.
Высота каретки (зазор, дорожный просвет). Расстояние между кареткой велосипеда и поверхностью почвы. 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.
· Материалы для изготовления велосипедных рам.
Трубы для изготовления рам могут быть как круглого, так и иного сечения. Наиболее дорогие рамы изготавливают из труб с переменной толщиной стенок (такая технология имеет название «баттинг»)
Материалом для изготовления велосипедных рам служат легированные стали, различные алюминиевые, титановые сплавы, а также углепластик («карбон») и др. материалов.
· Сталь
Хромомолибденовая сталь(марка) — сталь, которая кроме обычных примесей содержит легирующие элементы хром и молибден, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств.
Легирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. Наиболее распространенная хромомолибденовая сталь 4130 имеет прочность на разрыв 590—760 МПа, что сравнимо с титановыми сплавами, однако менее склонна к усталости. Отечественный аналог данной стали - 30ХМА.
· Титан
Серии сплавов
В велосипедной промышленности используются следующие сплавы:
Grade 5 (6 % Al, 4 % V) — считается самым прочным и жестким титановым сплавом, отличается особо высокой сложностью обработки. Имеет плотность 4500 кг/м³ и прочность на разрыв более 900 МПа. Обычно используется для высоконагруженных деталей (дропауты и т. п.). Стоимость целой рамы из такого сплава - не менее нескольких тысяч долларов. Говорят, что малая распространенность этого сплава связана с тем, что жесткость рамы оказывается чрезмерной, да и технология получается заметно сложнее.
Grade 9 (3 % Al, 2,5 % V) — компромисс между легкостью обработки, ценой и прочностью сплава Grade 5. Имеет прочность на разрыв от 600 МПа. Широко используется для изготовления импортных рам.
ОТ-4 (3,5…5 % Al, 0,8…2 % Mn) — применяется для производства рам Рапид. Прочность на разрыв до 900 МПа.
ПТ-7М (1.8…2.5 % Al, 2…3 % Zr) — относится к малолегированным, малопрочным и высокопластичным сплавам. Легко поддается обработке, используется для малонагруженных деталей. Прочность на разрыв около 600 МПа.
К достоинствам титановых рам можно отнести:
· титан имеет высокую удельную прочность (в 3 раза выше чем у стали и в 2 раза выше чем у алюминия), позволяя конструировать очень лёгкие рамы (менее 1,4 кг для шоссейных велосипедов);
· стоек к коррозии;
· очень высокая упругость (титановые рамы очень комфортны)
· Высокие диапазоны эксплуатационных температур;
· Хорошие усталостные характеристики
Недостатки:
· высокая цена;
· низкая технологичность и высокие требования к технологии производства.
Сварка титана
Основные трудности при сварке титана обусловлены его высокой химической активностью по отношению к газам (кислороду, азоту, водороду) при нагреве и расплавлении.
При комнатной температуре титан взаимодействует с кислородом с образованием поверхностного слоя с большой твердостью – альфинированного слоя, – который предохраняет титан от дальнейшего окисления. При нагреве до температуры 350°С и выше титан активно поглощает кислород, образуя различные окислы с высокими твердостью, прочностью и низкой пластичностью. По мере окисления оксидная пленка меняет окраску от желто-золотистой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. Эти цвета в околошовной зоне характеризуют качество защиты металла при сварке.
При температуре выше 500°С титан активно взаимодействует с азотом с образованием нитридов, повышающих твердость и прочность металла, но снижающих его пластичность. Перед сваркой следует полностью удалять поверхностный слой титана, насыщенный повышенным количеством кислорода (альфинированный слой) и азота, поскольку при попадании частиц данного слоя в сварной шов металл становится хрупким, появляются холодные трещины.
Водород даже в небольшом количестве значительно ухудшает свойства титана. Он активно поглощается титаном при температуре 200–400°С. С повышением температуры водород начинает выделяться из титана и сгорает. При более низких температурах содержание водорода также снижается, однако гидриды титана способствуют образованию пор и замедленному разрушению титана – возникновению холодных трещин спустя длительное время после сварки.
Тщательная защита от насыщения металла газами требуется не только для расплавленного металла, но также для участков твердого металла с температурой 400°С и выше. Как правило, это обеспечивается за счет использования флюсов, металлических и флюсовых подкладок, специальных защитных газовых подушек. О надежной защите свидетельствует блестящая поверхность металла после сварки, о плохой защите – желто-голубая окраска, серые налеты.
Сварка титана и его сплавов выполняется присадочным металлом, близким по составу к основному металлу, например, проволокой ВТ1-00. Обычно перед сваркой проволока подвергается вакуумному (диффузионному) отжигу для удаления водорода. Кромки подготавливают механическим путем, плазменной или газокислородной резкой с последующим удалением насыщенного газами металла кромок механической обработкой. Поверхности кромок и прилегающего основного металла, а также сварочной проволоки тщательно очищают травлением или механическим путем.
· Алюминий
Алюминиевые сплавы обозначаются 4-значными номерами. Первая цифра означает вид легирующих присадок, последующие - точный состав:
1000 — практически чистый алюминий;
2000 — сплав алюминия с медью;
3000 — сплав алюминия с марганцем;
4000 — сплав алюминия с кремнием (силумин);
5000 — сплав алюминия с магнием;
6000 — сплав алюминия с магнием и кремнием;
7000 — сплав алюминия с цинком;
8000 — литиевые сплавы.
Окончание «-Тх» означает, что материал был подвергнут термической обработке для увеличения прочности.
В велостроении используются сплавы 2024, 6061, 7075, 7001 и другие. Для потребителя конкретный номер сплава не имеет принципиального значения, поскольку свойства итоговой детали зависят от целого ряда факторов (термообработка, технология, особенности конструкции детали), из которых состав сплава — не самый важный.
Иногда алюминиевые рамы легируют небольшими добавками скандия, который значительно повышает прочность
При сварке отечественных алюминиевых сплавов применяют следующие присадочные материалы:
| Марка свариваемого металла | Марка присадочной проволки по ГОСТ 7871-75 |
| АД, АД1, АД0 АМц АМг2, АМг3, АМг4 АМг5 АМг6 МВ, АД31, АД33 АЛ2, АЛ4, АЛ6 | Св АК5, Св А97 Св АМц Св АМг3, Св АМг6 Св АМг5, Св АМг6 Св АМг6, Св АМг61 Св АК5, Св 1557 Св АК5 |