Геометрия рамы

Относительные понятия

Стабильность

Способность велосипеда держать "курс", сохранять прямолинейное направление. Большая стабильность велосипеда хороша для фрирайда, даунхила, или протяженных однообразных участков - а на техничных участках трассы более важный параметр - это маневренность велосипеда.

Маневренность

Скорость реакции велосипеда на манёвры велосипедиста, способность быстро менять "курс". Маневренный и стабильный велосипед - это идеальное сочетание.

Сцепление с поверхностью

Сила сцепления заднего колеса с поверхностью. Зависит от правильности распределения веса велосипедиста - то есть от дизайна рамы - угол подседельной трубы (подседельный угол), длины задних перьев и расстояния между колёсами(база) велосипеда.

Абсолютные понятия

Размер рамы

Высота подседельной трубы велосипеда, измеряется в дюймах, - расстояние от центра каретки до пересечения подседельной трубы с верхней трубой (разные производители меряют по разному - зависит то производителя). От размера рамы пропорционально зависят размеры всех остальных составляющих рамы - как то длина верхней трубы, база и т.д. Основополагающий фактор при выборе велосипеда.

При выборе размера рамы велосипеда следует учитывать предполагаемый стиль катания - при агрессивном внедорожном стиле езды выбирать раму заниженную, при более спокойном и "дорожном" стиле - повыше. Так же выбор размера рамы зависит от индивидуальных пропорций человека (длинна ног, рук и т.д.).

Приблизительное соответствие размера рамы - росту велосипедиста (для разных производителей велосипедов может отличаться).

• 15" - ...-160см
• 17" - 160-175см
• 19" - 175-185см
• 20" - 180-190см
• более 20" - 190см и выше

Длина верхней трубы

Расстояние между центрами рулевой колонки и подседельного штыря, горизонтальная линия. Длинная верхняя труба дает большую стабильность и меньшую маневренность велосипеда. От длины трубы зависит посадка велосипедиста - более вертикальная - прогулочная или более гоизонтальная - гоночная.

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. Более короткие задние перья рамы обеспечивают большее сцепление заднего колеса с поверхностью почвы и большую маневренность велосипеда. Обычно длина задних перьев минимальна - насколько это возможно.

Подседельный угол

Угол между подседельной трубой и линией, параллельной земле. При малых углах(большой наклон трубы назад) вес велосипедиста смещается назад - обеспечивая лучшее сцепление, при более вертикальных углах - вес гонщика перемещается вперёд, обеспечивает лучшую посадку для силового педалирования.

Высота каретки или зазор

Расстояние между кареткой велосипеда и поверхностью почвы (дорожный просвет). 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.

Рулевой угол

Угол между рулевой колонкой и линией, параллельной земле. Большой угол(близкий к вертикали) обеспечивает лучшую маневренность велосипеда. Также зависит от хода вилки.

Зазор вилки

Расстояние между центром втулки переднего колеса и воображаемой линии, проведенной через рулевую колонку, горизонтальная линия. Это характеристика вилки, а не рамы, но в комбинации с рулевым углом и длиной выноса, влияет на маневренность велосипеда. Меньший зазор - обеспечивает лучшую маневренность.

Уход вилки

Расстояние между точкой соприкосновения переднего колеса до точки соприкосновения с землёй воображаемой линии, проведённой через рулевую колонку. Меньший уход - обеспечивает лучшую маневренность. Зависит от сжатия передней и хода вилки.

Типы велосипедных рам

Стальные рамы

В зависимости от уровня и назначения, трубы самих рам и вилок могут изготавливаться как из обычных конструкционных низкоуглеродистых сталей, так и из высоколегированных сталей с высоким содержанием хрома, молибдена, кобальта и др. 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 и достаточно большой вес. Не предназначены для экстремальных нагрузок. Такая технология позволяет делать рамы из труб большего, чем обычно принято, диаметра порой такие рамы имеют не круглую форму (эллипс, прямоугольник и т.п.) Массивный внешний вид в купе с яркой окраской привлекает массового покупателя, который думает, что чем толще диаметр труб рамы, тем она прочнее. Это не так. Умнее трубы круглого сечения никто не придумал (хотя попытки были). Как известно труба круглого сечения воспринимает нагрузки во всех направлениях одинаково. Например, труба эллиптического сечения имеет продольную жесткость на 25% выше, а поперечную на 12% меньше, чем у тубы круглого сечения. Соответственно, рама из некруглых труб имеет низкую живучесть, так как при пиковых поперечных нагрузках она может «сложиться». Так же надо отметить что, как правило, трубы из высоколегированных сталей – это бесшовный прокат, а прокатать трубу некруглого сечения технологически сложнее.

Рамы и вилки для действительно высококлассных машин, точнее сказать, трубы их составляющие, имеют баттинг (англ. BUTTED). 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 и задней нижней части цепной вилки. В середине трубы имеем меньшую нагрузку. Это позволяет сделать толщину стенок переменной, т.е. толще в местах высокой нагрузки и тоньше в других. Так же удается значительно снизить вес самой рамы. Хромомолибденовая рама с четверным баттингом по весу сравнима с рамой среднего класса, сделанной из алюминиевого сплава. Внутри баттированых труб могут находиться различные усиливающие спирали (типа нарезов в стволе винтовки), что открывает дополнительные возможности по прочности. Так же нужно знать, что рама из хорошей стали может служить десятки лет и всегда предупреждает вас о возможных неприятностях: сначала появятся усталостные трещины и только потом через некоторое время она сломается. Трещину всегда можно заметить при наружном визуальном осмотре. Стальную раму легко отремонтировать.

Кстати, первые бесшовные стальные рамы с трубами переменного сечения стали применяться с 1935 года.

Стальные рамы различают по способу сборки. Самая распространенная сегодня технология сварки недорогих рам из дешевых сталей – клеено-сварная. Суть ее в том, что предварительно обработанные механическим путем концы труб обрабатываются токопроводным клей-флюсом и на предварительно собранную раму, находящуюся на специальном стапеле подается напряжение. Возникающая при этом электрическая дуга расплавляет концы труб, и мы получаем конструкцию типа «монококк». Такие рамы «пекут как блины», и стоят они крайне дешево. Прочность соответствующая. Такие рамы применяются в дорожных велосипедах и недорогих ATB. Классическая схема узловой паянной, серебряными припоями, сборки встречается не часто и, как правило, это рамы «HAND MADE» ручной сборки и стоят они достаточно дорого, хотя данная технология на сегодняшний день считается устаревшей.

Самое широкое распространение получила технология сварки японской компании «TANGE». Эта технология напоминает отечественную углекислотную сварку, хотя имеет существенные отличия. Такая технология позволяет собрать безузловую раму по схеме «монококк», имеющую высокую надежность двусторонних сварных швов. Вкупе с хорошо баттированными стальными трубами, получается легкая и прочная рама. Существует не так много фирм производящих качественные легированные бесшовные (и шовные в том числе) трубы для производства рам. Запомните их названия: «REINOLDS» (США); «COLUMBUS» (Италия); «VITUS PRESTIGE» (Франция); «TRUE TEMPER» (США); «ORIA» (Малайзия); «TANGE» (Япония) и др.

Каждая фирма имеет свое клеймо, которое после сварки и покраски наклеивается на подседельной или наклонной трубе и несет информацию о материале труб, их внутреннему профилю и назначению готовой рамы. Для всех видов стали характерен высокий модуль упругости. Эта величина в три раза больше, чем у алюминия и в два раза больше, по сравнению с титаном. Большой модуль упругости в сочетании с высокой прочностью материала позволяет создавать легкие и, в то же время, жесткие конструкции рам. Хорошая хромомолибденовая рама имеет высокий накат, но на поворотах слегка изгибается, помогая седоку обогнуть препятствие. Также сталь хорошо гасит вибрацию. Можно отметить, что эра амортизаторов обязана своим расцветом массовому переходу в производстве рам со стали на алюминий.

С появлением технологии гидроформовки бесшовных труб производителям хромомолибденовых рам удалось создать настоящие шедевры. На сегодняшний день одним из лидеров в производстве таких рам остается американская компания MARIN CALIFORNIA, изготавливающая свои рамы из итальянских труб фирмы COLUMBUS. Стоимость подобных рам от 250$.

Рамы из алюминиевых сплавов.

Современный материал, каким является алюминий, был освоен для промышленной переработки еще в 1886 году, но тогда никто даже не думал о том, чтобы из него изготавливать велосипедные рамы или их детали. Сегодня, после появления широкого спектра алюминиевых сплавов и их триумфа в авиации и космонавтике, этот материал уже нельзя исключить из производства велосипедов. Даже самый простой велосипед со стальной рамой и вилкой имеет алюминиевые детали: ободья, тормоза, рулевую колонку, вынос руля, переключатели, втулки колес и т.п. Доля алюминия в общей массе велосипеда составляет до 30 %. А если из алюминиевого сплава изготовлены рама и вилка, тогда его доля в общей массе составляет 70% и более. В отличие от стальных, алюминиевые трубы для производства велосипедных рам имеют больший наружный диаметр и большую толщину стенок. Это обусловлено другими прочностными характеристиками данного материала. Алюминиевые сплавы - не дорогой материал и позволяет делать прочные и легкие рамы. Однако срок службы алюминиевых сплавов ограничен (около 10 лет). С течением времени прочность теряется и такая рама может сломаться внезапно.

Достаточно редко из алюминиевых сплавов делаются вилки. Обычно передняя вилка на алюминиевых рамах - стальная с двойным или тройным баттингом. Это обусловлено прочностью самого исходного материала. Вилка подвержена колоссальным вибрациям и вероятность разрушения алюминиевой вилки выше, чем стальной. Также нужно знать, что алюминий требует специального покрытия, иначе он очень быстро коррозирует.

Главное отличие алюминиевых рам от стальных - их более высокая жесткость. Энергия седока полнее передается в поступательном движении, т.е. сама рама поглощает меньше энергии. Ездок ногами буквально «чувствует» поверхность земли, что позволяет ему управлять сцеплением заднего колеса с дорогой и заезжать в крутые подъемы. Однако вибрация от поверхности передается через раму седоку и делает езду менее комфортной. Поэтому алюминиевые рамы не рекомендуются людям с весом менее 70 кг и обязательно нуждаются в передней амортизационной вилке.

Из положительных качеств алюминиевых рам – их агрессивность – создается впечатление, что байк начинает разгоняться сразу, как только вы начинаете давить на педали, но зато сразу (!) прекращает движение, как только вы крутить перестаете. Как говорят велосипедисты – профи – рама «тупит». Стальные рамы таких недостатков не имеют.

При выборе алюминиевой рамы нужно помнить еще об одном моменте: стальная рама «облизывает» неровности дороги и «пишет» повороты – то есть изгибается соответствующим образом в нужном направлении, что помогает в управлении байком. Алюминиевая рама, в свою очередь, ошибок не прощает – требует точного владения велосипедом, умения выбрать нужную передачу и виртуозного владения тормозной системой.

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 жесткость материала. То есть в два раза более жесткий материал дает в конечном итоге «только» двойную жесткость трубы. Фокус заключается в том, что, уменьшая до разумного, толщину стенок трубы, одновременно увеличивают ее диаметр так, чтобы она стала настолько жесткой, как этого требуют технические стандарты и настолько легкой, насколько это возможно. Именно алюминий позволяет сделать это 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. Стальные трубы просто не выдерживают конкуренции. Даже если увеличить их диаметр для повышения жесткости, то придется радикально уменьшить толщину стенок до состояния фольги, чтобы сохранить весовые характеристики. Но нижняя граница толщины стенки стальной трубы лежит в пределах 0,4 мм и дальнейшее уменьшение стенок резко повышает опасность вмятин. При этом стальные трубы все равно останутся заметно тяжелее, чем алюминиевые, обладающие такой же жесткостью.

Теперь поговорим об алюминиевых сплавах, применяемых в велостроении и их некоторых 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. Так, например, 1000-ная серия будет состоять из чистого алюминия и обладать небольшой прочностью и жесткостью. 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. Сплавы 6000-й и 7000-й серий хорошо свариваются, а сплавы 5000-й серии требуют более сложной технологии сварки.

Теперь поговорим об основных характеристиках алюминия, влияющих на выбор того или иного сплава при конструировании необходимого изделия. Предельная прочность характеризуется давлением, необходимым для доведения материала до его предела прочности. За рубежом эта величина исчисляется в тысячах фунтов на квадратный дюйм. (ksi). Например, 35 ksi. Предел текучести – это количество силы, необходимое для деформации материала. Также исчисляется в ksi. Предел прочности может быть выше предела текучести, но предел текучести является более важным фактором в случае велостроения. Модуль упругости – величина, характеризующая упругие свойства материала, также исчисляющаяся в ksi. Важно помнить, что практически все сплавы алюминия имеют почти одинаковую жесткость. Удлинение (относительное удлинение при разрыве) – выражается в процентах. Представьте себе конфету «тянучку». По мере того, как Вы тянете ее за разные концы, центральная часть «тянучки» становится длиннее и тоньше перед тем, как разорваться. То есть удлинение – это процент, на который удлиняется материал перед разрывом. Разумеется, существуют и другие характеристики материала, но вышеперечисленные представляют собой наибольший интерес при выборе алюминиевого сплава.

Какой же сплав выбрать? На первый взгляд покажется, что лучше всего было бы выбрать сплав по его пределу текучести. Но у нас должна быть возможность заменить трубу рамы в случае ее повреждения. То есть желательно, чтобы материал можно было сварить. И перед тем, как мы при выборе сплава обратим внимание на его прочность, обязательно принимается во внимание его текучесть и жесткость, которыми измеряется способность материала к обратной трансформации. Стекло, например, довольно жесткое, но оно, как нетрудно догадаться, не будет представлять собой хороший материал для рамы велосипеда из-за своей хрупкости. Рамы должны изготавливаться из достаточно гибкого материала. Также нужно принять во внимание следующий фактор: порог текучести стали в пять раз выше, чем у большинства алюминиевых сплавов. Кроме того, сталь является более гибким материалом (в три раза по сравнению с алюминием).

Так зачем нам нужен алюминий? Почему все рамы не делают из стали? А дело в том, что по столь небольшому числу характеристик, которые мы попытались рассмотреть, нельзя однозначно судить о материале. И мы забыли некоторые другие аспекты, кроме физических и механических характеристик материала. Необходимо принять в расчет конструкцию и дизайн велосипедов. Это понятие включает в себя геометрию (диаметр труб, толщину стенок) и некоторые другие аспекты конечного вида изделия. Инженеры заинтересованы в качественном сплаве, поскольку только с ним посредством дизайна они могут использовать все преимущества материала. Изменяя диаметр трубы, можно повлиять на ее прочность и жесткость. Большие диаметры увеличивают прочность и жесткость трубы. Выносливость материала можно улучшить, экспериментируя с толщиной стенок и их формой. У алюминия порог текучести ниже, чем у стали, но при правильном конструктивном подходе, алюминий является более подходящим материалом, потому что обладает лучшим значением отношения прочности к весу. Если инженер хорошо знает особенности того или иного сплава, рама или компонент могут быть сконструированы с максимальной прочностью, упругостью и минимальной вероятностью деформации.

В борьбе за оптимальный вид изделия, следует учитывать важнейшую роль дизайна. Решающим фактором для покупателя может оказаться более «возбуждающее» действие толстых алюминиевых труб в сравнении с тонкими стальными. В любом случае, выбор будет за Вами.

Одним из мировых лидеров по производству рам из алюминиевых сплавов является американская фирма CANNONDALE (с 1977 г.). Рамы изготовлены из сплавов, марка которых держится в строжайшем секрете, и в процессе изготовления подвергаются специальной термической обработке, которая увеличивает срок службы материала. Можно предположить, что это сплавы с высоким содержанием скандия. На такие рамы фирма дает пожизненную гарантию. В отличие от других фирм производителей алюминиевых рам у CANNONDALE все сварные швы зашлифованы (причем вручную). Это дает дополнительный выигрыш во внешней эстетике рам.

Последнее достижение производства алюминиевых рам – это применение технологии гидроформовки. Вкратце, технологический процесс гидроформирования выглядит примерно так: создается металлическая форма, в которую вставляются обычные круглые алюминиевые трубы. В алюминиевую трубу закачивается горячее масло под высоким давлением, в результате, алюминиевая труба принимает профиль самой формы. Раньше, чтобы увеличить сечение трубы в местах наибольшего напряжения использовали сварку – к этому месту приваривали еще кусок алюминия для прочности. Теперь, с помощью способа гидроформовки алюминиевая труба может иметь любое сечение, включая квадратное. Это заметно повышает надежность конструкции ввиду отсутствия лишних сварных швов.

Кроме CANNONDALE из продвинутых производителей алюминиевых рам на Российском внутреннем рынке активно продвигают свою продукцию следующие фирмы: GT (США), WHELLER (Германия), TREK (США), MARIN (США), GIANT (Тайвань) и SCOTT (США).

Тем не менее, на сегодняшний день в среднем ценовом диапазоне именно алюминиевые рамы являются наиболее разумным выбором для новичка.

Рамы из титановых сплавов.

Встречаются реже, чем вышерассмотренные, ввиду их высокой стоимости. Хотя титан - самый 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, изделия из этих сплавов 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 1200-1500 гр. Титановые трубы имеют на 50% меньшую плотность, чем стальные, и, в то же время, имеют запас прочности, позволяющий пережить любой другой материал. Примерно так же, как и при использовании алюминиевых сплавов хороших результатов можно добиться только при увеличении диаметра труб с одновременным уменьшением толщины стенок. Более гибкий, чем сталь, титан обеспечивает мягкую и комфортную езду, отлично гасит вибрацию, хорошо изгибается в нужном направлении, что позволяет точно «писать» углы при поворотах. Хорошо сделанная титановая рама может служить очень долго. Но в этом главная проблема.

Для производства титановых рам требуются сложные и точно соблюдаемые технологии, которые позволят сделать раму с заданными свойствами. При малейшем нарушении технологии многие преимущества титанового сплава можно потерять. Сразу надо отметить, что титановая рама – выбор элиты. Если один раз сядете на титановый байк вряд ли после этого захотите ездить на чем-либо другом – если только вы любитель экстремальной жесткости и вам плевать на поглощение энергии. Титановый байк помогает ехать, а также прыгать и поворачивать. Он как бы облизывает все неровности почвы. Он “прощает” ошибки в управлении. На сегодняшний день инженеры рассчитали титановые трубы так, что толщина стенок в каждой отдельно взятой точке разная, тем самым, обеспечивая и жесткость рамы и, в то же время, гасит удар и поглощает вибрации. Подобные вещи очень часто покупают не в виде велосипедов, а именно в виде рамы, так как на такой раме многим не хочется лицезреть серийные компоненты – вместо этого тянет повесить HI-END компоненты, нечто эксклюзивное и собрать Велосипед Мечты.

Композитые рамы.

Как правило, это рамы, изготовленные с применением карбона (углепластика). Углепластик обладает чрезвычайно высокими механическими свойствами. При небольшом удельном весе в 1,76 гр/см3, он в 5 раз легче стали и заметно легче алюминия, удельный вес которого 2,7 гр/см3. Композитная труба изготавливается примерно следующим образом: из нитей фибергласса, кевлара, карбона, угольной нити специальная машина на оправке в 68 ниток сплетает трубчатый чулок, который пропитывается компаунд-смолами и спекается при температуре 800 градусов Цельсия. В зависимости от сочетания количества тех или иных нитей, можно создать различные виды углепластика, превосходящие жесткость стали в три раза, а прочность в семь раз. И все это в сочетании с очень высокими показателями устойчивости к действию вибрации. После механической обработки полученные трубы с помощью металлокерамических клеев приклеиваются к алюминиевым или титановым узлам. Опять же, готовое изделие проходит термическую обработку. При одном и том же внешнем виде углепластиковых рам инженеры могут изменить уровень жесткости и эластичности при помощи использования различного типа карбонового волокна и разнонаправленных слоев и целых плетеных кусков. Как результат - необыкновенная жесткость и прочность, отличное поглощение вибрации, которые могут быть соединены воедино лучше, чем в любом известном металле. В результате сочетания карбоновых волокон с биовальным профилем и полностью карбоновыми соединительными муфтами удалось воплотить в жизнь монококовую конструкцию рамы, которая сочетает в себе высочайшую вертикальную упругость с отличной поперечной жесткостью. Единственное, что можно обсуждать – это стоимость. Карбон требует дорогостоящего, долговременного, специализированного процесса и ручного высококвалифицированного труда. Увы, но карбоновые рамы никогда не станут товаром массового производства. Но если Ваше желание обладать максимально совершенным байком значит куда больше, чем их огромная стоимость, то Вам дано оценить тот прекрасный результат и стать обладателем продукта самых высоких технологий.

Рамы из «экзотических сплавов»

Как правило, это рамы из бериллия. Превосходя титан, алюминий, композит по весу и прочности во много раз превосходит их по стоимости. Рама из бериллия стоит 5000-6000$.