Este foarte ușor, dar și extrem de fragil.

Găsirea materialului potrivit pentru un cadru de bicicletă este extrem de dificilă. Pentru că ce se înțelege prin „corect”? De fapt, nu există un răspuns la această întrebare. Deoarece numărul de opinii diferite despre materialele cadrului și metodele de construcție este aproximativ același cu numărul de persoane care merg cu bicicleta. Acest articol este destinat să ofere o introducere în contextul tehnic, să explice câțiva termeni tehnici și să introducă cele mai comune materiale de cadru.

Pentru a putea compara diferitele materiale în mod obiectiv, trebuie să introduceți anumite criterii pentru a face posibilă o comparație. În revistele de ciclism, de exemplu. vorbiți întotdeauna despre rezistența la tracțiune. Voi explica acum aceste și alte valori.

Pentru a putea examina rezistența unui material, a fost inventat testul de tracțiune. Numele spune de fapt despre ce este vorba. O probă (adesea cilindrică) este separată la ambele capete până când se lovește. Mașina de testat construită în acest scop măsoară forța necesară pentru a rupe proba. Deoarece fiecare material se deformează până se rupe, deformarea este, de asemenea, măsurată continuu. Dacă acum creez o diagramă cu aceste valori, arată, de exemplu. așa: (Calea este de obicei trasată pe axa x, forța pe axa y.)

extrem

Din diagramă se poate citi acum că deformarea elastică (adică că nu rămâne nici o deformare permanentă) se extinde doar până la punctul de randament. Când se atinge rezistența la tracțiune, materialul s-a deformat deja enorm, ceea ce este destul de nedorit. Rezistența la tracțiune este, prin urmare, mai mult de o importanță teoretică și este puțin utilă pentru construcție. Unitatea de rezistență la tracțiune și punctul de curgere este o simplă considerație. Proba este separată cu o anumită forță, o tensiune acționează asupra materialului. Forța este dată în Newtons (N). (Un kilogram este 9.81N.) Pentru a obține o comparație validă, trebuie să iau în considerare forța din secțiunea transversală. (= Tension) Deci: N/mmІ este unitatea de rezistență la tracțiune sau punctul de curgere. După atingerea rezistenței la tracțiune, se observă o scădere a forței sau a tensiunii. De ce? Secțiunea transversală a probei este redusă la un anumit punct. (= Constricție) Tensiunea pe secțiune continuă să crească, dar din moment ce aceasta devine din ce în ce mai mică, forța necesară pentru deformarea specimenului devine din ce în ce mai mică.

Acum știm ce poate rezista materialul la maximum și când începe să se deformeze definitiv. (= din punctul de randament). Dacă măsurăm alungirea după rupere, știm și cât de dur este materialul. Această valoare se numește alungire la rupere (A) și este dată ca procent din lungimea inițială. Această valoare este, de asemenea, importantă, deoarece este esențială pentru siguranță în caz de suprasarcină. O valoare ridicată asigură faptul că de ex. un ghidon nu se rupe atunci când este supraîncărcat, ci se deformează (permanent). Acest lucru distruge și ghidonul, dar evită o cădere gravă.

Un lucru care este încă foarte important pentru un cadru lipsește încă: rigiditatea, cunoscută în tehnologie sub denumirea de modulul de elasticitate (modulul E pe scurt), care poate fi determinat și din testul de tracțiune. Rigiditatea este o măsură a devierii unui material sub o sarcină. Modulul de elasticitate este dependent de material, dar aproape independent de aliaj. O bară din cel mai ieftin oțel structural este, prin urmare, la fel de rigidă ca o bară din oțel de scule de înaltă calitate, cu aceleași dimensiuni!

Tensiunea este forța de tracțiune legată de secțiunea transversală inițială în fiecare moment al testului de tracțiune. Rezistența la tracțiune este tensiunea care rezultă din forța maximă de tracțiune legată de secțiunea transversală inițială. Punctul de curgere este tensiunea la care forța de întindere rămâne aceeași sau scade pentru prima dată odată cu creșterea alungirii. Alungirea este creșterea în raport cu lungimea inițială. Rigiditatea, modulul de elasticitate, depinde doar de material, dar nu și de aliaj.

Cerințe pentru materialul cadrului - ce proprietăți materiale sunt importante pentru un cadru de bicicletă?

Rigiditate: Rigiditatea unui cadru este probabil una dintre cele mai importante cantități. Cum pot crește acum rigiditatea? Pe de o parte, pot folosi un material inerent foarte rigid, ceea ce înseamnă că are un modul ridicat de elasticitate. Dintre metalele care sunt potrivite pentru un cadru de bicicletă, oțelul are probabil cel mai înalt modul de elasticitate, deci este cel mai rigid material. Factorul decisiv pentru rigiditatea unei țevi nu este materialul (modulul de elasticitate), ci diametrul. La calcularea rigidității unei țevi, diametrului i se dă puterea de trei. modulul de elasticitate este doar liniar. De aceea, cadrele din aluminiu sunt semnificativ mai rigide decât cele din oțel. Densitatea redusă a aluminiului permite umflarea tuburilor pentru a crește rigiditatea. Dar de ce nu pot face o țeavă de oțel la fel de groasă? Motivul este că atunci ar trebui să reduc radical grosimea peretelui, riscul apariției unei cuperi ar fi prea mare. (= Cola poate efectua).

Putere: Rezistența unui cadru este de obicei suficient de mare, întrucât cadrul clasic cu diamante este deja optimizat din punct de vedere al rezistenței. Desigur, supraîncărcarea poate duce în continuare la eșec. Pentru un cadru stabil, este important să utilizați forma de diamant, tranzițiile curgătoare și câteva vârfuri de stres, adică sudurile curate fără crestături și trepte, precum și utilizarea sensibilă a plăcilor de armare și utilizarea elasticității naturale a materialului și a construcției.

Nu există cadru care să reziste la toate. Dacă apare o supraîncărcare - în principal din cauza erorilor de conducere - o componentă trebuie să cedeze. Atâta timp cât acest lucru se întâmplă în gama elastică, șoferul nu va observa acest lucru. Cu toate acestea, dacă o componentă cedează plastic, adică se deformează, componenta este deteriorată. Crăpăturile sunt proaste, desigur, care apar mai des atunci când se folosește un material cu rezistență redusă sau componentul a fost deteriorat anterior, de ex. datorită sudurilor defectuoase, procesării defectuoase, construcției incorecte, lovituri sau găuri. „Defectul material” tipic este practic inexistent. Toate materialele utilizate în construcția cadrului pot fi considerate ca fiind lipsite de defecte.

Rezistența la oboseală: Pentru cadrele de biciclete practic fără importanță, dar explicate pe scurt: Toate metalele își pierd în mod continuu rezistența din cauza deteriorării suprafeței - microfisuri. Numai oțelul este considerat a fi rezistența la oboseală, deoarece oțelul nu își mai poate pierde rezistența după un anumit număr de schimbări de sarcină, dar toate celelalte metale pot. Acest număr de modificări ale sarcinii se numește limită de oboseală. Cu toate acestea, este atât de mare încât nici măcar nu este interesant pentru piloții de curse.

ușor

Greutate: Atunci când alegeți un cadru, bunul simț este foarte important în acest sens. Greutatea incredibilă a cadrelor de 1300g și mai puțin necesită o revizuire. Trebuie să aveți întotdeauna în vedere următoarele: 1. Producătorii gătesc numai cu apă. 2. Vrăjitoria nu există. 3. Umpluturile cu heliu aduc maximum 10 grame și, prin urmare, nu reușesc.;-)

Fiecare gram mai puțin costă, de obicei, rigiditate sau rezistență sau ambele. Greutăți utile pentru curse XC (MTB Hardtail, RH: 48cm, aprox.): Oțel: 1900-2000gr, aluminiu: 1800-1900gr; Titan: 1600-1800gr, carbon (în funcție de construcție): 1500-1800gr

Protectie anticoroziva: Așa cum sunt cadrele din aluminiu frumos lustruite: necesită multă îngrijire, deoarece apa sărată sub formă de transpirație, băuturi izotonice, răspândirea sării etc. atacă și slăbește materialul. (Notă laterală: AL-7075, care nu este utilizat în construcția cadrului, trebuie protejat.) Prin urmare, este necesar un tratament de suprafață. Anodizarea este foarte plăcută și funcțională, dar are două dezavantaje: 1. Este foarte dăunătoare mediului. 2. Pretratarea chimică corozivă (decapare) trebuie îndepărtată complet (într-adevăr complet), deoarece rezistența suferă. După cum se știe, oțelul ruginește, deci trebuie protejat. Pentru ambele materiale, oțel și aluminiu, acoperirea cu pulbere este cea mai sensibilă opțiune. Titanul este rezistent la coroziune și nu necesită niciun tratament de suprafață. Cadrele din carbon ar trebui să aibă cel puțin un lac transparent, deoarece matricea din plastic îi place să absoarbă apa și astfel își pierde puțin din rezistență.

Alungirea la rupere și rezistența la impact: La ce folosește cel mai ferm și mai rigid cadru dacă este rupt după cădere? Ramele din carbon au o problemă reală: Datorită elasticității reduse a acestui material, un cadru din carbon se rupe foarte ușor atunci când este lovit, deși este suficient de puternic din punct de vedere al rezistenței și rigidității! Acest lucru poate fi atenuat de dimensiuni mai mari sau prin încorporarea de fibre mai dure (Kevlar®).

Cum trebuie construit un cadru? Aceasta este, desigur, și o chestiune de gust, vreau doar să descriu caracteristicile importante care fac un cadru bun.

Amplificare finală a tuburilor cadrului: La capetele (îmbinările) tuburilor este necesar să aveți mai multă rezistență decât la mijloc. De aceea, tuburile cadrului sunt întărite la capete. Acest lucru este adesea denumit în mod incorect ca butting. Echipamentele, șanțurile etc. nu trebuie să fie în afara armăturilor. Cel mai rău ar fi un șanț care se află exact la trecerea de la armare la partea subțire din mijloc. Cadrul ar fi atunci mai puțin stabil decât fără o gusset!

Fesă: Conificarea înseamnă că țeava este conică, adică schimbări de diametru. Utilizați de ex. pe spate stă. Cu țevi de oțel și aluminiu, armătura și buttingul final pot fi de asemenea combinate, cu titanul acesta nu este (încă) utilizat din motive de cost.

Dimensionarea țevii: După cum sa menționat deja, rigiditatea crește odată cu a treia putere a diametrului țevii. Prin urmare, este logic doar să creșteți diametrul țevii. Limitele pentru aceasta sunt în grosimea peretelui țevii. - Pericol de flambaj vezi punctul următor. Cea mai bună secțiune a țevii este de obicei o țeavă circulară. Secțiunile transversale dreptunghiulare nu au avantaje, sunt adesea mai grave și mai grele și sunt folosite doar ca „îmbunătățire” optică. Numai dacă prevalează anumite direcții de forță și sarcini, poate avea sens să ovalizați conducta acolo.

Pericol de flambaj: Dacă rezumați caracteristicile de design menționate până acum, ați crede că o țeavă foarte groasă cu un perete subțire ar fi cea mai bună alegere. Cu toate acestea, țevile groase, cu pereți subțiri, pot fi ușor danturate - Coca-Cola poate afecta. Prin urmare, trebuie să aveți grijă ca grosimile peretelui țevii să nu fie prea mici. Pentru călăreții care doresc să fie în siguranță într-o toamnă, se recomandă următorul test: Așezați ambele mâini pe tubul superior, apăsați pe un loc cu ambele degete. Observați reflexia luminii a tubului: Dacă lumina reflectată descrie un arc, înseamnă că tubul este deformat sub presiunea degetului mare. Se poate presupune că țeava a fost proiectată cu o grosime redusă a peretelui și este sensibilă la lovituri.

Desigur, asta a fost doar o fracțiune din ceea ce se poate spune despre cadre. Aș vrea să menționez încă un lucru: test drive absolut! Subiectul cadrelor este atât de complex încât este imposibil să se judece caracteristicile de manipulare ale cadrului doar de la aspectul său. S-ar putea filosofa ore întregi doar despre geometriile cadrului.

Cel mai bun lucru de făcut ar fi să împrumutați diferite rame realizate din materiale diferite și, astfel, să vă înșurubați pe un teren familiar, dar dificil. Desigur, acest lucru nu este întotdeauna posibil, căruia îi place să ofere un cadru bun?

Diversele materiale în formă prescurtată

Oțelul este probabil cel mai utilizat material. Oțelul este disponibil în mai multe aliaje diferite. Aliajele de crom-molibden, cum ar fi 25CrMo4 (în SUA 4130) și foarte rar 34CrMo4 (US 4135), care au o rezistență ușor mai mare, sunt frecvente în construcția cadrului. Oțelurile inoxidabile sunt, de asemenea, rareori găsite. Producătorii de tuburi cu cadru din oțel includ: Tange, Reynolds, True Temper, Columbus. Un singur producător german (Potte & Potthoff) oferă tuburi cu cadru inox.

Avantajele oțelului în rezumat:

  • putere mare
  • rigiditate mare
  • foarte dur
  • Ușor de procesat
  • materie primă ieftină
  • ușor de reciclat

dezavantaj

  • densitate mare (grea)
  • Este necesară protecția împotriva coroziunii
  • Datorită rezistenței ridicate, se produc grosimi foarte mici ale pereților, ceea ce crește riscul de flambaj

beneficii

  • densitate scazuta
  • ușor de reciclat

dezavantaj

  • ceva mai greu de lucrat cu oțelul
  • Este necesară protecția împotriva coroziunii
  • Este necesară multă energie în producție (mediu)
  • cu risc de fisurare din cauza alungirii inferioare la rupere

beneficii

  • foarte puternic
  • încă densitate scăzută
  • absolut rezistent la coroziune
  • optică nobilă

dezavantaj

  • scump
  • greu de lucrat
  • modulul inferior de elasticitate ar trebui compensat prin construcție
  • necesită multă energie pentru fabricare

Când se menționează magneziu, este întotdeauna aliaje de magneziu-aluminiu. Magneziul (pe bună dreptate) nu este utilizat deloc sau doar foarte rar ca material de cadru. Este foarte ușor, dar și extrem de fragil. Poate fi rulat doar într-o măsură foarte limitată, astfel încât producția de țevi este aproape imposibilă. Mai mult, magneziul trebuie să fie deosebit de bine protejat împotriva coroziunii. Magneziul este utilizat doar sporadic în sectorul bicicletelor, cu excepția furcilor cu suspensie, unde tuburile de imersiune sunt adesea turnate din acest material. Cu toate acestea, gradul ridicat de fragilitate a magneziului este, de asemenea, o problemă ca parte finită. Acest material se rupe fără deformare, adică fără avertisment. În special, căderile în furculițele cu suspensie trebuie, în primul rând, să fie supradimensionate și apoi să fie turnate foarte atent.

beneficii

  • densitate scazuta
  • ceva mai ieftin decât aliajele de aluminiu

dezavantaj

  • foarte fragil
  • Nu poate fi procesat în țevi (este posibilă doar turnarea)
  • nu poate fi sudat
  • foarte sensibil la coroziune

Materialul beriliu are doar o importanță teoretică. Ar fi absolut cel mai ideal material dintre metale. Beriliul are densitatea unei fibre de carbon (foarte ușoară!) Rezistența Ti3Al2.5V și rigiditatea oțelului. Nu este fascinant? De ce acest material nu este utilizat din ce în ce mai mult? În primul rând, este destul de scump, costă puțin mai mult decât fibra de carbon de înaltă calitate. De asemenea, este otrăvitor. Acest lucru mărește costurile de procesare (sănătatea și securitatea muncii) și face necesar un tratament de suprafață bun. În plus, este greu să lucrezi cu. Întărirea sau întărirea capătului nici măcar nu este menționată, iar sudarea nu este încă posibilă, beriliu trebuie lipit în manșoane (în mare parte din aluminiu).

beneficii

  • foarte usor
  • rigiditate mare
  • putere bună

dezavantaj

  • Groaznic
  • toxic
  • greu de lucrat

Carbon, materiale plastice armate cu fibră de carbon, CFRP

Notă: Acest principiu al minimizării stresului se aplică peste tot și cu fiecare material. Acesta este motivul pentru care seturile de manivele măcinate (de ex.), În formă de fermă, au sens doar într-o vitrină ca obiect de expoziție.

Diferitele fibre de armare sunt utilizate în trei forme de bază: ca un fir sau un pachet de fibre paralele (rovings), ca țesături și împletituri în diferitele lor forme și ca covorase nedirecționale sau fibre aleatorii (numai fibre de sticlă). În plus față de rovings menționate, există și fire și fire care sunt create prin răsucirea firelor individuale sau multiple de filare. Răsucirea creează un fir rezistent, strâns legat, care poate fi prelucrat cu ușurință într-un material textil (de exemplu, țesutul). Rovings: Suvitele sau fasciculele de fibre paralele se numesc rovings sau, dacă sunt relativ subțiri, fire sau fire. Fibrele individuale din interiorul unui filet sau filet, care au un diametru de aproximativ 5-15 µm pentru sticlă, aproximativ 7-10 µm pentru carbon și aproximativ 12 µm pentru Kevlar®, se numesc fibre elemente sau filamente. Numărul de filamente indică grosimea sau greutatea pe metru a învelișului sau a firului.

Fibrele de carbon sunt disponibile într-o mare varietate de modele și calități. În construcția cadrelor se folosesc de obicei clase de calitate inferioară, deoarece fibrele de carbon de înaltă rezistență cu aproximativ 3000 ATS/kg sunt pur și simplu prea scumpe. Dar chiar și fibrele de carbon cu rezistență normală sunt încă foarte atractive datorită densității lor scăzute. Fibrele de carbon sunt foarte fragile, deci cadrele sau alte componente sunt, de exemplu. Fibrele de aramidă (= Kevlar®) adăugate la ghidon, care au o alungire mai mare la rupere și, prin urmare, nu se rup imediat.

beneficii

  • foarte puternic
  • rigid
  • ușoară
  • aspect atractiv

dezavantaj

  • foarte fragil
  • scump
  • greu de procesat
  • greu de dimensionat

Fibrele de aramidă sunt amestecate cu fibre de carbon pentru a crește rezistența la rupere și rezistența la impact a componentei. Fibrele aramide pot fi recunoscute prin culoarea lor galbenă. Ca material de cadru, aceste fibre nu sunt foarte atractive datorită raportului preț/rezistență.

Metal Matrix Composite, MMC

Acest material aparține de fapt aluminiului, dar și materialelor armate cu fibre. Pur și simplu pentru că fibrele sau particulele sunt introduse într-o matrice de aluminiu pentru armare. În urmă cu câțiva ani, două companii și-au prezentat produsele: Spezializate cu un cadru armat cu particule (particule de oxid de aluminiu), Univega cu un vehicul armat cu fibre de bor. Rezistența aluminiului este cu greu îmbunătățită, dar rigiditatea este îmbunătățită cu până la 30%, conform producătorului. Cu toate acestea, aceste cadre au dispărut din nou de pe piață.

beneficii

  • densitate mică (= aluminiu)
  • foarte rigid

dezavantaj

  • chiar mai greu de sudat decât aluminiul
  • nu reciclabil
  • altfel vezi aluminiu