|
Материал рамы и прочность
Автор выражает благодарность
Основные определения Основные определения(при чтении, конечно, можно пропустить)
Все нижепоименованные термины относятся к характеристикам МАТЕРИАЛА. Характеристики КОНСТРУКЦИИ, каковой является рама, при похожих названиях (прочность, жесткость, упругость, усталостная прочность), будут относиться к конструкции в целом, и могут быть одинаковыми или близкими для конструкций из разных материалов — к чему и стремятся, в принципе, конструкторы. Но при этом у конструкций будут существенно отличаться другие характеристики — например, вес, размеры труб, их форма, диаметр, толщина стенок и т.д. Какие основные свойства необходимы рамам для различных дисциплин?Шоссе — Рама должна обеспечивать как можно более быстрый разгон велосипеда при помощи мускульных усилий гонщика, устойчивость и управляемость. Рамы больших размеров.Самые очевидные требования — высокая жесткость, малый вес и хорошая аэродинамика. КК — Рама должна обеспечивать как можно более быстрый разгон велосипеда при помощи мускульных усилий райдера, устойчивость и управляемость в условиях пересеченной местности, выдерживать длительное воздействие циклических нагрузок. Используются амортизаторы. Возможны достаточно большие размеры рамы. Требования — высокая жесткость и малый вес. FR, downhill — Рама должна быть весьма прочной, выдерживать большое количество циклов нагружения с весьма высокими уровнями нагрузок. Вес играет меньшую роль. Размеры рамы — существенно меньше, чем для КК. Может использоваться конструкция с двумя амортизаторами — двухподвес. Используются передние амортизаторы с большим ходом. Жесткость также нужна, но может достигаться конструктивными решениями — либо монокок (сварная конструкция из половинок, штампованных из листа), либо маленький треугольник из толстых труб, как следствие — большая длина сварных швов. Основные требования — высокая прочность и долговечность. BMX, street, trial , dirt — маленькие по размеру рамы, выдерживающие высокие циклические ударные нагрузки. Вес большого значения не имеет, амортизатор либо отсутствует, либо жесткий с небольшим ходом. Упругость — будет не лишней, нужна высокая прочность и долговечность. На что влияют жесткость рамы и ее альтернатива — упругость?Упругая конструкция способна поглощать часть энергии нагрузки, прикладываемой к конструкции.Жесткая конструкция передает энергию нагрузки практически без потерь. Для случая скоростного спуска с горы некоторая упругость рамы может оказаться положительным качеством — часть энергии ударов, не поглощенная амортизаторами, будет поглощаться самой рамой, и райдеру достанется меньше. Но тут важно не перегнуть палку — иначе пострадает прочность или управляемость, так нужная DH на высокой скорости. Основное требование — высокая прочность и долговечность. Поэтому рамы DH обычно имеют либо монококовую констукцию, либо большую толщину стенок трубы, переменную по длине трубы геометрию (гидроформинг), и в данном случае необходим материал с высокой технологичностью — хорошо сваривающийся, легко поддающийся обработке давлением. Что касается рам для BMX, trial или street — упругость рамы тут скорее плюс, чем минус. Требования высокой прочности при небольших размерах рам делают сталь вполне оправданным выбором для таких рам. Теперь о КК-рамах. В КК, как ни в одной из других дисциплин (кроме шоссе) важно, чтобы усилия райдера при разгоне не расходовались на раскачивание и упругие деформации рамы — отсюда вывод о необходимости обеспечить раме максимальную жесткость. Необходим минимальный вес рамы — чтобы не везти в гору лишнее. С другой стороны, гонка идет по пересеченной местности, и все неровности трассы, не поглощенные амортизатором, прямо передаются жесткой рамой райдеру. И все же "накатистость" рамы обычно берет верх над неудобством жесткой рамы. Как вариант — двухподвесные рамы хитрой рычажной конструкции, обеспечивающей как поглощение ударов, так и неизменность расстояния между седлом и осью каретки, что минимизирует потери усилий райдера. Однако подобные конструкции требуют больше материала и также критичны к технологичности материала. Жесткость конструкции и жесткость материалаТеперь пара слов о жесткости конструкций, которую не следует путать с жесткостью материала.Одинаковой жесткости конструкции (то есть способности противостоять нагрузке, не деформируясь), можно добиться двумя путями:
Таким образом, из одного и того же материала получаются конструкции различной прочности и жесткости, и наоборот — одинаковой прочности и жесткости конструкции можно добиться при использовании различных материалов. Основное различие здесь — в весе. Как уже неоднократно отмечалось в различных статьях о велорамах, сталь — материал самый жесткий, самый прочный, но и самый тяжелый. Именно поэтому труба для стальной рамы будет небольшого диаметра (жесткость и так высока, прочность позволяет делать трубы тонкостенными, а большая плотность не дает увеличить диаметр трубы). В результате при нужной прочности и весе жесткость конструкции оказывается ниже, чем у столь же прочной алюминиевой конструкции подобного веса, особенно при равных размерах конструкций. Выбираем оптимальный материалИтак, одновременно легкую, прочную и весьма жесткую раму для КК логичней всего изготавливать из алюминиевого сплава, поскольку его удельные прочность и жесткость выше, чем у стали.Отдельно нужно отметить упругие КК-рамы из стальных сплавов Reynolds 631, Reynolds 853 — благодаря тому, что эти сплавы термоупрочняются (закаливаются) на воздухе (air-hardened), за счет равной прочности сварных швов с основным материалом удается построить легкую стальную КК-раму. Небольшим по размерам рамам для BMX вполне подойдет сталь — к тому же она дешевле и технологичней алюминия. Сравнительные характеристики алюминиевых сплавовВстает следующий вопрос — какой именно сплав алюминия выбрать для КК рамы?
Как видно из таблицы, свойства различных алюминиевых сплавов отличаются в довольно широких пределах. Из таблицы видно, что сплав 7005-T6 на 13% прочнее, чем 6061-T6, но 7075-T6 прочнее 6061 на целых 84.5%. Сравнение механических свойств сплавов 7005-T6 и 6061-T6 дает почти равные свойства при статическом нагружении (прочность 7005 немного выше) и характеристики относительного удлинения при разрыве (характеризует пластичность) 12% для 6061 и 13% для 7005. Характеристики твердости почти идентичны при одинаковой термообработке (процесс T6). Жесткость у 7005 и 7075 всего на 4% выше, чем у 6061 (жесткость характеризуется модулем упругости). Пара слов о долговечностиПоскольку нагрузки, действующие на раму велосипеда, в процессе эксплуатации многократно повторяются, причем с различной интенсивностью (кочки, корни, ямы, неровности асфальта, наконец, прыжки и спуск по лестницам), можно говорить о циклически повторяющихся нагрузках на раму.Опыт эксплуатации конструкций из алюминиевых сплавов на заре их применения (в авиационных и космических конструкциях) показал, что многократное повторение нагрузки, которая однократно не только не вызывает разрушения, но и сколь либо заметных упругих деформаций, после некоторого количества циклов приводит к появлению в конструкции трещин, а затем и кажущемуся внезапным разрушению. Данное явление получило название усталостного разрушения, а количество циклов нагружения, приводящее к разрушению — усталостной долговечностью. Также было замечено, что наличие в наиболее нагруженных частях конструкции местных изменений геометрии, отверстий, вмятин, трещин и сварных швов снижает долговечность конструкции в десятки, сотни, тысячи и более раз. Это явление получило название "локальная концентрация напряжений". Маленькое отверстие повышает напряжения около себя минимум в 2,5 раза, глубокая царапина — раз в 6. Трещина же вызывает локальное повышение напряжений практически до предела текучести — благодаря чему и растет — сначала медленно, потом все быстрее. Данное свойство алюминиевых сплавов побуждает конструкторов проектировать алюминиевые рамы таким образом, чтобы распределить напряжения в раме наиболее равномерно, для чего в местах сварных швов локально увеличивают толщину стенок трубы (баттинг), увеличивают строительную высоту сечения трубы в плоскости нагружения (переменное овальное сечение, увеличивающееся с возрастанием нагрузки — получают профилированием, гидроформингом или сваркой профиля из листа), используют усиление косынками или формированием треугольников из труб — как, например, на GT Avalanche. Надо заметить, что явление усталости также присуще и сталям, но в значительно меньшей мере — стали более долговечны и обладают пределом усталости — уровнем нагрузки, при непревышении которой усталостного разрушения не происходит при сколь угодно большом числе циклов нагружения. Однако и стальные рамы разрушаются от усталостных явлений. Характерные признаки усталостного разрушения — кажущееся беспричинным разрушение при весьма посредственных нагрузках в момент разрушения и характерный вид излома — на одном крае излома часть сечения как бы отполирована — это след роста усталостной трещины. Сравнение ограниченного предела усталости (на базе 500 млн. циклов) дает существенное расхождение в характеристиках рассматриваемых нами сплавов — 150МПа для 7005 и всего 96.5МПа для 6061. На практике это означает — если надо, чтобы две геометрически одинаковых рамы из разных сплавов сломались почти одновременно — через определенное количество прыжков (циклов нагружения), я б рекомендовал посадить на раму из 7005 седока в 1,5 раза более массивного, чем на раму из 6061. Это — повторяю — только в том случае, если рамы геометрически абсолютно идентичны, включая отверстия, сварные швы и т.д. Отсюда неизбежный вывод — рама из 7005 гораздо дольше проживет при одинаковых условиях эксплуатации и одинаковой геометрии, чем рама из 6061. ТехнологичностьСплав 7075, как видно из той же таблицы, существенно прочнее и 6061, и 7005, да и усталостные характеристики его — лучшие в данной тройке.Почему же у производителей большинства алюминиевых рам выбор пал на 7005 и 6061? Дело в том, что велосипедные рамы не делаются из цельных кусков алюминия, которые используются для проведения тестов на прочность. Рамы байков делаются из труб, сваренных между собой: сварка 7075 (российский аналог — В-95) — почти невозможное достижение, почти исключающее выбор этих сплавов для производства массовых байков (имеется в виду аргоно-дуговая сварка). Производители дорогих рам могут воспользоваться тем, что 7075 таки сваривается — точечной или роликовой контактной сваркой, или могут себе позволить применить клеевое соединение. Поэтому для самых массовых байков остаются 7005 (цинковый сплав) и 6061 (магний-кремниевый сплав). Различие между ними в том, что 7005 при более высокой прочности труднее в обработке и сварке, из-за более высокого содержания добавок (свыше 6%). Это означает, что производителям проще добавить трубам из сплава 6061 прочности за счёт свойств конструкции (такими технологиями как баттинг, овальное сечение и стенки переменной толщины, что уменьшит вес и увеличит прочность труб). Еще один технологический момент — и тот, и другой сплавы интенсивно упрочняются термически. Процесс термоупрочнения основан на таком свойстве материалов, как различная кристаллическая структура при различных температурах. Процесс сохранения кристаллической структуры материала, характерной для высоких температур, путем быстрого охлаждения, называют закалкой. Алюминиевые сплавы сразу после закалки еще раз перекристаллизовываются — этот процесс называется закалкой с последующим старением — (искусственным — при повышенной температуре или естественным — при температуре окружающей среды). Чаще для простоты термин "закалка" опускают (все равно старение без закалки — нонсенс), и называют их совокупность просто "старением". Термоупрочняют практически все алюминиевые сплавы, используемые для производства рам, даже если про это прямо не указывается производителем. Какой сплав подойдет?Сплав 6061 вполне подойдет для FR, dirt и downhill рам — сплав более технологичный (проще сваривается и обрабатывается), чем 7005, меньшую его статическую и усталостную прочность при менее жестких требованиях к весу легко компенсируют большей толщиной стенок трубы и разнообразными косынками и прочими технологическими ухищрениями. Кроме того, наличие в конструкции двухподвесов амортизатора между частями рамы понижает напряжения в самой раме за счет поглощения амортизатором части энергии нагрузки.Для КК хардтейлов же оптимальным будет сплав 7005 — как более прочный, жесткий и долговечный. Выводы
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
