ПОЧЕМУ ВАЖНА ЖЁСТКОСТЬ РАМЫ?

ПОДПИСАТЬСЯ:    

Когда производители представляют аргументы в пользу качества своих велосипедов, всегда присутствует ссылка на жёсткость рамы - параметр, о котором многие говорят, но мало кто понимает его значение. Да, это важно, однако, как это бывает и с весом велосипеда, не стоит переоценивать эту характеристику, ведь чрезмерные показатели жёсткости отнюдь не делают велосипед лучше.

Что такое жёсткость рамы

Согласно определению, обычно используемому в технике, жёсткость — это способность элемента конструкции, в нашем случае рамы велосипеда, сопротивляться деформации, вызванной приложением силы.

То есть, когда мы говорим о жёсткости, то держим в уме мощность, прикладываемую на педали, и то, насколько сильно рама деформируется в горизонтальной плоскости при каждом нажатии на педаль.

Однако это лишь одна из сил, воздействующих на раму, но есть и другие, такие как центробежная сила при прохождении поворотов или удары на неровностях трассы.

Все эти аспекты должны учитываться при разработке велосипеда, чтобы обеспечить ему не только жёсткость, но и хорошую способность поглощать вибрации и удары, при этом надо ещё постараться сделать раму как можно более лёгкой.

Поэтому, говоря о жёсткости рамы, необходимо оценивать её в разных областях, в каждой из которых та или иная характеристика будет иметь бо́льшую актуальность и значение.

В принципе, достижение максимально возможной жёсткости не проблема сама по себе. Даже просто добавляя материал, особенно если этот материал имеет меньшую способность к деформации, можно получить более прочную структуру. Помимо материала, важное значение имеет и сечение труб рамы - чем больше поперечное сечение, тем выше жёсткость. Проблема в том, что лишний материал и большое сечение труб приводят к увеличению веса.

Важное значение также имеет расположение углеродных волокон карбона. В настоящее время чаще используются однонаправленные волокна, которые характеризуются высокой жёсткостью в направлении расположения волокон и малой жёсткостью в направлении, перпендикулярном волокнам. Это даёт инженерам возможность добиться желаемого поведения в каждой области рамы в зависимости от того, как расположен слой углеродного волокна.

Всё это требует массы аналитической работы и разного рода вычислений, которые, к счастью, в настоящее время выполняются в основном на мощных компьютерах с использованием программного обеспечения для анализа методом конечных элементов или FEA, дающего возможность моделировать десятки виртуальных велосипедных рам и их реакцию на воздействие различных сил.

Цель состоит в том, чтобы достичь баланса и добавить жёсткости только там, где это нужно.

Эффективное педалирование

Прежде всего, внимание уделяется боковой жёсткости, которую производители измеряют в своих лабораториях, прикладывая к каретке нагрузки, имитирующие силы, воздействующие на неё (каретку) при вращении педалей. Таким образом измеряется насколько сильно область кареточного узла деформируется каждый раз, когда ноги нажимают на педали. Сведение к минимуму бокового изгиба рамы позволяет снизить потери энергии на деформацию и передавать бо́льшую часть прикладываемой гонщиком мощности на заднее колесо.

Кроме того, жёстким должен быть и задний треугольник, чтобы не деформироваться при воздействии на него сил, передаваемых посредством цепи.

По этим параметрам можно оценить, насколько легко и резко велосипед будет ускоряться. «Реактивность» особенно ценят элитные горняки и спринтеры, которым необходимо, чтобы велосипед выдерживал всю мощность при начале атаки на перевале или на массовом финише. Впрочем, для крейсерских скоростей, с более скромными показателями мощности, такими как те, что способны выдавать простые смертные, вроде нас с вами, большинство нынешних рам имеют более чем достаточную жёсткость для эффективного педалирования.

Чтобы добиться этого, производители выбирают более объёмные каретки и шатуны с осями 30 мм. Нижние перья заднего треугольника также обычно широкие, особенно в боковой части, но с учётом того, чтобы свободно вмещать колесо. Все это часто дополняется асимметричной конструкцией рамы в продольном сечении для стабилизации отклика на различные силы, возникающие на стороне привода и на неприводной стороне велосипеда, а также расположением слоёв углеродного волокна.

Точная управляемость

Ещё более важной, но обычно менее учитываемой, является жёсткость на кручение (торсионная жёсткость). Именно она определяет, насколько рама скручивается под воздействием различных сил: кручение влияет на выравнивание колёс, а потому оказывает непосредственное влияние на управляемость велосипеда, особенно при прохождении поворотов.

При повороте на высокой скорости велосипед прилагает центростремительную силу к внутренней части поворота, в результате чего возникает центробежная сила, которая пытается вытолкнуть гонщика к внешней стороне поворота. Из-за конструктивных различий между вилкой и задним треугольником эта сила не одинакова на переднем и заднем колесе, что приводит к смещению колёс относительно продольной линии велосипеда.

На велосипеде это отражается в виде неточности управления. Если вы «рисуете кривую» и вам приходится постоянно вносить коррективы, чтобы сохранить выбранную траекторию поворота, то ваш велосипед не такой жёсткий, как хотелось бы. Напротив, когда велосипед достаточно жёсткий на кручение, оказывается легко «нарисовать кривую», когда одним движением вы постепенно наклоняете велосипед к центру поворота, чтобы затем вернуть его в вертикальное положение, и это выполняется намного быстрее и проще, без «проседания», как при менее жёсткой раме.

Чтобы велосипед не скручивался, производители специально усиливают ноги вилки и выбирают рулевые увеличенного размера (фактически подшипники выросли с традиционных 1-дюймовых до нынешних 1,5-дюймовых, которые можно видеть внизу рулевой). По этой же причине – для противостояния скручиванию - нижняя труба рамы имеет самое большое сечение, поскольку она становится основной опорой конструкции.

Есть ещё один аспект, который следует принять во внимание: чтобы рама работала оптимально, боковая и торсионная жёсткость должны быть сбалансированы. Слишком большая поперечная жёсткость может осложнить езду, когда асфальт не идеален, поскольку велосипед будет прыгать при каждом ударе. Как видите, необходимо учитывать множество параметров.

Вертикальная жёсткость

Если в предыдущих аспектах целью становилось достижение максимальной жёсткости, то в вертикальной плоскости цель не так однозначна: необходимо добиться достаточной жёсткости, чтобы велосипед не прыгал, как на батуте, но в то же время он должен иметь достаточную податливость для смягчения неровностей покрытия дороги.

Чрезвычайно сложный параметр для баланса, поскольку на него влияет вес велосипедиста. Понятно, что статистические исследования анатомии позволяют оценить, каков по своим параметрам среднестатистический гонщик для того или иного размера рамы, позволяя разработчикам более точно настроить этот параметр.

В любом случае, здесь, как и в случае с поперечной жёсткостью, большое значение имеет сечение труб, а также расположение волокон карбона, призванные достичь наилучшего баланса между способностью велосипеда поглощать вибрации и эффективно передавать прилагаемую мощность.

Аспект, который традиционно затрагивал аэродинамические велосипеды, поскольку сами профилированные трубы обтекаемой формы имеют удлинённый профиль в направлении движения, что увеличивает вертикальную жёсткость, и сплющенный с боков, что снижает поперечную жёсткость, а всё это прямо противоположно желаемому.

Решением этой дилеммы стало использование труб усечённого сзади профиля и явное увеличение бокового сечения труб, что, с другой стороны, также влияет не только на вес, но и на аэродинамические характеристики.

Слишком жёсткий или слишком податливый велосипед

Как уже было сказано, с использованием современных материалов сделать велосипед жёстким — задача несложная. Однако мало кто из нас выдержал бы на таком велосипеде более часа, и не только из-за неровностей дороги, которые быстро «измочалили» бы нам руки и спину, но и из-за чрезмерной скорости реакции на малейший жест, что вынудило бы быть в постоянном внимании и напряжении, не давая расслабиться.

Иногда приходилось сталкиваться с такими велосипедами, которые, хотя и поражают при первых нажатиях на педали, особенно при ускорении, но затем быстро выясняется, что для реальных условий они исключительно непрактичны, ведь с течением километров ваше самочувствие становится всё хуже, или, например, спуск с горного перевала на каждом повороте превращается в постоянную битву за контроль велосипеда, которая не приносит ничего, кроме неуверенности. Многие помнят первые алюминиевые гоночные велосипеды - настоящие балки с колёсами.

С другой стороны, приходилось встречать и велосипеды, которые можно назвать «жевательной резинкой». Это велосипед, на котором приходится постоянно прилагать все усилия, чтобы поддерживать высокую крейсерскую скорость, и на котором вы чувствуете, что половина сил при нажатии на педали уходит в пустоту, не говоря уже об инертности, которую подобные велосипеды проявляют при попытке ускориться. Езда на таком типе велосипеда также оказывается постоянной борьбой с рулевым управлением за сохранение выбранной траектории.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что жёсткость в основном приветствуется, но всегда в нужной мере в каждой области рамы, между параметрами которых нужно искать оптимальный баланс. В целом, общая жёсткость рамы явно увеличивается из года в год - достаточно нескольких нажатий педали на модели последнего поколения, а затем для сравнения столько же нажатий педали на модели, например, десятилетней давности, чтобы отчётливо понять, как выросли знания, инструменты проектирования и качество материалов производителей, и как всё это повлияло на поведение гоночного велосипеда на трассе.