Hogyan forradalmasítják az új anyagok a kerékpár - a tudomány spektrumát
200 éves kerékpár-sorozat: könnyű, biztonságos és sokoldalú
A megengedettnél könnyebb - így jellemezhetné azt a biciklit, amelyet a német Günter Mai mutatott be a nagyközönségnek 2008-ban. A teljesen forgalomképes versenybicikli csak 3,2 kilót nyomott. Ez egy világrekord volt, és kevesebb mint a fele annak a 6,8 kilónak, amelyet a Nemzetközi Kerékpáros Szövetség UCI a hivatalos versenyeken a kerékpár minimális súlyaként határoz meg.
"A kerékpár mindig is egy tipikus könnyű termék volt" - mondja Eric Groß a Harburgi Műszaki Egyetem Megbízhatóságtechnikai Intézetétől. "A magas járműtömegnek nagyon negatív hatása van nemcsak felfelé haladáskor, hanem az általános vezetés szempontjából is." Már a 19. században számos találmány készült különösen kerékpárok számára, beleértve a golyóscsapágyakat, a drót küllőket, az acélcsöveket és a gumiabroncsokat.
A mérnök Groß tagja a Német Anyagkutatási és Vizsgálati Szövetség kerékpárbiztonsági munkacsoportjának, mert a kerékpárok tömegének csökkentése nem a stabilitás és a biztonság rovására megy. Ennek megfelelően a hegyikerékpárok robusztusabbak és nehezebbek, mint a versenyzők. Mérete miatt a súly meghatározó alkotórészei a váz és az összes felgyorsított tömeg, például a felnik.
Stabil és könnyű lesz
Elvileg a könnyű konstrukció független az anyag megválasztásától - magyarázza Groß. Az egyes alkatrészek lehető legjobban történő megtervezése az egyes terhelésekhez szükséges. "Minden alkatrész - például a váz, a villa, a kerekek, a kormány és az ülésoszlop - alkalmazási területének szakemberei" - mondja a mérnök. Mivel azonban a különféle anyagok eltérő alkalmassággal bírnak, bizonyos anyagok dominálják a kerékpár piacot.
Amikor a könnyű kerékpárokról beszél a mindennapi használat során, általában az alumíniumra gondol. Alacsony, 2,7 gramm/köbcentiméter sűrűsége miatt a könnyűfémből készült alkatrészek a hozzá hasonló acélból készült alkatrészek tömegének csak körülbelül egyharmadát nyomják. Az alumínium tehát napjainkban a legkeresettebb anyag a kerékpár vázakhoz és alkatrészekhez.
"A kerékpár mindig is tipikus könnyű termék volt" (Eric Groß)
Az acélhoz vagy a titánhoz hasonlóan az alumínium isotrop anyag. Ez azt jelenti, hogy ugyanaz a szakítószilárdsága, ezért minden irányban azonos a terhelhetősége. Az alkatrész falvastagsága meghatározó a stabilitás szempontjából. A tipikus gyémántkeret alumínium csövei ennek következtében 0,8 és 3 milliméter falvastagság között változnak, ez utóbbi különösen a hegesztett kötések területén. Ez általában kívülről nem látható. "Csak egy" dupla fenekű "vagy" hármas fenekű "matrica jelzi az anyag belső vastagságát" - ad tippet Eric Groß.
Az alumínium hátránya
Az alumínium, mint anyag gyengesége, hogy korlátozott szilárdságú változó terhelések mellett. Az anyagtudományban megkülönböztetik a szilárdságot mint olyan tulajdonságot, amely megakadályozza az anyag szétválását, és a merevséget, amely megvédi az anyagot a deformációtól. "Alumínium esetében a pedál forgattyús forgatásának százezrei vagy a közúti dudorok fárasztják az anyagot" - magyarázza Groß az erősség határait. A dinamikus terhelések tekintetében az acél jobban tolerálható, mint az alumínium, ezért továbbra is megtalálható azokban a kerékpárokban, amelyek várhatóan jóval meghaladják a 20 000 kilométert, mint például a túra kerékpárok.
Ezért van könnyűszerkezetes acélszerkezet is: "Az ötvözött acél nagyon nagy szakítószilárdságot ér el, akár 1200 newton/négyzetmilliméter" - számol be Ronny Hartnick a berlini sporteszközök kutatásának és fejlesztésének intézetéből. A mérnökök arra használhatják, hogy a csőfalak nagyon vékonyak legyenek. "Ennek ellenére nehéz megközelíteni az alumínium súlyát" - ismeri el Hartnick.
Akár alumínium, titán vagy acél: A súlyra való tekintettel egy strukturális probléma továbbra is megoldhatatlan. Mivel a fémek izotrópok, az alkatrészekben sok olyan anyag van, amely egyáltalán nincs összhangban az ott fellépő terhelésekkel. A keret lényegében hosszirányban van terhelve, és nem oldalirányban. A professzionális sportokban és a bütykösöknél a szénszálak vagy szénszálak és a szénszálerősítésű kompozitok (CFRP) ezért választott anyagként beváltak magukat. Ezek képezik az alapját a versenymotoroknak, amelyek sorozatmodellként össztömegük kevesebb, mint öt kiló.
Rendelt szálak
A szénszálak anizotropok, és nem mutatnak alaktól független anyag viselkedést. Tulajdonságaik csak az alkatrészen keletkeznek, szükségletalapú tervezés eredményeként. "A szénszálakra úgy gondolhat, mint egy szálra, amelyből szövet készül" - magyarázza Hartnick. Hosszirányban ez a menet több mint tízszer olyan erős, mint az alumínium - de csak ebben az irányban. A könnyű, szénből készült alkatrészek fejlesztőinek ezért a szálakat szövetgé kell dolgozniuk oly módon, hogy párhuzamosan álljanak a húzás irányával.
A szálak nagy része ezért a keretcsőhöz ugyanúgy igazodik. "Annak érdekében, hogy megérintse a kerékpárt anélkül, hogy szétesne, kívül még mindig van egy szálréteg, amelyet 90 fokkal elforgattak" - mondja Hartnick sportmérnök. Átfogó elemzések alapján ma már tudjuk, hogy mely alkatrészeket töltjük be és milyen módon. Az alsó csövet például az alsó konzol torziós stressz éri. A szénszálas szövet esetében ez azt jelenti, hogy a szálakat plusz/mínusz 45 fokos szögben kell szövni. "Ily módon minimális anyagfelhasználással érjük el a maximális torziós ellenállást" - összegzi Hartnick. Ha bizonyos területeken magas pontszerű terhelések jelentkeznek, a szénszálakat egy másik szövetréteggel kell lefedni, amely elosztja a terhelést, és így védi a szenet.
Mind a fém, mind a szén vázakra és alkatrészekre az alábbiak vonatkoznak: A gyártóknak ismerniük kell a rájuk ható pontos terheléseket az alkatrészek megfelelő megtervezéséhez. Az igények különösen magasak a pedeleceknél, amelyek nagyobb terhelésnek vannak kitéve a nagyobb átlagos sebesség és a nagyobb futásteljesítmény miatt. A Rehau, a Storck Bicycle és a Drezdai TU "TherMobility" kutatási projektje ezzel foglalkozott, és kifejlesztett egy új típusú speciális anyagkeverékből készült e-bike keretet.
"Itt a folyamatos szálerősítésű hőre lágyuló műtermékeket rövid szálerősítésű fröccsöntő vegyületekkel kombinálják egy integrált gyártási folyamatban" - magyarázza Michael Krahl, a Drezdai TU Könnyűszerkezetes Építési és Műanyagtechnikai Intézetének munkatársa. Ez az anyagkombináció, amelyet először alkalmaztak a kerékpár vázában, lehetővé teszi a rost kompozit anyagok kiváló speciális mechanikai tulajdonságainak kombinálását a hatékony tömeggyártási technológiákkal, például a fröccsöntéssel. Ez segíthet csökkenteni a rendkívül könnyű kerékpárok olykor ötjegyű árait. Ezenkívül a polimer összetétele és az erősítő szál típusa könnyen adaptálható az egyedi igényekhez.
Alternatív a természettől?
A kerékpárépítésben használt anyagok spektruma azonban tartalmaz néhány egzotikus anyagot is. Az Airbus mérnökeinek "Airbike" nejlon kerékpárja csak a 3D-s nyomtatásszerű "Additive Layer Manufacturing" folyamat lehetőségeinek bemutatására szolgált. Még mindig stabil, könnyű és funkcionális volt. De valódi alternatív anyagok a természetes szálak területéről származnak. A természetes szálak nagy előnye a szénlábnyomuk.
"A természetes szálak növekedésük során megkötik a szén-dioxidot, ami azt jelenti, hogy a természetes szálas félkész termékek a széndioxidhoz képest csak a tizedét szabadítják fel a félkész termékek növekedése és gyártása során" - magyarázza Max Kirchhoff az Onyx Composites mérnöki irodától. Ott fejlesztették ki a "kender biciklit". A kenderrostok szakítószilárdsága összehasonlítható az alumíniuméval - de a szén csak a szálak irányába hasonlít. A mindössze 1,45 gramm/köbcentiméter sűrűség miatt egy kenderkeret súlya szempontjából hasonló alumínium- és szénszálas alkatrészek közé kerül. A kender kerékpár váza érezhetően széles csövekkel rendelkezik. "Ez növeli a tehetetlenségi pillanatot, és a fellépő erők jobban elnyelődnek a kis falvastagság ellenére is" - magyarázza Kirchhoff. Eddig azonban a szerkezeti elemzésekhez szükséges kulcsfontosságú adatok egy része hiányzott a szokatlan anyagkenderről.
Bizonyított minőség
A jelenlegi vizsgálati szabványok (DIN, EN és ISO) tartalmazzák a túlterhelés (statikus erő), a dinamikus teszteket (állóképességi tesztek) és az ütésteszteket, amelyek mindegyike a kerékpár típusához (városi/trekking kerékpár, hegyi kerékpár, versenybicikli és ifjúsági kerékpár) van szabva, Pedelecs). A szabványok alkalmazása önkéntes, de minden ismert gyártó alkalmazza ezt az eljárást - kiváló minőségű termékek esetében, amelyeknek még ennél is magasabb követelményei vannak. Ezért az alkatrészek meghibásodása miatt bekövetkező kár nagyon ritka. "Mindazonáltal a könnyű kerékpár vásárlóinak rendszeresen maguknak kell ellenőrizniük járművüket, vagy ellenőrizniük kell annak érdekében, hogy időben azonosítsák a sérüléseket, és ha kétségei merülnek fel, cseréljék ki az alkatrészeket" - figyelmeztet Eric Groß biztonsági szakértő. Ez különösen igaz az esések után.
A legnépszerűbb természetes rost valószínűleg a bambusz. A bambusz kerékpár gyártásának szabadalmait már a 19. század végén benyújtották. A mai napig az ilyen kerekek felépítése kézi munka. A tulajdonságok azonban meggyőzőek. A bambusz merevsége hasonló az acélhoz, de csak a súlyának harmada. Erőssége szintén nagyon jó értékeket ér el, de nem közelíti meg a kiváló minőségű karbon kerekeket. A bambusz népszerű a városi és a trekking kerékpárok jobb csillapítása miatt, ahol a minőség szempontjából lépést tud tartani az alumínium kerékpárokkal. Mivel a bambusz szilánkok a túlzott stressz hatására történő törés helyett a károk viszonylag könnyen orvosolhatók. Ugyanakkor, mint minden természetes szál esetében, a jó kivitelezés is fontos annak érdekében, hogy nedvesség ne hatoljon be és ne növekedjen be a penész.