Nagyon könnyű, de rendkívül törékeny is.

Rendkívül nehéz megtalálni a megfelelő anyagot a kerékpár vázához. Mert mit jelent a „helyes”? Erre a kérdésre valójában nincs válasz. Mivel a vázanyagokkal és az építési módszerekkel kapcsolatos különböző vélemények nagyjából megegyeznek a kerékpárral közlekedők számával. Ez a cikk célja, hogy bemutassa a műszaki hátteret, elmagyarázzon néhány szakkifejezést és bemutassa a leggyakoribb vázanyagokat.

Ahhoz, hogy a különböző anyagokat objektíven lehessen összehasonlítani, be kell vezetni bizonyos kritériumokat az összehasonlítás lehetővé tétele érdekében. Például kerékpáros magazinokban. mindig szakítószilárdságról beszéljünk. Most elmagyarázom ezeket és más értékeket.

Annak érdekében, hogy megvizsgálhassuk egy anyag szilárdságát, feltalálták a húzópróbát. A név valójában megmondja, miről van szó. Egy (gyakran hengeres) mintát mindkét végén széthúznak, amíg fel nem pattan. Az erre a célra gyártott vizsgálógép megméri a minta elszakításához szükséges erőt. Mivel minden anyag deformálódik, amíg el nem törik, a deformációt is folyamatosan mérjük. Ha most létrehozok egy diagramot ezekkel az értékekkel, akkor az például kinéz. így: (A távolságot általában az x tengelyre ábrázoljuk, az erőt az y tengelyre.)

könnyű

A diagramból most leolvasható, hogy a rugalmas alakváltozás (vagyis, hogy nem marad maradandó alakváltozás) csak a folyáshatárig terjed. A szakítószilárdság elérésekor az anyag már rendkívül deformálódott, ami meglehetősen nemkívánatos. A szakítószilárdság tehát inkább elméleti jelentőségű, és kevéssé hasznos a konstrukcióhoz. A szakítószilárdság és a folyáspont egysége egyszerű szempont. A mintát bizonyos erővel széthúzzák, feszültség hat az anyagra. Az erőt Newtonban (N) adják meg. (Egy kilogramm egyenlő 9,81 N.) Az érvényes összehasonlítás megszerzéséhez figyelembe kell vennem a keresztmetszeten átívelő erőt. (= Feszültség) Tehát: N/mmІ a szakítószilárdság vagy a folyáspont mértékegysége. A szakítószilárdság elérése után erő- vagy feszültségcsökkenés látható. Miért? A minta keresztmetszete egy bizonyos ponton csökken. (= Szűkítő) A keresztmetszet feszültsége folyamatosan növekszik, de mivel egyre kisebb, a minta deformálásához szükséges erő egyre kisebb.

Most már tudjuk, hogy az anyag miként képes maximálisan ellenállni, és mikor kezd véglegesen deformálódni. (= a hozamponttól). Ha megmérjük a törés utáni nyúlást, akkor azt is tudjuk, hogy az anyag mennyire kemény. Ezt az értéket nevezzük törésnyújtásnak (A), és a kezdeti hossz százalékában adjuk meg. Ez az érték azért is fontos, mert túlterhelés esetén elengedhetetlen a biztonsághoz. A magas érték biztosítja, hogy pl. a kormány nem szakad le túlterheléskor, inkább deformálódik (tartósan). Ez is tönkreteszi a kormányt, de elkerüli a komoly esést.

Még mindig hiányzik egy, a keret számára még fontosabb dolog: a merevség, amelyet a technológia a rugalmassági modulusnak nevez (röviden E-modulusnak), amely a szakítópróba alapján is meghatározható. A merevség az anyag terhelés alatti elhajlásának mértéke. A rugalmassági modulus anyagfüggő, de szinte független az ötvözettől. A legolcsóbb szerkezeti acélból készült rúd tehát ugyanolyan merev, mint az azonos méretű, kiváló minőségű szerszámacélból készült rúd!

A feszültség a szakítóvizsgálat minden pillanatában a kezdeti keresztmetszethez kapcsolódó húzóerő. A szakítószilárdság az a feszültség, amely a kezdeti keresztmetszethez kapcsolódó maximális húzóerőből adódik. A folyáspont az a feszültség, amelynél a húzóerő a nyúlás növekedésével először ugyanaz marad vagy csökken. A megnyúlás a kezdeti hosszúsághoz viszonyított növekedés. A merevség, a rugalmassági modulus csak az anyagtól függ, de az ötvözettől nem.

A váz anyagára vonatkozó követelmények - mely anyag tulajdonságok fontosak a kerékpár vázához?

Merevség: A keret merevsége valószínűleg az egyik legfontosabb mennyiség. Hogyan növelhetem most a merevséget? Egyrészt olyan anyagot használhatok, amely eleve nagyon merev, ami azt jelenti, hogy nagy a rugalmassági modulusa. A kerékpárkeretre alkalmas fémek közül valószínűleg az acélnak van a legnagyobb rugalmassági modulusa, tehát ez a legmerevebb anyag. A cső merevségének meghatározó tényezője azonban nem az anyag (rugalmassági modulus), hanem az átmérő. A cső merevségének kiszámításakor az átmérő három hatványt kap. a rugalmassági modulus csak lineáris. Ezért az alumínium vázak lényegesen merevebbek, mint az acél vázak. Az alacsony alumínium sűrűség lehetővé teszi a csövek felfújását a merevség növelése érdekében. De miért ne tudnék csak ugyanolyan vastag acélcsövet készíteni? Ennek oka, hogy akkor radikálisan csökkentenem kellene a falvastagságot, a fogazás kockázata túl nagy lenne. (= Cola hatással lehet).

Erő: A keret szilárdsága általában elég magas, mivel a klasszikus gyémánt váz már szilárdság szempontjából optimalizált. Természetesen a túlterhelés még mindig kudarchoz vezethet. A stabil kerethez fontos a gyémánt alakjának, az átmenő átmeneteknek és a kevés feszültségcsúcsnak a használata, azaz a tiszta varratok bevágások és lépcsők nélkül, valamint az erősítőlemezek ésszerű használata, valamint az anyag és a szerkezet természetes rugalmasságának felhasználása.

Nincs olyan keret, amely mindent kibírna. Ha túlterhelés következik be - főleg vezetési hibák miatt -, akkor egy alkatrésznek meg kell engednie az utat. Amíg ez a rugalmas tartományban történik, a vezető nem veszi észre. Ha azonban egy alkatrész plasztikusan adódik, vagyis deformálódik, akkor az alkatrész megsérül. A repedések természetesen rosszak, amelyek gyakrabban fordulnak elő, ha alacsony szívósságú anyagot használnak, vagy ha az alkatrész korábban megsérült, pl. hibás hegesztések, hibás feldolgozás, helytelen felépítés, horpadás vagy lyukak miatt. A tipikus "anyaghiba" gyakorlatilag nem létezik. A vázszerkezet során felhasznált összes anyag hibamentesnek tekinthető.

Kifáradási szilárdság: Gyakorlatilag nincs jelentősége a kerékpár vázainak, de röviden elmagyarázta: Minden fém folyamatosan elveszíti szilárdságát a felület károsodása - mikrorepedések miatt. Csak az acél tekinthető fáradási szilárdságnak, mivel az acél bizonyos számú terhelésváltozás után már nem veszítheti el szilárdságát, az összes többi fém viszont igen. Ezt a terhelésváltozás számát fáradási határnak nevezzük. Azonban olyan magas, hogy a versenyzők számára sem érdekes.

rugalmassági modulus

Súly: A keret kiválasztásakor ebben a tekintetben nagyon fontos a józan ész. Hihetetlen, 1300 g-os kerettömeg és kevesebb felülvizsgálat szükséges. Mindig szem előtt kell tartani: 1. A gyártók csak vízzel főznek. 2. Varázslat nem létezik. 3. A héliumtöltések maximum 10 grammot hoznak, ezért nem sikerülnek.;-)

Minden kevesebb gramm általában merevségbe vagy erőbe, vagy mindkettőbe kerül. Súlyok, amelyek hasznosak az XC versenyzéshez (MTB keményfarkú, jobb páratartalom: kb. 48 cm): Acél: 1900-2000gr, alumínium: 1800-1900gr; Titán: 1600-1800gr, szén (szerkezettől függően): 1500-1800gr

Rozsdásodás elleni védelem: Amilyen szépen csiszolt alumínium vázak: Sok gondot igényelnek, mivel a sós víz verejték, izotóniás italok, sóterjesztés stb. (Mellékjegyzet: A vázszerkezetnél nem használt AL-7075-et védeni kell.) Ezért felületkezelésre van szükség. Az eloxálás nagyon szép és funkcionális, de két hátránya van: 1. Nagyon káros a környezetre. 2. A maró kémiai előkezelést (pácolás) teljesen (valóban teljesen) el kell távolítani, mivel az erősség szenved. Mint ismeretes, az acél rozsdásodik, ezért azt is védeni kell. Anyagok, acél és alumínium esetében a porfestés a legésszerűbb megoldás. A titán korrózióálló és nem igényel felületkezelést. A szénkereteknek legalább átlátszó lakknak kell lenniük, mivel a műanyag mátrix szereti elnyelni a vizet, ezért alig veszít erejéből.

Szakítónyújtás és ütésállóság: Milyen haszna van a legkeményebb és legmerevebb keretnek, ha az elborulás után eltörik? A szénkereteknek valódi problémája van: Ennek az anyagnak az alacsony rugalmassága miatt a szénkeret ütközéskor nagyon könnyen eltörik, bár szilárdságát és merevségét tekintve kellően erős! Ez nagyobb méretekkel vagy keményebb szálak beépítésével mérsékelhető (Kevlar®).

Hogyan kell felépíteni egy keretet? Ez természetesen ízlés kérdése is, csak azokat a fontos tulajdonságokat szeretném leírni, amelyek jó keretet alkotnak.

Végső erősítés a vázcsövek közül: A csövek végén (csuklóin) nagyobb szilárdságra van szükség, mint a közepén. Éppen ezért a keretcsöveket a végén megerősítik. Ezt gyakran helytelenül fenekedésnek is nevezik. A rögzítéseket, a tömítéseket stb. Nem szabad az erősítéseken kívül elhelyezni. A legrosszabb az a tömítés lenne, amely éppen az erősítés és a vékony középső rész közötti átmenetnél van. A keret ekkor kevésbé stabil lenne, mint a gerenda nélkül!

Félfenék: A konformálás azt jelenti, hogy a cső kúpos, vagyis megváltozik az átmérője. Használja pl. hátul marad. Acél- és alumíniumcsövekkel a végső megerősítés és a fenékréteg is kombinálható, titánnal ezt (még) költség okokból nem gyakorolják.

Cső méretezése: Mint már említettük, a merevség a csőátmérő harmadik teljesítményével növekszik. Ezért csak logikus a csőátmérő növelése. Ennek határai a cső falvastagságában rejlenek. - A kihajlás veszélye lásd a következő pontot. A legjobb cső keresztmetszet általában egy kör alakú cső. A téglalap keresztmetszetnek nincs előnye, gyakran rosszabb és nehezebb, és csak optikai "fejlesztésként" használják. Csak akkor lehet értelme ott ovalizálni a csövet, ha bizonyos erő- és terhelési irányok érvényesülnek.

A kihajlás veszélye: Ha összefoglalja az eddig említett tervezési jellemzőket, azt gondolná, hogy egy nagyon vastag, vékony falú cső lenne a legjobb választás. A vastag, vékony falú csöveket azonban nagyon könnyen be lehet horpadni - a koksz hatással lehet. Ezért ügyelni kell arra, hogy a cső falvastagsága ne legyen túl kicsi. Azoknak a versenyzőknek, akik biztonságban szeretnének lenni zuhanásban, a következő teszt ajánlott: Helyezze mindkét kezét a felső csőre, nyomja mindkét hüvelykujjával az egyik helyet. Figyelje meg a cső fényvisszaverődését: Ha a visszaverődő fény ívet ír le, az azt jelenti, hogy a cső a hüvelykujj nyomása alatt deformálódik. Ekkor feltételezhető, hogy a csövet alacsony falvastagsággal tervezték, és érzékeny a horpadásra.

Természetesen ez csak töredéke volt annak, amit a keretekről mondani lehet. Még egy dolgot megemlítenék: abszolút tesztvezetés! A keretek témája olyan bonyolult, hogy lehetetlen pusztán annak megjelenése alapján megítélni a keret kezelési jellemzőit. Órákig filozofálhatott csak a keretgeometriákról.

A legjobb dolog az lenne, ha kölcsönöznénk a különböző, különböző anyagokból készült kereteket, és így átütnénk az ismerős, de nehéz terepet. Ez természetesen nem mindig lehetséges, aki szeret jó keretet nyújtani?

A különféle anyagok rövidített formában

Az acél valószínűleg a legszélesebb körben használt anyag. Az acél sokféle ötvözetben kapható. A króm-molibdén ötvözetek, mint például a 25CrMo4 (az USA-ban 4130) és nagyon ritkán a kissé nagyobb szilárdságú 34CrMo4 (USA 4135), gyakran alkalmazhatók a vázszerkezetben. Rozsdamentes acélokat szintén ritkán találunk. Az acél vázcsövek gyártói a következők: Tange, Reynolds, True Temper, Columbus. Csak egy német gyártó (Potte & Potthoff) kínál rozsdamentes vázcsöveket.

Az acél előnyei összefoglalva:

  • nagy szilárdságú
  • nagy merevség
  • nagyon nehéz
  • Könnyen feldolgozható
  • olcsó alapanyag
  • könnyen újrahasznosítható

hátrány

  • nagy sűrűségű (nehéz)
  • Korrózióvédelem szükséges
  • A nagy szilárdság miatt nagyon alacsony falvastagságok keletkeznek, ami növeli a kihajlás kockázatát

előnyöket

  • kis sűrűségű
  • könnyen újrahasznosítható

hátrány

  • valamivel nehezebb dolgozni, mint az acél
  • Korrózióvédelem szükséges
  • Sok energia szükséges a termeléshez (környezet)
  • repedésveszély áll fenn az alsó szakadási nyúlás miatt

előnyöket

  • nagyon erős
  • még mindig alacsony sűrűségű
  • teljesen korrózióálló
  • nemes optika

hátrány

  • drága
  • nehéz vele dolgozni
  • az alacsonyabb rugalmassági modulust építéssel kell kompenzálni
  • sok energiát igényel a gyártáshoz

A magnézium említésekor mindig magnézium-alumínium ötvözetekről van szó. A magnéziumot (helyesen) egyáltalán nem, vagy csak nagyon ritkán használják keretanyagként. Nagyon könnyű, de rendkívül törékeny is. Csak nagyon korlátozott mértékben lehet hengerelni, ezért a csőgyártás szinte lehetetlen. Ezenkívül a magnéziumot különösen jól kell védeni a korróziótól. A magnéziumot csak szórványosan használják a kerékpár-ágazatban, a felfüggesztő villák kivételével, ahol a merülőcsöveket gyakran ebből az anyagból öntik. De még kész részként is problémát jelent a magnézium nagy törékenysége. Ez az anyag deformáció nélkül, azaz figyelmeztetés nélkül eltörik. Különösen a felfüggesztő villák kieséseit kell először túlméretezni, másodszor pedig nagyon óvatosan kiönteni.

előnyöket

  • kis sűrűségű
  • valamivel olcsóbb, mint az alumíniumötvözetek

hátrány

  • nagyon törékeny
  • Nem lehet csövekké feldolgozni (csak öntés lehetséges)
  • nem hegeszthető
  • nagyon érzékeny a korrózióra

Az anyagi berilliumnak csak elméleti jelentősége van. Ez lenne a legideálisabb anyag a fémek között. A berillium szénszálának sűrűsége (nagyon könnyű!) A Ti3Al2.5V szilárdsága és az acél merevsége. Nem lenyűgöző? Miért nem használják ezt az anyagot egyre inkább? Először is elég drága, valamivel többe kerül, mint a kiváló minőségű szénszál. Mérgező is. Ez megnöveli a feldolgozási költségeket (munkahelyi egészség és biztonság), és jó felületkezelést tesz szükségessé. Ráadásul nehéz vele dolgozni. A fenék vagy a végerősítést nem is említik, és a hegesztés még nem lehetséges, a berilliumot hüvelybe kell ragasztani (többnyire alumíniumból).

előnyöket

  • nagyon könnyű
  • nagy merevség
  • jó erő

hátrány

  • Rettenetesen
  • mérgező
  • nehéz vele dolgozni

Szén, szénszállal erősített műanyagok, CFRP

Megjegyzés: A stressz minimalizálásának ez az elve mindenhol és minden anyagra érvényes. Éppen ezért a művezetékszerűen rácsos maró (pl.) Forgattyúkészleteknek csak a kirakatban van értelme kiállítási tárgyként.

A különféle erősítő szálakat három alapformában használják: párhuzamos szálak szálaként vagy kötegeként (előfonatok), szövött és fonott szövetként különböző formájukban és irányítatlan szőnyegként vagy véletlenszerű szálakként (csak üvegszálak). Az említett előfonatok mellett léteznek olyan fonalak és szálak is, amelyek egyedi vagy többszálas fonó szálak sodrásával jönnek létre. A csavarás ellenálló, szorosan kötött szálat hoz létre, amelyet könnyen textíliává lehet feldolgozni (pl. Szövés). Előtétek: Párhuzamos szálakból álló szálakat vagy kötegeket nevezünk előfonatoknak, vagy ha viszonylag vékonyak, akkor fonalak vagy fonalak. Az egyes rostokat egy szálkában vagy szálban, amelyek átmérője üveg esetén kb. 5-15 µm, szénnél kb. 7-10 µm, Kevlar® esetén kb. 12 µm, elemi szálaknak vagy szálaknak nevezzük. Az izzószálak száma jelzi a rovás vagy a menet vastagságát vagy súlyát méterenként.

A szénszálak sokféle kivitelben és minőségben kaphatók. A vázszerkezetnél általában alacsonyabb minőségi osztályokat alkalmaznak, mivel a nagy szilárdságú, kb. 3000 ATS/kg szénszálak egyszerűen túl drágák. De még a normál szilárdságú szénszálak is nagyon vonzóak alacsony sűrűségük miatt. A szénszálak nagyon törékenyek, így például keretek vagy más alkatrészek. Aramid szálak (= Kevlar®) a kormányhoz, amelyek nagyobb szakadási nyúlással rendelkeznek, ezért nem törnek azonnal.

előnyöket

  • nagyon erős
  • merev
  • könnyű
  • vonzó megjelenés

hátrány

  • nagyon törékeny
  • drága
  • nehezen feldolgozható
  • nehezen méretezhető

Az aramid szálakat szénszálakkal keverik annak érdekében, hogy növeljék az alkatrész törési szilárdságát és ütésállóságát. Az aramid szálak sárga színükről ismerhetők fel. Keretanyagként ezek a szálak ár/szilárdság arányuk miatt nem túl vonzóak.

Metal Matrix Composite, MMC

Ez az anyag tulajdonképpen az alumíniumé, de a szálerősítésű anyagoké is. Egyszerűen azért, mert a rostokat vagy részecskéket alumínium mátrixba helyezik megerősítés céljából. Néhány évvel ezelőtt két vállalat mutatta be termékeit: részecskével megerősített vázzal (alumínium-oxid részecskékkel) spezializált, bórszál-erősítésű járművel az Univega. Az alumínium szilárdsága alig javul, de a merevség a gyártó szerint akár 30% -kal is javul. Ezek a keretek azonban ismét eltűntek a piacról.

előnyöket

  • alacsony sűrűségű (= alumínium)
  • nagyon merev

hátrány

  • még nehezebb hegeszteni, mint az alumínium
  • nem újrahasznosítható
  • egyébként lásd az alumíniumot