Нет более модного материала в велосипедном спорте последних дней, чем карбон. Ему присваиваются все мыслимые и немыслимые достоинства, заявить о том, что имеешь “фулл-карбон” раму – все равно, что причислить себя к самой элите веломира. Но если тебе не хватило на карбоновую раму, то вполне реально оснастить свою любимую машину карбоновой вилкой, рулем, подседельником, выносом, шатунами, а в последнее время и переключателями скоростей. Так что же такое – этот самый волшебный карбон?
Композитные конструкционные материалы типа стеклопластиков, боропластиков и углепластиков (последние и вошли в обиход под именем “карбон”) вошли в жизнь с 1960-х годов, как всегда – пионерами в освоении технологий были представители военно-промышленного комплекса. Суть технологии – в использовании нитей, основным составляющим которых является углерод. Такая нить обладает высокой прочностью (правда только в одном направлении – строго вдоль нити). Чтобы достичь прочности во всех возможных направлениях, нити сплетают подобно обычным тканям, затем слои такой ткани могут составить многослойную конструкцию, а затем эта конструкция связывается с помощью эпоксидных смол. Самое главное при этом, что при плетении можно изначально придавать заготовке необходимую форму, т.е. по окончании процесса деталь уже не требует никакой дальнейшей обработки – сразу в дело
Сверхпрочные (при определенных условиях) и сверхлегкие конструкции с применением стекло - и угле-пластиков (о качестве таких материалов можно судить по тому, что из углепластиков изготавливаются даже ракетные двигатели!) постепенно из экзотики становились обыденными. Как только стоимость технологий стала приближаться к разумным пределам, тут же возникли идеи применения их в быту и в спорте. Простейшим примером можно назвать стремительное заполонение рынка легчайшими и прочными рыболовными удилищами. Нас же интересуют карбоновые технологии в велоспорте. Для примера – приведу статью инженеров американского велопроизводителя Felt c сайта www.mag-russia.ru
Технология углеродного волокна
Углеродное волокно – идеальный материал для велосипедов. Оно легче алюминия и тверже стали. Кроме того, оно хорошо подходит для воплощения творческих идей инженеров, поскольку формы, которые может принять углеродное волокно, ограничиваются только полетом фантазии.
Существует множество видов углеродного волокна, и только от инженера, создающего велосипед, зависит какой вид волокна лучше использовать. Если применить только один вид волокна во всей раме, то результат вам не понравится: велосипед может оказаться и слишком тяжелым, и слишком хрупким, а езда на нем может стать похожей на езду в гамаке в ветреный день.
Создание совершенного велосипеда из углеродного волокна – с удобным сиденьем, устойчивого, легкого и вместе с тем надежного, способного выдержать поездку длиной в день – требует одновременного использования нескольких видов материалов.
Наш Ultra Hybrid Carbon позволяет смешивать материалы так же, как повар смешивает ингредиенты. Для начала мы берем углеродное волокно с ультравысоким коэффициентом, чтобы придать прочность и жесткость конструкции. Мы смешиваем углеродное волокно с высоким коэффициентом и со средним коэффициентом, чтобы снизить эффект вибрации и увеличить комфорт при езде, а также срок службы велосипеда.
Подобное «наложение» материалов приводит к тому, что места соединений уплотняются, что очень похоже на то, как устройства для стыков соединяют металлические трубы. Для сохранения прочности те части рамы, которые подвергаются большой нагрузке (как, например, соединение верхней и нижней труб), нужно усиливать больше, чем среднюю часть трубы, которую можно сделать довольно тонкой, чтобы снизить вес и увеличить комфорт при езде. Ultra Hybrid Carbon позволяет не только увеличить количество материала там, где это необходимо, но и выбирать какой вид материала будет наиболее подходящим для той или иной области применения – с металлическими трубами это не возможно.
Характеристики материала
Углеродное волокно оценивается, главным образом, по двум критериям. Коэффициент эластичности определяет эластичность и гибкость волокна. Предел прочности на разрыв определяет прочность волокна. Данные качества легко понять на примере стали – у нее приблизительно одна и та же прочность по всем направлениям. Углеродное волокно обладает прочностью только в одном направлении и только при напряжении – по длине. Чтобы труба получилась прочной, волокно нужно ориентировать по множеству направлений, чтобы «вплести» в смесь силу.
Материалы с высоким коэффициентом, которые мы используем, обладают прочностью на разрыв, почти в восемь раз превышающей титан 3 – 2,5, и жесткостью, в три раза превышающей жесткость алюминия 6061. Материалы с ультравысоким коэффициентом на 27% жестче, чем используемые нами материалы с высоким коэффициентом, но они содержат меньше смол, что не только придает жесткость, но и уменьшает вес.
Модульный монокок
Велосипеды, изготовленные из смеси углеродного волокна, продаются на рынке уже более 30 лет. Разработки литого монокока начались 20 лет назад. В то время конструкторы не очень-то много знали об оптимальных конструкциях. Как оказалось, литье целого велосипеда – плохая идея. Добиваться компактности и выравнивания становится тем труднее, чем больше и сложнее сама конструкция. Более совершенный метод сборки – соединение небольших узлов.
Наша модульная конструкция монокок позволяет отливать передний треугольник рамы до того, как он будет закреплен на подседельной стойке и нижней задней вилке. Вместо того чтобы просто склеивать части эпоксидной смолой (популярный метод сборки), мы обматываем соединения дополнительными слоями углеродного волокна, чтобы буквально сплавить (притереть) эти соединения друг с другом, получая в результате более прочное и безопасное соединение.
Вам нужна жесткость?
Пытаясь создать действительно жесткий велосипед, разработчик должен максимизировать каждую грань в работе велосипеда. Упущенная возможность – потеря в эксплуатационных качествах. Например, посмотрим на, так называемые, «дропауты» (типы наконечников задней вилки велосипедной рамы, позволяющие снимать колесо без сбрасывания цепи). Возможно, вы заметили, что большая часть велосипедов на рынке имеют задние «дропауты», состоящие из двух частей, соединенных вместе. Это компромиссный вариант, который нашли производители, чтобы использовать один и тот же «дропаут» для различных по размеру рам. К сожалению, подобное соединение приводит к тому, что мало-помалу две части начинают разбалтываться, что, в свою очередь, приводит к изгибам заднего колеса. Поэтому мы ставим цельный кованый «дропаут». Разработаны модели нескольких размеров, чтобы уменьшить порчу прочных и жестких компонентов.
Секрет жесткости наших велосипедов серии F, серии Z и серии DA (F series, Z series и DA) спрятан в каретке. Все рамы в велосипедах данной линейки имеют ребро из углеродного волокна, которое проходит от нижней задней вилки и до кареточного узла рамы. Эти дополнительные слои углеродного волокна усиливают заднюю вилку и подседельную трубу рамы, а также укрепляют каретку, уменьшая амплитуду скручивания узла при экстремальных нагрузках, когда велосипедист крутит педали стоя.
Непревзойденная свобода выбора
Для компании Felt вся прелесть работы с углеродным волокном заключается в том, что для каждого размера рамы мы выбираем не только ее размеры и геометрию, но и определяем диаметр каждой трубы, число слоев материала, величину каждого слоя углеродного волокна (не все слои оборачиваются вокруг трубы) и, конечно же, вид углеродного волокна, которое мы применяем на каждом из участков. Все эти переменные влияют на эксплутационные качества и позволяют нам установить баланс между жесткостью, весом и комфортом при езде.
Мы максимизировали смесь углеродных волокон, что в результате привело к созданию велосипеда, на котором можно отправиться в дальнюю дорогу, он остается жестким при самом большом ускорении, а весит меньше килограмма. Если сделать велосипед еще жестче, то примерно после 130 км почувствуешь себя не очень удобно. А если сделать его еще легче или комфортнее, то конструкция не будет достаточно жесткой.
Размер имеет значение
Когда сталь правила балом, то в большинстве рам использовались одни и те же трубы: на любой раме – от 50 см до 57 см. Иногда производители использовали более толстые трубы в больших велосипедах, пытаясь придать ему жесткости. А бывало и так, что абсолютно идентичные трубы ставили на рамы 50 см и 60 см. Но то время прошло.
Для самых маленьких из наших рам мы выбираем трубы небольшого диаметра. Чем больше размер рамы, тем больше диаметр труб, тем больше количество слоев материала. Кроме этого появляются и другие изменения. Точка перехода, или узкая лента, которая помогает комбинировать материалы по ровному радиусу от одной трубы к другой, остается очень маленькой на самых маленьких рамах и увеличивается по мере увеличения размера рамы. Наша цель – максимально удлинить трубы на самых маленьких рамах, поскольку длинная труба лучше справляется с вибрацией, поэтому мы максимизируем данное свойство на маленьких велосипедах, что делает их более удобными. В случае с большими рамами, где главное добиться жесткости, мы делаем переходы между трубами максимально большими, уменьшая полезную длину трубы и увеличивая жесткость.
КОНСТРУИРОВАНИЕ
Сбылась мечта многих инженеров: углеродное волокно является тем материалом, который легче алюминия и крепче стали. Из него можно получать детали сложных форм и различных размеров, он обладает свойством «добавки или удаления» материала в тех местах, где это необходимо. Благодаря использованию данного материала мы можем вывести характеристики стенок труб и их формы на новый, более высокий уровень. Среди таких деталей трубы с завышенным диаметром, уникальные формы и чрезмерно увеличенные конусы. Каждая рама состоит из деталей особого размера. Например: диаметр труб 50-сантиметровой рамы значительно меньше диаметра труб на 60-сантиметровой раме; даже радиусы и переходы трубок изменяются в различной степени для стабилизации рамы. В результате всего этого получается жесткая, но в то же время контрольная рама, обладающая великолепными характеристиками поглощения и снижения вибраций, и отвечающая требованиям конкретного велосипедиста.
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Все углеродные рамы Felt изготавливаются при помощи метода модульного монокока, который является вторым по важности фактором, влияющим на производительность рамы. Это процесс, при котором передний треугольник, места под сиденья и места под цепь отливаются как отдельные составляющие. Это позволяет нам полностью оптимизировать каждую часть рамы в соответствии с требованиями, будь это жесткость на кручение для переднего треугольника или вертикальная податливость в местах под сиденьями. Каждая из этих частей рамы изготавливается из многочисленных слоев углерода. Количество слоев в различных местах детали изменяется: там, где нагрузка на раму выше, используется большее количество слоев; в тех местах рамы, на которые нагрузка невелика, количество слоев уменьшается для снижения веса рамы. После того, как эти отдельные части рамы изготовлены, они свариваются в бесшовную монококовую (цельную) конструкцию. Поскольку углеродное волокно лучше всего выдерживает нагрузки и деформации, при сборке углеродных частей мы тщательно располагаем волокна в одном направлении для того, чтобы они были ориентированы в направлении наибольшей нагрузки. Однонаправленные углеродные волокна имеют наивысшую прочность на растяжение и используются как каркас для рамы. Метод модульного монокока превосходит все остальные технологии благодаря унифицированному дизайну, который позволяет добиться идеальной геометрии рамы. При использовании данного метода отсутствуют излишки материала, нет необходимости применять полировальные составы и шпатлевки в чистовой обработке, нет концентрации напряжений. И все это при достижении минимального веса, удивительной контрольности и потрясающей общей прочности рамы.
МАТЕРИАЛЫ
Материалы из углеродного волокна отличаются друг от друга. Нельзя судить о качестве рамы, только взглянув на свойства одного вида материала. Плетеный узор углеродного волокна, или внешний вид рамы, который узнают большинство людей, является лишь последним внешним слоем, видимым сквозь покрытие рамы. И хотя этот слой придает раме некоторую стабилизацию, основное его назначение – косметическое. Поэтому обозначения плетения 2K, 3K или 12K не обязательно говорят о качестве рамы.
Углеродное волокно можно классифицировать по двум параметрам: коэффициенту жесткости и прочности на растяжение. Изготовление рамы из материала высокой жесткости привело бы к полному провалу, так как из-за чрезмерной жесткости конструкции пострадало бы качество езды, а также в жертву пришлось бы отдать общую прочность рамы. Поэтому ключевым фактором здесь является смешение различных материалов с уникальными свойствами и включение их в определенные места рамы. В результате этого получается рама, обладающая сочетанием жесткости, прочности и необходимого веса.
В изготовлении всех углеродных рам Felt используются только высококачественные углеродные материалы первоклассных брэндов. Третьим фактором, влияющим на оптимизацию наших рам, является то, как мы смешиваем эти различные виды материалов. Ниже представлен краткий обзор трех видов углеродных материалов и смесей, используемых компанией Felt в производстве велосипедов:
*Материал высокой жесткости : углеродное волокно в нашем материале высокой жесткости для производства рам является смесью волокон 700ksi и имеет прочность на растяжение в 7,9 раз выше, чем титан 3/2,5, и жесткость в 3,34 раза выше, чем алюминий 6061.
*Материал ультравысокой жесткости : углеродное волокно, используемое в материале ультравысокой жесткости для производства рам, представляет собой волокна 800ksi и 700ksi, которые на 27% жестче материала высокой жесткости. Материал ультравысокой жесткости имеет более низкое содержание полимеров, что делает раму на 20% легче, вместе с тем сохраняя одинаковую жесткость и прочность.
*Ультрагибридный углерод (UHC) : для рам с использованием ультрагибридного углерода мы закупаем материалы у нескольких ведущих мировых производителей углеродного волокна. Мы подбираем оптимальную смесь трех типов волокон, включая волокна с прочностью до 588ГПа. Затем в зависимости от свойств волокон мы включаем их в состав рам: в одних местах рамы нужно самое прочное волокно, в других самое жесткое. В результате получается рама с непревзойденной податливостью, легким весом, прочностью, производительностью и управляемостью.
