Конструкция велосипеда: рама

Неискушенному человеку велосипед может показаться довольно простой конструкцией – несколькими трубами, сваренными между собой и установленными на пару колес. На нем можно ездить, а больше, собственно, и не надо. Но за кажущейся простотой кроются долгие годы поисков идеальной конструкции, подбор материалов и постоянное совершенствование технологий. Современный велосипед представляет собой сложную систему, состоящую из большого числа различных деталей и главной среди них, конечно, является рама. О ней и пойдет речь в этой статье.

Велосипедная рама — основная часть велосипеда, к которой крепятся колеса, передняя вилка и прочие компоненты — оборудование велосипеда.

Конструктивные типы велосипедных рам

Среди рам классических велосипедов (серийных велосипедов для взрослых) прежде всего, различают открытые (или женские) и закрытые (мужские) велосипедные рамы.

Классическая рама

Классическая закрытая (мужская или ромбовидная) рама состоит из труб, образующих два треугольника — передний и задний.

Передний треугольник образован подседельной трубой, соединяющей седло и каретку; нижней трубой, соединяющей каретку с рулевой колонкой (стаканом), и верхней трубой, соединяющей рулевую колонку с подседельной трубой. Задний треугольник образован двумя парами труб, идущих от подседельной трубы и каретки к месту крепления втулки заднего колеса. Чаще эти пары называют верхними и нижними перьями задней вилки. Указанная конструкция обеспечивает наибольшую жесткость рамы при минимальном ее весе.

Открытая рама

Открытая (или женская) рама. Существуют рамы без верхней трубы или с верхней трубой, идущей рядом с нижней. Этот вариант рамы традиционно называется женским — на такой велосипед можно сесть в юбке, не нарушая приличий, что было немаловажно, например, в викторианской Англии. Тем не менее, рамы такого типа популярны и среди мужчин, так как на них удобнее садиться даже в брюках.

Хотя традиционно закрытый тип рамы называется мужским, ряд производителей выпускают велосипеды с такой рамой, сконструированные специально для женщин, одной из особенностей которых является уменьшенная по сравнению с «мужским» вариантом длина рамы.

Необходимо заметить, что женская рама всегда тяжелее аналогичной по жесткости и прочности классической, поэтому в шоссейных велосипедах применяется почти исключительно классическая рама.

Складная рама

Рамы, на базе которых собирают складные модели велосипедов. Преобладающими в этом классе являются открытые рамы, требующие одного разъема (или шарнира). Однако, например, самокатные (т. н. велосипедные) части вооруженных сил оснащались складными велосипедами именно на базе закрытой рамы (в силу большей прочности при меньшем весе — многие велосипеды имели специальные ремни для переноски их через труднопроходимые участки местности, в сложенном виде за спиной, на манер рюкзаков).

Также в конструкции заднего треугольника рам классических конструкций могут быть предусмотрены шарниры и разъемы для устройства амортизатора.

Специальная или детская рама

В эту группу можно отнести рамы специальных и экспериментальных велосипедов (например, для передвижения в лежачем положении), а также детских велосипедов. Рамы детских велосипедов, воспринимают гораздо меньшие нагрузки (по массе человека и скорости передвижения), так что здесь вполне применимы упрощенные конструкции и другие материалы.

Материалы и технологические особенности

Трубы для изготовления рам могут быть как круглого, так и иного сечения. Наиболее дорогие рамы изготавливают из труб с переменной толщиной стенок и собирают в статически напряженном состоянии.

Баттированными называют трубы с переменной толщиной стенок. Баттирование существенно улучшает характеристики рамы. Различают двойное (DB) и тройное (TB) баттирование. При тройном баттировании толщина на концах различна, а при двойном — одинакова. Однако различие между TB- и DB-рамами невелико.

Усталостью материала называют процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за определенный отрезок времени. Часто в результате усталости происходит поломка спиц, рулей, рам и других частей велосипеда. Простой пример — если некоторое время сгибать обычный алюминиевый провод в разные стороны, он становится хрупким и, в конце концов, разрушается в месте сгиба.

Материалом для изготовления велосипедных рам служат легированные (чаще всего хромом и молибденом) стали, различные алюминиевые, титановые и магниевые сплавы, а так же углеродное волокно (карбон).

Сталь

Легированная сталь используется с 1930−х годов, в настоящее время наиболее широко используются хром-молибденовые стали. Стальные рамы недороги, технологичны в изготовлении (их можно как паять, так и сваривать), обладают хорошими усталостными характеристиками и достаточно жесткие. Немаловажно, что появившиеся по какой-либо причине трещины развиваются постепенно, давая о себе знать скрипом и снижением жесткости, так что стальная рама редко ломается внезапно.

Титан

Титановые сплавы используются в дорогих рамах – как правило, для спортивных велосипедов. Титан не только имеет высокую удельную прочность, позволяя конструировать очень легкие рамы (менее 1,4 кг для шоссейных велосипедов), но и исключительно устойчив к коррозии, что позволяет даже не окрашивать рамы. Вместе с тем, титан — относительно вязкий материал, что создает определенные проблемы с обеспечением жесткости (при достаточной прочности). Однако этот недостаток превращается в достоинство при езде по неровной дороге: титан прекрасно смягчает мелкую вибрацию. Другим недостатком титана является его низкая технологичность, что еще более увеличивает цену такой рамы.

Алюминий

С 1980−х годов популярность приобретают рамы из свариваемых алюминиевых сплавов. Алюминиевые рамы имеют приблизительно такой же вес, что и титановые, но обладают большей жесткостью (большей, чем стальные). Связано это с тем, что алюминиевые рамы имеют большие сечения труб и, кроме того, обладают повышенным запасом прочности. Этот запас необходим из-за того, что применяемые сплавы имеют очень плохие усталостные характеристики, непрерывно накапливая дефекты и, в конце концов, разрушаясь даже от незначительных нагрузок. При этом, в отличие от стальных, алюминиевые рамы разрушаются внезапно. Тем не менее, в настоящее время алюминий является наиболее популярным материалом для рам среднего ценового диапазона.

Магний

Относительно недавно появились рамы из магниевых сплавов. Такие рамы очень легки и при этом имеют отличные механические свойства. Их главный недостаток — очень низкая коррозионная стойкость. Даже незначительная царапина на краске может привести к быстрой коррозии и разрушению рамы. Поэтому магниевые рамы требуют особенно тщательного ухода.

К преимуществам магниевых сплавов можно отнести:

• высокую удельную прочность и удельную жесткость;
• низкий вес – магний в 6−7 раз легче, чем сталь, и в 2−2,5 раза — чем алюминий;
• способностью хорошо поглощать вибрацию. Их удельная вибрационная прочность почти в 100 раз больше, чем у лучших алюминиевых сплавов, и в 20 раз больше, чем у легированной стали, в 300−500 раз, чем титановые сплавы. Эти свойства ставят магний вне конкуренции при изготовлении велосипедных рам;
• хорошо поддается различной обработке;
• отличные усталостные характеристики. По удельной возможности противостоять многократным нагрузкам, концентраторам напряжений, магниевые сплавы уверенно обгоняют алюминий и могут конкурировать с лучшими сталями.

Углеродное волокно

Углеродное волокно, углепластик или карбон — этот материал обладает исключительной прочностью, но при этом хрупок, дорог и труднотехнологичен. В качестве компромисса иногда изготавливаются «гибридные» рамы, с отдельными элементами из углепластика и основой из титана или алюминиевых сплавов.

Что есть размер рамы?

Хотя геометрия рамы может быть более или менее произвольной, наиболее характерным размером рамы является ее рост. Рост рамы измеряется двумя способами — межосевым «С-С» (англ. center-to-center), от оси каретки (педалей) до осевой линии верхней трубы (только для рам классической конструкции); и С-Т (англ. center-to-top), от оси каретки до верхнего среза подседельной трубы. Традиционно, рост рамы (как и почти все размерности) шоссейных велосипедов измеряется в сантиметрах или миллиметрах, а рост горных велосипедов — в дюймах.

Стоит отметить, что размер одной и той же рамы может варьироваться в зависимости от производителя. Некоторые из них решили, что измерение подседельной трубы должно охватывать ее целиком — до самой верхней точки ее среза. Другие измеряют длину подседельной трубы до высшей точки верхней трубы. Кроме того, на рамах с изогнутой верхней трубой некоторые компании принимают за точку пересечения то место, где трубы пересеклись бы, не считая изгиба.

Геометрия рамы

Геометрия рамы определяет поведение велосипеда в той или иной ситуации.

По сути, это понятие включает три основных составляющих, баланс между которыми ищет каждый производитель велосипедов, создавая очередную модель для тех или иных нужд:

1. Стабильность – определяет количество усилий, необходимых велосипедисту для сохранения прямолинейности движения. Этот показатель очень важен для MTB (фрирайда и даунхила) и, конечно, для шоссейных велосипедов.
2. Маневренность – то, насколько быстро велосипед способен отреагировать на маневры байкера. Способность быстро изменять направление движения.
3. Сцепление – определяет то, насколько хорошо сцепление заднего колеса с поверхностью. Это зависит в основном от дизайна рамы (фактически – от распределения веса велосипедиста) – угла подседельной трубы, длины задних перьев и базы велосипеда.

Кроме того, дизайнерам и инженерам необходимо учесть еще огромную массу различных факторов, среди которых стоит отметить следующие:

1. Длина верхней трубы (величина C на рисунке) — расстояние между центром рулевой колонки и подседельного штыря, воображаемая линия, идущая параллельно земле. Большая верхняя труба придает велосипеду больше стабильности, в то время как меньшая наоборот – маневренности. От этого также зависит и посадка велосипедиста – свободная (прогулочная) вертикальная или спортивная, более горизонтальная позиция.
2. База велосипеда (величина H на рисунке) — расстояние между осями переднего и заднего колеса. Чем меньше это расстояние, тем выше маневренность велосипеда и меньше его стабильность, а большая база означает меньшую маневренность и большую стабильность.
3. Длина выноса величина E на рисунке) — меряется от центра руля, до центра рулевой колонки. Длина выноса может оказывать существенное влияние на поведение велосипеда в поворотах.
4. Рулевой угол (величина A на рисунке) — угол между рулевой колонкой и линией, параллельной земле. Больший, близкий к вертикали угол определяет большую маневренность велосипеда.
5. Зазор вилки (величина J на рисунке) — расстояние между осью переднего колеса и воображаемой линии, проведенной через рулевую колонку. Это характеристика вилки, а не рамы, однако в комбинации с рулевым углом и длиной выноса она определяет отзывчивость велосипеда на повороты руля. Меньший зазор делает байк маневренней, а больший — придает ему стабильности.
6. Длина заднего пера (величина G на рисунке) — расстояние между кареткой и осью задней втулки. Как правило, это значение настолько мало, насколько возможно. Чем оно меньше, тем больше сцепление заднего колеса с грунтом.
7. Угол подседельной трубы (величина B на рисунке) — угол между подседельной трубой и горизонталью. Параметр, определяющий положение байкера на велосипеде. При меньшем значении центр тяжести смещается ближе к заднему колесу, увеличивая тем самым сцепление с грунтом. Более крутой угол обеспечивает лучшую посадку для быстрого и агрессивного педалирования.

Постскриптум

Как было сказано в начале, рама – основной элемент конструкции велосипеда, но далеко не единственный, и в следующем материале мы поговорим об остальном оборудовании, крепящемся на эту самую раму.