Недосвідченій людині велосипед може здатися досить простою конструкцією — декількома трубами, звареними між собою і встановленими на пару коліс. На ньому можна їздити, а більше, власне, і не треба. Але за уявною простотою криються довгі роки пошуків ідеальної конструкції, підбір матеріалів та постійне вдосконалення технологій. Сучасний велосипед являє собою складну систему, що складається з великої кількості різних деталей і головною серед них, звичайно, є рама. Про неї й піде мова в цій статті.
Велосипедна рама — основна частина велосипеда, до якої кріпляться колеса, передня вилка й інші компоненти — обладнання велосипеда.
Конструктивні типи велосипедних рам
Серед рам класичних велосипедів (серійних велосипедів для дорослих) насамперед, розрізняють відкриті (або жіночі) і закриті (чоловічі) велосипедні рами.
Класична рама
Класична закрита (чоловіча або ромбоподібна) рама складається з труб, що утворюють два трикутники — передній і задній.
Передній трикутник утворений підсідельною трубою, що сполучає сідло та каретку; нижньою трубою, що сполучає каретку з кермовою колонкою (склянкою), і верхньою трубою, що сполучає кермову колонку з підсідельною трубою. Задній трикутник утворений двома парами труб, що йдуть від підсідельної труби та каретки до місця кріплення втулки заднього колеса. Найчастіше ці пари називають верхніми та нижніми пір’ям задньої вилки. Зазначена конструкція забезпечує найбільшу жорсткість рами за мінімальної її ваги.
Відкрита рама
Відкрита (або жіноча) рама. Існують рами без верхньої труби або з верхньою трубою, що йде поруч із нижньої. Цей варіант рами традиційно називається жіночим — на такий велосипед можна сісти в спідниці, не порушуючи пристойності, що було важливо, наприклад, у вікторіанській Англії. Проте, рами такого типу популярні та серед чоловіків, оскільки на них зручніше сідати навіть у штанах.
Хоча традиційно закритий тип рами називається чоловічим, ряд виробників випускають велосипеди з такою рамою, сконструйовані спеціально для жінок, однією з особливостей яких є зменшена, як порівняти з «чоловічим» варіантом довжина рами.
Необхідно зауважити, що жіноча рама завжди важча, ніж аналогічна за жорсткістю та міцністю класична, тому в шосейних велосипедах застосовується майже винятково класична рама.
Складна рама
Рами, на базі яких збирають складні моделі велосипедів. Переважаючими в цьому класі є відкриті рами, що вимагають одного роз’єму (або шарніра). Однак, наприклад, самокатна (т. зв. велосипедні) частини збройних сил обладнуються складними велосипедами саме на базі закритої рами (з огляду більшої міцності за меншої ваги — багато велосипедів мали спеціальні ремені для перенесення їх через важкопрохідні ділянки місцевості, у складеному стані за спиною, на манір рюкзаків).
Також у конструкції заднього трикутника рам класичних конструкцій можуть бути передбачені шарніри та роз’єми для пристрою амортизатора.
Спеціальна або дитяча рама
У цю групу можна віднести рами спеціальних і експериментальних велосипедів (наприклад, для пересування в лежачому положенні), а також дитячих велосипедів. Рами дитячих велосипедів, сприймають набагато менші навантаження (за масою людини та швидкістю пересування), так що тут цілком можна застосувати спрощені конструкції й інші матеріали.
Матеріали та технологічні особливості
Труби для виготовлення рам можуть бути як круглого, так і іншого перерізу. Найдорожчі рами виготовляють із труб зі змінною товщиною стінок і збирають у статично напруженому стані.
Батированими називають труби зі змінною товщиною стінок. Батинг істотно покращує характеристики рами. Розрізняють подвійне (DB) і потрійне (TB) батингування. У разі потрійного батингування товщина на кінцях різна, а в разі подвійного — однакова. Однак відмінність між TB- і DB-рамами невелика.
Втомою матеріалу називають процес поступового накопичення пошкоджень під дією змінних (часто циклічних) напруг, що призводить до зміни його властивостей, утворення тріщин, їхнього розвитку та руйнування матеріалу за певний відрізок часу. Часто внаслідок втоми відбувається поломка спиць, рулів, рам і інших частин велосипеда. Простий приклад — якщо деякий час згинати звичайний алюмінієвий дріт у різні боки, він стає крихким і, врешті-решт, руйнується в місці згину.
Матеріалом для виготовлення велосипедних рам слугують леговані (найчастіше хромом і молібденом) сталі, різні алюмінієві, титанові та магнієві сплави, а також вуглецеве волокно (карбон).
Сталь
Легована сталь використовується з 1930-х років, зараз найбільш широко використовуються хромо-молібденові сталі. Сталеві рами недорогі, технологічні у виготовленні (їх можна як лютувати, так і зварювати), мають гарні втомні характеристики та досить жорсткі. Важливо, що тріщини, які з’явилися з якої-небудь причини, розвиваються поступово, дають про себе знати скрипом і зниженням жорсткості, так що сталева рама рідко ламається раптово.
Титан
Титанові сплави використовуються в дорогих рамах — зазвичай, для спортивних велосипедів. Титан не тільки має високу питому міцність, що дає змогу конструювати дуже легкі рами (менш ніж 1,4 кг для шосейних велосипедів), але й винятково стійкий до корозії, що дає змогу навіть не фарбувати рами. Водночас, титан — відносно в’язкий матеріал, що створює певні проблеми із забезпеченням жорсткості (у разі достатньої міцності). Однак ця вада перетворюється на гідність під час їзди нерівною дорогою: титан прекрасно пом’якшує дрібну вібрацію. Іншою вадою титану є його низька технологічність, що ще більш збільшує ціну такої рами.
Алюміній
З 1980-х років популярність отримують рами зі зварювальних алюмінієвих сплавів. Алюмінієві рами мають приблизно таку саму вагу, що й титанові, але мають більшу жорсткість (більшу, ніж сталеві). Пов’язано це з тим, що алюмінієві рами мають великі перерізи труб і, крім того, мають підвищений запас міцності. Цей запас необхідний через те, що застосовувані сплави мають дуже погані втомні характеристики, безперервно накопичують дефекти й, врешті-решт, руйнуються навіть від незначних навантажень. Водночас, на відміну від сталевих, алюмінієві рами руйнуються раптово. Проте, зараз алюміній є найпопулярнішим матеріалом для рам середнього цінового діапазону.
Магній
Порівняно недавно з’явилися рами з магнієвих сплавів. Такі рами дуже легкі та водночас мають чудові механічні властивості. Їхня головна вада — дуже низька корозійна стійкість. Навіть незначна подряпина на фарбі може призвести до швидкої корозії й руйнування рами. Тому магнієві рами вимагають особливо ретельного догляду.
До переваг магнієвих сплавів можна віднести:
- високу питому міцність і питому жорсткість;
- низька вага — магній ушестеро-усемеро легший, ніж сталь, й у 2-2,5 раза — ніж алюміній;
- здатністю добре поглинати вібрацію. Їхня питома вібраційна міцність майже в 100 разів вища, ніж у кращих алюмінієвих сплавів, й у 20 разів більше, ніж у легованої сталі, у 300-500 разів, ніж титанові сплави. Ці властивості ставлять магній поза конкуренцією під час виготовлення велосипедних рам;
- добре піддається різним обробленням;
- прекрасні втомні характеристики. За питомої можливості протистояти багаторазовим навантаженням, концентраторів напружень, магнієві сплави впевнено обганяють алюміній і можуть конкурувати з найкращими сталями.
Вуглецеве волокно
Вуглецеве волокно, вуглепластик або карбон — цей матеріал має виняткову міцність, але водночас крихкий, дорогий та важкотехнологічний. Як компроміс іноді виготовляються «гібридні» рами, з окремими елементами з вуглепластику й основою з титану або алюмінієвих сплавів.
Що є розмір рами?
Хоча геометрія рами може бути більш-менш довільною, найбільш характерним розміром рами є її зріст. Зріст рами вимірюється двома способами — міжосьовим «С-С» (англ. сenter-to-center), від осі каретки (педалей) до осьової лінії верхньої труби (тільки для рам класичної конструкції); і С-Т (англ. center-to-top), від осі каретки до верхнього зрізу підсідельної труби. Традиційно, зростання рами (як і майже всі розмірності) шосейних велосипедів вимірюється в сантиметрах або міліметрах, а зріст гірських велосипедів — у дюймах.
Вам може бути цікаво
Варто зазначити, що розмір однієї й тієї самої рами може варіюватися залежно від виробника. Деякі з них вирішили, що вимір підсідельної труби має охоплювати її цілком — до найвищої точки її зрізу. Інші вимірюють довжину підсідельної труби до вищої точки верхньої труби. Крім того, на рамах із вигнутою верхньою трубою деякі компанії приймають за точку перетину те місце, де труби перетнулися б без урахування вигину.
Геометрія рами
Геометрія рами визначає поведінку велосипеда в тій чи тій ситуації.
По суті, це поняття складається з трьох основних складників, баланс між якими шукає кожен виробник велосипедів під час створення чергової моделі для певних потреб:
- Стабільність – визначає кількість зусиль, необхідних велосипедисту для збереження прямолінійності руху. Цей показник дуже важливий для MTB (фрирайду та даунхілу) і, звичайно, для шосейних велосипедів.
- Маневровість – те, наскільки швидко велосипед може відреагувати на маневри байкера. Здатність швидко змінювати напрямок руху.
- Зчеплення – визначає те, наскільки добре зчеплення заднього колеса з поверхнею. Це залежить переважно від дизайну рами (фактично — від розподілу ваги велосипедиста) — кута підсідельної труби, довжини заднього пір’я й бази велосипеда.
Крім того, дизайнерам і інженерам необхідно врахувати ще величезну масу різних чинників, серед яких варто зазначити такі:
- Довжина верхньої труби (величина C на малюнку) — відстань між центром кермової колонки та підсідельного штиря, уявна лінія, що йде паралельно землі. Велика верхня труба надає велосипеду більше стабільності, у той час як менша навпаки — маневровості. Від цього також залежить і посадка велосипедиста — вільна (прогулянкова) вертикальна або спортивна, більш горизонтальна позиція.
- База велосипеда (величина H на малюнку) — відстань між осями переднього та заднього колеса. Чим менший цей період, тим вища маневровість велосипеда та менша його стабільність, а велика база означає меншу маневровість і більшу стабільність.
- Довжина винесення величина E на малюнку) — міряється від центру керма, до центру кермової колонки. Довжина винесення може мати істотний вплив на поведінку велосипеда в поворотах.
- Рульовий кут (величина A на малюнку) — кут між кермовою колонкою й лінією, паралельною землі. Більший, близький до вертикалі кут визначає більшу маневровість велосипеда.
- Проміжок вилки (величина J на малюнку) — відстань між віссю переднього колеса й уявної лінії, проведеної через кермову колонку. Це характеристика вилки, а не рами, проте в комбінації з кермовим кутом і довжиною виносу вона визначає чуйність велосипеда на повороти керма. Менший проміжок робить байк маневровим, а більший — додає йому стабільності.
- Довжина заднього пера (величина G на малюнку) — відстань між кареткою і віссю задньої втулки. Зазвичай, це значення настільки мале, наскільки можливо. Чим воно менше, тим більше зчеплення заднього колеса з ґрунтом.
- Кут підсідельної труби (величина B на малюнку) — кут між підсідельною трубою й горизонталлю. Параметр, що визначає положення байкера на велосипеді. У разі меншого значення центр ваги зміщується ближче до заднього колеса, збільшує у такий спосіб зчеплення з ґрунтом. Крутіший кут забезпечує кращу посадку для швидкого й агресивного педалювання.
Постскриптум
Як було сказано на початку, рама — основний елемент конструкції велосипеда, але далеко не єдиний, і в наступному матеріалі ми поговоримо про решту обладнання, що кріпиться на цю саму раму.