В действительности же, можно построить прекрасный велосипед под любые нужды на раме из любого материала. Главная задача — выбрать правильный диаметр и толщину стенок труб, а также подходящую геометрию рамы.

Жёсткий, прочный, лёгкий

Жёсткость и прочность — совершенно разные свойства матерала, которые часто путают. Очень важно изначально понять эту разницу для того, чтобы в целом разобраться в разных материалах велосипедных рам.

Можно представить себе следующее. Если взять металлическую трубу, один её конец затянуть в тиски, а на другой надавить — труба согнётся. Отпустив трубу, она вернётся в своё изначальное положение.

При одинаковом силовом воздействии разные материалы будут прогибаться каждый по-своему. Это называется жёсткостью.

Теперь представим, что на свободный конец трубы мы надавили настолько сильно, что произошла деформация. То есть отпустив металлическую трубу, она не примет изначальную форму. Это называется текучестью.

Перед тем, как безвозвратно деформироваться, для каждого материала потребуется воздействие силы разной величины. Это свойство называется прочностью.

Жёсткость

Жёсткость напрямую влияет на эксплуатационные качества ведлсипедной рамы, поскольку на раму не воздействует постоянная деформирующая сила при нормальном стиле катания.

Жёсткость определяется свойством материала под названием «модуль упругости». Модуль упругости в сущности не зависит от качества материала или легирующих добавок металла. Например, у всех типов сталей изначально одинаковый модуль упругости.

Прочность

Прочность рамы относится к её способности сопротивляться к изгибам и поломкам, и никак не влияет на её ездовые характеристики.

Прочность определяется свойством материала, известным как «предел текучести». Предел текучести сильно зависит от качества, термообработки и легирующих добавок, которые могут сильно различаются у разных производителей труб для рам

Лёгкость

После жёсткости и прочности всегда идёт самый важный вопрос — параметр веса единицы материала. Это называется «удельный вес» или «плотность» материала.

Наподобие жёсткости, удельный вес определённого металла не сильно зависит от разных добавок. Иногда можно встретить на велосипедной раме яркую наклейку «лёгкая сталь». Но на самом деле масса стали всегда одинаковая.

Ниже приведены свойства известных материалов велосипедных рам:

Материал     Модуль упругости          Предел текучести              Удельный вес   

Алюминий     10-11                        11-59 (4-22 отожжённый)             168,5

Сталь              30                           46-162                                        490

Титан           15-16,5                       40-120                                        280

Обратите внимание, что модуль упругости (то есть жёсткость) и удельный вес в целом независимы от качества, термообработки и легирующих элементов материалов. Например, все велосипеды, сделанные из так называемых «водопроводных труб», часто продаваемые в супермаркетах и дорогие велосипеды класса хай-енд, сделаны из стали с жёсткостью 30 и удельным весом 490.

То есть не стоит слушать того, кто пытается доказать, что сталь или любой другой материал одного производителя легче и жёстче, чем у другого.

Так или иначе, у труб разного качества существует заметная разница в пределе текучести.

Эта величина показывает, что если сделать одинаковые рамы из трёх разных материалов, используя при этом трубы одного диаметра и толщины стенок, то алюминиевая рама будет всего на треть жёстче стальной, а титановая - в два раза мягче.

Параметр текучести показывает, что алюминиевая рама будет гораздо слабее в плане чувствительности к повреждениям, чем стальная и титановая.

Значение удельного веса говорит о том, что алюминиевая рама будет легче стальной примерно на треть, при том, что титановая будет весить вдвое меньше стальной.

В целом, все эти числа совершенно бессмысленны, поскольку никто не строит рамы из разных материалов, используя равные параметры труб.

Производитель велосипедов всегда учитывает все свойства материалов для выбора правильного диаметра и толщины стенок каждой трубы рамы. Жёсткость напрямую влияет на диаметр труб, прочность связана с толщиной стенок. На толщину стенок также влияет и диаметр. Вес в итоге складывается из обоих параметров. Таким образом, изготовитель рам может варьировать каждым из параметров, изменяя тем самым итоговую жёсткость, прочность и лёгкость.

Сталь или титан

Давайте снова обратимся к приведённой выше таблице. Из неё видно, что идентичные рамы, сваренные из стали и титана будут почти одинаково прочными, но титановая при этом будет весить в два раза меньше и будет примерно в два раза менее жёсткой.

Из-за уменьшенного параметра жёсткости, титановая рама будет более гибкой и пружинистой по ощущениям. Особенно при использовании под нагрузкой в туризме. Для того, чтобы это как-то компенсировать, производители титановых рам используют трубы большего диаметра. Это немного добавляет вес. Но в свою очередь, чтобы облегчить полученную конструкцию, трубы большого диаметра ставятся с более тонкими стенками. В итоге титановая рама получается в целом легче стальной

Сталь или алюминий

Исходя из всё той же таблицы, ситуация с алюминием также очевидна. Рама из алюминия будет на треть жёстче такой же по конструкции, но стальной, и примерно на треть же легче, но при этом в два раза менее прочная. Именно поэтому при производстве алюминиевых рам используются трубы заметно большего диаметра и толщины стенок. Это исправляет ситуацию с прочностью и при этом также остаётся выигрыш в весе.

Тонкостенные трубы большого диаметра

Теоретически, преимущества тонкостенных труб большого диаметра можно применить к стальным конструкциям, но существуют некоторые практические ограничения. Можно сварить раму из 2−дюймовых стальных труб и получить одну из самых жёстких рам на рынке. Причём если использовать тонкостенные трубы, итоговый вес получится вполне приемлемым.

Почему же ни один производитель это ещё не сделал? По двум причинам:
При работе с тонкостенными трубами сложно сделать качественное их соединение. Это как раз одна из причин использования баттированных туб, которые по краям толще, чем в середине.
Также, на трубах с тонкими стенками легко оставить вмятину. При этом места крепления флягодержателей, упоров для троса, креплений переключателей и тормозных боссов будут недостаточно прочными.

Жёсткость и качество

Жёсткость рамы не настолько влияет на качественные свойства рамы, насколько многие могут себе представлять. Можно провести небольшое исследование:

Жёсткость на скручивание и изгиб

Этот параметр в основном влияет на напряжение, возникающее за счёт педалирования. Любая рама изгибается в области каретки под нагрузкой от нажатия на педали. Этот изгиб вполне ощутим, и многие велосипедисты полагают, что это приводит к снижению эффективности. Но в действительности никаких ощутимых потерь не происходит, поскольку металл подпружинивая, возвращает энергию назад. Многим велосипедистам попросту не нравится пружинящее ощущение и поэтому они предпочитают максимально жёсткие рамы в области кареточного узла. Это больше всего касается велосипедистов с большой массой, а также для тех, кто привык крутить педали стоя.

Ещё одна часть велосипедной рамы, где важна поперечная жёсткость — задний треугольник. В особенности это важно для туристских велосипедов, где сзади располагается загруженный багажник или велоштаны. В этом случае, если рама слишком слабая, эффект подпружинивания может привести к опасным колебаниям на высокой скорости. Здесь гнуться может сам багажник, но слабые верхние перья могут легко это усугубить.

Вертикальная жёсткость

Вотношении рам, вертикальная жёсткость скорее рассматривается в отношении ударов, идущих отзаднего колеса к седлу. На жёсткость в передней части велосипеда влияют руль, вилка, геометрия рамы, а также гибкость различных прикрученных на раму частей.

При обсуждении разных материалов рам принято говорить в том числе и о различиях в вертикальной жёсткости. Например, можно услышать, что одна рама более комфортная и лучше поглощает мелкие неровности, когда как другая заставляет почувствовать на себе каждый мельчайший изгиб дорожного покрытия. В действительности, все эти различия — лишь результат психологического расстройства или вызваны чем угодно, но только не выбранным материалом самой рамы.

Все неровности и удары, передающиеся от пятна контакта задней шины, переходят через покрышку а колесо, далее — на верхние перья заднего треугольника, подседельный штырь, рамку седла и в конце концов, на верхнюю его часть. И каждая из перечисленных деталей по-разному реагирует на проходящую через неё ударную волну.

Самый сильный угол изгиба у покрышки. Следующим после него идёт само седло. Если подседельный штырь сильно выдвинут из рамы, он также может заметно изгибаться. Колёса хорошего качества не изгибаются, поэтому их мы не берём в расчёт. Дальше мы подходим к верхним перьям - по сути к единственной части рамы из всех перечисленных, — которые находятся под постоянной нагрузкой. Таким образом, эта деталь настолько жёсткая, что говорить об амортизации нет никакого смысла, даже в отношении самых тонких и лёгких перьев.

Получается. что единственное место в раме, которое можно так или иначе отнести к амортизирующему - слишком сильно выдвинутый подседельный штырь. Но даже в этом случае изгиб сильно зависит от длины штыря.

Существует одна деталь рамы, которая может влиять на ощущения от дороги в задней части велосипедиста — это задний треугольник. Одной из причин, по которой у туристских велосипедов удлинённые нижние перья — сместить велосипедиста вперёд, подальше от заднего колеса. По этой же причине, короткие нижние перья создают ощущения повышенной жёсткости — находясь над колесом, чувствуется вся отдача от дороги. В автобусе можно наблюдать тот же эффект — в задней его части над колёсами трясёт заметно больше, чем в середине.

Откуда берётся комфорт

Если хочется более комфортного ощущения от поездки, неправильно искать его, сосредоточившись на выборе материала рамы. Среди разных моделей велосипедов существует ощутимая разница в комфорте, но по большей части это вызвано:
     выбором покрышек. Более широкие и мягкие покрышки могут обеспечить гораздо больший                          комфорт, чем любая другая манимуляция с велосипедной рамой; 
     выбором седла; 
     геометрией рамы. Более длинные нижние перья и более пологие подседельная и головная                          трубы дают большее ощущение комфорта. При такой геометрии, правда, страдает                          манёвренность. 
     посадкой велосипедиста.

Углеродное волокно

Углеродное волокно или карбон становится всё более популярным материалом для создания велосипедных рам. Принцип изготовления карбоновой и металлической рамы абсолютно разный, поскольку волокнистая структура карбона существенно отличается от металла. Грамотно спроектированная рама из карбона может быть максимально прочной и выдерживать очень большие нагрузки.

По сравнению с изготовлением рам из металлических труб, производство карбоновых рам ещё достаточно молодое. На велосипед воздействует масса разных сил в совершенно разных направлениях. И даже компьютерное моделирование не может просчитать все нюансы нагрузки на узлы в определённых ситуациях. У карбона действительно хороший потенциал, но пока его применение достаточно сильно ограничено.

В частности, самыми слабыми местами карбоновой рамы являются места её соприкосновения с металлом: наконечники перьев, кареточный и рулевой стаканы и пр.

Все эти узлы со временем ослабляются и выходят из строя.

Конструкция рамы

С конструкторской точки зрения самой прочной фигурой является треугольник. Велосипеды, построенные на ромбовидных рамах состоят из двух треугольников. Сложно себе представить, как можно улучшить элегантность и простоту этой конструкции. Миллиарды ромбовидных рам было построено на металлических трубах с начала 20 века, и в течение всего этого времени сотни и тысячи образованных людей потратили многие миллионы часов на то, чтобы прокатиться и подумать о том, как ещё можно улучшить конструкцию их велосипедов. Трубчатые ромбовидные рамы долго эволюционировали и в итоге достигли совершенства в дизайне и используемых материалах. Я лично иногда катаюсь на раме Mead Ranger, сваренную в 1916 году. И могу заявить со всей ответственностью, что невзирая на то, что этот велосипед тяжелее большинства современных, его ездовые качества не хуже всех остальных велосипедов в моей коллекции.

Если и произойдёт кардинальное улучшение в конструкции велосипедных рам, то это будет нечто совершенно иное — использование углеродного волокна или литого магния, или в принципе по-другому спроектированный механизм, например, такой как лигерад.

Автор Шелдон Браун.