Выбор материала для рамы велосипеда — одно из ключевых решений при покупке.
На протяжении многих лет рамы велосипедов изготавливали из различных материалов, изначально доминировала сталь. В настоящее время основными вариантами являются алюминий и карбон, хотя сталь и титан все еще используются.
Каждый материал рамы имеет свои плюсы и минусы, в зависимости от ваших приоритетов как райдера, включая вес, бюджет, долговечность и характеристики производительности, которые вы ожидаете от рамы и, соответственно, от велосипеда.
Здесь мы рассматриваем ключевые свойства алюминия, стали, титана и карбона, которые стоит учитывать при покупке велосипеда.
Важно помнить, что все материалы на самом деле являются сплавами, тот же алюминий в чистом виде никто не применяет.
Алюминий
Все металлы имеют довольно схожие соотношения прочности и веса. Важно учитывать такие факторы, как ширина труб и толщина стенки, которые играют более значимую роль, чем сам материал. Алюминиевые трубы относительно легко обрабатывать, что позволяет придавать им различные свойства вдоль всей длины. Обычно трубы имеют утонченные(баттированные) участки, что помогает обеспечить жесткость там, где это необходимо, и снизить вес в ненужных местах.
Что такое баттинг труб? Баттинг помогает уменьшить вес в не критичных зонах, одновременно улучшая прочность и жесткость там, где это нужно. Трубки для велосипедов, независимо от их материала, обычно имеют баттинг. Это означает, что на концах трубы, где возникает больше нагрузки и требуется больше материала для соединения с другими трубами, толщина больше, а в середине — меньше, чтобы сэкономить вес. Трубки с прямой стенкой имеют одинаковую толщину по всей длине, тогда как трубы с одинарным баттингом толще на одном конце, а двойной баттинг — на обоих концах.
Баттинг — это лишь часть процесса, и часто премиальные алюминиевые рамы описываются как "гидроформованные". Этот термин обозначает процесс, при котором форма трубы адаптируется с помощью жидкости под давлением, чтобы соответствовать форме матрицы.
Современные алюминиевые велосипеды обладают более продвинутыми технологиями, и этот процесс помогает создавать сложные формы, влияющие на характеристики определенной части рамы, включая вес, прочность и комфорт. Многие последние алюминиевые рамы также имеют аэродинамические формы.
Алюминиевые трубы обычно свариваются вместе для создания рамы. Свежая сварка может выглядеть довольно неаккуратно, но после сварки ее часто шлифуют (технический термин - "линирование") для более чистого вида на премиальных рамах. Это также помогает немного сэкономить вес. После сварки алюминиевая рама обычно подвергается термообработке, чтобы вернуть сплаву полную прочность. При сварке вы применяете много тепла к локализованной области, что может изменить свойства металла и сделать сварные швы самой слабой частью. Темперирование после сварки помогает устранить эту проблему.
Каковы основные свойства алюминиевой рамы велосипеда?
Алюминий прекрасно подходит для жестких условий горного велосипеда. Это материал, который используется для большинства дешевых рам, но также остается популярным выбором для более дорогих, нацеленных на производительность рам, как на шоссе, так и, в частности, для горных велосипедов.
Хотя точные свойства алюминиевой рамы могут варьироваться от одного велосипеда к другому, в целом она относительно легкая, с высоким уровнем жесткости. При этом, алюминиевые рамы являются надежными и примерно в пятую часть дешевле карбона. Сплавная рама может быть легче карбоновой при схожей цене, хотя дорогостоящие карбоновые рамы всегда будут легче.
Алюминий значительно менее плотный, чем сталь. В результате алюминиевая рама может быть выполнена из труб с увеличенным диаметром для достижения высокого уровня жесткости и более толстыми стенками, при этом оставаясь легкой. Толщина стенки труб алюминиевой сплавной рамы обычно в два раза больше, чем у стали, а диаметр труб на 20 - 30 процентов больше.
Алюминиевые рамы исторически имели репутацию неудобных из-за своей жесткости и недостатков в амортизации. Однако новейшие технологии строительства рам и тенденция к более широким шинам на шоссейных велосипедах означают, что многие алюминиевые велосипеды предлагают значительно улучшенное качество амортизации. Хотя алюминиевые рамы предлагают впечатляющий баланс прочности, жесткости и низкого веса, алюминиевые сплавы могут быть подвержены заметной усталости, в отличие от стали и титана.
Сталь
Сталь остается популярным выбором для бутиковых и индивидуальных велосипедов, а также рам для туризма и велопоходов, где вес не так критичен. Она предлагает лучшую стоимость по сравнению с титаном, а долговечность и прочность являются ключевыми аспектами.
Тем не менее, стальные рамы, если не изготовлены из нержавеющей стали, требуют покраски, чтобы предотвратить коррозию с внешней стороны, а внутреннюю поверхность труб также можно обрабатывать специальными средствами, чтобы защитить от ржавчины. Правда для большинства велосипедистов это неактуально, поскольку 5 - 10 лет стальная рама точно прослужит.
На протяжении почти ста лет сталь была основным материалом для строительства рам, даже на профессиональном уровне, вплоть до середины 1990-х годов, когда алюминиевые сплавы начали завоевывать популярность, а первые карбоновые рамы только начали появляться на рынке.
Сегодня стальные велосипеды по-прежнему доступны, и этот материал остается главным выбором для кастомных сборщиков, хотя он больше подходит для ценителей, способных ощутить небольшие отличия на ходу. Современные стальные рамы отличаются большим разнообразием форм труб, в отличие от круглых сечений старых моделей. Большинство высокопроизводительных стальных велосипедов изготавливаются из хромомолибденовой стали, в то время как дешевые рамы часто делаются из высокопрочной стали(hi-ten). Разные составы стали имеют разные свойства — например, Reynolds 531, классический сплав для велосипедных рам, указывает на пропорцию марганца, углерода и молибдена в сплаве.
Стальные рамы также можно изготовить из нержавеющей стали, хотя в среднем они слабее хромомолибденовых. Тем не менее, разработаны специальные нержавеющие стали, которые по прочности сравнимы с хромомолибденовыми или даже превышают их. Одним из преимуществ стали является то, что при повреждении ее относительно легко восстановить, в отличие от алюминия и, как мы увидим позже, карбона.
Основными недостатками стали являются ее вес и стоимость. Сталь тяжелее алюминия и дороже в массовом производстве, что делает алюминий предпочтительным выбором для большинства современных металлических велосипедных рам. Тем не менее, несмотря на большую плотность и вес, сталь более прочная и надежная, благодаря чему производители рам могут использовать трубы с меньшим диаметром и более тонкими стенками, сохраняя необходимый уровень жесткости. Естественные демпфирующие свойства стали также обеспечивают "упругую" и комфортную езду, хотя это не может сравниться с соотношением жесткости и веса алюминия.
Титан
Титан часто рассматривается как роскошный вариант, отчасти благодаря своим отличным характеристикам и цене, а также тому, что титановые велосипеды часто воспринимаются как "велосипеды на всю жизнь". Большинство металлов имеют определенное количество циклов нагрузки, после которых они, вероятно, сломаются. Титан гораздо более устойчив к повторным нагрузкам и деформациям, что позволяет опытным мастерам создавать более легкие и гибкие конструкции без риска поломки.
Как и алюминиевые и стальные рамы, титан также является сплавом и предлагает различные сорта для изготовителей рам. Наиболее распространенным сплавом для титана является AL3 2.5V (содержащий 3% алюминия и 2,5% ванадия). Трубки из сплава 6AL 4V значительно прочнее, но также и сложнее в обработке, и иногда используются для высокопроизводительных рам или в отдельных областях, где жесткость критически важна, таких как рулевая труба и кареточная труба.
Титановые сплавы также обладают высокой устойчивостью к усталости, что означает, что они могут изгибаться без разрушения. Например, компания Moots использует гибкость в титановых перьях для обеспечения подвески без шарниров на задней части своих рам Mountaineer и Routt YBB. Титан имеет явные преимущества перед другими металлами для велосипедных рам: он менее плотный, что позволяет сделать раму легче, сохраняя при этом более толстостенные трубы. Трубка из титана весит половину веса трубы из стали с одинаковой прочностью на разрыв.
Тем не менее, работать с титаном значительно сложнее, чем со сталью необходимо обращать внимание на чистоту и контроль за процессом сварки, особенно на удаление кислорода, для чего используется аргон. Титановые рамы также имеют репутацию, позволяющую обеспечить комфортное качество езды в руках квалифицированного инженера, несмотря на то, что титан остается самым дорогим металлическим вариантом, часто превышающим цену карбоновых рам.
Карбон
С тех пор как Лэнс Армстронг выиграл Тур де Франс 1999 года на Trek 5500 OCLV, карбоновое волокно стало основным материалом для высокопроизводительных велосипедных рам. И на то есть веские причины. Карбоновое волокно – это высокоадаптивный удивительный материал, который можно формировать и настраивать в соответствии с точными требованиями, обеспечивая баланс между жесткостью, комфортом и аэродинамической эффективностью.
Тем не менее, карбон также имеет свои недостатки. Рамы из карбона являются дорогими и могут быть более подвержены повреждениям при авариях, чем другие материалы.
Как изготавливается карбоновая рама велосипеда?
Карбоновая рама состоит из слоев углеродного волокна (волокна, сплетенные в листы), встроенных в матрицу эпоксидной смолы. Углеродные волокна придают ей прочность, а смола скрепляет ее. Карбон имеет наивысшее соотношение прочности к весу на слой, но это только в одном направлении, поэтому он накладывается под разными углами в велосипедной раме. Это означает, что его соотношение прочности к весу немного снижается, но все равно остается выше, чем у других материалов.
Большинство рам изготавливаются путем накладывания множества листов материала углеродного волокна/смолы, с использованием различных сортов и ориентаций в разных местах рамы. Например, компания Look сообщает, что их рама 795 Blade изготовлена из более чем 800 различных частей.
После того как различные слои рамки были собраны, что делается вручную, рама помещается в тяжелую металлическую форму и выдерживается под давлением, чтобы соединить разные слои. В случае монокоque-рамы необходимо использовать отдельную форму для каждого размера велосипеда, что делает настройку нового дизайна рамы дорогой.
Ключевое отличие между карбоном и всеми металлами заключается в том, что композитная природа углеродного волокна делает его анизотропным, что означает, что его физические свойства различны в разных направлениях.
Простой пример анизотропного материала - это кусок дерева; вы можете легко расщепить его вдоль, но гораздо труднее сломать поперек волокон. То же самое происходит и с углеродным волокном, что означает, что расположение различных частей критически важно для того, как рама едет и насколько она прочная. Именно поэтому вы неоднократно будете встречать ссылки на "накладку" в рекламных материалах карбоновых велосипедов.
Другим важным фактором является модуль углеродного волокна, используемого в конструкции. Волокна с высоким модулем будут более жесткими, но также они более хрупкие. Поэтому даже рама, рекламируемая как "высокий модуль", будет изготовлена из смеси различных марок углеродного волокна. Углеродные волокна с высоким модулем также стоят дороже, но в конечном итоге вы получите более легкую раму при той же прочности.
Иногда в карбоновые рамы могут быть добавлены и другие материалы. Примером служит технология Countervail компании Bianchi, используемая во многих их рамах. Эта технология интегрирует слой вискоэластичного материала в карбоновые слои, что, по утверждениям Bianchi, помогает уменьшить вибрации.
Способность тщательно настраивать свойства каждой части рамы позволяет проектировать карбоновые конструкции, которые соответствуют конкретным требованиям велосипеда и стилю езды, для которого они предназначены. Карбон может использоваться для создания рамы, которая будет невероятно легкой и жесткой, одновременно позволяя формировать сложные аэродинамические трубчатые формы, при этом учитывая качество езды и комфорт.
Недостатки карбоновой рамы
Однако все это стоит денег, и углеродное волокно не всегда является лучшим вариантом для дешевых рам, где более доступные алюминиевые варианты могут предложить схожие или даже лучшие характеристики езды за меньшие деньги. Еще одним недостатком углеродного волокна по сравнению с металлическими рамами является то, что его нельзя нарезать или обработать для создания резьбы, чтобы позволить крепить комплектующие. Таким образом, подшипники обычно нужно запрессовывать в раму, или требуется добавление металлической вставки для размещения резьбовых подшипников.
Правда вопрос цены сильно зависит от производителя, появившиеся в последнее время в товарных количествах китайские рамы вполне доступны по цене. Основной вопрос по качеству, геометрии и прочности, но это уже тема для отдельной статьи.
