Когда производители выпускают новые модели велосипедов, они часто неоднократно подчеркивают повышенную жесткость, вес, комфорт или аэродинамику новой модели. Среди этих параметров наиболее ценной является жесткость, которая является ключевым фактором в создании максимально эффективного велосипеда с точки зрения передачи усилия. Однако под общим понятием жесткости скрывается множество деталей.
Среди множества аргументов, которые производители приводят для продажи своей продукции, всегда фигурирует «повышенная жесткость». На самом деле это параметр, о котором многие говорят, но мало кто понимает, что он на самом деле означает. Однако, как и в случае с весом велосипеда, многие переоценивают роль повышенной жесткости, а жесткость не обязательно лучше.
Что такое жесткость?
Прежде чем приступить к анализу значения этого параметра, первое, что следует сделать, — это прояснить, что такое жесткость. Согласно общепринятому в технике определению, жесткость — это способность конструктивного элемента (в случае велосипеда — рамы) сопротивляться деформации, вызванной приложением внешних сил.
Вот почему, когда мы говорим о жесткости, большинство людей сразу думают о силе, которую мы прикладываем к педалям, и о степени боковой деформации рамы при каждом нажатии педали.
Однако это лишь одна из сил, действующих на раму, а другие силы, такие как воздействие центробежной силы при поворотах, реакция на неровности дороги и другие неровности, встречающиеся на дороге, часто не принимаются во внимание.
Инженеры, разрабатывающие велосипеды, должны учитывать все эти аспекты, чтобы добиться не только чрезвычайно высокой жесткости конструкции, но и правильной способности поглощения ударов, при этом максимально облегчив все транспортное средство.
Поэтому, говоря о жесткости рамы, мы должны оценивать ее в разных областях рамы, поэтому вы обнаружите, что этот параметр в каждой области более интересен, чем в другой.
Проще говоря, достижение максимально возможной жесткости не является проблемой. Просто сложите материалы, особенно сырье с высокой прочностью на разрыв, и вы сможете получить более прочную конструкцию. Помимо материала, важно также поперечное сечение трубы. Чем больше поперечное сечение, тем выше жесткость. Но побочным эффектом является то, что вес неизбежно увеличится.
Расположение углеродного волокна, конечно, также очень важно. Текущий основной метод основан на различных расположениях однонаправленных волокон, которые характеризуются высокой жесткостью в направлении расположения волокон, но низкой жесткостью в направлении, перпендикулярном волокну. Это позволяет инженерам достигать соответствующих применений в различных областях рамы в зависимости от того, как расположена каждая волокнистая ткань.
Для достижения идеального соответствия требуются очень сложные расчеты. К счастью, инженеры в 21 веке могут делать это в основном на высокопроизводительных компьютерах, используя программное обеспечение для конечно-элементного анализа (FEA), которое инженеры могут использовать для генерации сотен виртуальных рам и моделирования их реакции на различные силы.
Целью проектирования рамы является достижение баланса и добавление жесткости только там, где это необходимо. Для этого мы определяем несколько типов жесткости в велосипедных рамах.
Жесткое педалирование - боковая жесткость
Во-первых, показатель, который мы обычно учитываем больше всего, — это боковая жесткость, которую производители измеряют в своих лабораториях, прикладывая нагрузки к каретке, чтобы имитировать силы, прилагаемые при педалировании. Эта жесткость в основном измеряет степень деформации области каретки каждый раз, когда наши ноги наступают на шатуны. Интересно, что боковая жесткость должна быть максимально высокой, поскольку, минимизируя боковое смещение, векторная сила, которую мы генерируем, может быть максимальной силой, передаваемой на заднее колесо.
Кроме того, задний треугольник должен быть достаточно жестким, чтобы не деформироваться, когда цепь передает усилие на заднюю часть.
Это параметр, который мы, рецензенты, пытаемся оценить, насколько легко велосипед может быстро разгоняться, и это особенно важно для горняков и спринтеров, которым нужен велосипед, который может продолжать давить на полную мощность при запуске атаки или столкновении с большой группой спринтеров. Однако на крейсерских скоростях большинство рам на рынке можно назвать очень эффективными, поскольку выходная мощность более равномерна и не сильно отличается от того, что можем выдавать мы, обычные энтузиасты.
Чтобы достичь цели высокой боковой жесткости каретки, производители работали над выбором более широких кареток и 30-миллиметровых шатунов. Нижние перья также часто очень толстые, особенно по бокам, но не слишком, чтобы избежать совместимости с задним колесом. И каретка, и нижние перья часто асимметричны, чтобы сбалансировать реакцию на различные силы, возникающие на ведущей и неведущей стороне. Различные расположения углеродного волокна также максимально усилят этот эффект.
Точность обработки - жесткость на кручение
Более важным, но менее упоминаемым параметром является жесткость на кручение. Она определяет, насколько сильно рама скручивается под действием различных сил. Это скручивание влияет на выравнивание передних и задних колес, и, следовательно, оказывает значительное влияние на управляемость мотоцикла, особенно на поворотах.
При повороте на высокой скорости велосипед оказывает центростремительную силу на внутреннюю часть кривой, что создает центробежную силу, которая стремится сместить нас с линии. Из-за различий в конструкции вилки и заднего треугольника силы на переднем и заднем колесе не одинаковы, что вызывает определенное смещение колес в движущейся линии.
Но есть еще один аспект, который следует учитывать. Боковая и торсионная жесткость должны быть сбалансированы для достижения наилучших характеристик без каких-либо компромиссов. С другой стороны, слишком большая боковая жесткость на передней и задней осях может затруднить езду на велосипеде, когда дорожное покрытие не идеально, поскольку он будет отскакивать после каждого дорожного удара. Поэтому есть еще больше аспектов, которые следует учитывать.
Плавное движение вперед - вертикальная жесткость
Если целью предыдущих пунктов является достижение максимально возможной жесткости, то в вертикальной плоскости все с точностью до наоборот: достаточно жесткой, чтобы избежать эффекта подпрыгивания, но в то же время достаточно деформируемой, чтобы компенсировать неровности дороги.
Это очень сложный параметр для настройки, поскольку на него влияет вес велосипедиста, а конструкция велосипеда учитывает все типы велосипедистов. Конечно, теперь мы можем использовать анализ больших данных велосипедистов, чтобы вывести средний размер велосипедистов определенного размера, что позволяет инженерам настраивать этот параметр более точно.
В целом, как и в случае с поперечной жесткостью, поперечное сечение трубы рамы и расположение углеродного волокна будут оказывать относительно очевидное влияние на вертикальную жесткость, а регулировка вертикальной жесткости также направлена на достижение идеального баланса между поглощением вибрации и эффективностью передачи усилия, не влияя на поперечную жесткость.
Вертикальная жесткость обычно влияет на аэродинамику, поскольку аэродинамические трубы увеличивают вертикальное поперечное сечение труб, что увеличивает вертикальную жесткость и становится меньше в горизонтальном поперечном сечении, влияя на боковую жесткость, что является полной противоположностью тому, что требуется от рамы.
Решение этой проблемы обычно основано на усечении виртуальной хвостовой трубы и увеличении горизонтальной площади поперечного сечения трубы, но это влияет не только на вес, но и на аэродинамические характеристики.
Что делать, если велосипед слишком жесткий или слишком мягкий?
Как мы уже говорили в начале, если абсолютное значение жесткости очень важно, то очень легко сделать велосипед чрезвычайно жестким, используя современные материалы. Однако мало кто из нас может продержаться больше часа на такой машине, не только потому, что изменения дорожного покрытия быстро раздавят наши руки и спины, но и потому, что реакция на любую небольшую операцию слишком быстрая, заставляя нас все время оставаться напряженными.
На самом деле, в определенный период истории у нас когда-то были такие машины. Хотя они казались чрезвычайно прекрасными, когда вы впервые в них вставали, особенно при ускорении, вы вскоре обнаруживали, что такие машины непрактичны в реальном мире. По мере того, как километры проходили, они причиняли нам больше вреда, чем приносили, или на каждом спуске они не давали нам ничего, кроме слишком большой уверенности в поворотах. Я думаю, все еще помнят гоночные автомобили из цельноалюминиевого сплава, которые были популярны в начале 21-го века. Это были действительно «два колеса и шест, больше ничего не поделать».
С другой стороны, мы привыкли считать их «хлопковыми автомобилями». Вероятно, это те автомобили, которым требуется непрерывная высокоинтенсивная выработка для поддержания крейсерской скорости, и вы почувствуете, что больше половины вашей мощности исчезло, не говоря уже о старческом отклике при ускорении.
Такой велосипед также пробудит кошмарные воспоминания людей при поворотах и навигации. Я думаю, что райдеры, у которых есть шоссейные велосипеды со стальной рамой среднего класса, поймут, что я имею в виду. Хотя мы можем назвать такой велосипед «элегантным по форме и роскошным по текстуре», все поймут.
После вышеприведенного введения мы примерно знаем, что в большинстве случаев более высокая жесткость определенно будет более популярной, но ее необходимо тщательно протестировать в каждой области рамы и, наконец, достичь идеального баланса различных показателей. Короче говоря, общая жесткость рамы значительно возросла за эти годы. На моделях последнего поколения вам, возможно, нужно будет наступить на нее всего несколько раз, в то время как на модели, которая может быть той же моделью десятилетней давности, вам, возможно, придется наступить на нее гораздо больше. Благодаря такому сравнению вы можете очень интуитивно почувствовать огромное влияние развития знаний о конструкции рамы, обогащения инструментов проектирования и улучшения качества материалов на производительность велосипеда.
