Невоспетые герои велосипеда, мы думаем, что пора заслужить заслуженное уважение к спицам
Эти тонкие пряди проволоки выполняют неустанно тяжелую работу, многократно растягиваясь и сжимаясь при каждом обороте наших колес. Они также передают силы ускорения педалирования от ступицы к ободу колеса, а также передают силы торможения. Их роль в самом факте того, что мы вообще можем ездить на велосипеде, почти волшебна - такие тонкие пряди выдерживают такие огромные нагрузки. Таким образом, мы почувствовали, что настало время, чтобы скромный представитель взял на себя некоторую ответственность, где должен быть весь груз.
'Гениальность колеса со спицами заключается в том, что оно может передавать очень большие силы, создаваемые водителем, велосипедом и различными дорожными покрытиями, на эти тонкие стержни, каждый из которых систематически сжимается по мере вращения колеса и передачи нагрузки от один говорил с другим, и так далее», - говорит профессор Марк Миодовник, директор Института изготовления в Университетском колледже Лондона, автор книги «Важные вещи», телеведущий и заядлый велосипедист. Он продолжает: «Это прекрасный способ оптимизировать вес, стоимость и производительность колеса».
Спицы, будучи натянутыми, по сути, скрепляют обод, используя ступицу в качестве центрального анкера. В идеальном сценарии каждая спица тянется с одинаковым натяжением, чтобы равномерно распределить нагрузку по всему колесу, а также удерживать обод правильным и круглым. Спицы должны удерживать колесо от поперечного изгиба и деформации обода, а также противостоять сдавливанию колеса вертикальной нагрузкой (радиальное сжатие). Не маленькая задача. Неудивительно, что с момента изобретения колеса было исследовано очень мало других решений.
Натяжение спиц
Теперь все становится техническим, и вы не будете одиноки, если последующее будет немного запутанным и нелогичным. Существуют сильные разногласия по поводу того, висит ли велосипед на верхних спицах (тех, что над втулкой, если смотреть на велосипед сбоку) или, скорее, поддерживается нижними, действующими как крошечные столбы.«Последняя точка зрения, как бы странно это ни звучало, определенно имеет место», - говорит Джим Пападопулос из Инженерного колледжа Северо-восточного университета в Бостоне, США, и соавтор Bicycling Science..
Хотя легко поверить, что велосипедная спица просто рухнет под весом велосипеда и велосипедиста, он продолжает объяснять, что натяжение, создаваемое в спице в процессе сборки колеса (так называемое «предварительное натяжение»), что позволяет нижним спицам нести нагрузку без коробления, как если бы не было предварительного натяжения. «Каждая спица на ненагруженном колесе имеет натяжение порядка 100 фунтов [445 Н]. Когда ось прижимается к земле с силой 100 фунтов, единственное существенное влияние на натяжение спиц заключается в уменьшении натяжения непосредственно под ступицей - обычно оно уменьшается примерно до 50 фунтов, а спицы с каждой стороны уменьшаются примерно до 75 фунтов. Это именно то, что можно было бы увидеть с цельными деревянными спицами, такими как старое колесо телеги - нижнее колесо будет нести 50 фунтов, а те, что по обе стороны от него, будут нести 25 фунтов. Отличие колес с проволочными спицами в том, что проволочные спицы не могут нести сжимающую нагрузку - они разрушатся. Таким образом, все спицы гениально предварительно натянуты. Проволока не может выдерживать сжимающую нагрузку в 50 фунтов, за исключением случаев, когда она уже несет растягивающую нагрузку, превышающую эту.
«Конечно, велосипедное колесо разрушится, если снять верхние или горизонтальные спицы», - добавляет Пападопулос. «Но это в основном потому, что измененная конструкция имеет совершенно другой путь нагрузки и, кроме того, не может обеспечить требуемое предварительное натяжение. Мы не можем использовать этот коллапс, чтобы сделать вывод, что обычное колесо несет нагрузку через верхние спицы». Если у вас кружится голова, вы не одиноки. Итак, давайте перейдем к более простой области материала спиц.
Стальные спицы
Спицы в основном изготавливаются из стали, выбор материала, который, как говорит нам Миоданик, «в основном сводится к способности иметь надежную резьбу. Стальная проволока великолепна, потому что даже с очень небольшой площадью крепления, например, там, где ниппель держит спицу на ободе, вы можете приложить к ним довольно большое натяжение, не сдирая нить. Нержавеющая сталь - идеальный материал, так как она сочетает в себе высокую прочность и малый вес, а также доступна по цене».
Нержавеющая сталь была предпочтительным металлом для спиц с конца 19 века из-за ее высокой прочности на растяжение, которая позволяет спицам оставаться относительно тонкими и легкими, выдерживая воздействующие на них силы. «Спицы из мягкой стали должны быть в два раза тяжелее и толще», - говорит Крис Хорнзи-Джонс, директор инженеров-конструкторов Aerotrope. Он спроектировал новаторский горный велосипед Lotus из углеродного волокна и работал над одним из самых больших когда-либо созданных колес с натяжными спицами - конструкцией диаметром 60 м, подвешенной под крышей Купола Тысячелетия, используемой в качестве платформы для выступлений в воздухе. «При добавлении хрома и молибдена к железу и углероду мягкой стали получаемый сплав из нержавеющей стали становится намного более устойчивым к усталости.’
Усталость – враг спиц. Если вы думаете, что ваши квадрицепсы постоянно подвергаются нагрузке из-за повторения нажатий на педали, тогда пожалей свои спицы, которые избиваются при каждом обороте колеса. Каждая спица в колесе подвергается сжимающей нагрузке только на долю секунды, пока она находится непосредственно под ступицей, и в этот момент она сжимается, прежде чем давление спадет и она сможет вернуться к своей нормальной длине. Это безжалостный цикл, который может в буквальном смысле уничтожить плохо построенное колесо.
«Колесо похоже на утомительную беговую дорожку для спиц, которая усложняется для них тем, что на одном конце добавлена нить, а на другом [в большинстве случаев] изгиб и/или головка». говорит Хорнзи-Джонс. «Резьба является концентратором напряжения, и передача нагрузки происходит в основном через первые несколько витков. Более того, ниппель сравнительно жесткий, и, поскольку он пытается сидеть перпендикулярно ободу, он редко идеально совпадает с углом, на который выходит спица, что может быть причиной дополнительного концентрированного напряжения. С другой стороны, J-образный изгиб изгибается незначительно, и после сотен тысяч нормальных оборотов колеса любые крошечные дефекты поверхности, глубиной всего в микроны и совершенно незаметные для человеческого глаза, могут начать открываться. Сначала это медленный процесс, но в конечном итоге он приведет к поломке спицы».
Алюминиевые спицы
Сталь – не единственный материал, используемый для спиц. Mavic и Campagnolo (а также дочерняя компания Campagnolo Fulcrum) уже давно являются сторонниками алюминиевых спиц. Алюминий имеет одну треть плотности стали, но также около одной трети жесткости, поэтому спицы должны быть толще, что означает, что они потенциально менее аэродинамичны, требуют ниппелей большего диаметра и, следовательно, больших отверстий в ободах, которые могут уменьшить прочность и жесткость обода. Алюминиевые спицы также имеют прямую конструкцию, так как J-образный изгиб в алюминии с большой вероятностью выйдет из строя под нагрузкой.
Еще одно ограничение заключается в том, что алюминий не так легко удерживает резьбу. Решение Mavic состоит в том, чтобы вкрутить ниппели прямо в обод, а не в спицу. Campagnolo предлагает выбрать алюминиевые спицы, которые весят так же, как и стальные версии, но по сравнению с ними улучшают ощущение езды от колес, однако это в значительной степени субъективный вопрос, в котором спицы играют только одну роль, а шины, диски и ступицы также играют важную роль. не говоря уже об остальном велосипеде.
Учитывая различные нагрузки, которым подвергаются спицы, углеродное волокно может показаться вовсе не вероятным выбором, но Mavic, наряду с несколькими другими брендами высококачественных колес, такими как Lightweight и Reynolds, нашли способы чтобы использовать его прочность на растяжение в спицах, с очевидной экономией веса. Например, в Mavic R-Sys SLR используются полые углеродные трубки для обеспечения жесткости при растяжении и устойчивости к сжатию.«Растяжение спиц намного ниже, чем у стали или сплава, потому что углерод более жесткий», - говорит Мишель Летенет из Mavic. «Будучи трубчатыми, они сопротивляются сжатию, что помогает поддерживать жесткость колеса, хотя требуются некоторые металлические детали, которые соединяются на каждом конце, чтобы сделать крепления на ободе и ступице». Альтернативный метод используется в Mavic Cosmic Carbone. Ultimate, в котором карбоновые спицы с лопастями проходят от одной стороны колеса к другой, соединяясь с фланцем ступицы и пересекая другие спицы по пути.
Правда со спины
Есть несколько других общепризнанных велосипедных знаний, касающихся спиц, которые Питер Марчмент, ученый-материаловед и директор Hunt Bike Wheels, счастлив развеять. «Колесо с более глубоким ободом и более короткими спицами часто считается «более прочным», но обычно это связано с присущей ободу дополнительной жесткостью», - говорит он.«Кроме того, многие люди считают, что более высокое натяжение спиц означает, что вы получите более жесткое колесо, но это не так. На жесткость колеса влияет множество факторов, помимо натяжения, включая количество спиц, угол крепления и глубину обода.
На самом деле спица будет удлиняться на одинаковую величину под нагрузкой, независимо от приложенного предварительного натяжения, а это означает, что увеличение натяжения спицы не делает колесо более жестким». является решающим. При чрезвычайно высоком натяжении обод и спицы более подвержены повреждению, потому что они предварительно нагружены с большим усилием. Но низкое натяжение спиц также является проблемой, потому что ниппель с большей вероятностью ослабнет [раскрутится], когда они не будут нагружены ударами или дорожными вибрациями, что приведет к тому, что колесо выйдет из истинного положения».
Независимо от натяжения и узора, существует широкий выбор спиц, не говоря уже о множестве вариаций качества проволоки, из которой они сделаны. Sapim, один из ведущих производителей спиц, производит 300 миллионов спиц в год и постоянно ходит по магазинам, чтобы поддерживать качество и оставаться конкурентоспособными в своем ассортименте. «От 60 до 70 процентов стоимости спицы простого калибра может зависеть от материала, поэтому важно правильно подобрать материал, но самое главное для всех наших спиц - это характеристики проволоки», - говорит менеджер по продажам Sapim., Клаус Грютер. «Нам нужна яркая и блестящая проволока с пределом прочности на растяжение от 1000 до 1050 Н/мм2, хорошими показателями усталости и, что важно, отличной коррозионной стойкостью».
Грютер сообщает нам, что образцы проходят лабораторные испытания на прочность на растяжение, сопротивление изгибу и скручиванию. После приема проволока с катушек выпрямляется на машине и обрезается. Проволоку гладкого сечения также можно превратить в стыковые спицы (где центральная часть делается более узкой), протянув проволоку через матрицу. После стыковки головка спицы и J-образный изгиб куются, а нить на другом конце наматывается (не обрезается). Готовые спицы проверяются как системами машинного зрения, так и человеческим глазом и рукой. Одна машина способна производить 20 000 баттированных спиц в день, что объясняет, почему разная стоимость рабочей силы мало влияет на цену готовой спицы и почему производители во всем мире могут продавать по одинаковым ценам.
Но зачем же все-таки ссориться? Джонатан Дэй из Strada Wheels объясняет: «Спицы с баттингом лучше справляются с крутящим моментом, чем обычные. Они шире в плоскости колеса, то есть в направлении силы кручения, поэтому материала для сопротивления ей больше. Кроме того, они немного больше изгибаются в перпендикулярной плоскости, поэтому лучше распределяют компрессионную нагрузку по колесу».
Узор спиц
Традиционный рисунок велосипедного колеса состоит из 32 (иногда 36) спиц, скрещенных три раза. Переплетение спиц в колесе с традиционной шнуровкой - это не просто красивое калейдоскопическое расположение, а на самом деле функциональная часть конструкции колеса.
С точки зрения поперечной жесткости точки пересечения спиц позволяют каждой из них упираться в другую, когда она находится под напряжением, а также поддерживать ее, когда она сжимается. Наиболее важную роль схемы шнуровки с тремя крестами играет заднее колесо, где спицы должны передавать усилие педалирования от ступицы. В этом случае спицы подвергаются гораздо большей скручивающей нагрузке благодаря скручивающей силе трансмиссии. Спицы со стороны кассеты, выходя из ступицы по касательной, передают вращающее усилие (крутящий момент) от ступицы к ободу. Радиальные спицы (которые следуют по траектории от центра втулки прямо к ободу, не пересекая другой) гораздо хуже справляются с такой нагрузкой и с большей вероятностью выйдут из строя.
Когда крутящий момент не имеет значения, например, на переднем колесе с ободными тормозами, имеет смысл использовать радиальные спицы. Это снижает вес, так как спицы могут быть короче и их требуется меньше для создания бокового жесткого колеса. Это тоже выглядит хорошо. Однако дисковые тормоза вызывают значительную торсионную нагрузку, что делает радиальные спицы почти невозможными. «Правильный рисунок шнуровки является ключевым, потому что спицы разделяют нагрузку на сжатие, сжимая соседей, которых они пересекают, поэтому спицы должны быть зашнурованы так, чтобы они были ведущими или замыкающими», - говорит Дэй. «Вы должны убедиться, что ведущая спица в первую очередь воспринимает нагрузку со стороны привода. На колесе с 32 спицами вам нужно, чтобы 16 ведущих спиц распределяли нагрузку. Если вы ошибетесь со шнуровкой, всю работу сделают только восемь».
Примечательно, что рисунок спиц остается одним из наименее сложных аспектов конструкции колес, несмотря на значительный скачок вперед в области материалов и технологий производства за последние десятилетия. Это действительно испытанная методология, и, как говорится, если она не сломалась…
