Профессиональное обучение
(сборник учебников по профессиям)

Современный
велосипед

       

Спицы и ниппели

Зачем в велосипедном колесе такое множество тонких стальных спиц, и как они туда попали, - это первый вопрос, возникающий в непредвзятом сознании при взгляде на двухколесный аппарат. Прежде всего вспомним юного денди, который выехал обкатывать свой «свежесрубленный» байк, поставленный на пару тщательно сделанных, изящных деревянных колес, снятых, судя по всему, с кареты. Колеса имели деревянный обод, ступицу и некоторое количество толстых деревянных спиц. Эта конструкция известна уже несколько тысяч лет. В таком колесе весь вес принимают на себя спицы, поочередно работающие на сжатие. В этом смысле карета, телега и старинный велосипед похожи на сороконожку с большим количеством длинных ног. Вместе взятые, они много весят, но работа их неэффективна. Как следует из теории упругости, длинный линейный элемент, работающий на сжатие, должен иметь большие поперечные размеры (соответственно, больший вес), чем элемент, работающий на растяжение. Впервые этот факт был осознан изобретателем Джорджем Кэйли, который в 1820 году понял, что можно сильно сэкономить на весе, если сконструировать колесо, в котором спицы работают не на сжатие, а на растяжение. Само собой, дерево оказалось не лучшим материалом для новой конструкции. Но эта идея привела в дальнейшем к разработке современного велосипедного колеса, в котором проволочные спицы постоянно растянуты, в то время как сжимающая нагрузка воспринимается ободом, который можно сделать весьма тонким, легким, жестким и достаточно устойчивым.

В 1867 году Медисон Каупер собрал первые подобные колеса. Именно колесо с проволочными спицами и надувными шинами сделало велосипед удобным, практичным и достаточно быстрым. Кстати, Кэйли интересовал не велосипед, а самолет, и он много сделал для зарождающейся авиации. Его задачей было сделать шасси аэроплана максимально легким.

Но мир меняется быстро. Фирма Mavic недавно предложила колеса (готовые «вилсеты»), где часть толстых карбоновых спиц работает и не только на растяжение, но и на сжатие. Спицевой набор

Спицы в колесе образуют так называемый спицевой набор, который решает несколько задач: центрирует обод, задает его положение относительно фланцев втулки, перераспределяет нагрузку равномерно по ободу, удерживает форму колеса и помогает обеспечивать его прочность и жесткость. Жесткость бывает разная. Радиальная жесткость определяет способность колеса воспринимать вес велосипедиста, удары при преодолении препятствий и неровностей на дороге. «Крутильная» (тангенциальная) жесткость - это возможность передачи крутящего момента при педалировании и торможении. Поперечная жесткость противодействует боковому изгибу обода и его боковому перекосу, если усилия направлены перпендикулярно плоскости колеса, например, во время поворота или бокового сноса. Если поперечная жесткость недостаточна, то на вираже покрышка начинает цепляться за перья.

Вариантов спицевого набора может быть несколько. Они отличаются друг от друга количеством пересечений спиц, идущих к одному фланцу, как говорят, «крестов» (см. рис). Количество спиц в колесе кратно четырем, кроме случая радиального набора, когда оно кратно двум.

Рис . Виды крестовых наборов

Изредка встречаются и экзотические наборы, например, Hibrid Grows foot - смешанный спицевой набор типа «Воронья лапа» («Вороний след»), в котором количество спиц кратно трем. В последнее время все чаще появляются спицевые наборы, которые не только кратны двум, что понятно, но и спицы в них сгруппированы по парам (2,4...), и каждая группа отделена хорошо видным промежутком. Мода, что тут поделаешь.... Каждая спица в наборе подходит к своему отверстию во фланце втулки под определенным углом наклона к радиусу колеса. Чем больше в колесе спиц, тем больше требуется крестов для того, чтобы этот угол был близок к оптимальному, равному 90°, - тогда на спицу действует минимальное усилие (см. рис.). Количество крестов зависит от диаметра фланца втулки и количества спиц. Увеличение фланца позволяет сократить количество крестов. Колесо из 48 спиц имеет обычно 5 крестов, из 40 - 4 креста, из 36 -4 или чаще 3, из 32 - 3,28 или 24 спиц - 2 креста. Но нередко встречаются и отклонения от данного правила.

Рис. Спица на втулке

Чем меньше в наборе крестов, тем короче спицы, меньше их масса, и тем больше поперечная жесткость колеса. Чем больше количество крестов, тем ближе угол наклона спиц к 90°, то есть к касательной к фланцу. В этом случае возрастает «крутильная» жесткость колеса, оно эффективнее при разгоне, велосипед становится более приемистым, а при торможении несколько снижаются энергетические потери на вибрации в колесе. Набор в 1, 2, 3, 4 и т.д. креста называют полутанген-циальным.

Наборы колеса

Радиальный набор, 0 крестов - спицы идут по радиусу колеса «солнышком» и имеют минимальную длину. Колесо получается чуть более легким, с несколько меньшим аэродинамическим сопротивлением, с большей поперечной, но низкой «крутильной» жесткостью. Нагрузка по ободу распределяется менее равномерно, чем при крестовом наборе, спицы работают больше на изгиб, чем на растяжение. Поэтому радиальный набор применяется только для передних колес. Кстати, на такие колеса возможна установка только ободных тормозов. Для дисковых и роллерных, расположенных на втулке, радиальный набор не подходит. Нагрузка на спицы радиального набора при экстренном торможении значительно возрастает (по некоторым оценкам, в 4-6 раз, особенно если делать стойку на переднем колесе), и их может вырвать из обода. Кроме того, у радиального набора есть две особенности. Во-первых, возможность самопроизвольного выкручивания ниппелей спиц, во-вторых, повышенная вероятность разрушения фланца втулки в месте крепления спицы.

Рис . Из рисунка понятно, что колесу с радиальной спицовкой (солнышком) дисковые и роллерные тормоза противопоказаны.

Полурадиальный набор применяется для заднего колеса. С одной стороны фланца имеется радиальный набор, а с другой - полутангенциальный. Идея такого набора состоит в выравнивании натяжения и высоты «зонтов» спиц с обеих сторон. Благодаря этому колесо получается максимально жестким и долговечным. Иногда такой спицевой набор используется вместе с несимметричным ободом со смещенными на 2-3 мм влево рядами отверстий.

Предварительное натяжеиие спиц

Существует правило, согласно которому стандартные усилия, возникающие в спицах при быстром старте, интенсивном торможении, качении по неровному грунту (радиальные нагрузки) и повороте или скольжении (боковые нагрузки) не должны превышать предварительного натяжения спиц, создаваемого при сборке колеса. В противном случае часть спиц в момент максимальной нагрузки начинает работать на сжатие. А сжатие сразу приводит к изгибу. Повторяющиеся циклы натяжения и ослабления приводят к накоплению усталости в местах изгиба спиц (у головки) и в дальнейшем к разрыву спицы. Имеют место два подхода к натяжению спиц. Первый, традиционный, рекомендует сборку колеса в 2, 3 или 4 креста и натяжение спицы 40-80 кг/с. Другой подход реализован в колесах фирмы SHIMANO, у которых натяжение спиц в среднем составляет 120 кг/с. Вместе с новыми конструктивными решениями это позволило уменьшить количество спиц до 16 штук на колесо.

Итак, что это за решения?

  1. Перевернутые спицы. Спицы устанавливаются как бы «вверх ногами», ниппели зажимаются во втулку со ступенчатыми фланцами, а головки устанавливаются внутри обода, на боковой стенке с помощью прецизионных шайб. Вес обода значительно уменьшается, так как убирается металл с основания (внутренней окружности) обода, где раньше были ниппели, давление от головки спицы равномерно распределяется на большую площадь, а более тяжелые ниппели теперь находятся около оси вращения колеса. Таким образом, вредный момент инерции колеса стал чуть меньше.
  2. Парно-перекрестное расположение спиц. Спицы с правого и левого фланцев расположены в одной плоскости и подходят к противоположным боковинам обода по касательной. В результате симметричная силовая схема позволяет увеличить натяжение спиц и более равномерно распределить нагрузку по ободу. Перекрестное положение спицувеличиваетэффективное рабочее расстояние между фланцами втулки примерно на ширину обода, а поперечная жесткость колеса возрастает.
  3. Полурадиальный набор. В один крест с левой стороны и «солнышком» с правой, около кассеты. Таким образом выравниваются «зонты», и увеличивается база (основание треугольника) между ниппелями спиц с 44 мм до 52 мм. Совместно примененные пункты № 2 и № 3 позволяют увеличить поперечную жесткость колеса на 20%.
  4. Плоские спицы. Обод с плавными обводами и 16 плоскими обтекаемыми спицами имеет меньшее сопротивление, чем колесо со стандартным спице-вым набором. При этом его радиальная (вертикальная) жесткость меньше, чем у стандартных ободов с обычным спицевым набором, что позволяет колесу несколько амортизировать удары, и продлевает его жизнь.

Спицы прямые и спицы, работающие на сжатие

После того, как велосипедная индустрия впервые представила колеса, собранные на прямых спицах без J-образного закругления у втулки, у новой технологии тут же нашлись и ярые противники, и верные поклонники. Первые мотивировали свое нежелание связываться с новинкой тем, что классические J-образные спицы можно найти где угодно, а что делать, если вдруг выбьет новомодную прямую спицу? Сторонники прямых спиц говорили, что возить с собой в рюкзаке пару запасных спиц - совершенно не затратное дело, а жесткость колеса на прямых спицах выше и стабильнее по времени, чем обычного.

Правда, как это часто бывает, где-то посередине. Действительно, прямые спицы позволяют изначально задавать очень высокий уровень натяжения, и на практике известно, что колеса с прямыми спицами «держат строй» дольше, чем с J-образными. С другой стороны, все это настолько тонкие моменты, что обращать на них внимание нужно далеко не в первую очередь. А кроме того, следует отметить, что та или иная компоновка спицевого набора в большей степени зависит от политики производителя, чем от здравого смысла и технических характеристик.

За примером далеко ходить не надо - фирма Mavic, признанный лидер в производстве высококлассных колес и ободов, упорно оснащает свои «вилсеты» только прямыми спицами. И более того, год назад объявила о производстве сверхдорогих шоссейных колес с трубчатыми карбоновыми спицами, работающими на сжатие! Французский производитель заявил, что данная разработка увеличивает жесткость колеса и, кроме того, полностью снимает вопрос равномерности натяжения спиц при воздействии боковой нагрузки. Все бы хорошо, да вот только непонятно, как тогда понимать классически установленные тангенциальные спицы на правой стороне заднего колеса, необходимые для передачи усилия от втулки к ободу? Да и аэродинамическое сопротивление толстенных карбоновых трубок вполне может свести на нет все преимущества в жесткости колеса. А цифры с графиками, предоставленные производителем, вовсе не означают реальных преимуществ в эксплуатации.

Поэтому еще раз стоит повториться: расположение спиц и тип спицовки колеса - это большей частью средство привлечения внимания к продукции. С такой же позиции можно рассматривать и «революционную» схему размещения спицевых ниппелей в колесах Cane Creek, где ниппели сгруппированы не у обода, а у втулки. Элементарные расчеты показывают, что момент инерции колеса в сборе при такой компоновке по сравнению со стандартной схемой снижается на еле заметную величину, которой вполне можно пренебречь. А приведенная на сайте производителя математика - лишь маркетинговый инструмент для привлечения внимания, не более. Или взять составные спицы в колесах Cranck Brothers Cobalt - здесь вопрос взаимозаменяемости стоит не только остро, а чудовищно остро. А основная прелесть колес - в их фантастическом внешнем виде и не менее фантастической цене.

Рис. Виды спиц

Велоконструкторы постоянно оглядывались на гоночные автомобили и мотоциклы, которые давным-давно прошли стадию спицевания и гоняют сейчас, сломя голову, на литых или штампованных колесах. В таких колесах плоских обтекаемых спиц (лопастей) совсем немного, в среднем от 4 до 8. Соответственно, аэродинамика таких колес действительно хороша, поэтому аналогичные конструкции сделали и для велосипедов, заменив сталь на карбон (углепластик). В велосипедных колесах лопастей бывает от 3 до 6, обода обычно композитные, карбон с алюминием. Бюджетные конструкции могут быть неразборными, а более прогрессивные и дорогие позволяют менять лопасти, обода и ступицу колеса. К их достоинствам можно отнести хорошую аэродинамику, высокую «крутильную» и поперечную жесткость. Радиальная, или вертикальная жесткость обычно излишне велика, что не есть хорошо для горных велосипедов.

Недостатки: конструкторы потеряли из виду, что велосипедное колесо большое, слабо нагруженное и лучше всего подходит для спицевого набора. Когда колесо становится меньше, а нагрузка резко возрастает, спицы теряют свои преимущества. Отказ от спиц наблюдается практически повсеместно - у автомобилей, скутеров, мотоциклов. У современных спортивных автомобилей литые или штампованные колеса не уступают по весу колесам со спицами, и при этом существенно проще в обслуживании и меньше стоят. А для велосипедных колес это не самое лучшее решение. Большой вес и заоблачная цена помешали сколь-нибудь широкому распространению велосипедных углепластиковых колес типа SPINERGY. Похоже, что это тупиковый вариант.

Дисковый набор

Литые или штампованные автомобильные колеса со спицами и колеса типа SPINERGY у велосипедов на самом деле являются переходной формой от спицевого набора к дисковому колесу. Возможны два основных конструктивных варианта дисковых велосипедных колес.

Первый вариант: на обычное колесо со спицами устанавливаются круглые обтекаемые диски. При этом заметно возрастают вес и момент инерции.

Второй вариант: колесо без спиц формуется из двух половин. Применяются материалы на основе высокопрочных полимеров и углепластиков. Вес и момент инерции возрастают, но не так сильно, как в первом варианте.

Действительно, такие колеса имеют существенные преимущества по аэродинамическому сопротивлению и характеристикам «крутильной» и радиальной жесткости, которые меняются нелинейно. Чем больше скорость, тем более жестким становится колесо, что очень хорошо для гонок. Но есть момент, который для простых велосипедистов сводит преимущества от дисковых колес на нет. Кроме цены, веса и момента инерции колесо с диском, если посмотреть сбоку, имеет довольно большую площадь, порядка 0,4 м2. А два колеса — это почти уже один квадратный метр! Сильный боковой порыв ветра, например, в момент выезда из леса в поле или из узкой улицы на широкую площадь, может запросто «переставить» тяжелый мотоцикл или легковой автомобиль на 2-4 метра в сторону. Или даже перевернуть грузовую фуру. Ну а легкий велосипед с такими «парусами» просто унесет в кусты. Поэтому колеса с дисковым набором находят довольно ограниченное применение для трековых, шоссейных и рекордных гонок, и чаще всего их ставят назад.

Спицы и ниппели

Спицы состоят из двух деталей - длинного стержня с резьбой с одной стороны и загнутой под углом 90° полукруглой головки с другой. Еще есть и деталь специальной формы - ниппель. Ниппели представляют собой тонкие высокие гайки грибовидной формы со шлицом под отвертку на «шляпке» и четырьмя гранями под ключ с противоположной стороны. Они могут быть увеличенной длины, если планируется установка спиц в высокие (аэродинамические) обода. Ниппели делают из стали (недорогие, но довольно тяжелые и быстро ржавеющие), никелированной бронзы или латуни, а самые «крутые» изготавливают из легкого, но дорогого алюминия. Идея использования алюминиевых ниппелей проста - снижение веса и момента инерции колеса. Правда, выигрыш совсем небольшой - всего на 40-50 гр на паре колес. Ниппели из латуни и, еще лучше, из бронзы, несмотря на больший вес, гораздо предпочтительней, чем алюминиевые и стальные, по следующим соображениям:

  • Они достаточно устойчивы к коррозии и имеют долгий срок службы;
  • Они не «прикипают» намертво к алюминию, стали или титану. Две детали в комбинации алюминий-алюминий, алюминий-титан или алюминий-сталь, состыкованные на резьбе или на трении, могут образовать неразъемное химическое соединение. Никакой керосин и прогрев, как в случае соединения сталь-сталь, не поможет. Поэтому таких соединений стоит избегать, не ставить алюминиевые ниппели с титановыми спицами, а имеющиеся следует регулярно разбирать и смазывать;
  • Как учит нас теория упругости, если длинная, тонкая спица, работающая на растяжение, сделана из высокопрочной стали, то узел крепления, ниппель, должен быть из более пластичного, вязкого материала с меньшей прочностью на растяжение. Тогда вся конструкция - колесо со спицами - будет служить долго и верно.

Размеры и калибры спиц

Раньше существовало несколько систем измерения диаметра спиц (калибра проволоки, wire gauges): американская, английская и французская. Сейчас применяется международная система ISO, где все размеры даны в миллиметрах. При этом на спицевых ключах традиционно обозначается не диаметр спицы или размер ниппеля «под ключ», а калибр проволоки, из которой изготовлены спицы - 13G-19G (см. таблицу).

Международная система калибровки спиц

Лучшие спицы делают из нержавеющей стали (stainless steel). Она прочна и не коррозирует. Иногда колеса собирают на хромированных или оцинкованных спицах из углеродистой стали. Они менее прочны и подвержены коррозии. Эксклюзивные спицы делают и из титана, но их можно ставить только с бронзовыми ниппелями. Это не дает большого преимущества в весе перед стальными спицами с алюминиевыми ниппелями. Все чаще появляются и спицы из карбона.

Резьбу для ниппеля можно нарезать, что несколько ослабляет спицу или накатать, что делает ее более прочной.

Спицы могут быть как постоянного круглого сечения по всей длине, так и переменного сечения. Например, Double-butted: диаметр спицы в центре меньше, чем на концах, в местах закрепления в ободе и фланце. Спица испытывает неравномерную нагрузку. В местах крепления к ободу и к фланцу, в местах концентрации напряжений, нагрузка всегда больше, чем в центре, поэтому диаметр в центре спицы можно уменьшить без потери прочности, и сэкономить на весе. Такой более тонкий участок (тонкая секция) придает спице большую эластичность, что позволяет ей упруго растягиваться на большую величину по сравнению со спицей постоянного круглого сечения. В момент резкой ударной нагрузки наиболее нагруженные спицы могут достаточно удлиниться, чтобы перераспределить нагрузку на соседние

Аэродинамические спицы имеют сечение double-butted, и выпускаются в двух вариантах, с эллиптической или плоской центральной частью.

Основной методом изготовления спиц является волочение (протягивание) проволоки через фильеры. Поэтому говорят, что спицы «тянутые». Проволока разрубается на заготовки, после чего накатывается или нарезается резьба, формуется головка и производится термообработка. Некоторые фирмы, например DT Swiss, делают высококачественные спицы, используя технологию холодной ковки.

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru