Месяц: Ноябрь 2019

Итак, почему лопаются спицы?

Прочность спицы на разрыв характеризует способность спицы выдерживать статическую нагрузку при растяжении, фактически, это максимальное усилие, с которым спица может притягивать обод к втулке. Современные спицы основных производителей Sapim, DT Swiss, Pillar, CNSpokes, Wheelsmith, Rodi и т. д. на столько хороши, что выдерживают нагрузки более 250кг на разрыв для базовой модели 2мм спицы. Производители ободьев, как правило, ограничивают максимальное усилие натяжения 125 килограммами для стандартных и тяжелых ободьев и ниже 100 кг для легких моделей.

Усилие разрыва спиц Pillar

Очевидно, что предел разрывной прочности для спицы не может быть достигнут в колесе ни при каких условиях. Это подтверждает и характер обрыва спиц — статистически спицы должны рваться равномерно по всей длине, но экспериментальные данные показывают, что примерно в 90% случаев J-образная спица рвется у головки, около 10% — у ниппеля и меньше чем в 0,1% случаев обрывы происходят по телу спицы. Причина этого — усталость металла.

Диаграмма нагруженного колеса

В ГОСТ 23207-78 дано следующее определение усталости — процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению.

Ключевой момент в развитии усталостных повреждений — это переменное напряжение. При езде во время вращения колеса с каждым оборотом нижние спицы ослабляют свое натяжение на 20-40% и натягиваются после прохождения нижней точки.

Цикл нагружения спицы

Хорошая новость — современные спицы выдерживают десятки миллионов циклов нагружения, то есть спиц должно хватать на 20 тысяч километров и более, но, к сожалению, спицы лопаются чаще.

Связано это с тем, что всё предыдущее справедливо лишь для правильно собранных колес катящихся по паркету велотрека. В реальной жизни так бывает не всегда. Да еще и усталость накапливается неравномерно.

Усталостные повреждения в металле развиваются от мельчайших неоднородностей, превращаясь в микротрещины, которые развиваясь приводят к нарушению целостности спицы. Такие неоднородности как дефекты кристаллической решетки, неметаллические примеси, неровности поверхности, полученные при обработке спицы, распределены равномерно по всей спице. Изгиб же спицы и место накатки резьбы — это две области, где присутствуют дополнительные концентраторы напряжения — остаточные деформации от обработки металла при формировании этих узлов и деформации сжатия от контакта с фланцем втулки и ниппелем.

Спица во фланце втулки

Статистические расчеты показывают, что зона у головки спицы должна быть в 1,514 раза прочнее чем у ниппеля, чтобы приравнять вероятность обрыва спицы у ниппеля и у головки, что увеличит время работы спицы перед тем, как она накопит критический уровень усталости. Формально решением этой проблемы было обусловлено появление «однобаттированных» спиц, таких как Sapim Srong, DT Alpine или Pillar PSR/PSB. Формальным, потому что увеличение диаметра плеча спицы не только увеличивает прочность спицы, но и полностью меняет поведение спицы при переменном напряжении — зона большей толщины практически не меняет свой длины из-за того, что эластичность зоны с меньшей толщиной поглощает основную часть деформаций — такие спицы будут лопаться в основном у ниппеля.

Спицы же с двойным баттированием решают и эту проблему. Благодаря центральной более эластичной и упрочненной зоне края, спицы практически не участвуют в деформации, связанной с переменной нагруженностью спиц. Спицы с двойным баттингом, являясь чуть менее прочными относительно не баттированных в статических условиях, оказываются существенно более прочными в условиях реальной эксплуатации.

Не смотря на технические решения, применяемые при производстве спиц, полностью избежать влияния усталости на прочность колеса не удастся. Накопление усталости будет происходить тем быстрее, чем больше вес на оси колеса, чем меньше в нем спиц, чем не равномернее они натянуты и чем агрессивнее условия эксплуатации колеса. Все это приводит к тому, что амплитуда изменения напряжения каждой спицы будет больше, а усталостные процессы интенсивнее.

Резюмируя вышесказанное, залог прочности колеса — это правильная сборка на правильно подобранных компонентах. Как их выбрать и на что обратить внимание при сборке — в следующих частях.

Разрушение колеса велосипеда

Из каких элементов складывается прочность колеса, и что вообще означает прочность? Предлагаю считать прочностью колеса его способность избегать разрушения при нормальной эксплуатации. Т.е. разрушение колеса от попавшей в спицы палки, дикого зверя или другого велосипедиста — это из ряда вон выходящее событие, и конструировать колесо с целью их предотвращения бессмысленно.
Для того, чтобы понимать, как разрушается колесо, нужно разобрать, какие силы на него действуют.
Постоянно действующие силы — это натяжение спиц, давление корда покрышки на обод, давление камеры на обод и т. д. Они не влияют на прочность колеса непосредственно — случаи, когда колесо ломалось на велосипеде стоящем в кладовке, обычно связаны с землетрясениями или другими катаклизмами.

Динамические нагрузки, действуют на колесо велосипеда во время движения. Их можно разделить по вектору в направлении которого они действуют: радиальные, латеральные/боковые и торсионные.

Радиальные — это нагрузки, направленные от периметра обода к центру колеса. С этими нагрузками колесо справляется лучше всего. Любое добротное колесо выдерживает по этому вектору усилия превышающие его вес в 500-700 раз.
Латеральные нагрузки возникают при попытке сдвинуть обод вдоль оси втулки. Такие нагрузки возникают в поворотах, при педалировании стоя или в аварийных ситуациях когда колесо плоскостью упирается в край колеи, трещины или канавы. К данным нагрузкам колесо устойчиво меньше чем к радиальным, как правило, в связи тем, что так называемый зонт (угол колеса, с которым они от обода идут к фланцу втулки) несимметричен. Стандарт втулок с расширенной осью — Boost в том числе призван увеличить латеральную прочность колеса.

Торсионный вектор силы действует на колесо таким образом, что пытается «намотать» спицы колеса на втулку.

Это усилие возникает на заднем колесе при педалировании и на колесах с дисковыми тормозами при торможении. В рамках вопроса о прочности колеса это самые безобидные явления, так как легко решаются так называемой «тангенциальной» спицовкой. Именно поэтому прямая спицовка «солнышком» может применяться только на негруженной стороне или на декоративных велосипедах, т.к. такого рода спицовка мало того, что страдает от торсионной деформации, так ещё и не способствует передаче усилия от наездника к шине.


Глядя на вышесказанное кажется, что колеса должны быть вечными, но они почему то ломаются.
Как правило, разрушению колес способствует несколько факторов одновременно, но сценарий развития событий один: колесо становится нестабильным для латеральных нагрузок и складывается как картофельная чипса.

Это может происходить, например, при приземлении с прыжка на слабо натянутых колесах. Спицы теряют натяжение в месте контакта с поверхностью, и латеральная поддержка колеса пропадает. Так как езда на велосипеде связана с удержанием равновесия, которое само по себе вызывает постоянные небольшие нагрузки перпендикулярно плоскости велосипеда, то в экстремальной ситуации их хватает, чтобы согнуть обод, а дальше гравитация делает свое дело.
Также, разрушению колеса способствуют мелкие аварии, повреждающие обод и нарушающие равномерное натяжение спиц.
Однако, полное разрушение колеса — это, скорее, исключение, и гораздо чаще случается постепенная деградация колеса, когда спицы лопаются по одной, и процесс этот не прекращается — вскоре, после замены лопнувшей спицы, не выдерживает другая. От чего это происходит и как с этим бороться — в следующей серии.

Колесо — как оно устроено?

Видимо, благодаря тому, что физика изучается в период активного пубертата, всё связанное с техникой окутано пеленой мифов и предрассудков, велосипед — не исключение. Среди немногочисленных узлов велосипеда первое место по концентрации лулзов и нелепиц заслуженно достается колесам. Амортизация регулярно пытается их подвинуть, но колеса есть на каждом велосипеде, а амортизация нет.

В этой заметке я не буду пытаться объять необъятное: литые колеса, колеса из композитных материалов и колеса около классической конструкции со спицами из экзотических материалов, остановлюсь на традиционных колесах со стальными спицами.

Колесо состоит из обода, втулки и спиц, соединяющих эти элементы в одно целое с помощью ниппелей. И на этом этапе появляется первое недопонимание — как работает колесо? Немногочисленная часть ответчиков считает, что колесо опирается на спицы, как колесо телеги. Но это, конечно же, абсурдно, учитывая как колесо устроено и насколько спицы длинны по сравнению со своей толщиной. Фактически, спицы — это струны, стягивающие обод в геометрический центр.

Понимая это, остаётся не очевидным как же все-таки колесо работает и воспринимает нагрузку. Второй более логичный вариант заключается в том, что колесо «висит» втулкой на верхних спицах, и при вращении спицы, находящиеся внизу, ослабевают, а находящиеся сверху — натягиваются. К сожалению, эта стройная теория не находит экспериментального подтверждения. Если замерить натяжение спиц на нагруженном велосипеде, то обнаружится, что падение натяжения на нижних спицах с десятки раз выше, чем возросшее напряжение на верхних.

На самом деле колесо «стоит» на нижних спицах, но не в смысле того, как стоит на колоннах здание, а в том смысле, что преднатянутым своим состоянием они удерживают обод, в то время как падение напряжения хотя бы на одной спице увеличивает диаметр обода, и возникающая нагрузка перераспределяется на остальные спицы.
Для более легкого восприятия можно представить каплю воды в невесомости: если в неё не сильно ткнуть жирным пальцем, то с обратной стороны капли пупырка от пальца не появится. Изменение объема жидкости передастся во все стороны равномерно, а сила поверхностного натяжения будет пытаться сохранить шарообразную форму капли. Собственно, капля и ведет себя как шарообразное колесо с бесконечно большим числом спиц.

В следующих сериях будут рассмотрены причины внезапной гибели колес и как это предотвратить.

© 2020 Love.bike

Theme by Anders NorenUp ↑