Nauka za szprychami

Spisu treści:

Nauka za szprychami
Nauka za szprychami

Wideo: Nauka za szprychami

Wideo: Nauka za szprychami
Wideo: budowa koła rowerowego od A do Z- cz.3 naciąganie szprych 2024, Marsz
Anonim

Nieznani bohaterowie roweru, uważamy, że nadszedł czas, aby szprychy zyskały należny szacunek

Te cienkie pasma drutu wykonują nieustanną ciężką pracę, są wielokrotnie rozciągane i ściskane przy każdym obrocie naszych kół. Przenoszą również siły przyspieszenia pedałowania z piasty na obręcz koła, a także przenoszą siły hamowania. Ich rola w tym, że w ogóle możemy jeździć na rowerze, jest wręcz magiczna – takie cienkie nici podtrzymujące tak ogromne obciążenia. Poczuliśmy więc, że nadszedł czas, aby skromna szprycha miała trochę zasług, gdzie należy się cały ładunek.

'Geniusz koła szprychowego polega na tym, że może ono przenosić często bardzo duże siły wytwarzane przez rowerzystę, rower i różne nawierzchnie na te cienkie pręty, z których każdy jest systematycznie ściskany w miarę obracania się koła i przenoszenia obciążeń z jeden rozmawiał z drugim i tak to trwa” – mówi prof. Mark Miodownik, dyrektor Instytutu Tworzenia na University College London, autor Rzeczy spraw, prezenter telewizyjny i zapalony rowerzysta. Kontynuuje: „To piękny sposób na optymalizację wagi, kosztów i osiągów koła”.

Szprychy, gdy są naprężone, w istocie usztywniają obręcz, używając piasty jako centralnej kotwy. W scenariuszu idealnego świata każda szprycha naciąga się z równym napięciem, aby równomiernie rozłożyć obciążenie na koło, jednocześnie utrzymując obręcz w pozycji rzeczywistej i okrągłej. Szprychy muszą podtrzymywać koło przed ugięciem bocznym i deformacją obręczy, a także skutecznie przeciwdziałać ściskaniu koła przez obciążenie pionowe (ściskanie promieniowe). Niemałe zadanie. Nic dziwnego, że od czasu pojawienia się koła zbadano bardzo niewiele innych rozwiązań.

Napięcie szprych

Dt Swiss mówił
Dt Swiss mówił

Teraz sprawy zaczynają robić się techniczne i nie będziesz sam, jeśli to, co nastąpi, będzie trochę zagmatwane i sprzeczne z intuicją. Istnieje zaciekły spór dotyczący tego, czy rower w rzeczywistości wisi na górnych szprychach (tych nad piastą, gdy patrzysz na rower z boku), czy raczej jest podtrzymywany przez dolne, zachowując się jak małe słupki.„Ten ostatni pogląd, choć wydaje się dziwny, zdecydowanie jest prawdą” – mówi Jim Papadopoulos z College of Engineering Northeastern University w Bostonie, USA, współautor Bicycling Science.

Chociaż łatwo jest uwierzyć, że szprycha rowerowa po prostu zapadnie się pod ciężarem roweru i rowerzysty, wyjaśnia on, że napięcie powstające w szprychach podczas procesu budowy koła (zwane „napięciem wstępnym”) jest co pozwala dolnym szprychom przenosić obciążenie bez wyboczenia, tak jak gdyby nie było naprężenia wstępnego. „Każda szprycha na nieobciążonym kole ma napięcie rzędu 100 funtów [445N]. Kiedy oś jest dociskana do podłoża siłą 100 funtów, jedynym znaczącym efektem naprężenia szprych jest zmniejszenie naprężeń bezpośrednio pod piastą – zazwyczaj jedna zmniejsza się do około 50 funtów, a szprychy z każdej strony zmniejszają się do około 75 funtów. To jest dokładnie to, co można by zobaczyć z solidnymi drewnianymi szprychami, takimi jak stare koło od wozu – dolne miałoby 50 funtów, a te po obu stronach miałyby 25 funtów. Różnica w przypadku kół ze szprychami drucianymi polega na tym, że szprycha druciana nie może przenosić obciążenia ściskającego – zapadnie się. Dzięki temu wszystkie szprychy są genialnie wstępnie napięte. Drut nie może przenosić obciążenia ściskającego 50 funtów, z wyjątkiem sytuacji, gdy już przenosi obciążenie rozciągające przekraczające to.

„Oczywiście koło rowerowe zapadnie się, jeśli zostaną usunięte górne lub poziome szprychy” – dodaje Papadopoulos. „Ale dzieje się tak głównie dlatego, że zmieniona konstrukcja ma bardzo inną ścieżkę obciążenia, a ponadto nie jest w stanie zapewnić wymaganego napięcia wstępnego. Nie możemy wykorzystać tego załamania, aby stwierdzić, że typowe koło przenosi obciążenie przez górne szprychy”. Jeśli to sprawi, że zaczniesz kręcić się w głowie, nie jesteś sam. Przejdźmy więc do prostszego obszaru materiału szprych.

Szprychy stalowe

mówił wątek
mówił wątek

Szprychy są w większości wykonane ze stali, wybór materiału, który, jak mówi Miodownik, „zasadniczo sprowadza się do posiadania niezawodnego gwintu. Drut stalowy jest świetny, ponieważ nawet przy bardzo małej powierzchni mocowania, takiej jak nypel przytrzymujący szprychę na obręczy, można je mocno naciągnąć bez zdejmowania nici. Stal nierdzewna jest idealnym materiałem, ponieważ ma odpowiednią mieszankę wysokiej wytrzymałości i niskiej wagi, a jednocześnie jest przystępna cenowo.”

Stal nierdzewna jest metalem wybieranym na szprychy od końca XIX wieku ze względu na jej wysoką wytrzymałość na rozciąganie, która pozwala szprychom pozostać stosunkowo cienkimi i lekkimi, jednocześnie radząc sobie z siłami na nie wywieranymi. „Szprychy ze stali miękkiej musiałyby być dwa razy cięższe i grubsze” – mówi Chris Hornzee-Jones, dyrektor inżynierów konstrukcyjnych Aerotrope. Zaprojektował przełomowy rower górski Lotus z włókna węglowego i pracował nad jednym z największych kół ze szprychami napinanymi, jakie kiedykolwiek stworzono – konstrukcją o średnicy 60 m zawieszoną pod dachem Millennium Dome, używaną jako platforma dla wykonawców w powietrzu. „Dzięki dodaniu chromu i molibdenu do żelaza i węgla stali miękkiej, powstały stop stali nierdzewnej jest znacznie bardziej odporny na zmęczenie.„

Zmęczenie to nemezis szprychy. Jeśli uważasz, że Twoje quady są wielokrotnie obciążane przez powtarzające się wciśnięcia pedałów, to żałuj swoich szprych, obrzucanych każdym obrotem koła. Każda szprycha w kole jest obciążona ściskaniem tylko przez ułamek sekundy, kiedy znajduje się bezpośrednio pod piastą i przez ten moment zostaje ściśnięta, zanim ciśnienie zejdzie i może powrócić do swojej normalnej długości. To nieustający cykl, który może dosłownie zniszczyć źle zbudowane koło.

mówił sutek
mówił sutek

'Koło jest jak męcząca bieżnia dla szprych, co jest dla nich jeszcze trudniejsze dzięki dodaniu gwintu na jednym końcu i [w większości przypadków] zagięcia i/lub główki na drugim, ' mówi Hornzee-Jones. „Wątek jest koncentratorem naprężeń, a przenoszenie obciążenia odbywa się głównie przez kilka pierwszych wątków. Co więcej, nypel jest stosunkowo sztywny, a ponieważ próbuje ustawić się prostopadle do obręczy, rzadko idealnie dopasowuje się do kąta, pod którym dochodzi szprycha, co może być przyczyną dodatkowego skoncentrowanego naprężenia. Z drugiej strony J-bend wygina się minimalnie i po setkach tysięcy normalnych obrotów koła, wszelkie drobne skazy powierzchniowe, głębokie na zaledwie mikrony i całkowicie niewidoczne dla ludzkiego oka, mogą zacząć się otwierać. Na początku jest to powolny proces, ale w końcu doprowadzi do złamania szprychy”.

szprychy aluminiowe

Stal nie jest jednak jedynym materiałem używanym na szprychy. Mavic i Campagnolo (a także siostrzana firma Campagnolo Fulcrum) od dawna są zwolennikami aluminiowych szprych. Aluminium ma jedną trzecią gęstości stali, ale też około jedną trzecią sztywności, więc szprychy muszą być grubsze, co oznacza, że są potencjalnie mniej aerodynamiczne, wymagają nypli o większej średnicy, a następnie większych otworów w felgach, co może zmniejszyć wytrzymałość i sztywność obręczy. Aluminiowe szprychy mają również tendencję do używania konstrukcji z prostym ciągiem, ponieważ wygięcie w kształcie litery J w aluminium z dużym prawdopodobieństwem ulegnie uszkodzeniu pod wpływem naprężeń.

Kolejnym ograniczeniem jest to, że aluminium nie trzyma nici tak łatwo. Rozwiązaniem Mavic jest wkręcanie nypli bezpośrednio w obręcz zamiast na szprychę. Campagnolo sugeruje, że wybiera szprychy aluminiowe, które ważą tyle samo, co wersje stalowe, ale w porównaniu poprawiają wrażenia z jazdy na kołach, jednak jest to w dużej mierze subiektywna sprawa, w której szprychy odgrywają tylko jedną rolę, a opony, felgi i piasty również odgrywają znaczącą rolę. nie mówiąc już o reszcie roweru.

Biorąc pod uwagę różne obciążenia, jakie wytrzymują szprychy, włókno węglowe może w ogóle nie wydawać się prawdopodobnym wyborem, ale Mavic wraz z kilkoma innymi markami wysokiej klasy kół, takimi jak Lightweight i Reynolds, znalazły sposoby aby wykorzystać jego wytrzymałość na rozciąganie w szprychach, z oczywistą oszczędnością masy do zgarnięcia. Na przykład R-Sys SLR Mavica wykorzystuje puste rurki węglowe, aby zapewnić sztywność pod napięciem i odporność na ściskanie.„Rozciągliwość szprych jest znacznie mniejsza niż w przypadku stali lub stopu, ponieważ karbon jest sztywniejszy” – mówi Michel Lethenet z Mavic. „Będąc rurkami, są odporne na ściskanie, co pomaga utrzymać sztywność koła, chociaż wymagane są pewne metalowe części, które są spajane na każdym końcu w celu zamocowania na obręczy i piaście.” W Cosmic Carbone firmy Mavic zastosowano alternatywną metodę Ultimate, w którym szprychy z włókna węglowego przechodzą z jednej strony koła na drugą, łącząc się z kołnierzem piasty i przecinając inne szprychy po drodze.

Prawda ze spinu

mówił wtrącając się
mówił wtrącając się

Istnieje kilka innych otrzymanych mądrości rowerowych dotyczących szprych, które Peter Marchment, materiałoznawca i dyrektor Hunt Bike Wheels, z przyjemnością rozwiewa. „Koło z głębszą obręczą z krótszymi szprychami jest często postrzegane jako „mocniejsze”, ale zwykle wynika to z nieodłącznej dodatkowej sztywności obręczy” – mówi.„Ponadto wiele osób uważa, że wyższe napięcie szprych oznacza sztywniejsze koło, ale tak nie jest. Na sztywność koła wpływa wiele czynników poza samym naprężeniem, w tym liczba szprych, kąt podparcia i głębokość obręczy.

W rzeczywistości szprycha wydłuży się o tę samą wartość po obciążeniu, niezależnie od zastosowanego naprężenia wstępnego, co oznacza, że zwiększenie napięcia szprychy nie spowoduje, że koło będzie sztywniejsze.” Marchment kontynuuje: „Umieszczanie szprych we właściwym naprężeniu ma kluczowe znaczenie. Przy ekstremalnie wysokich napięciach obręcz i szprychy są bardziej podatne na uszkodzenia, ponieważ są one skutecznie wstępnie obciążane dużą siłą. Ale niskie naprężenia szprych są również problemem, ponieważ nypel jest bardziej podatny na poluzowanie [odprężenie], gdy są odprężane przez uderzenia lub wibracje na drodze, powodując, że koło nie jest prawdziwe”.

Niezależnie od napięcia i wzoru, istnieje szeroki wybór szprych do wyboru, nie wspominając o wielu odmianach jakości drutu, z którego są wykonane. Sapim, jeden z wiodących producentów szprych, produkuje 300 milionów szprych rocznie i prowadzi sklepy, aby utrzymać jakość i konkurencyjność w całym asortymencie. „Sześćdziesiąt do 70 procent ceny szprych gładkich może pochodzić z materiału, dlatego ważne jest, aby to zrobić dobrze, ale najważniejszą rzeczą dla wszystkich naszych szprych jest wydajność drutu” – mówi kierownik sprzedaży Sapim., Klaus Grüter. „Szukamy drutu, który jest jasny i błyszczący oraz ma wytrzymałość na rozciąganie od 1 000 do 1 050 N/mm2 z dobrymi danymi zmęczeniowymi i, co ważne, doskonałą odpornością na korozję”.

Grüter mówi nam, że próbki są testowane w laboratorium pod kątem wytrzymałości na rozciąganie, zginanie i skręcanie. Po zaakceptowaniu drut ze szpul jest prostowany maszynowo i cięty. Drut o zwykłym przekroju można również przekształcić w szprychy cieniowane (gdzie środkowa część jest węższa), przeciągając drut przez matrycę. Po przycięciu główka szprychy i zagięcie w kształcie litery J są kute, a nić na drugim końcu jest zwijana (nie nacinana). Gotowe szprychy są sprawdzane zarówno przez systemy wizyjne, jak i ludzkie oko i ręka. Jedna maszyna jest w stanie wyprodukować 20 000 cieniowanych szprych dziennie, co wyjaśnia, dlaczego różne koszty pracy mają niewielki wpływ na cenę gotowej szprychy i dlaczego producenci na całym świecie mogą sprzedawać po podobnych cenach.

ostra szprycha
ostra szprycha

Ale po co w ogóle gadać? Jonathan Day of Strada Wheels wyjaśnia: „Szprychy cieniowane lepiej radzą sobie z momentem obrotowym niż zwykłe. Są szersze w płaszczyźnie koła, która jest kierunkiem siły skręcającej, więc jest więcej materiału, który może im się oprzeć. Ponadto uginają się nieco bardziej w płaszczyźnie prostopadłej, dzięki czemu lepiej rozkładają obciążenie ściskające na koło”.

Wzór szprych

Tradycyjny wzór szprych koła rowerowego składał się z 32 (a czasami 36) szprych, skrzyżowanych trzykrotnie. Przeplatany wzór szprych w tradycyjnie splecionym kole, daleki od bycia tylko ładnym kalejdoskopowym układem, jest w rzeczywistości funkcjonalną częścią projektu koła.

Jeśli chodzi o sztywność boczną, punkty, w których przecinają się szprychy, pozwalają każdemu z nich opierać się o siebie podczas naprężania, a także podpierać go, gdy jest ściskany. Najważniejszą rolą trójprzegubowego wzoru sznurowania jest tylne koło, w którym szprychy muszą przenosić siłę pedałowania z piasty. W tym przypadku szprychy są obciążone znacznie większymi obciążeniami skrętnymi dzięki sile skręcającej z układu napędowego. Szprychy po stronie kasety, wychodząc z piasty stycznie, przenoszą siłę obrotową (moment obrotowy) z piasty na obręcz. Szprychy radialne (które podążają ścieżką od środka piasty bezpośrednio do obręczy, bez krzyżowania się z drugą) są znacznie mniej zdolne do radzenia sobie z tego typu obciążeniem i są bardziej podatne na awarie.

Gdy moment obrotowy nie jest problemem, na przykład na przednim kole z hamulcami obręczowymi, zastosowanie promieniowych szprych ma sens. Oszczędza to wagę, ponieważ szprychy mogą być krótsze i mniej potrzeba do stworzenia sztywnego bocznego koła. Wygląda też dobrze. Hamulce tarczowe powodują jednak znaczne obciążenia skrętne, co sprawia, że szprychy promieniowe są praktycznie niemożliwe. „Właściwy wzór sznurowania jest kluczowy, ponieważ szprychy dzielą obciążenie ściskające, dociskając do sąsiadów, z którymi się stykają, więc szprychy powinny być sznurowane, aby były liderami lub przyczepami” – mówi Day. „Musisz się upewnić, że wiodąca szprycha najpierw odciąża po stronie napędu. Na 32-ramiennym kole potrzebujesz 16 wiodących szprych, które będą dzielić obciążenie. Jeśli źle zrobisz sznurowanie, skończysz z tylko ośmioma osobami wykonującymi pracę.”

Co ciekawe, wzory szprych pozostają jednym z najmniej wymagających aspektów projektowania kół, pomimo pewnych ogromnych postępów w zakresie materiałów i technologii produkcji w ostatnich dziesięcioleciach. To naprawdę wypróbowana i przetestowana metodologia i jak to się mówi, jeśli się nie zepsuje…

Zalecana: