Как работает колесо и почему появляются восьмерки?

Сбор колес - это и наука, и искусство. Механики учатся этому всю жизнь. В рамках одной статьи описать принцип работы колеса очень сложно, но для общего понимания мы попробуем разобраться и ответить на три вопроса.
1. Почему стоит подтягивать спицы и проверять натяжение?
2. Почему стоит обращаться к профессионалам ?
3. Почему стоит покупать качественные спицы ?
Забегая вперед, советуем всем, кто интересуется, прочитать книгу Джобста Брандта "Велосипедное колесо" ( " The Bicycle Wheel »). Это настоящая библия для веломеханики. Она написана простым и понятным языком и содержит рекомендации по сбору колес от инженера с опытом работы в компаниях Avocet, Stanford Linear Accelerator Center, Hewlett-Packard и Porsche.
Ну а мы начнем. Чтобы ответить на первый вопрос, следует сначала разобраться в том, какие силы действуют на колесо в статике и движении и во время движения происходит со спицами и ободом.
На колесо действуют статические и динамические нагрузки. Статические нагрузки, такие как натяжения спиц или давление воздуха в камере, не меняются или меняются плавно в течение длительного отрезка времени. Динамические нагрузки меняются постоянно. Их три: растяжения, сжатия и скручивания.

Статические нагрузки.

Натяжения спиц поддерживает колесо в стабильном состоянии. Стабильность колеса напрямую зависит от равномерного натяжения каждой отдельной спицы и физической целостности обода и фланцев втулки.
Функцию спицы в собранном колесе можно сравнить с функцией арматуры внутри железобетонной конструкции. Бетон может выдерживать чудовищные нагрузки на сжатие, но на удивление легко деформируется при попытке растянуть конструкцию. Если конструкция провишена между двумя точками, как пролет моста на опорах, она сломается под собственным весом. Чтобы избежать этого, в строительстве прибегают к преднатяжения конструкций. Внутри железобетона находится стальная арматура, которая принимает на себя нагрузку и не позволяет бетона разорваться. Спица в колесе играет именно такую ​​роль: она работает, когда какая-то сила тянет ее на себя.

Грамотно собранные колесо на 36 спиц может выдержать нагрузки и до 400 килограммов. Когда велосипед не движется, колесо находится в равновесии. Как только на велосипед садится всадник, через его вес (а вес, как мы помним из школы, это - сила, вектор которой направлен к центру масс) происходит перераспределение нагрузок на спицы, обед и фланцы втулки.
Другим статической нагрузкой является давление воздуха в колесе. Чем больше это давление, тем сильнее его влияние на систему. Для фетбайка, колеса которого накачанные до 10 PSI (0.5 атм), можно пренебречь этим параметром. А вот владелец шоссейного или трекового велосипеда, колеса которого накачивают иногда до 160 PSI (11 атм) и выше, обязательно должен принять во внимание силу, которая сжимает обед.
Волокна в шоссейной однотрубци проложены "елочкой" под углом 90 ° по отношению друг к другу и под углом 45 ° в поперечной плоскости. При накачке волокна подтягиваются назад, раскрывая угол на дополнительные 3-5 °. Покрышка уплотняется, раздается в ширину и уменьшается в диаметре. Волокна накачанной до 124 PSI (8.5 атм) трубки давление на обед силой 300 Н - этого достаточно, чтобы перетянутое колесо потеряло форму. При протяжке колесо может трещать - это нормально. И это делает невозможным определение на слух того, что указанный производителем обода лимит натяжения преувеличено. Неопытные механики иногда настолько неравномерно натягивают спицы, после накачки колеса его ведет «восьмеркой». Если разница небольшая, спуск давления возвращает колесу первоначальную форму, но иногда исправить "восьмерку" удается только после протяжки спиц с нуля. Именно поэтому следует обращаться к опытному механика или проверять данные о максимальном натяжения спиц у производителя ободов. Для каждой модели эти данные строго индивидуальны.
Клинчерная покрышка не давит вниз, как однотрубки. Зато, давление ее стенок на борта обода направлен поперечно в обе стороны. Клинчерные обед должен выдерживать нагрузки от стенок покрышки, давят на его борта изнутри, поэтому борта сделаны толстыми с учетом естественного износа от трения колодок о тормозные дорожки. Проверяйте максимально допустимое давление для клинчерные обода.
Несколько лет назад шоссейные спортсмены перешли на широкие покрышки (до 28с и в отдельных случаях больше). Это сделало физически возможным использование на шоссейников узких (21-25 мм) 622 мм ободов для МТБ. Не делайте этого. Использование шоссейных покрышек на облегченных МТБ-ободах недопустимо. Большинство тонкостенных ободов для найнера рассчитана на использование с безкамеркамы. Верхний лимит давления на таких ободах достигает 4,5 бар или 65 PSI, что является нижней планкой давления для шоссе. Если райдер высокого роста и весит более 80 килограммов, нормальным рабочим давлением для него будет отметка 7,5-8 бар. Такое давление может необратимо деформировать обед.

Динамические нагрузки.

В движении на колесо действуют поперечные, торсионные и радиальные нагрузки, которые приводят к деформации обода и спиц. Вес всадника является динамической нагрузкой, напрямую влияет на структуру колеса. Даже если велосипедист ездит только по идеально гладкому асфальту, его вес сам по себе может быть достаточной причиной для постепенного усталости составляющих колеса. К этому мы еще вернемся.
Когда велосипед движется, радиальная нагрузка направляется вертикально. Оно смещает обед относительно втулки: вверх-вниз, вверх-вниз. Как мы уже говорили выше, когда велосипед стоит на месте, спицы его колес находятся в состоянии равновесия - все спицы натянуты равномерно. Вы можете проверить натяжение по звуку, который спицы выдают от щипка: они будут выдавать звуки похожей частоты, словно музыкальный инструмент. При наличии тензометра такая проверка будет более показательной. Теперь сядьте на велосипед и попросите друга последовательно щипнуть спицы, которые находятся выше и ниже втулки. Частота этих звуков будет различна. Что произошло? Своим весом вы загрузили колесо и вызвали перераспределение натяжения, выведя спицы из состояния равновесия. Теперь две спицы, которые находятся вертикально над втулкой, загружены максимально. Загрузка двух нижних спиц достигает своего минимума. Обед при этом потерял идеально круглую форму и принял форму овала, хотя в макроскопическом масштабе без специального теста заметить такую ​​деформацию невозможно. Поскольку велосипед колесами опирается на поверхность, обед в зоне контакта с ней уплощуеться, приводя к асимметричности деформации: эксцентриситет верхнего полуовалы колеса отличается от эксцентриситета нижнего.
Второй силой, которая действует на колесо в движении является торсионное нагрузки, которое возникает на обоих колесах при торможении и на заднем колесе при педалировании. Возьмем для примера велосипед, оборудованный ободными тормозами. Калипер сжимает обед усилием до 500 Н. Это приводит перераспределение напряжения между спицами, которое и формирует обед. Происходит это следующим образом: если разбить колесо на сегменты вроде часового циферблата, то спицы, проходящие сегменты от часу до трех, ослабляются до 5%. Спицы на противоположной стороне, в этот момент проходят сегменты от семи до девяти часов, загружаются на те же 5%.

Что произошло в этом случае? Суммарное натяжение спиц в колесе не изменилось. Произошло перераспределение нагрузок из одной зоны в другую. Представьте дрожь желе, когда вы несете его на тарелке - то же самое происходит и с колесом. И опять-таки, поскольку на оба колеса давит вес райдера и велосипед не летает где-то по орбите вокруг Солнца, а опирается на поверхность, деформация обода при торможении далека от симметричной: по форме дуга с 11 до 5:00 отличается от дуги с 5 до 11 .
Когда колесо наезжает на препятствие, в торсионного нагрузки добавляется радиальное, направленное вертикально вверх. Разгружены нижние спицы разгрузятся еще сильнее, верхние спицы натянутся пропорционально силе удара. Энергия удара гасится и сила упругости возвращает составляющим колеса производную форму.
Заднее колесо передает крутящий момент, который движет велосипед вперед. Это еще одна торсионная сила, действующая на колесо велосипеда. Формула крутящего момента - это произведение длины рычага в силу, его движет: T = l · F, но спицы гибкие и не могут выполнять роль рычага. Поэтому они передают момент от втулки обода через загрузку и разгрузку. Как напоминает Джобст Брандт, длина рычага в данном случае - это расстояние от центра оси до центра отверстия фланца втулки (не путайте с внешним радиусом фланца).
Когда всадник давит на педали, направление действия торсионной силы совпадает с направлением вращения колеса. Когда он давит на тормоз, скручивания происходит в противоположном направлении.
Третьей силой, действующей на колесо в динамике является поперечную нагрузку. В принципе, здесь все просто: колесу не нужно быть жестким в поперечной плоскости, ведь силы, действующие на него в поворотах, довольно слабые. Подавляющее большинство времени велосипед едет прямо, держа равное положение. Поперечная жесткость колеса примерно равен 1/10 от его радиальной жесткости и это проблема только в том случае, когда велосипедист попадает в аварию.

Специфика заднего колеса.

На заднем колесе находится кассета с передачами и она занимает немало места. Поэтому на велосипедах с Параллелограммный переключателем заднее колесо асимметричное. Угол раскрытия зонтики на стороне поводу больше (тупее), чем на противоположной и натяжения спиц на ней вдвое больше. Вес всадника на колесе с 36 спицами опирается фактически на 36, а на 18 спиц. И это проблема.
Заднее колесо слабее переднего. Необходимость передавать крутящий момент делает невозможным использование радиальной схемы спицювання, хотя иногда встречаются экзотические комбинированные тангенциально-радиальные схемы, такие как Campagnolo G3. Диаметр фланца в задней втулки всегда больше, чем в передней - этого требует наличие барабана на приводной стороне. Увеличенный диаметр фланца помогает упростить процесс спицювання, чтобы не прибегать к демонтажу барабану. И даже имея минимум 30 мм преимущества в ширине втулки заднее колесо все равно слабее переднего.

Иногда эту проблему пытаются решить использованием втулок с асимметричными фланцами - такие втулки называются Hi-Lo. В них фланец на стороне поводу имеет больший диаметр, чем на противоположной.
Увеличение диаметра фланца уменьшает эффективное натяжения спиц. Гитаристы могут привести актуальный пример с длиной мензуры гитары: чем длиннее мензура - тем сильнее приходится натягивать струны и наоборот. Втулка с увеличенным фланцем также передает вдвое больше крутящий момент. Именно по этой причине трековые втулки имеют большой диаметр фланца и именно поэтому на велосипедах иногда можно встретить втулки Hi-Lo: такая конструкция позволяет если не сравнить натяжения обеих зонтиков, то хотя бы приблизиться к такому уравнения.
Но проблема асимметричности на велосипеде с задним переключателем не решена до сих пор. На большинстве планетарных втулок такой проблемы нет, ведь передача крутящего момента осуществляется через одну звезду, позволяет увеличить ширину втулки и сделать обе зонтики симметричными.

Спицы.

Спицы подбираются под:
1. вес всадника;
2. стиль езды / условия использования;
3. высоту профиля обода и диаметр фланцев втулки (выбираем длину спиц для переднего и заднего колеса);
Также следует определиться с тем, спицы какой форме вы хотите иметь в своем колесе. По форме спицы бывают прямые круглого сечения, батовани круглого сечения, батовани овального сечения, плоские аэродинамические, плоские с батованимы конечностями и тому подобное. В этой статьи мы рассказывали о том, какими они бывают и чем следует отдавать предпочтение батованим спицам, поэтому тщательно фокусировать внимание не будем. Напомним только, что от знакопеременных нагрузок спицы ломаются в зонах накопления стресса, которые находятся у конечностей. Чаще всего спица ломается чуть выше головки. Батування позволяет перераспределить нагрузку на большую центральную зону, увеличивает эластичность спицы и продлевает ее жизнь.

Деформация колеса.

Деформация - это потеря производной формы колеса. Деформация бывает обратной и необратимой. Основными видами деформации являются так называемые восьмерка (поперечное отклонение сегмента обода), яйцо (овальность обода), смещение зонтики (когда колесо становится не по центру вилки), поперечная и продольная вмятина обода, и тому подобное. Восьмерка, яйцо и смещение зонтики относятся к обратной деформации, а последняя из них почти всегда является ошибкой механика. Все остальные - это примеры катастрофической поломки, которая требует замены одного из основных компонентов или всего колеса в целом. Они бывают вызваны ударами, сила которых превышает порог упругой деформации материалов, из которого сделано колесо, Лопанью спицы и ниппеля, расстыковки шва, концентрическим, продольным или поперечным Лопанью обода, Лопанью фланца втулки, вызванных статическими и / или динамическими нагрузками, и тому подобное.
Иногда деформация колеса вызвана необратимым растяжением спицы (плохое качество). Также из-за длительной действие большого статической нагрузки спица может вырвать окружающую зону вокруг отверстия визуально похоже на кальдеру активного стратовулканов. Этот вид деформации вызванный несоблюдением механиком рекомендаций по натяжения спиц и / или перегрузкой велосипеда туристическим снаряжением (ошибка пользователя).
В рамках этой статьи катастрофические (необратимые) деформации колеса и его компонентов мы рассматривать не будем и сфокусируемся на том, что можно исправить без замены комплектующих.

Восьмерка.

Давайте смоделируем ситуацию, в которой колесо попало в яму на высокой скорости. Предположим, что колесо заспицьоване в 3 креста. Это означает, что на одном фланце спица пересекается с тремя другими. Первый и второй сечения виртуальные - головки соседних спиц заведены с противоположных сторон фланца втулки, поэтому спицы находятся в разных плоскостях. В третьей точке пересечения спицы переплетаются, чем становятся взаимозависимыми от натяжения своей соседки. Во время движения удар вызывает потерю натяжения одной спицы. Ослабевания одной спицы приводит к потере натяжения и связанной с ней соседней. Отверстия в ободах просверленные не по центральной линии, а с определенным отступом в шахматном порядке, поэтому наряду с каждой спицей с одной зонтики находится спица с противоположной и она также связана в пару на своей стороне колеса. Поскольку пара спиц с противоположной стороны натянута хорошо, сила упругости пытается освободиться от силы, которая растягивает каждую из них. Дисбаланс статических сил, образовавшийся вызывает отклонение пораженного сегмента обода от осевой линии.
Так образовалась восьмерка. Сегмент зонтики на "сильной" стороне раскрылся на больший угол. Из-за увеличения угла хорошо натянута спица также потеряла некоторую часть своего натяжения, ведь из-за отклонения сократилась расстояние от фланца к ободу.
Задача механика в данном случае - вернуть спицам утраченное натяжения.
В зависимости от "тяжести" деформации протягивать приходится три, пять спиц на одной стороне, а иногда и все колесо вместе. Исправление восьмерки осуществляется в шахматном порядке: ослабленную сторону натягивают вращением ниппеля против хода часовой стрелки, а противоположную сторону наоборот спускают вращением по ходу циферблата. Ошибки здесь нет: на спицах нарезанная традиционная правая резьба, но смотрим мы на нее снизу, поэтому протягивания происходит в зеркальном отражении. Протяжка происходит ступенчато в шахматном порядке, если поражено сегмент обода с 5 спиц, первая спица протягивается на 1/8 оборота. Друга на противоположной стороне ослабляется на ту же одну восьмую. Третью спицу протягиваем на 1/4 и ослабляем четвертую на 1/8. Пятую натягиваем на 1/8 и проверяем результат.
Большинство подобных отклонений можно исправить, но каждое последующее исправление приводит к потере возможности достичь равномерности натяжения. Если обед пережил на своем веку немало приключений, у механика остается все меньше шансов добиться равномерности натяжения всех спиц.
Когда одна или несколько спиц по какой причине ослабевают, хорошо натянутые спицы пользуются случаем освободиться от растягивающей силы их. Сила упругости пытается сбросить нагрузку со спицы и даже добивается этой цели, но лишь отчасти. Полностью сбросить нагрузки не дает сила упругости самого обода и эти силы уравновешивают друг друга. Освободить статическая нагрузка полностью может только мощный внешний фактор: сильный удар или нагрузки, превышающей порог упругой деформации колеса. Как сказано выше, качественно собранный колесо на 36 спиц может выдержать до 400 кг статического веса.

Смещение зонтики.

Это - частый случай восьмерки, вызванные ошибкой механика, який пытался исправить восьмерку, но не имел точки отсчета - указателя средней линии. Поэтому обед отклонился от осевой, хотя втулка в дропаутах держится правильно. Бывают такие случаи, когда от внешнего фактора - от действия поперечной силы деформируется НЕ колесо, а нога вилки или перо рамы, вызывает отклонение колеса от вертикальной оси, но такие случаи встречаются крайне редко и возможны только на металлических рамах.
Если переднее колесо потеряло свою симметричность относительно вертикальной осевой, это свидетельствует о существенной разницы в натяжения между обеими сторонами. На переднем колесе зонтики должны быть симметричными. В этом случае следует ослабить спицы на одной стороне и подтянуть на другой. Каждую следующую спицу ослабляет и подтягиваем на 1/8 оборота к положительному результату.
Если заднее колесо на велосипеде, оборудованном Параллелограммный переключателем, приобрело симметричности и в звуковом тесте на противоположных сторонах спицы издают звуки похожей частоты, это можно исправить таким же образом, но теперь спицы на приводной стороне должны быть натянуты вдвое сильнее, чем на противоположной. Рекомендуем воспользоваться тензометром для определения разницы.

Яйцо.

Яйцо образуется, когда на колесо действует вертикальная сила, например, вес всадника, который прыгает с бордюра не вставая с седла. В этом случае перераспределение натяжения спиц происходит перпендикулярно действия силы, давит на колесо. Спицы, которые в данный момент находятся на 3 и 9:00 загружаются максимально.
Исправление яйца выполняется ступенчатой ​​протяжкой каждой следующей спицы в пораженном сегменте колеса. Если поражено сегмент из 5 спиц, натягиваем последовательно первую на 1/8, другой на 1/4, третью на 1/2, четвертую на 1/4 и пятку на 1/8.

Выводы.

Колесо - это эластичная структура. Долговечность колеса зависит от выбора компонентов, от равномерного натяжения спиц и в наибольшей степени от работы механика.
Колесо теряет форму от потери натяжения спиц, которое само по себе не является причиной, а следствием внутренних и внешних факторов. Внутренними факторами являются величина торсионных сил (насколько мощно велосипедист крутит педали и как мощно тормозит), количество спиц, схема спицювання, диаметр фланца втулки. Внешними факторами являются профиль дорожного полотна, характер вождения и вибрации, приводящие к раскрутке ниппелей. Пульсация нагрузок в колесе плавно приводит к усталости спиц.
Но решающей всегда является качество работы механика. От его навыков зависит 80% успеха. Когда спицы натянуты равномерно и с запасом (> 120 кгс для 80-кг всадника), когда ниппели нераскручивающиеся от вибраций и вертикальных толчков, тогда колесо прощаватиме велосипедисту ошибки и не заставит беспокоиться о регулярной протяжку. Советуем при спицюванни наносить на резьбу компаунд thread lock синего цвета. Он уменьшит вероятность раскрутки ниппелей и продолжит межсервисный интервал.
Тщательно выбирайте обода, следите, чтобы они не были извилистые восьмеркой и не имели овальную форму. Используйте спицами и ниппелями только проверенных производителей и зайдя однажды в веломастерской не забудьте подарить механику пару бутылок пива. Поверьте, для него - это лучшая благодарность за хорошую работу.

Похожие

Комментарии