Neapdziedātie velosipēda varoņi, mēs domājam, ka ir pienācis laiks spieķiem iegūt pienākošos cieņu
Šīs plānās stiepļu šķipsnas veic nepielūdzami smagu darbu, un tās tiek atkārtoti izstieptas un saspiestas ar katru mūsu riteņu apgriezienu. Tie arī pārnes paātrinājuma spēkus, spiežot pedāļus no rumbas līdz riteņa lokam, kā arī pārraida bremzēšanas spēkus. Viņu loma tajā pašā faktā, ka mēs vispār varam braukt ar velosipēdu, ir gandrīz maģiska – tik tievas šķipsnas iztur tik milzīgas slodzes. Tāpēc mēs uzskatījām, ka ir pēdējais laiks pazemīgajam runātājam uzņemties zināmu atzinību, jo ir jāmaksā visa slodze.
'Spieķu riteņa ģenialitāte ir tāda, ka tas var pārnest uz šiem šaurajiem stieņiem bieži vien ļoti lielos spēkus, ko rada braucējs, velosipēds un dažādas ceļa virsmas, un katrs tiek sistemātiski saspiests, ritenim griežoties un slodzei pārejot no viens runāja ar otru, un tā tas turpinās,” saka profesors Marks Miodowniks, Londonas Universitātes koledžas Ražošanas institūta direktors, grāmatas Stuff Matters autors, televīzijas raidījumu vadītājs un dedzīgs riteņbraucējs. Viņš turpina: "Tas ir lielisks veids, kā optimizēt riteņa svaru, izmaksas un veiktspēju."
Spieķi, kad tie ir nospriegoti, būtībā nostiprina loku, izmantojot rumbu kā centrālo enkuru. Ideālas pasaules scenārijā katrs spieķis velkas ar vienādu spriegumu, lai vienmērīgi sadalītu slodzi pa visu riteni, vienlaikus noturot loku taisnu un apaļu. Spieķiem jāatbalsta ritenis pret sānu izliekšanos un loka deformāciju, kā arī jāiztur ritenis efektīvai saspiešanai vertikālās slodzes (radiālā saspiešanas) rezultātā. Nav mazs uzdevums. Nav brīnums, ka kopš riteņa parādīšanās ir izpētīts ļoti maz citu risinājumu.
Runāju spriedze
Tagad viss sāk kļūt tehnisks, un jūs nebūsiet viens, ja turpmākais būs nedaudz mulsinošs un pretrunīgs. Pastāv lielas domstarpības par to, vai velosipēds faktiski karājas no augšējiem spieķiem (tiem, kas atrodas virs rumbas, skatoties uz velosipēdu no sāniem), vai drīzāk to atbalsta apakšējie spieķi, kas darbojas kā mazi stabi.“Pēdējais viedoklis, lai arī cik dīvaini tas neliktos, tā noteikti ir,” saka Džims Papadopuls no Ziemeļaustrumu universitātes Inženierzinātņu koledžas Bostonā, ASV, un Bicycling Science līdzautors.
Lai gan ir viegli noticēt, ka velosipēda spieķis vienkārši sabruks zem velosipēda un braucēja svara, viņš turpina paskaidrot, ka spriegums, kas rodas spieķā riteņa veidošanas procesā (saukts par “priekšspriegojumu”), ir kas ļauj apakšējiem spieķiem izturēt slodzi bez izliekšanās, kā tas būtu tad, ja nebūtu iepriekšēja nospriegojuma. Katram spieķim uz nenoslogota riteņa spriegums ir aptuveni 100 lb [445 N]. Kad ass tiek nospiesta pret zemi ar 100 lb spēku, vienīgā būtiskā ietekme uz spieķu spriegojumu ir samazināt to spriegumu, kas atrodas tieši zem rumbas - parasti viens tiek samazināts līdz aptuveni 50 mārciņām un spieķi katrā pusē samazinās līdz aptuveni 75 lb. Tas ir tieši tas, ko varētu redzēt ar masīvkoka spieķiem, piemēram, vecu vagona riteni – apakšējais svērtu 50 mārciņas, bet abās pusēs - 25 mārciņas. Atšķirība no stiepļu spieķu riteņiem ir tāda, ka stieples spieķis nevar izturēt kompresijas slodzi – tas sabruks. Tātad visi spieķi ir ģeniāli iepriekš nospriegoti. Vads nevar izturēt 50 lb lielu saspiešanas slodzi, izņemot gadījumus, kad tas jau iztur spriegošanas slodzi, kas pārsniedz šo slodzi.
„Protams, velosipēda ritenis sabruks, ja tiks noņemti augšējie vai horizontālie spieķi,” piebilst Papadopuls. “Bet tas galvenokārt ir tāpēc, ka mainītajai konstrukcijai ir ļoti atšķirīgs slodzes ceļš, un turklāt tā nespēj nodrošināt nepieciešamo priekšspriegojumu. Mēs nevaram izmantot šo sabrukumu, lai secinātu, ka parastais ritenis nes slodzi caur augšējiem spieķiem.” Ja tas liek jums griezties galvai, jūs neesat viens. Tāpēc pāriesim uz vienkāršāku spieķu materiāla apgabalu.
Tērauda spieķi
Spieķi pārsvarā ir izgatavoti no tērauda, kas ir materiāla izvēle, kas, kā stāsta Miodownik, “būtībā ir saistīta ar uzticamu vītni. Tērauda stieple ir lieliska, jo pat ar ļoti mazu stiprinājuma vietu, piemēram, vietā, kur nipelis tur spieķi pie malas, jūs varat tos nospriegot, neatraujot diegu. Nerūsējošais tērauds ir ideāls materiāls, jo tam ir pareizais augstas stiprības un maza svara sajaukums, kā arī par pieņemamu cenu.’
Nerūsējošais tērauds ir bijis spieķu izvēlētais metāls kopš 19. gadsimta beigām, jo tam ir augsta stiepes izturība, kas ļauj spieķiem palikt salīdzinoši plāniem un viegliem, vienlaikus izturot uz tiem radušos spēkus. "Maiga tērauda spieķiem vajadzētu būt divreiz smagākiem un biezākiem," saka Kriss Hornzijs-Džonss, strukturālo inženieru Aerotrope direktors. Viņš izstrādāja revolucionāro Lotus oglekļa šķiedras kalnu velosipēdu un strādāja pie viena no lielākajiem riteņiem ar spriegotajiem spieķiem, kāds jebkad ražots – 60 m diametra konstrukcijas, kas tika piekārtas zem Millenium Dome jumta un ko izmantoja kā platformu gaisa izpildītājiem. “Pievienojot hromu un molibdēnu vieglā tērauda dzelzs un ogleklim, iegūtais nerūsējošā tērauda sakausējums ir daudz izturīgāks pret nogurumu.'
Nogurums ir spieķu ienaidnieks. Ja jūs domājat, ka jūsu kvadracikli tiek atkārtoti pakļauti slodzei, atkārtojot jūsu pedāļa sitienus, tad pažēlojiet savus spieķus, kas tiek satriekti ar katru riteņa apgriezienu. Katrs riteņa spieķis tiek pakļauts spiedes slodzei tikai uz sekundes daļu, kas atrodas tieši zem rumbas, un šajā brīdī tas tiek saspiests, pirms spiediens nokrīt, un tas var atgriezties normālā garumā. Tas ir nerimstošs cikls, kas burtiski var atsaukties uz slikti uzbūvētu riteni.
'Ritenis ir kā nogurdinošs skrejceliņš spieķiem, kas viņiem kļūst vēl grūtāks, jo vienā galā ir pievienota vītne un [vairumā gadījumu] otrā galā ir izliekums un/vai galva. saka Hornzijs-Džounss. "Pavediens ir sprieguma koncentrators, un slodzes pārnešana notiek galvenokārt caur pirmajiem pavedieniem. Turklāt nipelis ir salīdzinoši stīvs un, cenšoties novietot perpendikulāri lokam, reti kad perfekti sakrīt ar leņķi, kurā spieķis nonāk, kas var izraisīt papildu koncentrētu stresu. Otrā galā J veida līkums ik pa brīdim izliecas un pēc simtiem tūkstošu normālu riteņu apgriezienu var sākt atklāties jebkādi sīki virsmas defekti, kas ir tikai mikronu dziļi un cilvēka acij pilnīgi nemanāmi. Sākumā tas ir lēns process, taču galu galā tas novedīs pie spieķu lūzuma.’
Alumīnija spieķi
Tomēr tērauds nav vienīgais materiāls, ko izmanto spieķiem. Mavic un Campagnolo (kā arī Campagnolo māsas uzņēmums Fulcrum) jau sen ir bijuši alumīnija spieķu atbalstītāji. Alumīnijam ir viena trešdaļa no tērauda blīvuma, bet arī aptuveni viena trešdaļa no stingrības, tāpēc spieķiem ir jābūt biezākiem, kas nozīmē, ka tie ir potenciāli mazāk aerodinamiski, tiem ir nepieciešami lielāka diametra nipeļi un pēc tam lielāki caurumi diskos, kas var samazināt loka stiprību un stingrību. Alumīnija spieķiem ir arī tendence izmantot taisnas vilkšanas konstrukciju, jo alumīnija J veida līkums, visticamāk, neizdosies slodzes apstākļos.
Vēl viens ierobežojums ir tas, ka alumīnijs tik viegli nenotur vītni. Mavic risinājums ir iedurt sprauslas tieši lokā, nevis uz spieķa. Campagnolo iesaka izvēlēties alumīnija spieķus, kas sver tikpat daudz kā tērauda versijām, taču salīdzinājumā ar tiem uzlabo riteņu gaitas sajūtu, tomēr tas ir lielā mērā subjektīvs jautājums, kurā spieķiem ir tikai viena daļa, turklāt riepas, diski un rumbas arī ir nozīmīgi spēlētāji. nemaz nerunājot par pārējo velosipēdu.
Ņemot vērā dažādo slodzi, ko spieķi iztur, oglekļa šķiedra var nebūt piemērota izvēle, taču Mavic kopā ar vairākiem citiem augstas klases riteņu zīmoliem, piemēram, Lightweight un Reynolds, ir atraduši veidus. lai izmantotu savu stiepes spēku spieķos, nodrošinot acīmredzamu svara ietaupījumu. Piemēram, Mavic R-Sys SLR izmanto dobas oglekļa caurules, lai nodrošinātu stingrību spriedzes apstākļos un izturību pret saspiešanu."Spieķu stiepums ir daudz zemāks nekā tērauds vai sakausējums, jo ogleklis ir stingrāks," saka Mavic Michel Lethenet. “Tā kā tās ir caurules, tās ir izturīgas pret saspiešanu, kas palīdz uzturēt riteņa stingrību, lai gan ir nepieciešamas dažas metāla daļas, kas ir savienotas katrā galā, lai izveidotu stiprinājumus pie loka un rumbas.” Mavic Cosmic Carbone ir izmantota alternatīva metode. Ultimate, kurā oglekļa spieķi iet no vienas riteņa puses uz otru, savienojoties ar rumbas atloku un šķērsojot citus spieķus ceļā.
Patiesība no griešanās
Ir dažas citas iegūtās velosipēdu gudrības par spieķiem, kuras Pīters Marčments, materiālu zinātnieks un Hunt Bike Wheels direktors, labprāt kliedē. "Ritenis ar dziļāku loku ar īsākiem spieķiem bieži tiek uzskatīts par "spēcīgāku", bet tas parasti ir saistīts ar raksturīgo papildu stingrību lokam," viņš saka."Daudzi cilvēki arī uzskata, ka lielāks spieķu spriegums nozīmē, ka jūs iegūstat stingrāku riteni, taču tas tā nav. Riteņu stingrību ietekmē ne tikai spriegums, bet arī daudzas lietas, tostarp spieķu skaits, stiprinājuma leņķis un loka dziļums.
Patiesībā spieķis pagarinās par tādu pašu apjomu, kad tas ir noslogots, neatkarīgi no pielietotā nospriegojuma, kas nozīmē, ka spieķu spriegojuma palielināšana nepadara riteni stingrāku. ir izšķiroša nozīme. Pie ārkārtīgi lielas spriedzes loka un spieķi var tikt bojāti, jo tie tiek efektīvi noslogoti ar lielu spēku. Taču problēma ir arī zemais spieķu spriegojums, jo, visticamāk, nipelis atslābinās [atritināties], kad tie tiek atbrīvoti no trieciena vai ceļa vibrācijas, izraisot riteņa nobīdi.’
Lai kāds būtu spriegums un raksts, ir pieejams plašs spieķu klāsts, no kuriem izvēlēties, nemaz nerunājot par daudzajām stieples kvalitātes atšķirībām, no kurām tie ir izgatavoti. Sapim, viens no vadošajiem spieķu ražotājiem, saražo 300 miljonus spieķu gadā un iepērkas, lai saglabātu kvalitāti un saglabātu konkurētspēju visā savā produktu klāstā. "Sešdesmit līdz 70% no vienkārša izmēra spieķa cenas var būt materiālā, tāpēc ir svarīgi to izdarīt pareizi, taču vissvarīgākais visiem mūsu spieķiem ir stieples veiktspēja," saka Sapim pārdošanas vadītājs., Klauss Grūters. “Mēs meklējam vadu, kas ir spilgts un spīdīgs un kura stiepes izturība ir no 1 000 līdz 1 050 N/mm2 ar labiem noguruma datiem un, galvenais, izcilu izturību pret koroziju.”
Grüter stāsta, ka paraugi ir laboratoriski pārbaudīti attiecībā uz stiepes izturību, lieces un vērpes izturību. Pēc pieņemšanas vads no spolēm tiek iztaisnots ar mašīnu un nogriezts. Vienkāršu stiepli var izveidot arī sadurtos spieķos (kur centrālā daļa ir padarīta šaurāka), izvelkot vadu cauri veidnei. Kad sadursme, spieķa galva un J veida izliekums tiek izk alti, un vītne otrā galā tiek izrullēta (nevis nogriezta). Gatavos spieķus pārbauda gan ar mašīnredzes sistēmām, gan ar cilvēka aci un roku. Viena iekārta spēj izgatavot 20 000 sadurtu spieķu dienā, un tas izskaidro, kāpēc dažādas darbaspēka izmaksas maz ietekmē gatavā spieķa cenu un kāpēc ražotāji visā pasaulē var pārdot par līdzīgām cenām.
Bet kāpēc tik un tā jāliek spieķis? Džonatans Dejs no Strada Wheels skaidro: “Sadurtie spieķi labāk iztur griezes momentu nekā parastie spieķi. Tie ir platāki riteņa plaknē, kas ir griezes spēka virziens, tāpēc ir vairāk materiāla, kas tam pretoties. Turklāt tie nedaudz vairāk izliecas perpendikulārajā plaknē, tāpēc tie labāk sadala kompresijas slodzi pa riteni.’
Spieķu raksts
Velosipēda riteņa tradicionālais spieķu modelis sastāvēja no 32 (vai dažreiz 36) spieķiem, kas sakrustoti trīs reizes. Tradicionāli mežģīņotā ritenī ieaustais spieķu raksts, kas nebūt nav tikai diezgan kaleidoskopisks izvietojums, patiesībā ir riteņa dizaina funkcionāla daļa.
Sānu stingrības ziņā punkti, kur spieķi krustojas, ļauj katram no tiem nostiprināties pret otru, kad tas tiek nospriegots, kā arī atbalsta to, kad tas tiek saspiests. Trīskrustu šņorēšanas raksta vissvarīgākā loma ir aizmugurējā ritenī, kur spieķiem ir jāpārraida pedāļa jauda no rumbas. Šajā gadījumā spieķi tiek noslogoti ar daudz lielākām vērpes slodzēm, pateicoties piedziņas spēka pagriešanai. Spieķi kasetes pusē, atstājot rumbu tangenciāli, pārnes rotācijas spēku (griezes momentu) no rumbas uz loku. Radiālie spieķi (kas iet pa ceļu no rumbas centra tieši uz loku, nešķērsojot citu) daudz mazāk iztur šāda veida slodzi, un tiem ir lielākas kļūmes.
Ja griezes moments nav problēma, piemēram, priekšējam ritenim ar loka bremzēm, ir lietderīgi izmantot radiālos spieķus. Tas ietaupa svaru, jo spieķi var būt īsāki un ir nepieciešams mazāk, lai izveidotu sāniski stingru riteni. Tas arī izskatās labi. Disku bremzes rada ievērojamu vērpes slodzi, padarot radiālo spieķi gandrīz neiespējamu. "Pareiza šņorēšanas raksta noteikšana ir ļoti svarīga, jo spieķiem ir kopīga kompresijas slodze, saspiežoties pret kaimiņiem, kuriem tie šķērso, tāpēc spieķi ir jāpiešņo, lai tie būtu vadošie vai piekabes," saka Dejs. “Jums ir jāpārliecinās, ka vadošais spieķis vispirms uzņemas slodzi piedziņas pusē. Uz 32 spieķu riteņa jūs vēlaties, lai 16 vadošie spieķi sadalītu slodzi. Ja sašņorēsit nepareizi, darbu veiks tikai astoņi.’
Zīmīgi, ka spieķu raksti joprojām ir viens no vismazāk izaicinātajiem riteņu dizaina aspektiem, neskatoties uz dažiem nozīmīgiem lēcieniem uz priekšu materiālu un ražošanas tehnoloģiju jomā pēdējo desmitgažu laikā. Tā ir patiesi pārbaudīta un pārbaudīta metodika, un, kā saka, ja tā nav salūzusi…
