Dizajn rama bicikla – objašnjen

U ovom članku objasniću dizajn rama bicikla. Zbog čega je većina ramova sa visokom horizontalnom šipkom koju je često teško opkoračiti? Kako se ramovi prave da budu što laganiji, a dovoljno jaki?
Akcenat članka je na snazi i težini konstrukcije. Za pojašnjenje kako dimenzije i uglovi cevi rama utiču na vozne karakteristike, pogledajte članak: Geometrija Rama Bicikla.
Za više o samim materijalima, videti: Materijali ramova bicikala – objašnjeni.

Sadržaj:

1. Osnove dizajna rama bicikla
2. Opterećenje cevi rama bicikla
3. Viljuška
   3.1. Viljuške sa disk kočnicom
4. Cevi: snaga i težina
   4.1. Tanjene cevi
5. Zaključak
6. Izvori

1. Osnove dizajna rama bicikla

Ako pogledate ramove bicikala, videćete da velika većina modela ima dva trougla u osnovi:

Preko sto godina iskustva pokazalo je da ovakva konstrukcija daje najveću moguću snagu, sa najtanjim (najlakšim) mogućim cevima. Barem kada je potrebno podneti težinu vozača, udare sa puta, snagu pedalanja i povlačenja kormana.

Teže, lakše? Ono što zaista merimo je masa. Težina koju merimo kad stanemo na vagu je masa pod dejstvom privlačenja Zemljine gravitacije. Ali to je tema za poseban članak, a za potrebe ovog dogovorićemo se da je težina = masa (oprosti, čika Njutne).

Ramovi koji se zovu “ženski” su nešto drugačiji:

Ženski ramovi imaju samo jedan, zadnji trougao. Prave se sa ciljem da budu praktični, tj. da omoguće lakše penjanje i silaženje sa bicikla, ali to ima svoju cenu: ovakav ram će tražiti da cevi označene sa “A” i “B” na slici iznad budu puno jače, a samim tim i teže, nego što bi cela konstrukcija bila da je urađena sa trouglom. Nekad ovakvi ramovi imaju samo jednu debelu i tešku cev, umesto dve, što je uglavnom još gore po pitanju ukupne težine rama.

Da ponovim: ako želite da ram bude što lakši, a i dalje dovoljno jak – pravite ga sa dva trougla.

Stari, klasični ramovi imali su horizontalnu gornju cev. Na modernim je ona po pravilu ukošena.

Koliko god prodavci bili ubedljivi, tehnički ne postoji ni jedna prednost u korištenju kose gornje cevi. Međutim, dizajn rama tako da sve ostale dimenzije budu kako treba, a da gornja cev bude horizontalna, traži puno znanja i iskustva (za detalje videti članak o geometriji rama bicikla). Lakše je kad se zakosi – pa kako ispadne.

– Sadržaj –

2. Opterećenje cevi rama bicikla

Cevi rama bicikla se obično sabijaju (kompresija), uvijaju i uvrću (torzija). Generalno ne podnose sile koje pokušavaju da ih razvuku.

Najveće opterećenje trpi donja cev, a najmanje kose cevi zadnjeg trougla. Ovo je očigledno i kad se pogleda razlika u debljini različitih cevi rama sa slike.

Kose cevi zadnjeg trougla (označene zelenim na slici 5) nose toliko malo opterećenja, da su po pravilu puno jače i teže nego što je neophodno! Zašto ih ne prave da budu lakše? Zato što bi dodatno stanjivanje zidova, ili/i promera cevi, onemogućilo njihovo varenje, odnosno spajanje sa ostalim cevima. Potreban je neki minimum materijala za koji će se uhvatiti.

– Sadržaj –

3. Viljuška

Ovde ću se baviti viljuškom u smislu snage, težine i podnošenja opterećenja. Za ostale važne teme vezano za viljuške, možete videti:

• Šta je viljuška bicikla, važne dimenzije i vrste viljuški.
• Nazivi delova viljuške i vrste ležaja (šolja) upravljača.

Viljuška bicikla ima relativno jak i krut gornji deo, u vidu vrata viljuške. Vrat ide unutar cevi upravljača, a fiksiran je tu pomoću ležajeva upravljača (zvanih “šolje upravljača”).

Gornji deo je jak i dobro fiksiran, a točak na viljušku deluje preko njenog donjeg dela, koristeći celu dužinu štapova (nogu) viljuške kao polugu. Stoga je viljuška izložena najvećem opterećenju i stresu upravo na prelazu između cevi upravljača, ka štapovima/nogama.

Viljuške često prvo napuknu upravo na tom zadnjem delu, pri vrhu (strelica 2 na slici 7). Širina štapova je dobra indikacija količine opterećenja koje oni trpe na različitim delovima. Ovo je dobra prilika da razbijem neke mitove, navođenjem par činjenica:

• Štapovi viljuške su tanji pri dnu kako bi se smanjila težina, jer im na tom delu nije potrebna velika snaga – a ne zbog toga da bi ublažavale vibracije sa tla.
• Noge su pri dnu zakrivljene ka napred kako bi se uticalo na predtrag viljuške, bez promene ugla cevi upravljača. To isto nije zbog nekih amortizujućih razloga.

Mnoge moderne viljuške budu više savijene na samom vrhu (pri izlasku iz rama), dok im noge ostaju prave. Pogotovo one sa amortizerima. Ovo se radi zbog nemogućnosti, ili nepraktičnosti krivljenja i stanjivanja štapova pri dnu, usled korištenih materijala, ili konstrukcije.

– Sadržaj –

3.1. Viljuške sa disk kočnicom

Po čemu su viljuške sa disk kočnicom specifične, osim što imaju prihvat za čeljust disk kočnice? Pogledajmo prvo šta se dešava sa kočionom silom kod “običnih” kočnica:

Kada se koristi obična kočnica, sila kočenja, preko felne, pokušava iščupati kočione čeljusti, i efektivno gura gornji deo viljuške ka napred. Viljuška je debela i dosta jaka na ovom delu. Donji deo viljuške trpi minimalno opterećenje preko nable, izazvano inercijom vozača i bicikla. Pri tome, za svako krivljenje viljuške pri dnu, ona bi morala i malo podići prednji deo bicikla, što inercija i gravitacija u velikoj meri sprečavaju.
Prosto rečeno: “obične” kočnice ne opterećuju previše viljušku.

Šta je sa disk kočnicama?

Kod disk kočnice, sila kočenja deluje od gotovo samog kraja viljuške, koristeći celu dužinu noge kao polugu kojom opterećuje vrh viljuške (L na slici 9).
Istovremeno, dok točak i kočioni disk pokušavaju da se okreću, kočnica zaustavlja disk, te deluje kao pivot oko kojeg se ceo točak pokušava okrenuti, efektivno vukući nablu na dole, napolje iz prihvata. Ovaj problem je rešen kod thru-osovina, ali kod viljuški sa otvorenim prihvatom točka treba redovno proveravati jesu li šrafovi koji drže točak (ili quick-release mehanizam) dobro zategnuti. Točak se neće olabaviti odjednom, nego posle puno mikro-pomeraja – jer šrafovi uvek teže ići ka “manjoj zategnutosti,” kad god dolazi do njihovog mrdanja.

Uz to, kočiona sila gura disk kočnicu ka napred, a donji deo viljuške ka dole i ka nazad, težeći da savije viljušku u tom donjem delu.

Zbog toga viljuške za disk kočnice moraju biti dosta jače i teže od viljuški za “obične” kočnice.

Članak koji objašnjava ostale prednosti i mane disk kočnica.

– Sadržaj –

4. Cevi: snaga i težina

Zbog čega se ramovi bicikala prave od cevi, a ne od šipki?
Cev je šipka sa rupom! 🙂

Setite se 2. poglavlja o vrstama opterećenja koje ramovi bicikala trpe. Pre dosadne teorije, praktičan primer:
recimo sad da želimo napraviti što lakši ram. I, da ne bismo komplikovali (o tome u posebnom članku), da se odlučimo to raditi od čelika. Krenimo:

Mogli bismo uzeti šipke prečnika (debljine) 2 cm. Da vidimo… hmm… to je dosta teško. Da ih stanjimo na 1 cm? Uf – sad su previše savitljive! Znam – pokušaćemo preko 100 godina star fazon: ići ćemo sa cevima!

Ako uzmemo cevi prečnika 3 cm, sa zidovima debljine 6 mm, dobićemo jaču, kruću, a lakšu konstrukciju! Super.
A da probamo sa cevima prečnika 4 cm i zidovima debljine 3 mm? Uuu, još lakše, a jače i kruće.

Da idemo dalje – sa prečnikom od 5 cm i debljinom zidova od 0,1 mm! Šta je sad? Neće da se zavare?! Lako se ulube čim ih čukneš!

Objasnimo sad šta se tu i zbog čega desilo.

Prvo treba znati da je šipka prečnika 2 cm jača i kruća od cevi istog prečnika. Međutim, sa porastom prečnika, snaga i krutost rastu drastično. Tako da široka cev, čak i sa relativno tankim zidovima što je čini dosta laganom, može biti podjednako jaka i kruta kao puno teža (a tanja) šipka.

Odnos je otprilike ovakav: krutost cevi raste sa trećim stepenom porasta prečnika. Na primer, ako poredimo dve cevi istih debljina zidova, tako da je jedna prečnika 2 (d1), a druga 4 cm (d2), onda će cev od 4 cm biti 8 puta kruća.
(d2-d1)³

Druga cev iz ovog primera je 8 puta kruća, ali i 2 puta teža. Zato joj možemo stanjiti zidove (uz zadržavanje istog spoljnog prečnika). To će joj malo smanjiti krutost, a puno smanjiti težinu. Čak i ako se krutost smanji na pola, ona će i dalje biti 4 puta kruća od prve cevi – a lakša! Povećanje prečnika cevi puno više povećava krutost, nego što stanjivanje zidova smanjuje krutost.

Ali – postoji granica koliko se zidovi mogu tanjiti. Ispod određene debljine, biće nemoguće variti cevi (progoreće). Takođe, pretanki zidovi mogu dovesti do toga da se cev previše lako ulubi od nekog udarca. Sad ću se poslužiti još jednim primerom:

Uzmite malu limenku Koka-Kole. Stavite je uspravno na zemlju. Stavite nogu na nju, i polako prebacujte težinu, vodeći računa da delujete pravo na dole. Ako ovo radite dovoljno pažljivo, može se desiti da izdrži vašu težinu. Međutim, ako pre nego što ovo pokušate ulubite zidove, makar i malo, limenka će se veoma brzo i lako spljoštiti.

Kakve ovo ima veze sa ramovima bicikala? Cevi rama, kao i sve druge cevi, gube puno svoje snage ako im se zidovi ulube. Ovo pogotovo važi za donju kosu cev (eng. downtube), i donju desnu cev duž koje ide lanac (eng. chainstay).

– Sadržaj –

4.1. Tanjene cevi

Ovo ćete često pročitati u brošurama za aluminijumske i čelične ramove: dvaput, ili triput tanjene cevi. Šta to znači?

Sećate se priče o problemom sa varenjem i spajanjem cevi previše tankih zidova? Šta ako napravimo krajeve nešto debljih zidova, a sredinu sa tanjim? Na to se svodi ova tehnika.

Ovakva tanjenja, pogotovo ako se radi sa više nivoa debljine zidova (“troduplo tanjene” cevi) podižu cenu proizvodnje cevi, ali omogućavaju da ramovi budu još lakši, a gotovo jednako jaki.

– Sadržaj –

5. Zaključak

Nadam se da vam je ovaj tekst pomogao da razumete zbog čega se ramovi prave kako se prave, kao i zbog čega ne preporučujem kupovinu polovnog bicikla ako mu je neka od cevi ulubljena.

Trudio sam se objasniti osnovna ograničenja i izazove koje dizajneri ramova moraju prevazići. U posebnom članku pisaću detaljnije o prednostima i manama različitih materijala za ramove.

– Sadržaj –

6. Izvori

• Structural analysis and optimization of bicycle frame designs
• Finite-Element Structural Analysis

– Sadržaj –