Материал рамы и прочность

Автор выражает благодарность господину под ником Proff, дискуссия с которым подвигла к написанию данной статьи, и господину 100kg, поднявшему данную тему в форуме. Пришлось напрячься и вспомнить, чему учили в авиаинституте.

— В чем сила, брат?
© «Брат-2»

Основные определения
Какие основные свойства необходимы рамам для различных дисциплин?
На что влияют жесткость рамы и ее альтернатива — упругость?
Жесткость конструкции и жесткость материала
Выбираем оптимальный материал
Сравнительные характеристики алюминиевых сплавов
Пара слов о долговечности
Технологичность
Какой сплав подойдет?
Выводы

Основные определения
(при чтении, конечно, можно пропустить)

Все нижепоименованные термины относятся к характеристикам МАТЕРИАЛА. Характеристики КОНСТРУКЦИИ, каковой является рама, при похожих названиях (прочность, жесткость, упругость, усталостная прочность), будут относиться к конструкции в целом, и могут быть одинаковыми или близкими для конструкций из разных материалов — к чему и стремятся, в принципе, конструкторы. Но при этом у конструкций будут существенно отличаться другие характеристики — например, вес, размеры труб, их форма, диаметр, толщина стенок и т.д.

Жесткость материала — свойство материала, отражающее способность материала сопротивляться нагрузке и не деформироваться (изгибаться, растягиваться). Чем больше деформация при приложении одинаковой нагрузки — тем жесткость ниже. При этом речь идет о восстановимой (упругой) деформации — то есть, при устранении нагрузки образец принимает первоначальную форму.

Прочность материала — свойство материала, отражающее, какой должна быть нагрузка на стандартный образец для его разрушения. Чем выше прочность материала, тем бОльшие нагрузки будет выдерживать конструкция без изменения геометрии. Следует учесть, что из одного и того же количества материала можно соорудить конструкции (например, велорамы) различной жесткости и прочности — это хлеб конструкторов.

Предел прочности на разрыв — величина нагрузки, при превышении которой происходит разрушение. Определяется при испытании образцов стандартной формы. Характеризует прочность материала — чем больше, тем лучше.

Модуль упругости — величина, характеризующая жесткость материала. Чем больше, тем материал жестче. Собственно модуль упругости — коэффициент зависимости между деформацией и нагрузкой.

Удельная прочность — отношение предела прочности к плотности, характеризует прочность при одинаковом весе конструкции — чем выше, тем конструкция легче при одинаковой прочности.

Предел текучести — величина нагрузки, при превышении которой наступает невосстанавливаемая деформация — материал «течет» — ведет себя как пластилин, то есть деформации необратимы — при устранении нагрузки деформация остается.

Относительное удлинение при разрыве — средняя величина удлинения деформируемой детали до её поломки (разрыва при растяжении). Косвенно отражает пластичность материала (пластичность — свойство материала необратимо изменять форму при нагружении).

Ограниченный предел усталости (на базе 500 млн. циклов) — величина нагрузки, при которой наступает разрушение после 500 млн. циклов нагружения. Следует учесть, что алюминиевые сплавы, в отличие от сталей, не имеют предела усталости (величины нагрузки, при непревышении которой при эксплуатации разрушения не происходит вообще при любом количестве циклов нагружения). По данной причине определяют ограниченный предел усталости (для определенного числа циклов). Поскольку зависимость нагрузки, вызывающей усталостное разрушение, от количества циклов, носит нелинейный в логарифмических координатах характер (то есть при увеличении нагрузки в разы усталостная долговечность падает в десятки, сотни, тысячи и миллионы раз, пусть вас не обнадеживает цифра в 500 млн. циклов нагружения).

Твёрдость по Бринелю — величина, характеризующая твёрдость материала. (Твеpдость — способность металла пpотивостоять пpоникновению в него дpугого, более твёpдого тела. Метод Бpинеля пpименяется для измеpения твёpдости сыpых или слабо закалённых металлов.)

«Т6 и прочие цифры после Т» — написанное после кода материала означает температурную обработку.
Т6 относится к процессам прочностной обработки и закалки металла. Все велосипедные рамы проходят температурную обработку, даже если производители не пишут «Т6» после номера класса алюминия.

Теперь, когда с определениями покончено, попробуем разобраться, какие свойства необходимы конструкциям велосипедных рам для различных стилей катания и почему.

Какие основные свойства необходимы рамам для различных дисциплин?

Шоссе — Рама должна обеспечивать как можно более быстрый разгон велосипеда при помощи мускульных усилий гонщика, устойчивость и управляемость. Рамы больших размеров.
Самые очевидные требования — высокая жесткость, малый вес и хорошая аэродинамика.

КК — Рама должна обеспечивать как можно более быстрый разгон велосипеда при помощи мускульных усилий райдера, устойчивость и управляемость в условиях пересеченной местности, выдерживать длительное воздействие циклических нагрузок.
Используются амортизаторы. Возможны достаточно большие размеры рамы.
Требования — высокая жесткость и малый вес.

FR, downhill — Рама должна быть весьма прочной, выдерживать большое количество циклов нагружения с весьма высокими уровнями нагрузок. Вес играет меньшую роль.
Размеры рамы — существенно меньше, чем для КК. Может использоваться конструкция с двумя амортизаторами — двухподвес.
Используются передние амортизаторы с большим ходом.
Жесткость также нужна, но может достигаться конструктивными решениями — либо монокок (сварная конструкция из половинок, штампованных из листа), либо маленький треугольник из толстых труб, как следствие — большая длина сварных швов.
Основные требования — высокая прочность и долговечность.

BMX, street, trial , dirt — маленькие по размеру рамы, выдерживающие высокие циклические ударные нагрузки. Вес большого значения не имеет, амортизатор либо отсутствует, либо жесткий с небольшим ходом.
Упругость — будет не лишней, нужна высокая прочность и долговечность.

На что влияют жесткость рамы и ее альтернатива — упругость?

Упругая конструкция способна поглощать часть энергии нагрузки, прикладываемой к конструкции.
Жесткая конструкция передает энергию нагрузки практически без потерь.
Для случая скоростного спуска с горы некоторая упругость рамы может оказаться положительным качеством — часть энергии ударов, не поглощенная амортизаторами, будет поглощаться самой рамой, и райдеру достанется меньше.
Но тут важно не перегнуть палку — иначе пострадает прочность или управляемость, так нужная DH на высокой скорости.
Основное требование — высокая прочность и долговечность. Поэтому рамы DH обычно имеют либо монококовую констукцию, либо большую толщину стенок трубы, переменную по длине трубы геометрию (гидроформинг), и в данном случае необходим материал с высокой технологичностью — хорошо сваривающийся, легко поддающийся обработке давлением.

Что касается рам для BMX, trial или street — упругость рамы тут скорее плюс, чем минус. Требования высокой прочности при небольших размерах рам делают сталь вполне оправданным выбором для таких рам.

Теперь о КК-рамах. В КК, как ни в одной из других дисциплин (кроме шоссе) важно, чтобы усилия райдера при разгоне не расходовались на раскачивание и упругие деформации рамы — отсюда вывод о необходимости обеспечить раме максимальную жесткость.
Необходим минимальный вес рамы — чтобы не везти в гору лишнее.
С другой стороны, гонка идет по пересеченной местности, и все неровности трассы, не поглощенные амортизатором, прямо передаются жесткой рамой райдеру. И все же «накатистость» рамы обычно берет верх над неудобством жесткой рамы. Как вариант — двухподвесные рамы хитрой рычажной конструкции, обеспечивающей как поглощение ударов, так и неизменность расстояния между седлом и осью каретки, что минимизирует потери усилий райдера. Однако подобные конструкции требуют больше материала и также критичны к технологичности материала.

Жесткость конструкции и жесткость материала

Теперь пара слов о жесткости конструкций, которую не следует путать с жесткостью материала.
Одинаковой жесткости конструкции (то есть способности противостоять нагрузке, не деформируясь), можно добиться двумя путями:

1. Применением более жесткого материала.
2. Увеличением сечения элемента конструкции (диаметра труб в случае велосипедных рам). Как вариант — монококовая конструкция.

Очевидно, что увеличение диаметра труб при том же материале вызовет увеличение количества материала — и соответственно веса.

Таким образом, из одного и того же материала получаются конструкции различной прочности и жесткости, и наоборот — одинаковой прочности и жесткости конструкции можно добиться при использовании различных материалов. Основное различие здесь — в весе.

Как уже неоднократно отмечалось в различных статьях о велорамах, сталь — материал самый жесткий, самый прочный, но и самый тяжелый.
Именно поэтому труба для стальной рамы будет небольшого диаметра (жесткость и так высока, прочность позволяет делать трубы тонкостенными, а большая плотность не дает увеличить диаметр трубы).
В результате при нужной прочности и весе жесткость конструкции оказывается ниже, чем у столь же прочной алюминиевой конструкции подобного веса, особенно при равных размерах конструкций.

Выбираем оптимальный материал

Итак, одновременно легкую, прочную и весьма жесткую раму для КК логичней всего изготавливать из алюминиевого сплава, поскольку его удельные прочность и жесткость выше, чем у стали.
Отдельно нужно отметить упругие КК-рамы из стальных сплавов Reynolds 631, Reynolds 853 — благодаря тому, что эти сплавы термоупрочняются (закаливаются) на воздухе (air-hardened), за счет равной прочности сварных швов с основным материалом удается построить легкую стальную КК-раму.

Небольшим по размерам рамам для BMX вполне подойдет сталь — к тому же она дешевле и технологичней алюминия.

Сравнительные характеристики алюминиевых сплавов

Встает следующий вопрос — какой именно сплав алюминия выбрать для КК рамы?

Как видно из таблицы, свойства различных алюминиевых сплавов отличаются в довольно широких пределах.

Из таблицы видно, что сплав 7005-T6 на 13% прочнее, чем 6061-T6, но 7075-T6 прочнее 6061 на целых 84.5%.
Сравнение механических свойств сплавов 7005-T6 и 6061-T6 дает почти равные свойства при статическом нагружении (прочность 7005 немного выше) и характеристики относительного удлинения при разрыве (характеризует пластичность) 12% для 6061 и 13% для 7005. Характеристики твердости почти идентичны при одинаковой термообработке (процесс T6). Жесткость у 7005 и 7075 всего на 4% выше, чем у 6061 (жесткость характеризуется модулем упругости).

Пара слов о долговечности

Поскольку нагрузки, действующие на раму велосипеда, в процессе эксплуатации многократно повторяются, причем с различной интенсивностью (кочки, корни, ямы, неровности асфальта, наконец, прыжки и спуск по лестницам), можно говорить о циклически повторяющихся нагрузках на раму.
Опыт эксплуатации конструкций из алюминиевых сплавов на заре их применения (в авиационных и космических конструкциях) показал, что многократное повторение нагрузки, которая однократно не только не вызывает разрушения, но и сколь либо заметных упругих деформаций, после некоторого количества циклов приводит к появлению в конструкции трещин, а затем и кажущемуся внезапным разрушению. Данное явление получило название усталостного разрушения, а количество циклов нагружения, приводящее к разрушению — усталостной долговечностью.
Также было замечено, что наличие в наиболее нагруженных частях конструкции местных изменений геометрии, отверстий, вмятин, трещин и сварных швов снижает долговечность конструкции в десятки, сотни, тысячи и более раз. Это явление получило название «локальная концентрация напряжений». Маленькое отверстие повышает напряжения около себя минимум в 2,5 раза, глубокая царапина — раз в 6. Трещина же вызывает локальное повышение напряжений практически до предела текучести — благодаря чему и растет — сначала медленно, потом все быстрее.

Данное свойство алюминиевых сплавов побуждает конструкторов проектировать алюминиевые рамы таким образом, чтобы распределить напряжения в раме наиболее равномерно, для чего в местах сварных швов локально увеличивают толщину стенок трубы (баттинг), увеличивают строительную высоту сечения трубы в плоскости нагружения (переменное овальное сечение, увеличивающееся с возрастанием нагрузки — получают профилированием, гидроформингом или сваркой профиля из листа), используют усиление косынками или формированием треугольников из труб — как, например, на GT Avalanche.

Надо заметить, что явление усталости также присуще и сталям, но в значительно меньшей мере — стали более долговечны и обладают пределом усталости — уровнем нагрузки, при непревышении которой усталостного разрушения не происходит при сколь угодно большом числе циклов нагружения.

Однако и стальные рамы разрушаются от усталостных явлений. Характерные признаки усталостного разрушения — кажущееся беспричинным разрушение при весьма посредственных нагрузках в момент разрушения и характерный вид излома — на одном крае излома часть сечения как бы отполирована — это след роста усталостной трещины.

Сравнение ограниченного предела усталости (на базе 500 млн. циклов) дает существенное расхождение в характеристиках рассматриваемых нами сплавов — 150МПа для 7005 и всего 96.5МПа для 6061.
На практике это означает — если надо, чтобы две геометрически одинаковых рамы из разных сплавов сломались почти одновременно — через определенное количество прыжков (циклов нагружения), я б рекомендовал посадить на раму из 7005 седока в 1,5 раза более массивного, чем на раму из 6061. Это — повторяю — только в том случае, если рамы геометрически абсолютно идентичны, включая отверстия, сварные швы и т.д.
Отсюда неизбежный вывод — рама из 7005 гораздо дольше проживет при одинаковых условиях эксплуатации и одинаковой геометрии, чем рама из 6061.

Технологичность

Сплав 7075, как видно из той же таблицы, существенно прочнее и 6061, и 7005, да и усталостные характеристики его — лучшие в данной тройке.
Почему же у производителей большинства алюминиевых рам выбор пал на 7005 и 6061? Дело в том, что велосипедные рамы не делаются из цельных кусков алюминия, которые используются для проведения тестов на прочность. Рамы байков делаются из труб, сваренных между собой: сварка 7075 (российский аналог — В-95) — почти невозможное достижение, почти исключающее выбор этих сплавов для производства массовых байков (имеется в виду аргоно-дуговая сварка). Производители дорогих рам могут воспользоваться тем, что 7075 таки сваривается — точечной или роликовой контактной сваркой, или могут себе позволить применить клеевое соединение.
Поэтому для самых массовых байков остаются 7005 (цинковый сплав) и 6061 (магний-кремниевый сплав).
Различие между ними в том, что 7005 при более высокой прочности труднее в обработке и сварке, из-за более высокого содержания добавок (свыше 6%).
Это означает, что производителям проще добавить трубам из сплава 6061 прочности за счёт свойств конструкции (такими технологиями как баттинг, овальное сечение и стенки переменной толщины, что уменьшит вес и увеличит прочность труб).
Еще один технологический момент — и тот, и другой сплавы интенсивно упрочняются термически.

Процесс термоупрочнения основан на таком свойстве материалов, как различная кристаллическая структура при различных температурах. Процесс сохранения кристаллической структуры материала, характерной для высоких температур, путем быстрого охлаждения, называют закалкой.
Алюминиевые сплавы сразу после закалки еще раз перекристаллизовываются — этот процесс называется закалкой с последующим старением — (искусственным — при повышенной температуре или естественным — при температуре окружающей среды).
Чаще для простоты термин «закалка» опускают (все равно старение без закалки — нонсенс), и называют их совокупность просто «старением».
Термоупрочняют практически все алюминиевые сплавы, используемые для производства рам, даже если про это прямо не указывается производителем.

Какой сплав подойдет?

Сплав 6061 вполне подойдет для FR, dirt и downhill рам — сплав более технологичный (проще сваривается и обрабатывается), чем 7005, меньшую его статическую и усталостную прочность при менее жестких требованиях к весу легко компенсируют большей толщиной стенок трубы и разнообразными косынками и прочими технологическими ухищрениями. Кроме того, наличие в конструкции двухподвесов амортизатора между частями рамы понижает напряжения в самой раме за счет поглощения амортизатором части энергии нагрузки.

Для КК хардтейлов же оптимальным будет сплав 7005 — как более прочный, жесткий и долговечный.

Выводы

1. Оптимизация конструкции рамы — задача нетривиальная, требует учета большого количества разнообразных факторов, многие из которых противоречат друг другу, и не может быть сведена к простому выбору материала, марки сплава или даже конкретной геометрии.
2. Рама, оптимальная для одной дисциплины, совсем необязательно будет таковой для другой, так как разные дисциплины выдвигают разные критерии оптимальности.
3. В нашем обзоре мы практически не касались вопроса цены рамы, во многом предопределяющей выбор как материала, так и конструкции в целом. Кроме того, цена сильно влияет на выбор технологических процессов при изготовлении — в пользу более технологичных и распространенных материалов и сплавов — недорогая сталь вместо алюминия, 6061 вместо 7005.

Про экзотику вроде сплавов с добавлением скандия и бериллия в ценовой нише «бюджетных» велосипедов пока можно не думать.

© ВелоСамара 2003-2006

Оригинал статьи http://velosamara.ru/article/frame_material_and_strength.shtml.

Автор — Сергей Судариков AKA Honzales

Опубликовано: 28.10.2005
Исправлено: —
Версия текста: 1.0

Статья с сайта ВелоСамара. Скопировано с разрешения владельцев сайта.