Pyörän laulamattomat sankarit, mielestämme pinnojen on aika saada ansaitsema kunnioitus
Nämä ohuet lankasäikeet suorittavat säälimättömän kovan työn, koska niitä venytetään ja puristetaan toistuvasti pyörien jokaisen kierroksen yhteydessä. Ne myös kuljettavat polkemisen kiihtyvyysvoimat nav alta pyörän vanteeseen ja välittävät myös jarrutusvoimat. Heidän roolinsa siinä tosiasiassa, että voimme ylipäätään ajaa polkupyörää, on melkein maaginen – niin ohuet säikeet kantavat niin v altavia kuormia. Joten meistä tuntui, että oli korkea aika, että nöyrä puhuja ottaa kunnian, jossa koko kuorma on maksettava.
'Puolapyörän nerokkuus on, että se voi siirtää ajajan, polkupyörän ja vaihtelevien tienpintojen aiheuttamat usein erittäin suuret voimat näihin ohuisiin tankoihin, joista jokainen puristuu järjestelmällisesti pyörän kääntyessä ja kuormien siirtyessä yksi puhui toiselle, ja niin se jatkuu", sanoo professori Mark Miodownik, University College Londonin Institute of Makingin johtaja, Stuff Mattersin kirjoittaja, TV-juontaja ja innokas pyöräilijä. Hän jatkaa: "Se on kaunis tapa optimoida pyörän paino, hinta ja suorituskyky."
Punat, kun ne ovat jännittyneet, pohjimmiltaan tukevat vannetta käyttämällä napaa keskiankkurina. Täydellisen maailman skenaariossa jokainen puoli vetää samalla jännityksellä jakaakseen kuorman tasaisesti koko pyörälle pitäen samalla vanteen oikeana ja pyöreänä. Pinnojen tulee tukea pyörää vanteen sivuttaista taipumista ja muodonmuutoksia vastaan sekä vastustaa pyörän tehokkaasti puristamista pystykuormituksen vaikutuksesta (säteittäinen puristus). Ei pieni tehtävä. Ei ole ihme, että pyörän syntymisen jälkeen vain vähän muita ratkaisuja on tutkittu.
Spoke Tension
Nyt asiat alkavat mennä tekniseksi, etkä ole yksin, jos seuraava on hieman hämmentävää ja ristiriitaista. On kiivasta erimielisyyttä siitä, roikkuuko pyörä itse asiassa ylemmistä pinnoista (napan yläpuolella, kun pyörää katsoo sivulta) vai tukeeko pyörä pikemminkin alempia, jotka toimivat pieninä pilareina."Jälkimmäinen näkemys, niin oudolta kuin se näyttääkin, on ehdottomasti totta", sanoo Jim Papadopoulos Northeastern University's College of Engineeringistä Bostonista, USA:sta ja Bicycling Sciencen toinen kirjoittaja.
Vaikka on helppoa uskoa, että polkupyörän puola yksinkertaisesti romahtaa pyörän ja ajajan painon alla, hän jatkaa, että pyörän rakennusprosessin aikana pinnoissa syntynyt jännitys (kutsutaan "esijännitys") on mikä mahdollistaa alempien pintojen kantavan kuorman ilman nurjahdusta, kuten ne tekisivät ilman esijännitystä. "Jokaisen kuormittamattoman pyörän pinnan jännitys on luokkaa 100 lb [445 N]. Kun akselia painetaan maata kohti 100 lb:n voimalla, ainoa merkittävä vaikutus pinnojen jännityksiin on vähentää niitä suoraan navan alapuolella – tyypillisesti yksi pudotetaan noin 50 paunaan ja molemmilla puolilla olevat pinnat noin 75 paunaan. Juuri tämän näkisi massiivipuisilla pinnoilla, kuten vanhalla vaunupyörällä – alin kantaisi 50 naulaa ja sen kummallakin puolella olevat 25 lb. Erona lankapuolapyöriin on se, että lankapuola ei kestä puristuskuormaa – se romahtaa. Joten kaikki pinnat on nerokkaasti esijännitetty. Lanka ei voi kestää 50 lb:n puristuskuormaa, paitsi silloin, kun se kantaa jo sen ylittävän jännityskuorman.
’Tietenkin pyörän pyörä romahtaa, jos ylä- tai vaakapinnat poistetaan, Papadopoulos lisää. "Mutta tämä johtuu pääasiassa siitä, että muuttuneella rakenteella on hyvin erilainen kuormitusrata, eikä se myöskään pysty tarjoamaan vaadittua esijännitystä." Emme voi käyttää tätä romahtamista päätelläksemme, että tyypillinen pyörä kantaa kuormaa yläpinnojen läpi. Jos pääsi pyörii, et ole yksin. Joten siirrytään yksinkertaisempaan pintamateriaaliin.
Teräspinnat
Punat on valmistettu pääosin teräksestä, materiaalivalinta, joka, kuten Miodownik kertoo, "perimmiltään perustuu kykyyn saada luotettava lanka". Teräslanka on hienoa, koska jopa hyvin pienellä kiinnitysalueella, kuten nänni pitää pinnan reunassa, voit kiristää niitä melkoisesti ilman, että lanka irtoaa. Ruostumaton teräs on ihanteellinen materiaali, koska siinä on oikea sekoitus suurta lujuutta ja keveyttä, mutta se on myös edullinen.’
Rostumaton teräs on ollut metallipintojen valinta 1800-luvun lopulta lähtien sen suuren vetolujuuden ansiosta, jonka ansiosta pinnat pysyvät suhteellisen ohuina ja kevyinä ja selviytyvät niihin kohdistuvista voimista. "Mietojen terästen pinnojen tulisi olla kaksi kertaa painavampia ja paksumpia", sanoo Chris Hornzee-Jones, rakenneinsinöörien Aerotropen johtaja. Hän suunnitteli uraauurtavan Lotus-hiilikuitumaastopyörän ja työskenteli yhdellä kaikkien aikojen suurimmista jännityspuolaisista pyöristä – Millennium Domen katon alle ripustetussa halkaisij altaan 60 metrin rakenteessa, jota käytettiin ilmataiteilijoiden alustana. "Lisäämällä kromia ja molybdeeniä miedon teräksen rautaan ja hiileen, tuloksena oleva ruostumaton terässeos kestää paljon paremmin väsymistä.'
Väsymys on pinnan vihollinen. Jos uskot, että mönkijäsi rasituvat toistuvasti poljiniskujesi toistumisesta, sääli pinnojasi, koska niitä lyötiin jokaisella pyörän kierroksella. Kukin pyörän puoli on puristuskuormituksen alaisena vain sen sekunnin murto-osan ajan, jonka se on suoraan navan alla, ja sillä hetkellä se puristuu kokoon ennen kuin paine irtoaa ja palaa normaaliin pituuteensa. Se on säälimätön kierre, joka voi kirjaimellisesti purkaa huonosti rakennetun pyörän.
'Pyörä on kuin väsyttävä pinnojen juoksumatto, jota tekee heille entistä vaikeampi, koska sen toiseen päähän on lisätty lanka ja [useimmissa tapauksissa] mutka ja/tai pää toiseen, sanoo Hornzee-Jones. "Kierre on jännityksen keskittäjä ja kuorman siirtyminen tapahtuu enimmäkseen muutaman ensimmäisen kierteen kautta. Lisäksi nänni on verrattain jäykkä ja yrittäessään istua kohtisuorassa vanteeseen nähden se on harvoin täydellisesti kohdakkain sen kulman kanssa, johon pinnat saapuvat, mikä voi aiheuttaa ylimääräistä keskittynyttä rasitusta. Toisessa päässä J-kaarta taipuu hienoisesti ja satojen tuhansien normaalien pyörien pyörien jälkeen kaikki pienet, vain mikronin syvyiset ja ihmissilmälle täysin huomaamattomat pintavirheet voivat alkaa avautua. Se on aluksi hidas prosessi, mutta lopulta johtaa pinnan katkeamiseen.’
Alumiinipinnat
Teräs ei kuitenkaan ole ainoa pinnoissa käytetty materiaali. Mavic ja Campagnolo (sekä Campagnolon sisaryritys Fulcrum) ovat pitkään olleet alumiinipinnojen puolestapuhujia. Alumiinilla on kolmasosa teräksen tiheydestä, mutta myös noin kolmannes jäykkyydestä, joten pinnojen on oltava paksumpia, mikä tarkoittaa, että ne ovat mahdollisesti vähemmän aerodynaamisia, vaativat halkaisij altaan suurempia nippejä ja sen jälkeen suurempia reikiä vanteissa, mikä voi vähentää vanteen lujuutta ja jäykkyyttä. Alumiinipinnoissa on myös taipumus käyttää suoravetorakennetta, koska alumiinin J-mutka pettäisi erittäin todennäköisesti jännityksen alaisena.
Toinen rajoitus on, että alumiini ei pidä lankaa yhtä helposti. Mavicin ratkaisu on pujota nännit suoraan vanteeseen pinnan sijaan. Campagnolo ehdottaa, että se valitsee alumiinipinnat, jotka painavat saman verran kuin teräsversiot, mutta parantavat sen pyörien ajotuntumaa, mutta tämä on pitkälti subjektiivinen asia, jossa pinnoilla on vain yksi osa, ja renkaat, vanteet ja navat ovat myös merkittäviä toimijoita. puhumattakaan muusta pyörästä.
Pinnojen kestävät erilaiset rasitukset huomioon ottaen hiilikuitu ei ehkä vaikuta ollenkaan todennäköiseltä vaihtoehdolta, mutta Mavic ja useat muut huippuluokan vannemerkit, kuten Lightweight ja Reynolds, ovat löytäneet keinoja. valjastaa sen vetolujuus pinnoissa, mikä säästää selvästi painoa. Esimerkiksi Mavicin R-Sys SLR käyttää onttoja hiiliputkia, jotka tarjoavat jäykkyyttä jännityksen alaisena ja puristuskestävyyden."Pinnan venytys on paljon pienempi kuin teräs tai metalliseos, koska hiili on jäykempi", sanoo Mavicin Michel Lethenet. "Ne ovat putkia, joten ne kestävät puristusta, mikä auttaa säilyttämään pyörän jäykkyyden, vaikka vaaditaan joitain metalliosia, jotka on liimattu molemmista päistä vanteen ja navan kiinnittämiseksi." Vaihtoehtoista menetelmää käytetään Mavicin Cosmic Carbonessa. Ultimate, jossa terät hiilipinnat kulkevat pyörän toiselta puolelta toiselle, yhdistyvät navan laippaan ja ylittävät muut pinnat matkalla.
Totuus spinistä
On olemassa muutamia muita pinnoihin liittyvää saatua polkupyörän viisautta, jotka Peter Marchment, materiaalitutkija ja Hunt Bike Wheelsin johtaja, kumoaa mielellään. "Pyörä, jossa käytetään syvempää vannetta ja lyhyemmät pinnat, nähdään usein "vahvempana", mutta tämä johtuu yleensä vanteen lisäjäykkyydestä", hän sanoo."Lisäksi monet ihmiset uskovat, että suurempi pinnojen kireys tarkoittaa, että saat jäykemmän pyörän, mutta näin ei ole. Pyörän jäykkyyteen vaikuttavat monet muut tekijät pelkän jännityksen lisäksi, mukaan lukien pinojen lukumäärä, jäykistyskulma ja vanteen syvyys.
Itse asiassa pinta venyy saman verran kuormitettuna riippumatta käytetystä esijännityksestä, mikä tarkoittaa, että pinnojen kireyden lisääminen ei tee pyörästä jäykemmäksi." Marchment jatkaa: "Pinnojen asettaminen oikean jännityksen alle on ratkaisevan tärkeää. Erittäin suurilla jännityksillä vanne ja pinnat vaurioituvat todennäköisemmin, koska niitä esikuormitetaan tehokkaasti suurella voimalla. Mutta myös matalat pinnojen jännitykset ovat ongelma, koska nänni todennäköisemmin löystyy [irrota], kun ne purkautuvat iskujen tai tien tärinän takia, jolloin pyörä ei toimi.’
Riippumatta jännityksestä ja kuviosta, valittavana on laaja valikoima pinnoja, puhumattakaan monista vaihteluista niiden langan laadussa, josta ne on valmistettu. Sapim, yksi johtavista pinojen valmistajista, valmistaa 300 miljoonaa pinnoja vuodessa ja tekee ostoksia ylläpitääkseen laatua ja säilyttääkseen kilpailukykynsä koko tuotevalikoimassaan. "Materiaaleissa voi olla 60 - 70 prosenttia sileän pinnan hinnasta, joten on tärkeää saada se oikein, mutta tärkeintä kaikille pinnoillemme on langan suorituskyky", sanoo Sapimin myyntipäällikkö., Klaus Grüter. "Etsimme lankaa, joka on kirkas ja kiiltävä ja jonka vetolujuus on 1 000 - 1 050 N/mm2 ja jolla on hyvät väsymistiedot ja mikä tärkeintä, erinomainen korroosionkestävyys."
Grüter kertoo, että näytteiden vetolujuus, taivutus- ja vääntökestävyys on laboratoriotestattu. Kun lanka keloista on hyväksytty, se suoristetaan koneella ja leikataan. Tavallisesta langasta voidaan myös tehdä puserrettuja pinnoja (jossa keskiosa on kapeampi) vetämällä lanka muotin läpi. Kun puola on lyöty yhteen, pinnan pää ja J-mutka taotaan ja lanka toisessa päässä rullataan (ei leikattu). Valmiit pinnat tarkastetaan sekä konenäköjärjestelmillä että ihmissilmällä ja kädellä. Yksi kone pystyy valmistamaan 20 000 napapintaa päivässä, mikä selittää sen, miksi erilaiset työkustannukset eivät juurikaan vaikuta valmiin pinnan hintaan ja miksi valmistajat ympäri maailmaa voivat myydä samank altaisilla hinnoilla.
Mutta miksi muutenkaan puskea pinnaa? Jonathan Day of Strada Wheels selittää: Tupitetut pinnat kestävät paremmin vääntömomenttia kuin tavalliset pinnat. Ne ovat leveämpiä pyörän tasossa, joka on vääntövoiman suunta, joten materiaalia on enemmän vastustaa sitä. Lisäksi ne taipuvat hieman enemmän kohtisuorassa tasossa, joten ne jakavat puristuskuorman paremmin pyörän poikki.’
Puulakuvio
Pyörän pyörän perinteinen puolakuvio koostui 32 (tai joskus 36) pinnasta, jotka ristittiin kolme kertaa. Pinnojen yhteenkudottu kuvio perinteisesti nauhoitetussa pyörässä ei suinkaan ole vain kaunis kaleidoskooppinen järjestely, vaan on itse asiassa toimiva osa pyörän suunnittelua.
Sivuttaisen jäykkyyden kann alta pinnat leikkaavat kohdat, jotka mahdollistavat niiden tukemisen toisiaan vasten, kun ne asetetaan jännityksen alaisena, sekä tukevat sitä puristuessaan. Kolmen ristin nauhoituskuvion tärkein rooli on takapyörässä, jossa pinnojen on välitettävä poljinvoima nav alta. Tässä tapauksessa pinnat kuormitetaan paljon suuremmilla vääntökuormilla voimansiirron vääntövoiman ansiosta. Kasetin puolella olevat pinnat, jättäen navan tangentiaalisesti, siirtävät pyörivän voiman (vääntömomentin) nav alta vanteeseen. Säteittäiset pinnat (jotka seuraavat polkua navan keskustasta suoraan vanteen ylittämättä toista) kestävät paljon huonommin tämäntyyppistä kuormitusta ja ne epäonnistuvat todennäköisemmin.
Kun vääntömomentti ei ole ongelma, kuten vannejarruilla varustetussa etupyörässä, radiaalisten pinnojen käyttö on järkevää. Tämä säästää painoa, koska pinnat voivat olla lyhyempiä ja vähemmän tarvitaan sivusuunnassa jäykän pyörän luomiseen. Se näyttää myös hyvältä. Levyjarrut aiheuttavat kuitenkin merkittävää vääntökuormitusta, mikä tekee säteittäisestä puhumisesta täysin mahdotonta. "Oikean nauhoituskuvion saaminen on avainasemassa, koska pinnat jakavat puristuskuorman puristamalla naapureita, joita he ylittävät, joten pinnoja tulisi nauhoittaa, jotta ne ovat johtavia tai perävaunuja", Day sanoo. "Sinun on varmistettava, että etupuola ottaa rasituksen ensin vetopuolelta. 32-puolaiseen pyörään haluat 16 johtavan pinnan jakavan kuorman. Jos valitset nauhoituksen väärin, vain kahdeksan tekee työn.’
Huomiottavaa on, että puolakuviot ovat pysyneet yhtenä vähiten haastavista näkökohdista vanteiden suunnittelussa huolimatta viime vuosikymmeninä tapahtuneista suurista materiaali- ja valmistustekniikan edistysaskeleista. Se on todella testattu menetelmä, ja kuten sanotaan, jos se ei mennyt rikki…