Wytrzymałość materiału
Stal ponad wszystko, tak może brzmieć komentarz do tego wykresu. Na polu wytrzymałości (Rm - granica wytrzymałości materiału przeprowadzana na znormalizowanych próbkach w próbie na zrywanie) stal jest bezkonkurencyjna. Tytan i włókna węglowe wykazują bardzo przyzwoite parametry.
Praktycznie dorównuje im scandium. Stopy aluminium prócz niskiej masy, charakteryzuja się też stosunkowo niską wytrzymałością. Im bardziej udało się rozciągnąć plastusia, tym wyższą wytrzymałością charakteryzuje się materiał przez niego prezentowany.
Stal hi-ten – (stal węglowa konstrukcyjna podwyższonej jakości). Jest materiałem tanim i łatwym w obróbce, dlatego króluje wśród rowerów tanich i bardzo tanich. Cechuje się niskimi parametrami wytrzymałościowymi i wysokim ciężarem właściwym. Aby uzyskać odpowiednią wytrzymałość wymagane jest stosowanie rur o grubych ściankach (0,8–1 mm), a to znacznie podnosi masę ramy. Przy tak grubych ściankach rur rama nie posiada też charakterystycznej dla lepszych gatunkowo stopów stali zdolności absorpcji drgań. Generalnie ramy zbudowane z hi-tenu nie nadają się do intensywnej eksploatacji. Do zalet, prócz niskiej ceny, można zaliczyć fakt, że z ewentualną naprawą poradzi sobie każdy kto ma spawarkę.
Stal chromowo-molibdenowa (oznaczana cr-mo, cro-mo, cromoly) jest to stal stopowa z dodatkami chromu (który polepsza hartowność) i molibdenu (który korzystnie wpływa na strukturę). Jeśli chodzi o parametry, to zupełnie inny materiał niż opisana powyżej stal hi-ten. Dużo bardziej wyrafinowany, obdarzony świetnymi właściwościami wytrzymałościowymi i eksploatacyjnymi. Jego własności: blisko sześciokrotnie większa niż aluminium wytrzymałość, trzykrotnie większa sztywność i pięciokrotnie większa umowna granica plastyczności pozwalają stosować rury o niewielkiej średnicy i cienkich ściankach (0,8 lub 0,6 mm). Co wpływa na rewelacyjną zdolność pochłaniania drgań. Jeszcze na początku lat dziewięćdziesiątych wśród zaawansowanych rowerów była materiałem konstrukcyjny numer 1. Jednak ze względu na utrudnienia technologiczne i cenę materiał ten stracił swoją pozycję na rzecz stopów aluminium.
Ramy ze stali cr-mo są bardzo komfortowe (stal bardzo dobrze tłumi drgania), znacznie trwalsze niż aluminiowe i wolniej się starzejące. Ale ciężar ramy wykonanej z nawet najbardziej wyrafinowanych rur cr-mo jest zauważalnie większy niż porównywalnej klasy ramy z aluminium.
W zależności od składu stopowego, a przede wszystkim od zastosowanej później obróbki cieplno-plastycznej, stal cr-mo może zmieniać swoje parametry w szerokim zakresie. Są „zwykłe” odmiany wykorzystywane do produkcji ram rowerów z dolej półki (np. cr-mo 4130), ale są także odmiany bardzo zaawansowane o wytrzymałości zdecydowanie większej, niż jakiekolwiek inne materiały stosowane do produkcji ram. Kluczem do połączenia wybitnych własności z niską masą jest jednak dalsza obróbka rur.
Tytan (oznaczany Ti np. Ti 3Al, 2.5V) – podobnie jak stopy aluminium i magnezu zalicza się go do grupy metali lekkich. Jego stopy cechują się bardzo dużą wytrzymałością, są stosunkowo lekkie oraz odporne na korozję. Niestety stopy tytanu są materiałami drogimi i trudnymi w obróbce, co dodatkowo podnosi cenę gotowego wyrobu. Rury wykonane z tytanu są praktycznie niezniszczalne. Jest to powód, dla którego znajduje się on w niełasce u producentów. Taką ramę kupuje się tylko raz, no a jaki pożytek z klienta, który w sklepie pojawi się w ciągu całego swojego życia tylko raz?
Kompozyty (potocznie zwane carbonem) – doświadczenie podpowiada, że nie stworzono ramy doskonalszej niż wykonanej z włókien węglowych.
Własności amortyzacyjne, lekkość i – wbrew pozorom – trwałość tego materiału stawia go pierwszej pozycji wśród materiałów na ramy. Kompozyty produkuje się poprzez nakładanie na siebie warstw włókien węglowych lub kevlarowych i łączenie ich za pomocą specjalnych żywic. Ponieważ własności mechaniczne kompozytów zależą od wielu czynników, między innym rodzaju użytych włókien i żywic, kąta ułożenia poszczególnych warstw, sposobu nasączania żywicą oraz jej ilości produkcja wymaga zastosowania zaawansowanej technologii, kapitału a przede wszystkim doświadczenia. Należy bardzo ostrożnie podchodzić do kompozytowych ram czy widelców nieznanych marek. Bywa i tak że jedyna warstwą włókna węglowego na macie szklanej stanowi warstwa kosmetyczna. Zasadniczo stosowane są dwie podstawowe technologie wytwarzania ram z włókien węglowych.
Pierwsza polega na łączeniu gotowych rur za pomocą łączników ( T2T - tube to tube). Jeśli rury pomiędzy łącznikami są idealnie proste i równe, należy wnioskować że wykonano je na nawijarkach sterowanych komputerami. Po przycięciu i połączeniu są gotowe do sklejenia z łącznikami. Jest to proces technologiczny łatwy i tani lecz pozbawia kompozytowe konstrukcje poważnych zalet. W bardziej zaawansowanych ramach rury laminowane są na miarę obciążeń na jakie narażona jest w danym miejscu rama żeby zoptymalizować wytrzymałość, sztywność oraz masę.
Drugą jest technologia skorupowa zwana „monocoqcue” (czyli skorupa). Najczęściej na piankowym lub pompowanym do gigantycznych silikonowym rdzeniu laminuje się odpowiednie warstwy tkanin carbonowych, kevlarowych przesączonych żywicą. Całość po utwardzeniu jest szlifowana, szpachlowana i malowana. Daje to w efekcie jednostkową ramę o niepowtarzalnym kształcie, ale niestety bardzo drogą.
Żeby uzyskać ramy jeszcze lżejsze, lecz mocne i odpowiednio sztywne ramy Gianta, Scotta i Treka coraz śmielej łączą obydwa sposoby. Producenci starają się produkować jak największe elementy ramy metodą skorupową (np. jednolity element sterówki i rur górnej i dolnej), a konstrukcję ramy uzupełniają w zgodzie z metodą tube to tube.
Jest niewiele firm na świecie, które robią naprawdę dobre ramy kompozytowe. W każdym przypadku są to modele z najwyższej półki, ale zaawansowana technologia, aby przyniosła zamierzony efekt, musi kosztować.
Obróbka
Rama roweru nie jest zbudowana z metalowych prętów. To, jak działa, nie jest tylko zasługą własności fizykochemicznych materiału, z jakiego została zbudowana. Jak pokazuje doświadczenie, materiał to dopiero początek, różnicę czynią profilowanie rurek i obróbka (np. termiczna) po spawaniu.
Żeby zwiększyć wytrzymałość rurek można albo zwiększyć grubość ścianek, albo zwiększyć przekrój, czyli jej średnicę. Wzrost grubości ścianek jest równoznaczny z drastycznym zwiększeniem masy. Zwiększenie średnicy nie ma aż tak dużego wpływu na ciężar. Co więcej, w znacznej mierze przyrasta sztywność, bardzo pożądana zwłaszcza w płaszczyźnie podłużnej. Kłopot w tym, że sztywność boczną trudno połączyć ze zdolnością do absorbcji nierówności , a zbyt sztywne rowery są po prostu niewygodne.
Wyjściowym materiałem do produkcji ram aluminiowych są rury o ponad 7 centymetrowej średnicy i kilkunastomilimetrowej grubości ścianek! Żeby uzyskać wielkość i kształty, jakie znamy z roweru, rurki są ciągnione, walcowane, skrawane... Efektem końcowym mogą być rozdęte profile o niezwykle małej grubości ścianki. Dla obniżenia masy rury są frezowane od wewnątrz co nazywamy cieniowaniem np. 1,9–1 mm lub 1,3–0,6–0,45 mm. Żeby spełnić postulat mocy i wytrzymałości, muszą one mieć sporą średnicę, co decyduje pośrednio o sztywności ramy. Z takich rur konstruowane są superlekkie i drogie ramy dla zaawansowanych. Producenci oferujący bardzo wysokiej jakości rury aluminiowe to: Columbus, Dedacciai, Easton, Kinesis, Tange. Bardzo podobne procesy ulepszania stosowane są w przypadku rurek stalowych. Większa wytrzymałość pozwala stosować mniejsze przekroje profilów przy niesamowitej grubości ścianek (np. 0,6–0,4 mm) przez co lepiej absorbują wibracje i czynią jazdę przyjemniejszą. Ramy wykonane z takich rur to prawdziwe arcydzieła dla koneserów ceniących sobie wygodę i trwałość. Jednak produkcja lekkich ram ze stali wymaga czasu i kunsztu, co mocno winduje ich cenę. Najbardziej znani producenci wysokiej jakości rur Cr-Mo to: Columbus, Deddacciai, Reynolds, Tange, True Temper.
W ostatnich latach coraz większym powodzeniem cieszą się aluminiowe rury kształtowane poprzez tłoczenie od wewnątrz. Stosuje się tłoczenie mechaniczne, hydrauliczne, a nawet pneumatyczne. Procesy te noszą różne nazwy komercyjne Fluid Form, Hydro Form, Hydroforming, HFS, TFS, SPF, itp. Do zalet takiego działania należą: zwiększenie powierzchni kontaktu w okolicach spawu, oraz związaną z większą wielkością przekroju sztywność i moc co umożliwia pozbycie się droższych i dyskusyjnych wzmocnień (gusset) dospawywanych w krytycznych miejscach ramy. Po zespawaniu ramy niektóre stopy wymagają „odprężenia”. Wygrzewa się je w olbrzymich piecach i bardzo powoli ochładza. Procesy te oznacza się symbolami T4 i T6 a różnice polegają miedzy innymi na długotrwałości procesu.
W naszym Katalogu można także spotkać się z ramami, które zbudowane są z metalu i kompozytu węglowego. Użycie carbonu nie wpływa drastycznie na obniżenie masy, często wręcz takie ramy są cięższe od w pełni metalowych. Naczelną przesłanką jego stosowania są wybitne własności amortyzujące kompozytu. Stąd bardziej wyrafinowane metalowe ramy sztywne miewają tylne trójkąty z kompozytów.
(Wykresy opracowane zostały na podstawie danych zawartych w książce Karola Przybyłowicza „Metaloznawstwo” wyd. VI oraz katalogu producenta rur Deddaciai)
