Выбор материала для рамы

John Olsen — Последнее изменение: 2010-07-02

Титан, углепластик, алюминий или сталь - Какой материал идеален для рамы?

Версия текста: 1.0

Оригинал перевода данной статьи находится здесь: http://velosamara.org.ru/ .
Перепечатка данного материала осуществлена с разрешения автора перевода.

От переводчика

Когда собрался писать статью про свойства разных материалов для рам — нашел в Интернете статью John Olsen про рамы из различных материалов. Мне она показалась интересной и не противоречащей моим понятиям о прочности (все-таки я по образованию — специалист по прочности и долговечности авиационных конструкций, проработал несколько лет в лаборатории прочности ЛА в КуАИ). Язык статьи показался мне вполне понятным для неспециалиста, что тоже большой плюс.

Честно говоря, не стал искать в русскоязычном Интернете перевод (может, и есть уже) и перевел статью сам. Olsen осветил большую часть проблем, о которых я собирался писать — не вижу смысла повторять то, что уже написано и вполне, на мой взгляд, понятно, толково и справедливо.

В статье не упоминаются принятые среди специалистов термины "удельная прочность" и "удельная жесткость", означающие отношения значений прочности или жесткости к плотности материала, и характеризующие, насколько материал прочный (или жесткий) в расчете на единицу веса, но косвенно дается понять, что эти характеристики приняты конструкторами во внимание.

И еще один момент — следует различать, когда идет речь о прочности (жесткости) материала, а когда — о тех же свойствах конструкции. В конструкции (раме) для увеличения прочности и жесткости увеличивают диаметр труб, меняют форму их сечения, применяют различную (в том числе переменную по длине трубы) толщину стенок и т.д. — и все это — для компенсации недостаточных свойств материала. С другой стороны, труба большего диаметра обычно весит больше, чем такая же, но меньшего диаметра и из того же материала — но большая труба жестче. Есть еще и технологические факторы, не затронутые в данной статье (легкость в обработке, свариваемость и т.д.), но влияющие на выбор конструктора.

Со своей стороны, я решил написать .

Введение

Жесткость, вес и прочность велосипедных рам определяются множеством факторов, только некоторые из которых определяются исключительно свойствами материала. Конструкция рамы, оптимальная для одного материала, будет отличаться от оптимальной для другого, поскольку материалы сильно различаются по прочности, жесткости и плотности (весу).

Лучшие алюминиевые рамы имеют толстые тонкостенные трубы и не изгибаются из стороны в сторону, когда вы разгоняетесь. Лучшие стальные рамы имеют тонкостенные трубы малого диаметра и заметно изгибаются при разгоне. Титановые и углепластиковые (карбоновые) рамы находятся посередине между ними.

Опытные велосипедисты часто делятся на два лагеря, сторонники стальных рам критикуют излишнюю жесткость алюминиевых рам и их фанатов, порицающих гибкость легких стальных рам. Мы объясним преимущества и неудобства большинства материалов рам и сравним их на графике, отражающем, насколько они жесткие по сравнению со сталью.

Насколько жесткий ваш байк?

Сравнение жесткости (относительно стали) для различных материалов рам

Сталь

Сталь жесткая, но плотная (тяжелая). Легкие рамы адекватной жесткости и прочности делают из труб относительно маленького диаметра, но сталь — неподходящий материал для легких рам или больших сильных наездников. Стальные рамы из низкопрочных сталей (недорогие) нуждаются в толстостенных трубах, чтобы быть достаточно прочными, и они тяжелы. Более прочная сталь позволяет изготавливать тонкостенные трубы, но тогда понижается жесткость. Последние разработки включают "закаливаемые на воздухе" стали очень высокой прочности, типа Reynolds 853. (В отличие от большинства других типов сталей, закаливаемые воздухом стали приобретают, а не теряют прочность, когда они охлаждаются после сварки). Все стали имеют ту же самую жесткость, независимо от прочности — 853 не более жесткая, чем 1010 (низкопрочная сталь).

Плюсы:

• Лучшие стальные сплавы очень прочны
• Лучшая жесткость повсюду
• Долговечны
• Закаливаемые на воздухе стальные сплавы делают возможным ультравысокую прочность

Минусы:

• Должны быть тяжелыми — материал, неподходящий для больших легких рам
• Ржавеют

Алюминий

Алюминиевые рамы могут быть очень жесткими и легкими, потому что плотность алюминия очень мала, но трубы рамы должны быть больше в диаметре для компенсации более низкой прочности. Однако сегодня эти "толстотрубные" рамы — распространенная конструкция для качественных велосипедов. Недавние усовершенствования включают добавки в сплав Скандия, элемента, который увеличивает прочность. В целом, алюминий — хороший материал для жестких, легких рам для райдеров всех размеров. Это — также один из двух материалов, которые хорошо подходит для рам нетрадиционных форм.

Плюсы:

• Втрое менее плотный, чем сталь, позволяет использовать большие ("толстые") трубы
• Легко принимает аэродинамические формы
• Даже дешевые рамы могут быть легкими
• Позволяет изготовить легкую раму для крупного райдера
• Не ржавеет

Минусы:

• От одной трети до половины прочности лучших сталей (может сломаться)
• Одна треть жесткости любой стали, требуются трубы большого диаметра
• Скромная усталостная прочность
• Не легко ремонтируется или восстанавливается
• Большие, тонкие трубы легко повредить при аварии

Титан

Титан имеет превосходный баланс свойств для создания рам, и дает лучшую комбинацию долговечности и веса. Сплавы титана наполовину столь же жесткие как сталь, но также и вполовину менее плотные. Лучшие сплавы титана сопоставимы по прочности с самыми прочными сталями. Жесткие титановые рамы требуют труб большего диаметра, чем сопоставимые стальные рамы, но не столь большого диаметра, как алюминий. Титан — очень коррозионно стойкий, и очень легкие рамы могут быть сделаны достаточно жесткими и достаточно прочными для больших райдеров. Большинство титановых рам — из сплава 3Al/2.5V (3% алюминия/2.5% ванадия, остальное — титан), хотя все чаще используется более прочный сплав 6Al/4V (6% алюминия/4% ванадия, остальное титан).

Плюсы:

• Половина плотности стали, делает самыми легкими наиболее эластичные рамы
• Столь же прочный, как и большинство сталей
• Не ржавеет — никакая окраска не требуется
• Хорошие усталостные свойства
• Позволяет изготавливать легкие рамы для крупных райдеров

Минусы:

• Половина жесткости стали (также известна как излишняя гибкость)
• Сложен в ремонте и обработке
• Дорогой

Углепластик

Отдельные волокна углерода чрезвычайно прочны и жестки, но эти их свойства бесполезны, если волокна не выстроены в строгую структуру и не скреплены между собой сильным "клеем" (обычно эпоксидная смола). В отличие от металлов, в которых прочность и жесткость являются почти теми же самыми во всех направлениях, композиты из углеродных волокон могут производиться с более высокими прочностными и жесткостными характеристиками в тех направлениях, где это нужно (например, жесткий по сторонам и гибкий вертикально). Это — лучший материал для рам нетрадиционных форм, поскольку позволяет формоваться и настраивать свои свойства как ни один металл (путем создания многослойных конструкций с разноориентированными волокнами).

Плюсы:

• С готовностью формуется в экзотические формы
• Превосходная усталостная прочность
• Не ржавеет
• Прочность и жесткость контролируются на стадии создания рамы
• Низкая плотность и высокая прочность делают возможным создание очень легких и прочных рам

Минусы:

• Очень дорогой материал
• "Бомба" — если изделие плохо разработано или изготовлено (слишком жесткое или слишком гибкое) — может быть "чувствительным" (склонным к поломке).

Фрагмент металлической рамы, сваренной из двух уголков

Очень часто при строительстве жилых домов возникают ситуации когда нужно заделать проем в стене здания или использовать металлическую раму для проема. Рама, в свою очередь, служит основанием для крепления к ней дверей, люков, жалюзийных решеток, наполнением различных профилей типа кругляка, квадрата или просто проем «зашивается» цельным листовым прокатом. Так или иначе, металлическая рама для проема играет не последнюю роль в возведении зданий. Поэтому есть смысл поговорить о ней отдельно с точки зрения:

• Металлопрокат для рамы.
• Детали рамы.
• Как сварить металлическую раму.

Металлопрокат для рамы проема

Какой применить профиль чтобы обрамить проем рамой зависит от величины самого проема. Если у нас будет проем небольшой величины, например, 500 х 500 мм куда будет вставляться жалюзийная решетка, небольшая дверца достаточно будет ∟ 45 х 45 х 5 или ∟ 50 х 50 х 5. В случае же монтирования в проем простой металлической калитки размер уголка можно будет применить 63 х 63 х6 или 70 х 70 х 7. В отдельных случаях если нет в наличии этих уголков можно использовать швеллер N 8 - 10.

Основные детали металлической рамы

Как уже отмечалось выше к деталям рамы можно отнести металлический профиль уголок или швеллер, которые заготавливаются с учетом ширины и длины рамы. При чем очень важно в одной из деталей подготовить вырезы для стыковки с другими деталями. В уголках это могут быть вырезы под 45º или специальные высечки в полке одного из размеров. В швеллере также на одной из деталей обрезается полка для соединения с другой деталью так чтобы соединенный узел выглядел как одно целое. Нужно заметить, что сталь для сварки рам должна быть марки Ст 3 ПС или Ст 3 СП, но никак ни углеродистая сталь.

О высечке в уголках можно узнать, прочитав мою предыдущую стать о . Что касается того как будет выглядеть стыковка дух швеллеров, то достаточно взглянуть на прилагаемый рисунок.

Стыковка швеллеров под 90 градусов

Ответственную роль играют анкера, которые привариваются к раме для фиксации ее в проеме. Если проем представляет собой кирпичную кладку из любого типа , то к раме приваривают анкера из круглой стали. Обычно это сталь круглая Ǿ 10 - 16 А II - III. Если проем деревянный используются саморезы соответствующей длины, но для этого в раме предварительно сверлится отверстие нужного диаметра. Диаметр металлических анкеров зависит от размера рамы. Если периметр конструкции невелик и она сварена из малого размера уголка, достаточно будет изготовить анкера из проволоки-катанки Ǿ 5- 6 мм.

Как сварить металлическую раму

Прежде всего нужно иметь ровную поверхность для сборки рамы. Идеальным вариантом в этом случае будет стальной лист толщиной 10 - 12 мм. При себе нужно иметь стальной угольник для контроля прямых углов конструкции и рулетку как минимум 3-х метровую чтобы вымерить диагонали по внутренним углам собранной рамы.

Сварка рамы. Видно стыкуемые уголки с высечкой у правого

Если швеллер бывает обычно ровным то уголок зачастую имеет некую винтообразность. Особенно, это касается уголков малых размеров, поэтому перед сборкой рамы их нужно отрихтовать. И опять же, это удобней будет сделать на металлической плите, где можно не только рихтовать, а и проверять результат на ровной поверхности плиты. Как рихтовать знают все, но единственно что хочется заметить так это то, что если рихтуемая полка лежит на плите, то удары молотком нужно наносить по ребру полки, которая находится перпендикулярно к ней.

Для контроля прямых углов, как уже отмечалось, замеряют длину диагоналей по внутренним углам рамы. Вполне понятно что они должны быть равны. Электроды для сварки рамы следует брать марки АНО - 4, а для проваривания анкеров из армированной стали применяются электроды ДСК - 5. Диаметр электродов зависит от толщины полок профиля. Для уголка 50 х 5 будет достаточно 4 мм, а для сварки швеллеров – 5 мм. После сварки все сварочные швы после удаления окалины зачищаются круглошлифовальной машинкой.

Примечание

Все сварочные работы производить только в сухом помещении и в сухих сварочных рукавицах!

От качества и геометрии рамы напрямую зависит удобство использования велосипеда, его качество и ходовые характеристики.

Чаще всего встречаются алюминиевые и стальные рамы, которые визуально отличаются друг от друга не только маркировкой, но и сварными швами. Для рамы из стали характерны тонкие и аккуратные швы, алюминиевые конструкции обычно выполняют с толстыми швами. Более редко встречаются дорогостоящие карбоновые рамы.

Какие материалы используются при производстве велосипедных рам?

Первое место можно отдать алюминию - его используют многие производители велосипедов. Такие рамы обладают небольшим весом (до двух килограмм), благодаря чему велосипедисты могут быстро набирать скорость, покорять сложные подъемы и легко проходить сложные повороты. Среди плюсов можно отметить и высокую устойчивость алюминия к коррозии, возможность производить конструкции со сложной геометрией. Однако материал отличается большой жесткостью, из-за чего со временем может наблюдаться некоторая деформация конструкции.

Заслуживает внимания и сталь. Низкоуглеродистая сталь используется у недорогих велосипедов, рама которых имеет большой вес при низкой прочности и подвержена воздействию коррозии. Улучшенные показатели имеет сталь Hi-Ten, отличающаяся повышенной прочностью и гибкостью. Ее часто используют для детских велосипедов и моделей для начинающих велосипедистов, которые ищут недорогие, но надежные модели. Оптимальным вариантом станет хромомолибденовая сталь. Из нее производят относительно легкие и надежные рамы, устойчивые к воздействию коррозии. Благодаря высокой пластичности, они имеют небольшой диаметр трубы, хорошо держат конструкцию.

Титановые рамы менее распространены из-за довольно высокой цены. По своим качествам они значительно превосходят изделия из алюминия и стали, благодаря чему их предпочитают профессиональные велосипедисты. Рамы из титана обладают высокой прочностью, гасят возникающие во время движения вибрации, не подвержены коррозии. Вес рамы колеблется в пределах от 1,3 до 1,7 килограмм.

Наименьший вес имеют карбоновые рамы - всего до 1,2. При этом они отличаются высокой жесткостью и прочностью, помогают быстро набирать скорость. Из-за этого их часто используют велосипедисты, участвующие в шоссейных гонках. Среди минусов таких изделий можно отметить высокую цену и невозможность выполнения ремонта. При появлении поломок такую раму придется полностью менять.

Для профессионалов есть специальные магниевые рамы, которые хорошо поглощают вибрации и отличаются небольшим весом. Они отлично ведут себя на трассе, не создают дополнительной нагрузки при езде на пересеченной местности. К существенным недостаткам таких изделий относится их подверженность воздействию коррозии и высокая цена, которая объяснимая сложностью производства.

Выбираем раму. Что лучше подойдет для велопрогулок?

Выбирая рамы, можно следовать некоторым рекомендациям. Для дорожных велосипедов можно приобрести хромомолибденовую или стальную раму. Горные модели лучше функционируют с алюминиевыми рамами от ведущих производителей. Профессионалам подойдут изделия из магния и карбона, которые будут совершенно непрактичным выбором для повседневного использования.

Материалы рам

Рамы велосипедов делают из следующих материалов:

Hi-Ten (Hi Tensile Steel) - высокопрочная сталь, это самый дешевый материал. В просторечии - водопроводная труба. Рама тяжелая и не катит. Не стоит вообще ничего. Велосипеды со стальными рамами стоят не более $300.

Cro-Mo (cromomolibden) - хромомолибденовые сплавы. Рамы из этого материала более легкие, чем из Hi-Ten, более жесткие, но и более дорогие. Хорошая хромолевая рама стоит от 500$. Дешевые же разновидности хроммолибденовых сплавов ничем не отличаются от hi-ten, ну чуть получше катят, чуть поменьше весят. Одно время производители взяли такую дурную моду: ставят только одну хромолевую трубу, а все остальные - hi-ten и гордо пишут, что рама из хроммолибденовых труб. Если ценник ниже 500$ - врут. Велосипеды с хромомолибденовыми рамами стоят от $1000.

Alu (Aluminium) - алюминиевые сплавы. Этот материал позволяет сделать еще более жесткую и во многих случаях более легкую раму, чем хромоль. Обычно используются сплавы 6061 ,7005 , реже Altec-2 , Magnesium , Scandium , причем последний безумно дорогой. Диапазон рам очень широк, от жутких по жесткости "табуреток", до полных "сосисок", от некатящих угробищ до прямо-таки реактивных снарядов. Хорошая тренировочная КК рама стоит 300-500$. Спортивные рамы - свыше $500. На велосипедах ценового диапазона ниже $700 рама не стоит практически ничего, за редким исключением кастомных комплектаций . Дешевые алюминиевые рамы (на велосипедах ценового уровня до 500$) для схожего применения не отличаются друг от друга ничем, кроме ростовки, длины и цвета. Небольшие различия в рамах начинаются при цене велосипеды свыше $700, и заметные отличия после $1200.

Ti (Titanium) - Титан. Очень прочный материал, но в то же время мягкий (в сравнении с Alu рамами, к примеру), что нравится далеко не всем. Перед покупкой титановой рамы имеет смысл сначала на ней поездить и понять для себя, нужно ли оно. Титановые рамы стоят от $400.

Carbon (углепластик). Это сверхлегкие рамы, но крайне неустойчивые к ударным нагрузкам. Стоят очень много, поэтому используются либо профи, либо теми, кто может себе это позволить. Технологии на месте не стоят, поэтому нестойкость к ударным нагрузкам в критических местах научились обходить чисто конструктивными решениями. Да и сами по себе карбоновые компоненты становятся прочнее и живут дольше, а цены снижаются. Например, на тайваньском заводе полностью карбоновая, с хоть как-то посчитанной геометрией, рама стоит ~$150; алюминиевая рама с карбоновыми перьями заднего треугольника со "стандартной" геометрией стоит $20-$30. Качество, сами понимаете - убийственное.. При выборе карбоновой рамы имеет смысл ориентироваться ТОЛЬКО на имя производителя, это должен быть серьезный брэнд.

Рулевая колонка

Размер 1 1/8" стал действующим стандартом рулевой колонки . Встречаются и другие размеры, типа 1 1/4", но это редкость.

Сейчас стандартными являются обычные и полуинтегрированные рулевые колонки. Функциональной разницы между ними нет, но полуинтегрированная немного полегче. Поэтому не заморачивайтесь.

Если рассматривать долговременную перспективу эксплуатации алюминиевой рамы, лет эдак восемь, при пробегах свыше 5000км в год и круглогодичном использовании, то следует предпочесть "обычную" рулевую колонку, потому что рулевой стакан рамы под полуинтегрированную рулевую колонку разобъется быстрее, чем стандартный. Естественно, если данная рама способна столько прожить.

Петух

Петух - это металлический кронштейн, на который крепится задний дерайлер. Бывает съемный и несъемный. Предпочтительно, чтобы он был съемным, т.к. в случае поломки вы просто поставите новый, а несъемный придется приваривать к раме. На подавляющем большинстве велосипедов дороже $300 петух съемный.

Сейчас в сфере строительства набирает обороты тренд на возведение одноэтажных производственных помещений на основании металлических рам с переменным сечением. На единицу объема здания приходится минимальное количество материалов, это делает такой способ очень выгодным для возведения промышленных объектов.

У себя на производстве компания «МК Монтекто» применяет только современные и высокоточные технологические решения для расчета конструкций, проектирования и изготовления сварных металлических рам. Укажите в проекте, что на конструкции нужно будет использовать мостовые краны или другое грузоподъемное оборудование, мы разработаем дополнительно под них все необходимые посадочные места и прочие элементы согласно ГОСТ. Дополнительно мы изготавливаем металлические рамы для технологических установок и производственного оборудования.

Наша специализация - это рамы для зданий и силовые конструкции для установки промышленного оборудования (насосные установки, генераторы, системы фильтрации, химической обработки и проч.).

Мы работаем со следующими видами рам:

1. Сплошные рамы (применяются для каркасов зданий с плоской или наклонной крышей).
2. Решетчатые сквозные рамы (используются для построения каркаса здания с плоской или наклонной кровлей).
3. Комбинированные рамы (применение аналогично пункту 1 и 2).
4. Рамы для машин, технологического оборудования, производственных и прочих установок.

Расчет сварной металлической рамы

Расчет стальных рам выполняется с помощью современных программных средств по методу конечных элементов, также при расчетах на сейсмические воздействия используется линейно-спектральный метод, предоставляемый ПО ANSYS, Inc. Специалисты МК Монтеко проектируют рамы для зданий со свободным пролетом, внутренними колоннами, односкатные, с плоской крышей и двух или многоскатных с наклонной кровлей.

Проектирование ведется с учетом последних изменений нормативной базы. В частности, в соответствии с новыми СП 14.13330.2014 расчеты по максимальному расчетному землетрясению (МРЗ), выполняются во временной области с использованием инструментальных или синтезированных акселерограмм. Для ответственных сооружений расчет выполняется в двух разных расчетных комплексах.

Изготовление металлических рам

Сейчас в строительстве наиболее активно используются сварные рамы двутаврового сечения, у них дополнительно имеется возможность менять толщину стенок вдоль конструкции, высоту и ширину полок. В «МК Монтеко» выпуск рам такого типа возможен как по проекту клиента, так и на основании своих разработок, чаще всего используются для возведения легких металлоконструкций. Сварной двутавр изготавливают из листового проката, резка элемента осуществляется на плазменном станке. Сварные работы выполняются полуавтоматическим методом, каждый шов мы проверяет на соответствие требованиям ГОСТ.

Сплошные рамы имеют ряд весомых преимуществ: они не требуют много времени на производство 1 шт, отличаются высокой технологичностью и малой трудоемкостью процесса, к тому же их изготовление можно автоматизировать, что существенно снизит стоимость. Но бывают и случаи, когда необходимо использовать только комбинированные или решетчатые рамы стандартных серий. На своем производстве в «МК Монтекто» мы качественно осуществляем выпуск рам для промышленных зданий всех видов, в том числе рамы для различной грузоподъемной техники и мостовых кранов.

Стальные рамы под оборудование

Металлические рамы под всевозможное оборудование и технологические установки не относятся к строительным металлоконструкциям и изготавливаются в соответствии с отраслевыми и национальными стандартами, стандартами организаций, а также техническими регламентами по безопасности. Компания Монтеко изготовит рамы по чертежам заказчика, или по собственным расчетам на основе предоставленных данных.

Технологические возможности компании позволяют выпускать рамы под оборудование из обычных и нержавеющих сталей или алюминиевого проката.

Некоторые выполненные нами проекты в этой области

Сборная рама из швеллера

Сборно-разборная конструкция, состоящая из основания, траверсы и поперечин.

Дата сдачи: 23.11.2018

Подробнее

← Вернуться