Как правильно выбрать материал рамы для вашего будущего велосипеда

Особенности материалов рамы велосипеда: углерод, алюминий, сталь или титан.

На протяжении многих лет рамы велосипедов изготавливались из самых разных материалов, причем изначально доминировала сталь. Сейчас основной выбор делается между алюминием и углеродным волокном, хотя сталь и титан по-прежнему часто встречаются.

У каждого материала рамы есть свои плюсы и минусы, в зависимости от ваших приоритетов как велосипедиста, включая вес, бюджет, долговечность и характеристики, которые вы хотите получить от рамы и, как следствие, от велосипеда.

Здесь мы описываем основные свойства алюминия, стали, титана и углеродного волокна, которые следует учитывать при покупке велосипеда?

Алюминиевые велосипедные рамы

Алюминий является основным металлом для рам бюджетного и среднего класса, обеспечивая сочетание низкого веса, жесткости и доступности, которое трудно превзойти.

Сплав или алюминий?

Часто можно встретить алюминиевые рамы, называемые «сплав». Это потому, что чистый алюминий был бы слишком мягким для использования в велосипедной раме, поэтому его смешивают с другими элементами, чтобы изменить его физические свойства.

На самом деле, все металлические велосипедные рамы изготавливаются из сплавов по той же причине. Сталь сама по себе является сплавом железа, а титан преимущественно сплавляется с алюминием и ванадием.

Такие номера, как 6061 и 7005 — два наиболее часто используемых алюминиевых сплава — это код для обозначения добавок (в основном кремния и магния), которые смешиваются с алюминием для получения каждого сплава. Каждый «рецепт» имеет немного разные свойства.

Как изготавливается алюминиевая велосипедная рама?

«Все металлы имеют довольно схожее соотношение прочности и веса», — говорит Глен. «Такие факторы, как ширина трубы и толщина ее стенок, более важны, чем их вес».

С алюминиевыми трубами относительно легко манипулировать, придавая им различные свойства по длине. Алюминиевые трубы обычно скрепляются посредством баттинга, чтобы обеспечить жесткость там, где это необходимо, и сэкономить вес там, где этого не требуется.

Что такое баттинг труб?

Велосипедные трубки, из чего бы они ни были сделаны, обычно имеют баттинг. Это означает, что она толще на концах, где больше нагрузка и требуется больше материала для соединения с другими трубами, а в середине она тоньше для экономии веса.

Прямые трубы имеют одинаковую толщину и соответствующие свойства. Трубы с одинарной обжимкой толще на одном конце (например, в месте соединения с нижним кронштейном), трубы с двойной обжимкой толще на обоих концах, а трубы с тройной обжимкой еще больше уменьшают толщину в середине трубы.

Баттинг — это только часть истории, и вы часто увидите рамы из сплавов премиум-класса, которые описываются как «гидроформированные». Это описывает процесс изменения формы трубы с помощью жидкости под высоким давлением для придания ей формы.

Высокотехнологичные алюминиевые велосипеды стали более совершенными, чем когда-либо, и этот процесс может помочь сформировать сложные формы, чтобы повлиять на характеристики конкретной части рамы, включая вес, прочность и комфорт. Многие из новейших алюминиевых рам также отличаются аэродинамическим дизайном.

Для изготовления рамы алюминиевые трубки обычно свариваются вместе. Необработанный сварной шов может быть довольно неровным на вид, но после сварки его часто сглаживают (линируют, если использовать технический термин), чтобы рамы премиум-класса выглядели чище. Это также помогает немного сэкономить вес.

После того как алюминиевая рама сварена, ее обычно подвергают термической обработке, чтобы вернуть сплаву полную прочность.

«При сварке вы прикладываете большое количество тепла к локальной области, что может изменить свойства металла на месте и сделать сварные швы наиболее слабым местом, — говорит Глен. Отпуск после сварки помогает решить эту проблему».

Некоторые ранние рамы из сплава изготавливались методом склеивания, когда трубки, обрезанные по длине, вклеивались в проушины. Итальянский бренд Alan и французский бренд Vitus были первыми, кто применил этот метод производства.

Какими свойствами обладает алюминиевая велосипедная рама?

Алюминий — это материал, из которого изготавливается большинство дешевых велосипедных рам, но он по-прежнему остается популярным выбором для некоторых дорогих рам, ориентированных на высокие эксплуатационные характеристики, как для дорожных, так и, в частности, для горных велосипедов.

Хотя точные характеристики рамы из алюминиевого сплава зависят от конкретного велосипеда, обычно это относительно легкая рама с высоким уровнем жесткости, прочная и примерно на пятую часть дешевле рамы из углеродного волокна.

Рама из сплава может быть легче карбоновой при схожей цене, хотя дорогие карбоновые рамы всегда будут легче.

Алюминий имеет гораздо меньшую плотность, чем сталь.

В результате алюминиевая рама может быть изготовлена из труб увеличенного диаметра для достижения высокого уровня жесткости, с более толстыми стенками и при этом оставаться все еще легкой.

По словам Риббла, толщина стенок трубок рамы из алюминиевого сплава обычно вдвое больше, чем из стали, а диаметр трубок на 20-30 процентов больше.

Алюминиевые рамы исторически имели репутацию неудобных из-за относительной жесткости материала и отсутствия амортизации, но новейшие технологии изготовления рам, а также тенденция к использованию более широких шин на дорожных велосипедах означают, что многие велосипеды из сплава предлагают гораздо более высокое качество езды.

Хотя алюминиевые рамы обеспечивают впечатляющий баланс прочности, жесткости и малого веса, алюминиевые сплавы могут быть склонны к усталости в течение длительного времени, в отличие от стали и титана.

Однако алюминиевые рамы, как правило, менее подвержены разрушению или случайным повреждениям, чем карбоновые. В результате алюминий остается популярным материалом для рам всех горных велосипедов, а также является разумным вариантом для любителей шоссейных велосипедов с ограниченным бюджетом.

Плюсы алюминиевой велосипедной рамы

• Соотношение жесткости и веса
• Доступность
• Более прочная, чем карбоновая

Минусы алюминиевой велосипедной рамы

• Жесткость может привести к жесткому качеству езды
• Алюминий устает со временем
• Сложно ремонтировать

Стальные велосипедные рамы

«Сталь — это реальность», — гласит старая пословица, и именно из этого материала традиционно изготавливались велосипедные рамы.

Фактически, сталь была основным материалом для изготовления рам в течение примерно 100 лет, даже на профессиональном уровне, вплоть до середины 1990-х годов, когда рамы из алюминиевого сплава начали занимать лидирующие позиции — лишь на короткое время в профессиональном шоссейном пелотоне — когда были опробованы первые рамы из углеродного волокна.

Велосипеды из стали по-прежнему широко доступны, и это основной материал, который выбирают производители велосипедов на заказ, но это скорее выбор ценителя для велосипедов энтузиастов.

Сварные или с проушинами?

Существует два основных метода изготовления стальных рам: с использованием проушин или без них.

В рамах с проушинами трубки вставляются в литые стальные выступы на стыках, а затем спаиваются вместе. В рамах без выступов стыки труб свариваются.

Раньше конструкция с проушинами была широко распространена, и классические стальные рамы часто имели очень сложные ушки, но сварка, как правило, позволяет получить более легкую раму и требует меньше усилий для очистки, чем пайка, которая обычно приводит к избытку материала на стыках, который потом нужно удалять.

С другой стороны, по словам Глена, для пайки требуется более низкая температура, чем для сварки, поэтому, скорее всего, свойства стали изменяются в меньшей степени, что приводит к более прочному соединению.

Как и трубки в рамах из алюминиевых сплавов, стальные трубки обычно соединяются встык, чтобы сделать их легче. В современных стальных рамах больше разнообразия форм труб, а не круглых секций, как в старых.

Широкий выбор сталей

Большинство стальных велосипедов, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, изготавливаются из хромомолибденовой стали, а высокопрочная сталь используется на дешевых рамах бюджетного класса.

Различные составы стали имеют разные свойства. Reynolds 531 — классический сплав, используемый для изготовления велосипедных рам, причем 531 означает пропорцию марганца, углерода и молибдена в сплаве.

Однако сейчас существует множество других вариантов, в том числе от производителей труб Dedacciai и Columbus.

Ламберт отмечает широкий выбор различных составов и профилей стальных труб, что, по его словам, не характерно для других рамных труб. Это означает, что вы можете собрать очень прочную раму для туринга или более легкую по весу, в зависимости от того, что вы выберете.

Нержавеющая сталь — тоже вариант. В среднем они слабее хромолиевой стали, хотя для производства велосипедов были разработаны специальные нержавеющие стали, которые по прочности не уступают хромолиевой, а то и превосходят ее, говорит Глен.

Каковы свойства стальной рамы?

Главные минусы стали — ее вес и стоимость. Она тяжелее алюминия и дороже в массовом производстве, поэтому алюминий остается предпочтительным вариантом для большинства современных металлических велосипедных рам.

Однако, несмотря на то, что сталь гораздо тяжелее (и плотнее) алюминия, она также прочнее и долговечнее. Это означает, что производители рам могут использовать трубы меньшего диаметра и с более тонкими стенками, сохраняя необходимый уровень жесткости, но при этом сохраняется экономия веса.

В отличие от алюминия и, как мы еще поговорим, углеродного волокна, сталь также можно (относительно) легко отремонтировать в случае повреждения.

Кроме того, хотя у стали и есть предел усталости — она может выдерживать напряжение до предела усталости бесконечное число раз, не разрушаясь, — в отличие от алюминия, который со временем разрушается.

Естественные амортизационные свойства стали позволяют добиться «пружинистого» — читай: комфортного — качества езды, даже если оно не сравнится с соотношением жесткости и веса алюминия.

По всем этим причинам сталь является популярным вариантом для бутиковых и кастомных велосипедов, а также для туристических и велорюкзачных рам, где вес имеет меньшее значение. Сталь предлагает более выгодную цену, чем титан, а прочность и долговечность являются ключевыми факторами.

При этом стальные рамы, если только они не изготовлены из нержавеющей стали, необходимо красить, чтобы остановить внешнюю коррозию, а также покрывать трубы изнутри, чтобы остановить ржавчину.

Плюсы стальной велосипедной рамы

• Прочная, долговечная и не устает
• Легко ремонтируется
• Комфорт
• Более доступная, чем титановая

Минусы стальной велосипедной рамы

• Относительно тяжелая
• Дороже, чем алюминий
• Менее совершенные формы труб, чем у алюминия
• Корродирует, если не обработать ее должным образом

Титановые велосипедные рамы

Титан часто рассматривается как роскошный вариант, отчасти из-за его качества езды и стоимости, а также из-за того, что титановый велосипед часто рекламируется как «велосипед на всю жизнь».

Большинство металлов имеют определенное количество циклов нагрузки, прежде чем они выйдут из строя. Титан гораздо более устойчив к повторяющимся напряжениям и деформациям, а это значит, что опытные производители рам могут создавать более легкие и гибкие рамы без риска поломки.

Титановые сплавы

Как и алюминиевые и стальные рамы, титан представляет собой сплав, и производителям рам доступны различные марки.

Сплав AL3 2,5V (содержит 3 % алюминия и 2,5 % ванадия) — самый распространенный сорт, используемый для изготовления титановых рам. Трубки из сплава 6AL 4V значительно прочнее — и, как следствие, с ними сложнее работать — и иногда используются для высокопроизводительных рам или отдельных участков, где жесткость имеет ключевое значение, например, для головной трубы и втулки нижнего кронштейна.

Например, компания Enigma использует более жесткий и высококачественный сплав 6AL 4V, также известный как титан пятого класса, для своих велосипедов, а не сплав 3AL 2.5V (или девятый класс) в своей более покладистой раме Etape.

Титановые сплавы также обладают высокой усталостной прочностью, что означает, что они могут гнуться, не выходя из строя. Например, компания Moots использует изгиб титановых дуг для обеспечения бесшарнирной подвески в задней части рам Mountaineer и Routt YBB.

Какими свойствами обладает титановая велосипедная рама?

Титан имеет явные преимущества перед другими металлами для изготовления велосипедной рамы. Он менее плотный, чем сталь, поэтому рама может быть легче, но при этом иметь более толстостенные трубы. Титановая труба весит в два раза меньше стальной трубы с той же прочностью на разрыв. Толщина титановых труб Enigma в самом тонком месте обычно составляет 0,9 мм против 0,5 мм у стальных.

Благодаря этому титановую раму сложнее повредить, а поскольку титан не ржавеет, раму не нужно красить, поэтому царапины и сколы также не страшны. Необработанная поверхность, характерная для титановых рам, тоже выглядит великолепно, хотя нет причин, по которым титановую раму нельзя покрасить.

С другой стороны, по словам Ламберта из Enigma, титан гораздо сложнее обрабатывать, чем сталь. «Необходимо тщательно следить за чистотой и контролировать процесс сварки, особенно продувку кислородом, поэтому Enigma использует газ аргон», — говорит он.

Раньше было мало титановых труб, и они не были разработаны специально для велосипедов. Из-за этого титановые рамы имели репутацию слишком сложных. Ламберт говорит, что сейчас это не проблема, поскольку выбор труб для велосипедов стал больше, а такие конструктивные особенности, как конические рули и более широкие стандарты нижнего кронштейна, означают, что титановые рамы могут быть настолько жесткими, насколько этого требует их применение.

При этом титан все еще сохраняет репутацию комфортного велосипеда в руках хорошего производителя рам.

Обратной стороной является то, что титан — самый дорогой металл, часто превышающий цену карбоновой рамы.

Плюсы титановой велосипедной рамы

• Прочная, долговечная и не устает
• Легче, чем сталь
• Качество езды
• Необработанная или окрашенная поверхность

Минусы титановой велосипедной рамы

• Трудно обрабатывать
• Не такая легкая, как карбон или высококачественный алюминий
• Дорогая

Карбоновые рамы для велосипедов

С тех пор как Лэнс Армстронг выиграл Тур де Франс в 1999 году на велосипеде Trek 5500 OCLV, углеродное волокно стало основным материалом для изготовления высокопроизводительных велосипедных рам.

И на то есть веские причины. Углеродное волокно — это легко адаптируемый материал, которому можно придать форму и точно настроить под конкретные требования, сбалансировав жесткость, комфорт и аэродинамические характеристики.

Однако карбон не лишен недостатков. Велосипедные рамы из углеродного волокна стоят дорого — в верхнем сегменте рынка их стоимость достигает пятизначной цифры — и могут быть более восприимчивы к повреждениям при столкновении, чем рамы из других материалов.

Как изготавливается рама велосипеда из углеродного волокна?

Карбоновая рама велосипеда состоит из слоев углеродного волокна (волокон, сплетенных в листы), помещенных в матрицу из эпоксидной смолы. Карбоновые волокна придают ей прочность, а смола удерживает ее вместе.

«Карбон обладает самым высоким соотношением прочности и веса в расчете на один слой», — говорит Глен. «Но это только в одном направлении, поэтому в велосипедной раме он укладывается под разными углами. Это означает, что соотношение прочности и веса немного снижается, но оно все равно выше, чем у других материалов».

Большинство рам изготавливается путем наслоения множества листов углеродного волокна/смолы, называемых «препрег», причем в разных местах рамы используются различные марки и ориентации. Look, например, утверждает, что для изготовления рамы 795 Blade используется более 800 различных кусков препрега.

«Смола придает раме устойчивость к ударам и прочность на сжатие», — говорит Глен.

«Существует относительно немного компаний, производящих препрег, и многие рамы изготавливаются сторонними производителями, так что большинство рам будут сделаны с использованием одних и тех же смол. Именно на укладке специализируются производители велосипедов, что и придает рамам различные качества».

Необходимость освоения технологии укладки добавляет еще один уровень сложности в разработку карбоновых рам. Велосипедные бренды также не знают, как конечный пользователь будет использовать их рамы. Это приводит к тому, что карбоновые рамы в определенной степени переусложняются, чтобы гарантировать, что они смогут выдерживать аномальные нагрузки, говорит Глен.

Монокок или конструкция «труба в трубе»?

После сборки различных компонентов рамы, которая выполняется вручную, рама помещается в тяжелую металлическую форму и нагревается под давлением, чтобы скрепить различные слои вместе.

В случае монококовой рамы для каждого размера велосипеда требуется отдельная форма, что делает изготовление новой конструкции рамы дорогостоящим.

Альтернативный вариант, который используется в некоторых заказных рамах, — это конструкция «труба в трубе», когда предварительно сформованные углепластиковые трубы вырезаются по длине и либо обматываются дополнительным углепластиком в местах соединения, либо вклеиваются в углепластиковые проушины. Классическим примером последнего метода является Colnago C64, а карбоновые рамы Condor используют конструкцию «труба в трубу».

Очень ограниченное число производителей велосипедов используют станки для вплетения собственных углеродных волокон в трубы. Этот процесс использовался для некоторых рам BMC и Time.

Какими свойствами обладает рама из углеродного волокна?

Ключевое отличие углеродного волокна от всех металлов заключается в том, что композитная природа углеродного волокна делает его анизотропным, что означает, что его физические свойства отличаются в разных направлениях.

Повседневный пример анизотропного материала — кусок дерева; вы можете легко расколоть его вдоль, но гораздо труднее расколоть поперек.

То же самое происходит и с углеродным волокном, а значит, расположение различных частей имеет решающее значение для того, как рама едет и насколько она прочна. Именно поэтому в маркетинговых материалах карбоновых велосипедов вы неоднократно встретите упоминание о «слое».

Другой важный фактор — модуль упругости используемого углеродного волокна. Волокна с более высоким модулем упругости будут более жесткими, но они также более хрупкие, поэтому даже рама, продаваемая как «высокомодульная», будет сделана из смеси различных сортов углеродного волокна. Углеволокно с высоким модулем упругости также дороже, но в итоге рама будет легче при той же прочности.

Иногда в карбоновые рамы встраивают и другие материалы. Примером может служить технология Countervail, используемая во многих рамах Bianchi, которая включает в себя слой вязкоупругого материала в карбоновой основе, что, по словам Bianchi, помогает гасить вибрации.

Преимущества углеродного волокна хорошо известны, учитывая склонность велосипедных брендов петь дифирамбы своим всепобеждающим карбоновым рамам высокого класса.

Возможность тщательно подбирать свойства каждой детали рамы означает, что карбоновые рамы могут быть разработаны в соответствии с конкретными требованиями велосипеда и типом езды, для которого он предназначен.

Карбоновое волокно позволяет сделать раму очень легкой и очень жесткой, а также придать ей сложную аэродинамическую форму, не забывая при этом о качестве и комфорте езды.

Не все новости хороши

Однако это обойдется вам недешево, и углеволокно не всегда является лучшим вариантом для дешевых рам, где более доступные алюминиевые варианты могут предложить аналогичные — или даже лучшие — ходовые качества за меньшие деньги.

Еще один недостаток углеродного волокна по сравнению с металлическими рамами заключается в том, что его нельзя рассверлить или нарезать резьбу для вкручивания компонентов. Это означает, что подшипники обычно приходится вдавливать в раму или добавлять металлическую вставку для размещения подшипников с резьбой.

В частности, впрессованные подшипники нижнего кронштейна имеют репутацию скрипучих, а металлические вставки увеличивают вес велосипеда и могут вызвать проблемы с центровкой, если они не сделаны правильно.

Углеродное волокно также легко сминается, поэтому его можно легко повредить. Именно поэтому карбоновые велосипеды часто оснащаются металлическими вставками, а также металлическими защитными накладками.

Удары и поломки также могут привести к повреждению внутренней поверхности труб рамы, которые могут быть не видны снаружи и могут стать причиной неожиданной поломки рамы. Если ваша карбоновая рама была повреждена в результате удара или сильного столкновения, вам следует осмотреть ее, прежде чем снова на ней кататься. Возможно, потребуется ультразвуковое или рентгеновское обследование, чтобы обнаружить внутренние повреждения.

Если вы сломаете карбоновую раму, возможности ее утилизации будут ограничены, в то время как с металлическими рамами все просто. Ценность титана, в частности, означает, что он вряд ли окажется на свалке.

Плюсы велосипедной рамы из углеродного волокна

• Отличное соотношение жесткости и веса
• Высокая адаптивность
• Можно формовать трубы аэродинамической формы

Минусы велосипедной рамы из углеродного волокна

• Дорогая
• Подвержена износу и повреждениям при столкновениях

Какие еще существуют материалы для изготовления велосипедных рам?

Хотя углеродное волокно, титан, сталь и алюминий — самые распространенные материалы, используемые для изготовления велосипедных рам, есть и несколько более редких вариантов.

Иногда можно встретить описание рам из скандия. Однако это слишком редкий элемент, чтобы использовать его для изготовления всей велосипедной рамы, и скандиевые рамы на самом деле представляют собой сплав алюминия с небольшим содержанием скандия и других металлов. Содержание скандия необходимо для повышения прочности труб из сплава.

Некоторые велосипеды и детали велосипедов были сделаны из магниевого сплава, и он продолжает угрожать своим возвращением, создавая нишевые рамы из этого материала. Магниевый сплав легче алюминия и прочнее, хотя и менее жесткий. Его расцвет пришелся на начало 1990-х годов, когда велосипедная рама Kirk Precision участвовала в гонках Тур де Франс. Велосипед Pinarello Dogma был изготовлен из магния еще в 2006 году. Компания Vaast также выпускает ряд магниевых рам, включая гравийный велосипед Vaast A/1.

Натуральные материалы нашли свою нишу в производстве велосипедных рам. Несколько брендов продают велосипеды с рамой из бамбука. Велосипедисты отмечают, что они удобны и хорошо гасят дорожные вибрации. В результате велосипед получается немного тяжелее, чем из других материалов, и, хотя бамбуковые трубы могут похвастаться высокой экологичностью, для их соединения могут потребоваться проушины и смолы, которые менее экологичны.

Лен также используется в качестве компонента велосипедных рам, обычно в сочетании с углеродным волокном, так как утверждается, что он поглощает вибрацию лучше, чем карбон. Он используется в серии велосипедов LOOK 765 для гонок на дальние дистанции, а также в серии велосипедов, выпущенных в середине 2000-х годов по заказу легендарного гонщика Йохана Мусеува.