Jalgratta laulmata kangelased, arvame, et on aeg, et kodarad saaksid väärilist austust
Need õhukesed traadilõksud teevad järeleandmatult rasket tööd, venitades ja surudes korduv alt kokku iga meie rataste pöördega. Samuti kannavad nad rummult rattaveljele pedaalimisel tekkivaid kiirendusjõude ja edastavad ka pidurdusjõude. Nende roll selles, et me üldse jalgrattaga sõita saame, on peaaegu maagiline – nii peenikesed kiud toetavad nii suuri koormusi. Seega tundsime, et on viimane aeg, et alandlik kodar võtaks endale au, sest see on terve koorem.
'Kodararatta geniaalsus seisneb selles, et see suudab kanda sageli väga suuri jõude, mida tekitavad sõitja, jalgratas ja erinevad teepinnad nendesse kitsastesse varrastesse, millest igaüks surutakse süstemaatiliselt kokku, kui ratas pöörleb ja koormused liiguvad üks rääkis teisega ja nii see jätkub,”ütleb professor Mark Miodownik, Londoni ülikooli kolledži valmistamise instituudi direktor, raamatu Stuff Matters autor, telesaatejuht ja innukas jalgrattur. Ta jätkab: "See on ilus viis ratta kaalu, maksumuse ja jõudluse optimeerimiseks."
Pinge all olevad kodarad kinnitavad sisuliselt velje, kasutades keskse ankruna rummu. Täiusliku maailma stsenaariumi korral tõmbab iga kodar võrdse pingega, et jaotada koormus ühtlaselt kogu rattale, hoides samal ajal velge õige ja ringikujulisena. Kodarad peavad toetama ratast külgsuunalise painde ja velje deformatsiooni vastu ning samuti takistama ratta tõhusat muljumist vertikaalse koormuse tõttu (radiaalne kokkusurumine). Pole väike ülesanne. Pole ime, et pärast ratta tulekut on väga vähe muid lahendusi uuritud.
Rääkinud pinge
Nüüd hakkavad asjad muutuma tehniliseks ja te ei jää üksi, kui järgnev on veidi segane ja vastuoluline. Käib terav lahkarvamus selle üle, kas jalgratas ripub tegelikult ülemiste kodarate küljes (need, mis asuvad rummu kohal, kui ratast küljelt vaadata) või pigem toetavad seda alumised, toimides pisikeste sammastena.„Viimane seisukoht, nii veider kui see ka ei tundu, on lõplikult nii,” ütleb Jim Papadopoulos USA-s Bostonis asuvast Northeasterni ülikooli tehnikakolledžist ja raamatu Bicycling Science kaasautor.
Kuigi on lihtne uskuda, et jalgratta kodarad kukuvad ratta ja sõitja raskuse all lihts alt kokku, selgitab ta, et ratta ehitamise protsessis kodaras tekkiv pinge (nn eelpinge) on mis võimaldab alumistel kodaratel ilma paindumiseta koormust taluda, nagu nad teeksid ilma eelpinge puudumisel. Koormamata ratta iga kodara pinge on suurusjärgus 100 naela [445 N]. Kui telg surutakse maa poole 100 naela suuruse jõuga, on ainus oluline mõju kodarate pingetele otse rummu all olevate pingete vähenemine – tavaliselt väheneb üks raskus umbes 50 naelani ja mõlemal pool kodarad umbes 75 naela. See on täpselt see, mida võiks näha täispuidust kodaratega nagu vana vankriratas – alumine ratas kannaks 50 naela ja selle mõlemal küljel olevad 25 naela. Erinevus traatkodaraga ratastega seisneb selles, et traatkodara ei talu survekoormust – see kukub kokku. Seega on kõik kodarad geniaalselt eelpingestatud. Traat ei saa taluda 50 naela suurust survekoormust, välja arvatud juhul, kui sellel on juba suurem pingutuskoormus.
„Muidugi kukub rattaratas kokku, kui ülemine või horisontaalne kodarad eemaldatakse,“lisab Papadopoulos. Kuid see on peamiselt tingitud sellest, et muudetud konstruktsioonil on väga erinev koormustee ja lisaks ei suuda see tagada vajalikku eelpinget. Me ei saa selle kokkuvarisemise põhjal järeldada, et tüüpiline ratas kannab koormust läbi ülemiste kodarate.' Kui see jätab teie pea ringi käima, pole te üksi. Liigume edasi kodarate materjali lihtsama valdkonna juurde.
Teraskodarad
Kodarad on valmistatud valdav alt terasest, mis on materjalivalik, mis, nagu Miodownik meile ütleb, "tuleneb põhimõtteliselt usaldusväärse keerme olemasolust". Terastraat on suurepärane, sest isegi väga väikese kinnitusala korral, näiteks kohas, kus nippel kodarat servas hoiab, saab neid üsna palju pingutada, ilma et niit lahti tuleks. Roostevaba teras on ideaalne materjal, kuna sellel on õige segu suurest tugevusest ja väikesest kaalust ning samas on see ka taskukohane.’
Roostevaba teras on olnud kodarate jaoks eelistatud metall alates 19. sajandi lõpust selle suure tõmbetugevuse tõttu, mis võimaldab kodaratel jääda suhteliselt õhukeseks ja kergeks, taludes samal ajal neile mõjuvaid jõude. "Kergest terasest kodarad peaksid olema kaks korda raskemad ja paksemad," ütleb Chris Hornzee-Jones, Aerotrope'i ehitusinseneride direktor. Ta kujundas murrangulise süsinikkiust maastikuratta Lotuse ja töötas ühe suurima pingutuskodaraga ratta kallal, mis eales tehtud – Millennium Dome'i katuse alla riputatud 60 m läbimõõduga konstruktsiooni kallal, mida kasutati õhuesinejate platvormina. "Kroomi ja molübdeeni lisamisel pehme terase rauale ja süsinikule on tekkiv roostevaba terase sulam palju vastupidavam väsimusele.'
Väsimus on kodarate vaenlane. Kui arvate, et teie neljarattalised rattad on korduvate pedaalilöökide tõttu pidev alt koormatud, siis halasta oma kodaraid, mida iga rattapöördega põrutatakse. Ratta iga kodara allub survekoormusele vaid sekundi murdosa jooksul, mil see on vahetult rummu all, ja selleks hetkeks surutakse see kokku enne, kui rõhk langeb ja saab tagasi oma normaalse pikkuse. See on halastamatu tsükkel, mis võib sõna otseses mõttes olla halvasti ehitatud ratta tühistamine.
'Ratas on nagu väsitav jooksulint kodarate jaoks, mille teeb nende jaoks veelgi raskemaks see, et ühte otsa on lisatud niit ja [enamasti] teise otsa painutus ja/või pea. ütleb Hornzee-Jones. "Keere on pinge koondaja ja koormuse ülekandmine toimub enamasti esimeste keermete kaudu. Veelgi enam, nippel on suhteliselt jäik ja kuna see üritab istuda veljega risti, joondub see harva ideaalselt nurgaga, milleni kodara jõuab, mis võib olla täiendava kontsentreeritud pinge põhjuseks. Teises otsas paindub J-pain minutiliselt ja pärast sadu tuhandeid tavalisi rattapöördeid võivad ilmnema hakata kõik pisikesed, vaid mikronite sügavused ja inimsilmale täiesti märkamatud pinnavead. See on alguses aeglane protsess, kuid lõpuks viib kodara purunemiseni.’
Alumiiniumist kodarad
Teras pole aga ainus kodarate materjal. Mavic ja Campagnolo (nagu ka Campagnolo sõsarettevõte Fulcrum) on pikka aega olnud alumiiniumist kodarate pooldajad. Alumiiniumil on üks kolmandik terase tihedusest, kuid ka umbes kolmandik jäikusest, nii et kodarad peavad olema paksemad, mis tähendab, et need on potentsiaalselt vähem aerodünaamilised, nõuavad suurema läbimõõduga nipli ja sellest tulenev alt suuremaid auke velgedes, mis võib vähendada velje tugevust ja jäikust. Alumiiniumist kodarad kipuvad kasutama ka sirgjoonelist tõmbekonstruktsiooni, kuna alumiiniumi J-kujuline painutus puruneb suure tõenäosusega pinge all.
Teine piirang on see, et alumiinium ei hoia niiti nii kergesti. Mavicu lahendus on keermestada nibud otse veljesse, mitte kodarale. Campagnolo soovitab valida alumiiniumist kodarad, mis kaaluvad sama palju kui terasest versioonid, kuid parandavad võrdluseks rataste sõidutunnet, kuid see on suuresti subjektiivne asi, kus kodaratel on ainult üks osa, kusjuures rehvid, veljed ja rummud on samuti olulised. rääkimata ülejäänud rattast.
Arvestades erinevaid pingeid, mida kodarad taluvad, ei pruugi süsinikkiud tunduda tõenäoline valik, kuid Mavic on koos mitmete teiste tipptasemel rattabrändidega, nagu Lightweight ja Reynolds, leidnud viise. kasutada oma tõmbetugevust kodarates, mis võimaldab silmanähtavat kaalusäästu. Näiteks Mavici R-Sys peegelkaamera kasutab õõnsaid süsiniktorusid, et tagada pinge all jäikus ja vastupidavus survele."Kodara venitus on palju madalam kui teras või sulam, kuna süsinik on jäigem," ütleb Mavici Michel Lethenet. "Kuna need on torud, peavad nad vastu survele, mis aitab säilitada ratta jäikust, kuigi on vaja mõningaid metallosi, mis on mõlemast otsast ühendatud, et luua velje ja rummu kinnitused." Mavici Cosmic Carbone'is kasutatakse alternatiivset meetodit. Ultimate, milles labadega süsinikkodarad lähevad ratta ühelt küljelt teisele, ühendudes rummu äärikuga ja ristuvad teel olles teisi kodaraid.
Tõde keerutusest
Kodarate kohta on veel mõned saadud jalgrattatarkused, mida Peter Marchment, materjaliteadlane ja Hunt Bike Wheelsi direktor, hea meelega hajutab. "Sügavamat velge ja lühemate kodaratega ratast peetakse sageli "tugevamaks", kuid see on tavaliselt tingitud veljele omasest täiendavast jäikusest, " ütleb ta."Samuti usuvad paljud, et kodarate suurem pinge tähendab, et saate jäigema ratta, kuid see pole nii. Ratta jäikust mõjutavad peale pinge ainult paljud asjad, sealhulgas kodarate arv, kinnitusnurk ja velje sügavus.
Tegelikult pikeneb kodara koormamisel sama palju, olenemata rakendatud eelpingest, mis tähendab, et kodara pinge suurendamine ei muuda ratast jäigemaks.“Marchment jätkab: „Kodarate õige pinge alla panemine on ülioluline. Äärmiselt suure pinge korral saavad velg ja kodarad suurema tõenäosusega kahjustada, kuna need on tõhus alt eelkoormatud suure jõuga. Kuid probleemiks on ka kodarate madalad pinged, kuna nippel tuleb tõenäolisem alt lahti [lahti kerida], kui see on löökide või teevibratsiooni tõttu pingest vabastatud, mistõttu ratas läheb paigast ära.’
Olgu pinge ja muster milline tahes, valida on lai valik kodaraid, rääkimata paljudest erinevustest traadi kvaliteedis, millest need on valmistatud. Sapim, üks juhtivaid kodaratootjaid, toodab 300 miljonit kodarat aastas ja teeb poode, et säilitada kvaliteeti ja püsida konkurentsis kogu oma tootevalikus. "Kuuskümmend kuni 70 protsenti tavalise kodara hinnast võib olla materjalis, seega on oluline, et see oleks õige, kuid meie kõigi kodarate jaoks on kõige olulisem traadi jõudlus," ütleb Sapimi müügijuht., Klaus Grüter. „Otsime traati, mis oleks särav ja läikiv ning mille tõmbetugevus on 1000–1050 N/mm2 ning millel on head väsimusandmed ja mis kõige tähtsam, suurepärane korrosioonikindlus.”
Grüter ütleb, et proove on laboratoorselt testitud tõmbetugevuse, painde- ja väändekindluse suhtes. Pärast vastuvõtmist sirgendatakse poolide traat masinaga ja lõigatakse. Tavalisest traadist saab teha ka põrkega kodarad (kus keskosa on kitsamaks tehtud), tõmmates traadi läbi matriitsi. Pärast kokkupõrget sepistatakse kodara pea ja J-pain ning teises otsas olev niit rullitakse (mitte lõigatakse). Valmis kodaraid kontrollitakse nii masinnägemissüsteemide kui ka inimsilma ja käega. Üks masin suudab valmistada 20 000 tagumisega kodarat päevas, mis selgitab, miks erinevad tööjõukulud valmis kodara hinda vähe mõjutavad ja miks tootjad üle maailma saavad müüa sarnaste hindadega.
Aga miks ikkagi kodarat taguda? Jonathan Day of Strada Wheels selgitab: Tagatud kodarad taluvad pöördemomenti paremini kui tavalised kodarad. Ratta tasapinnas, mis on väändejõu suund, on need laiemad, nii et materjali on rohkem, et sellele vastu seista. Lisaks painduvad need risti asetsevas tasapinnas veidi rohkem, nii et nad jaotavad survekoormuse rattale paremini.’
Kodara muster
Jalgrattaratta traditsiooniline kodaramuster koosnes 32 (või mõnikord 36) kodarast, mis olid kolm korda ristatud. Traditsiooniliselt nööritud ratta kodarate muster, mis pole kaugeltki lihts alt kaunis kaleidoskoopiline paigutus, on tegelikult ratta disaini funktsionaalne osa.
Külgsuunalise jäikuse osas võimaldavad kodarate ristumiskohad üksteise vastu toetuda, kui need on pinge all, ja toetavad seda ka kokkusurumisel. Kolmest ristist koosneva nöörimismustri kõige olulisem roll on tagarattal, kus kodarad peavad rummult pedaalimisjõudu edasi kandma. Sel juhul koormatakse kodaratele palju suuremaid väändekoormusi tänu jõuülekande pöördejõule. Kassetipoolsed kodarad, jättes rummust tangentsiaalselt, edastavad pöörleva jõu (pöördemomendi) rummult veljele. Radiaalsed kodarad (mis järgivad teed rummu keskpunktist otse veljele, ilma teisega ristumata) taluvad seda tüüpi koormust palju halvemini ja neil on suurem tõenäosus rikki minna.
Kui pöördemoment ei ole probleem, näiteks veljepiduritega esirattal, on radiaalsete kodarate kasutamine mõttekas. See säästab kaalu, kuna kodarad võivad olla lühemad ja külgmiselt jäiga ratta loomiseks on vaja vähem. See näeb ka hea välja. Kuid ketaspidurid põhjustavad märkimisväärset väändekoormust, muutes radiaalse kodaramise peaaegu võimatuks. "Õige nöörimismuster on võtmetähtsusega, sest kodarad jagavad survekoormust, surudes vastu naabreid, millest nad ristuvad, nii et kodarad tuleks liidriteks või järelkärudeks kinnitada," ütleb Day. "Peate veenduma, et juhtiv kodara võtab koormuse kõigepe alt ajami poolel. 32 kodaraga ratta puhul soovite, et 16 juhtivat kodarat jagaksid koormust. Kui teete nöörimise valesti, jääb tööd tegema vaid kaheksa.’
Märkimisväärne on see, et kodaramustrid on jäänud velgede disaini üheks kõige vähem väljakutset pakkuvaks aspektiks, vaatamata viimastel aastakümnetel tehtud tohututele materjalide ja tootmistehnoloogia arengule. See on tõeliselt järeleproovitud metoodika ja nagu öeldakse, kui see katki ei lähe…
