О колесах… Часть 3, жесткость

    • Filled in Tech Talk 1 Март 2011 в 8:30, author: Alexei
    • Views: 24 709.

    Третья и пока что завершающая часть перевода статьи о велосипедных колесах "Great wheel test 2008".
    Предыдущие части были об аэродинамике и инерции.

    Сегодня же самая объемная часть: о жесткости колеса.

    Жесткость колеса указывает меру деформации обода в результате воздействия силы и веса гонщика. Высокая жесткость, в общем-то, дает лучше производительность. Тем не менее, нужна ли всегда максимальная жесткость? Что происходит, когда колесо недостаточно жесткое? Какие именно деформации случаются от воздействия гонщика?

    Попробуем ответить на это вопросы далее.

    Феномен деформации: введение

    Колеса подвергаются различным нагрузкам. В первую очередь, весу гонщика во время езды. Во-вторых, поперечные нагрузки, когда он педалирует поднимаясь из седла. В третьих, заднее колесо переносит крутящий момент на дорогу. Ну и наконец, оно сопротивляется ямам на дороге и другим неровностям. Вследствие всего этого, ободья деформируются сбоку и радиально на несколько градусов.

    Фронтальная жесткость

    1a) Фронтальная жесткость: превью

    Из-за особенности конструкции, у колес фронтальная жесткость достаточно высокая, поэтому изучение поперечной (боковой) жесткости даст больше полезных данных. Обычное колесо имеет фронтальную жесткость 1500-2500Н/мм, то есть, чтобы деформировать колесо на один единственный миллиметр, необходим вес в 150-250кг.

    Текущая конструкция колеса (обод, втулки, соединенные вместе спицами с натяжением) не дает комфорт при езде. Только некоторые колеса, конструкция которых очень особенная, могут в итоге уменьшить вибрации. Несколько примеров таких инженерных решений:

    • Решение от ADA, колеса Cees Beers имеют полностью кевларовые спицы.

      Cees Beers от ADA

    • В Spinergy Stealth PBO спицы сделаны из волокон полимера Zylon

      Spinergy Stealth PBO

    • Lew Racing Pro VT-1, который не имеет натянутых спиц, деформируется легко (фронтальная жесткость 800Н/мм, то есть 1мм деформации при нагрузке в 80 кг).

    Некоторые колеса априори мягче других, но, в общем-то, комфорт чувствуется в основном за счет свойств покрышки:

    • трубки или клинчер
    • давление в покрышке
    • ширина покрышки
    • мягкость покрышки
    • мягкость камеры

    То есть сделанные вручную трубки уровня хайэнд в общем дают больший комфорт, чем клинчеры. Их оболочка эластичная и легкая благодаря использованным материалам, таким как хлопок или шелк. Латексная камера подходит в большинстве случаев, она мягче и прочнее обычной каучуковой. Более того, ее структура предрасположена к производительности. Veloflex, FMB и Dugast известны своими камерами высшего класса, в чуть меньшей степени Vittoria. Continental выделяет приоритет противодействию проколам над мягкостью езды.

    Кликабельно

    Вернемся к тесту фронтальной жесткости, зафиксирована ось колеса, затем следует удар. Приложенная сила определяется программным обеспечением, которое фиксирует деформацию. Колеса деформируются мало из-за некоторых параметров, играющих важную роль в вертикальной деформации. Благодаря большой высоте обода и его высокой фронтальной жесткости, ободья не склонны к такой легкой деформации.

    Невысокие ободья явно деформируются гораздо легче высоких. Спицы также играют роль: их число, способ спицовки, натяжение и жесткость спицы (материал, поперечное сечение) имеют влияние на общую жесткость колеса.

    Спицовка с небольшим числом пересечений и небольшим натяжением будет деформироваться или терять жесткость быстрее, нежели с большим количеством пересечений и сильным натяжением. Втулка также играет роль, но ее влияние меньше двух вышеописанных факторов.

    Задние колеса не такие жесткие как передние из-за разницы в значении углов между фланцами и спицей (bracing angle) на двух сторонах колеса.

    1b) Фронтальная жесткость: резюме
    В качестве резюме, заднее колесо с невысоким ободом со слабо натянутыми спицами будет легче вертикально деформировать, чем высокий обод с натянутыми спицами. Деформация от 1мм на 140кг (задние колеса от Lightweight, Sonic 50mm, Speedcomposites) до 1мм на 200кг (передние Mavic CCU, Corima Aéro) или же 1 мм на 260кг (передние Zipp 404, Lightweight).

    Стоит отметить некоторые особые случаи:

    • Первое исключение касается Shimano 7850 C24TU и C50TU, а также Mavic Cosmic Carbone Ultimate, дающих бóльшую фронтальную жесткость заднего, нежели переднего колеса. Высокое натяжение спиц, видимо, связано со следующим: фронтальная жесткость переднего колеса 2850Н/мм, заднего - 2940Н/мм для C50, и 1790Н/мм переднего и 1840Н/мм заднего на C24. С CCU такая же ситуация: спереди 1910Н/мм, сзади 1970Н/мм. Конечно же, данные натяжения спиц немного варьируются между отдельными вилсетами, производство различными заводами и т.д.
    • Второе исключение: Lew Racing Pro VT-1. Они предлагают очень высокую фронтальную деформацию: от 75 до 80кг для деформации в 1мм несмотря на обод высотой в 46мм. Спицы соединены с втулкой и ободом без натяжения. Вертикальные нагрузки деформируют форму колеса и спицы сгибаются, что частично объясняет лимит веса и необычные качества езды.

      Деформация видна на фото:

    Боковая жесткость

    2a) Боковая жесткость: объяснение

    Боковая жесткость наибольшая и самая сложная часть нашего тестирования.

    Боковая жесткость это важный и сложный параметр с точки зрения производительности. Пока мы не снабдим велосипед несколькими сенсорами измерения мощности и не проведем серию тестов, сложно оценить приобретения или потери от жестких или гибких колес.

    Jean-Pierre Mercat, инженер из Mavic, широко исследовал эту тему: “Мы провели тесты с SRM и пульсометром для изучения выходной мощности на подъемах с четырьмя визуально одинаковыми колесами, но разной боковой жесткостью (от 20Н/мм до 80Н/мм). Мы не сделали серьезные выводы, несмотря на 300 тестов: не было разницы в производительности на современных мощностях: от 180Вт до 350Вт. Тем не менее, при горовосхождении на максимальной мощности у элитных гонщиков несколько другие выводы. Максимальная достигнутая мощность была ниже (на 150Вт меньше на 1000 Ваттах) с “гибкими” колесами на 20Н/мм, но не было разницы между 60 и 80Н/мм. Максимальный пульс был меньше на более гибких колесах, чем на супер жестких. Мощностной потенциал был отчасти поглощен гибкостью колес, и ускорение не было таким резким”.

    Это важно. Боковая жесткость важна для резких ускорений или спринтов, которые часто случаются в течение гонок.

    Мы также провели несколько тестов, используя измеритель мощности Powertap с максимальной погрешностью в 1.5%. Средняя мощность в отрывах шоссейных гонок (на критериумах мощность выше) была около 300Вт в течение первого часа и падала до 270Вт после двух с половиной часов. Выдаваемая мощность во время ускорений между 500-700Вт на несколько секунд, в то время как во время спринта часто требуется 1000-1300Вт.

    Жесткие колеса тут в выигрыше.

    2b) Боковая жесткость: протокол

    Боковая жесткость тестировалась нагружением обода колеса с одной стороны, для заднего колеса с более слабой стороны (со стороны кассеты), и измерялось искривление обода в точке нагрузки и на противоположной стороне.

    В зависимости от нагрузки и деформации может быть посчитана жесткость в Н/мм. Нагрузкой в тесте на боковую жесткость является вес гонщика: когда гонщик находится на велосипеде, его байк не перпендикулярен дороге, а находится немного под наклоном. Этот угол создает боковую нагрузку на обод (см. рисунок).

    Заднее колесо должно быть максимально жестким, чтобы не “запаздывать” с передачей мощности от велосипедиста.

    Прежде всего, нагрузка на “дне” обода, спицы с одного бока получают натяжение, спицы с другой стороны ослабляются. Когда нагрузка небольшая, кривая жесткости остается прямой.
    Когда же нагрузка большая, то лишь спицы одной из сторон поддерживают форму колеса, с другой стороны они совсем ослабляются.

    Далее кривая деформации: график прямой (жесткость колеса) пока нагрузка не превышает значение, когда спицы на неактивной стороне колеса теряют свое натяжение (до точки 4). Как только нагрузка становится слишком большой, спицы перестают иметь натяжение, график меняет направление и становится менее крутым.

    Это означает, что боковая жесткость после того, как колесо перегружено, не так важна, как во время “нормальной” нагрузки (график из штрихов в сравнении со сплошным графиком на рисунке до точки 4).
    Поэтому важно отметить нагрузку, использованную при тестировании поперечной (боковой) жесткости. Это раскрывает, какое колесо производительно для определенного веса/силы гонщика, а какое хуже для того же самого веса/силы.

    Кривая иллюстрирует феномен – переход плавнее, за исключением некоторых особых случаев.

    К примеру, на рисунке выше колесо очень жесткое до нагрузки в 18кг. Оно теряет свою жесткость чуть менее чем за 20кг. Это может произойти благодаря тяжелому велосипедисту весом более 90кг, или же чуть легче, но очень сильным и раскачивающим велосипед на большой угол, поднимаясь из седла.

    Поэтому необходимо указать использованные нагрузки для вычисления боковой жесткости.
    В этом тесте нагрузка 20кг.

    Перед тем как вывалить результаты десятков колес, обозначим некоторые вещи: передние колеса жестче задних. Они всегда достаточно жесткие, так как они идеально симметричны и имеют широкие углы между фланцами и спицами, им приходится иметь дело только с весом гонщика, они не передают его мощность на дорогу.

    2c) Боковая жесткость: кто что делает?

    Боковая жесткость традиционных колес зависит от некоторых параметров.

    Прежде всего, жесткость колеса определяется высотой обода, жесткостью на кручение, а также длиной спиц.

    Спицы придают колесу целостность и частично обеспечивают жесткость за счет их натяжению и их поперечному сечению.

    В завершении, согласно специалистам из Мавик, наиболее важным параметром является расстояние между фланцами втулок (bracing angle).

    Итак, для увеличения боковой жесткости колеса необходимо:

    • Использовать жесткий и высокий обод, который идет с более короткими спицами;
    • Использовать спицы бóльшего размера;
    • Увеличить угол между фланцами втулки и спицами (bracing angle), втулки с максимально отдаленными фланцами;
    • Хорошо натянутые спицы отодвигают момент, когда колесо теряет жесткость (см. пункт 2b).

    Данные "улучшения" влекут и увеличение веса, поэтому необходимо искать компромиссы для максимального увеличения жесткости и минимального роста веса:

    • обод выше (улучшает аэродинамические показатели также);
    • втулки с широко расположенными фланцами.

    Спереди расстояние между фланцами больше

    Диаметр фланцев играет роль также, но влечет увеличение веса.

    Помимо боковой жесткости колеса, важно движение обода в противоположную нагружаемой сторону. Большое отклонение обода между тормозными колодками может “притормозить” гонщика, если колодки будут задевать обод.

    Данные параметры не изучены до конца, но, если копнуть глубже относительно жесткости/прогибов, то выясняются следующие параметры:

    • высота обода: чем она ниже, тем меньше прогибы обода между тормозными колодками. Но тем и меньше боковая жесткость колеса.
    • спицы: чем больше спиц, тем меньше “хождения” колеса между тормозными колодками, тем больше жесткость колеса.

    Таким образом, “квадратный” профиль обода с большим количеством спиц может иметь в 2 раза меньше отклонений между тормозными колодками, нежели колесо с той же конструкцией, но с большей высотой обода и меньшим количеством спиц!

    Возьмем Lightweight Standard G3/Ventoux, Campagnolo Bora/Hyperon, Shimano C24TU/C50TU, Speedcomposites, Easton EC90 SLX и другие.

    По идее жестче колесо с более высоким ободом, но, если основываться на отклонения между тормозными колодками, то все иначе..!

    Поэтому интересным было бы использование высокого жесткого обода с большим количеством спиц (хотя бы 24) для получения наибольшей жесткости и наименьших отклонений колеса относительно тормозных колодок.

    Также это ухудшает показатели веса и аэродинамики, поэтому этот рецепт лучше всего использовать только для задних колес.

    Жесткими являются те колеса, которые имеют баланс описанных выше двух характеристик.

    2d) Боковая жесткость: результаты

    Боковая жесткость колес, данные для передних и задних колес

    Результаты можно просмотреть на рисунке,расположены по алфавиту, в двух отдельных колонках.

    Явно видно, что в вилсетах с одинаковой конструкцией обоих колес, переднее колесо жестче из-за бóльшего угла между фланцами и спицами (bracing angle).

    Есть несколько особых случаев, особенно у крупных производителей, где задние колеса жестче передних. Это происходит из-за оптимизации компонентов колес: особая спицовка, экстремальное натяжение, необычные конструкции (к примеру, Mavic R-SYS). На следующих графиках колеса расположены в порядке убывания их жесткости, по отдельному графику для переднего и заднего колеса.

    Жесткость переднего колеса

    Жесткость заднего колеса

    2e) Боковая жесткость: выводы

    Во главе графиков большие производители, часто поставляющие детали по OEM. Их колеса всегда имеют высокие значения боковой жесткости. Так происходит потому, что большие производители продают их широкой массе покупателей: иногда пользователи колес легкие, иногда имеют большой вес. Их колеса должны предлагать экстремальную жесткость и долговечность (неубиваемость). Тяжелый пользователь дает больше напряжения колесу, нежели легкий. Если тяжелый ездок будет использовать слишком гибкое колесо (слабо натянутые спицы), то оно быстро потеряет форму. Во время ускорений будет теряться натяжение на одной из сторон колеса (особо актуально для заднего колеса). Это имеет 3 последствия:

    • колесо изменит форму, если спицы не зафиксированы;
    • гонщик будет чувствовать недостаток жесткости, что плохо для производительности;
    • срок жизни спиц уменьшится.

    Shimano, Mavic и Campagnolo всегда представляют очень жесткие колеса в своих каталогах (топовые модели точно). Колеса выполнены как цельная система, а не отдельные компоненты – это несет как преимущества, так и недостатки.

    Преимущества, как было сказано выше, это всегда высокая боковая жесткость, а также долговечность и идеальная подгонка компонентов для работы вместе.

    Среди минусов: продукт не всегда адаптирован к гонщику, компоненты колеса специфичные, и, в общем-то, не могут быть заменены так легко, натяжение спиц всегда очень высокое, что означает укрепление компонентов, следственно, их утяжеление. Эти вилсеты часто весят гораааздо больше предложений других, более экзотических производителей.

    Действительно, более экзотичные производители могут использовать традиционные конструкции со стандартными компонентами. Сохранение веса боле важно, нежели экстремальная жесткость. Сюда можно включить Reynolds, Tune, Specialized, FRM, DT Swiss и других.

    2f) Боковая жесткость: особые случаи

    Традиционные конструкции колес остаются неизменными десятилетиями: обод и втулка скрепляются вместе спицами и ниппелями.

    Однако различные подходы к конструированию все чаще имеют место быть:

    1. Carbonsports Lightweight - имеют карбоновые спицы, расположенные по периметру втулки и впрессованы в обод. Такой же подход используется и в Mavic Cosmic Carbone Ultimate, они жестче, с различной спицовкой на неактивной стороне (non-drive side) заднего колеса. Эта конструкция чрезвычайно жесткая и, конечно же, легкая (1200г CCU и менее 1100г Lightweight), ну и универсальная. Минусом такого подхода является чрезвычайная сложность ремонта, а еще они чувствительны к боковому ветру и имеют высокую цену.
    2. Mavic R-SYS – используют очень жесткие полые карбоновые спицы с небольшим натяжением, которое работает для сжатия и растяжения. Боковая жесткость высокая благодаря невысоким и легким ободьям (1380г набор). Эти колеса хорошо подходят для горовосхождения благодаря их жесткости и небольшому весу (для алюминиевых ободьев). На более низких скоростях во время подъема запоздание из-за толстых спиц не так чувствуется.
    3. Lew Racing Pro VT-1 - имеют спицы, изготовленные из карбона/бора, они не имеют натяжение, колесо очень гибкое как поперечно, так и радиально. Тем не менее, во время движения заднее колесо остается экстремально жестким, так как выдаваемая гонщиком мощность передается через центральный фланец втулки, который находится в той же плоскости, что и обод. Этот центральный фланец (central flange) предотвращает боковое движение обода между тормозными колодками, потому что крутящий момент поступает от втулки к ободу напрямую.

      Пример использования центрального фланца/central flange на колесах Reynolds RZR 46

    Все другие колеса, оснащенные стандартными втулками с двумя фланцами, передают крутящий момент с поперечной составляющей, создаваемой углом между фланцем и спицами колеса (bracing angle, см. пункт 2b боковой жесткости). То есть, колесо подвержено хождениям между тормозными колодками.

    Другими словами, тесть боковой жесткость представляет деформацию колеса вследствие воздействия силы и веса гонщика.

    Ниже приводятся графики, показывающие теоретические различия в боковой жесткости для четырех наиболее конструктивно выделяющихся колес. Графики построены на основании данных об отклонении ободьев на двух различных нагрузках.

    Мы можем видеть очень небольшую разницу в боковой жесткости на небольших нагрузках. Но она значительно меняется, как только колесо начинает гнуться.

    Mavic Cosmic Carbone Ultimate экстремально жесткие несмотря на небольшой вес (1200г вилсет), Lightweight Standard чуть гибче, а Obermayer еще больше.

    Lew Pro VT1 достаточно жесткие на небольших нагрузка (50Н/мм), но на средних нагрузках эти качества исчезают. Такой тип колес хорош для гонщиков легкого или среднего веса, но будет малопроизводительным для тяжелых велосипедистов, которые увидят деформацию колеса не из-за их силы, а из-за веса.

    Деформации поразительны, только взгляните:

    Для подтверждения наших заметок о разнице в жесткости колес, взгляните на эти видео:

    Lew видео - спицы гнутся под нагрузкой:

    Lightweight видео - спицы остаются натянутыми несмотря на нагрузку:

    Выводы: использование наших данных о жесткости для правильного выбора вилсета.

    Эффективность и производительность колес на дороге в основном чувствуется от инерции (см. часть 2 об инерции), но боковая жесткость также важна. Деформация во время тяжелого ускорения, биение обода о колодки в результате дает серьезную потерю мощности и в итоге ускорение становится медленнее.

    Для оптимизации производительности в этих условиях, жесткость колеса должна быть максимальной. Тем не менее, не каждому велосипедисту полезна высокая жесткость. Только тяжелые и/или очень сильные велосипедисты могут почувствовать разницу между колесами с боковой жесткостью в 45Н/мм и 55Н/мм. Легкие гонщики и те, кто желает лишь наслаждаться комфортабельной ездой реально не должны реально заморачиваться на жесткости, как на важном критерии – инерция вероятно гораздо более важна для них.

    Также нет нужды искать наиболее жесткий вилсет любой ценой, так как это скажется на других характеристиках колес. Высокая боковая жесткость часто означает увеличение веса, а это в свою очередь влечет бóльшую инерцию, следовательно, тяжелее ускорения и труднее подъемы. В идеале необходимо выбрать колеса оптимальные по соотношению жесткости и веса. В качестве веса, имеется ввиду ваш вес. Ну и не забыть об аэродинамике (см. часть 1 об аэродинамике) и трении в подшипниках.

    Рекомендации оптимизации гоночной производительности.

    По существу, только тяжелые ездоки или серьезные гонщики нуждаются в жесткости любой ценой:

    • С весом более 80кг велосипедист должен сфокусироваться на колесах с боковой жесткостью более 40Н/мм.
    • Для 70-80кг, колеса до 35Н/мм скорее всего снизят производительность в некоторых ситуациях в гонке.
    • Тем, у кого от 60 до 70 килограмм веса лучше всего обходить колеса с боковой жесткостью менее 30Н/мм.

    ***

    Кроме аэродинамики, инерции, жесткости и веса колеса остался еще один фактор: трение в подшипниках. В оригинальной версии глава, посвященная этому параметру, так и не вышла.

    Поэтому, на данный момент это заключительный материал цикла.

    Тема интересна: стоит ли игра свеч с этими новомодными керамическими подшипниками, или же стальные все еще сгодятся?

    Следите за новыми материалами на astanafans.com

    --

    Оглавление по частям:

  • Related Posts

      -- enable recent posts plugin --
  • Comments (1)

  • Quote
    Дмитрий Russia on 28 Апрель 2011, 13:00:

    Очень хочется прочитать развернутое сравнеие и оценку керамических подшипников.

  • Leave a Reply

    Анти-спам: выполните задание