A kerékpár nem énekelt hősei, úgy gondoljuk, itt az ideje, hogy a küllők elnyerjék a megillető tiszteletet
Ezek a vékony huzalszálak könyörtelenül kemény munkát végeznek, kerekeink minden egyes fordulatánál többször megnyúlnak és összenyomódnak. A pedálozás gyorsulási erőit a kerékagytól a keréktárcsáig továbbítják, és a fékezőerőt is továbbítják. Már-már varázslatos a szerepük abban, hogy egyáltalán biciklizni tudjunk – ilyen vékony szálak ilyen hatalmas terhelést bírnak. Ezért úgy éreztük, hogy itt az ideje, hogy az alázatos küllő némi elismerést vállaljon, ahol az egész teher esedékes.
'A küllős kerék zsenialitása abban rejlik, hogy képes átadni a motoros, kerékpáros és a változó útfelületek által keltett, gyakran igen nagy erőket ezekbe a vékony rudakba, amelyek mindegyike szisztematikusan összenyomódik, ahogy a kerék forog, és a terhelés átszáll az egyik beszél a másikkal, és ez így megy tovább” – mondja Mark Miodownik professzor, a University College London Making Institute igazgatója, a Stuff Matters szerzője, TV-műsorvezető és lelkes kerékpáros. Így folytatja: „Ez egy gyönyörű módszer a kerék tömegének, költségének és teljesítményének optimalizálására.”
A küllők, miután megfeszültek, lényegében rögzítik a felnit, az agyat használva központi horgonyként. A tökéletes világ forgatókönyve szerint minden küllő egyenlő feszültséggel húzódik, hogy a terhelést egyenletesen ossza el a keréken, miközben a felnit is pontosan és kör alakban tartja. A küllőknek támogatniuk kell a kereket az oldalsó hajlítás és a felni deformációja ellen, valamint ellen kell állniuk a kerék függőleges terhelés (radiális összenyomás) általi összenyomásának. Nem kis feladat. Nem csoda, hogy a kerék megjelenése óta nagyon kevés más megoldást fedeztek fel.
Spoke Tension
Most a dolgok kezdenek technikaivá válni, és nem leszel egyedül, ha az alábbiak kissé zavaróak és ellentmondásosak. Erőteljes nézeteltérés van abban, hogy egy kerékpár valójában a felső küllőkről lóg-e (a kerékagy felett, ha oldalról nézzük a biciklit), vagy inkább az alsók támasztják-e alá, apró oszlopként működve.„Az utóbbi nézet, bármennyire is furcsának tűnik, határozottan így van” – mondja Jim Papadopoulos, a Northeastern University's College of Engineering munkatársa (USA, Boston) és a Bicycling Science társszerzője.
Bár könnyű elhinni, hogy egy kerékpár küllő egyszerűen összeesik a kerékpár és a lovas súlya alatt, kifejti, hogy a küllőben a keréképítési folyamat során keletkező feszültség (úgynevezett „előfeszítés”) mi teszi lehetővé, hogy az alsó küllők kihajlás nélkül viseljék a terhelést, ahogyan akkor tennék, ha nincs előfeszítés. „A tehermentes kerék minden küllőjének feszültsége 100 font [445 N] nagyságrendű. Ha a tengelyt 100 font erővel a talaj felé nyomják, az egyetlen jelentős hatás a küllők feszültségére, hogy csökkenti a közvetlenül az agy alatti feszültséget – általában az egyik körülbelül 50 fontra csökken, és a küllők mindkét oldalán körülbelül 75 fontra. Pontosan ezt látná az ember tömör fa küllőkkel, mint egy régi kocsikerék – az alsó 50 fontot, a két oldalán lévők pedig 25 fontot. A drótküllős kerekekkel szemben az a különbség, hogy a drótküllő nem bír nyomóterheléssel – összeesik. Tehát minden küllő zseniálisan előfeszített. Egy huzal nem viselhet el 50 font nyomóterhelést, kivéve, ha már ezt meghaladó feszítő terhelést hordoz.
„Természetesen a kerékpárkerék összedől, ha eltávolítják a felső vagy a vízszintes küllőket” – teszi hozzá Papadopoulos. „De ez alapvetően azért van, mert a megváltozott szerkezetnek nagyon eltérő a terhelési útja, ráadásul nem tudja biztosítani a szükséges előfeszítést. Ebből az összeomlásból nem vonhatjuk le arra a következtetésre, hogy a tipikus kerék a terhelést a felső küllőkön keresztül viszi át.” Ha ettől megfordul a feje, nem vagy egyedül. Tehát térjünk át a küllők anyagának egyszerűbb területére.
Acél küllők
A küllők túlnyomórészt acélból készülnek, az anyagválasztás – amint azt Miodownik mondja – „alapvetően a megbízható menetnek köszönhető. Az acéldrót nagyszerű, mert még nagyon kis rögzítési terület esetén is, például ahol a mellbimbó tartja a küllőt a peremnél, elég nagy feszültséget fektethet rájuk anélkül, hogy lecsupaszítaná a cérnát. A rozsdamentes acél az ideális anyag, mivel a nagy szilárdság és a kis súly megfelelő keveréke, ugyanakkor megfizethető.’
A rozsdamentes acél a 19. század vége óta a választott fém küllőkhöz, mivel nagy szakítószilárdsága lehetővé teszi, hogy a küllők viszonylag vékonyak és könnyűek maradjanak, miközben megbirkóznak a rájuk ható erőkkel. „Az enyhe acél küllőknek kétszer olyan nehéznek és vastagnak kell lenniük” – mondja Chris Hornzee-Jones, az Aerotrope szerkezeti mérnökök igazgatója. Ő tervezte az úttörő Lotus szénszálas hegyikerékpárt, és a valaha készült egyik legnagyobb feszített küllős keréken dolgozott – a Millenium Dome teteje alatt felfüggesztett 60 méter átmérőjű szerkezeten, amelyet légi fellépők platformjaként használnak. „Ha krómot és molibdént adunk a lágyacél vasához és szénéhez, a kapott rozsdamentes acélötvözet sokkal jobban ellenáll a kifáradásnak.'
A fáradtság a küllő ellensége. Ha úgy gondolja, hogy a quadjait ismételten megterheli az ismétlődő pedálütések, akkor sajnálja a küllőit, mert minden egyes kerékfordulatnál zúgják. A kerék minden küllője csak a másodperc töredékéig éri nyomóterhelést, amíg közvetlenül az agy alatt van, és erre a pillanatra összenyomódik, mielőtt a nyomás levált, és visszatérhet normál hosszához. Ez egy könyörtelen körforgás, amely a szó szoros értelmében a rosszul felépített kerék feloldása lehet.
'A kerék olyan, mint egy fárasztó küllők futópadja, amelyet még megnehezít számukra az, hogy az egyik végén egy menet, a másik végén pedig [a legtöbb esetben] egy kanyar és/vagy fej van. mondja Hornzee-Jones. „A menet a feszültség koncentrálója, és a terhelés átadása többnyire az első néhány meneten keresztül történik. Ráadásul a mellbimbó viszonylag merev, és mivel igyekszik merőlegesen ülni a peremre, ritkán igazodik el tökéletesen a küllő szögéhez, ami további koncentrált feszültséget okozhat. A másik végén a J-kanyar finoman meghajlik, és több százezer normál kerékfordulat után az apró, csak mikron mélységű, emberi szem számára teljesen észrevehetetlen felületi hibák kinyílhatnak. Eleinte lassú folyamat, de végül küllőtöréshez vezet.’
Alumínium küllők
A küllőkhez azonban nem az acél az egyetlen anyag. Mavic és Campagnolo (valamint a Campagnolo testvérvállalata, a Fulcrum) régóta az alumínium küllők szószólói. Az alumínium sűrűsége egyharmada az acélénak, de körülbelül egyharmada merevsége is, ezért a küllőknek vastagabbaknak kell lenniük, ami azt jelenti, hogy potenciálisan kevésbé aerodinamikusak, nagyobb átmérőjű mellbimbókat igényelnek, majd nagyobb lyukakat a felnikben, ami csökkenti a felni szilárdságát és merevségét. Az alumínium küllők is hajlamosak egyenes húzású kialakítást használni, mivel az alumínium J-íve nagy valószínűséggel meghibásodik feszültség hatására.
További korlátozás, hogy az alumínium nem tartja meg olyan könnyen a menetet. A Mavic megoldása az, hogy a mellbimbókat közvetlenül a perembe fűzi, nem pedig a küllőre. A Campagnolo azt javasolja, hogy olyan alumínium küllőket válasszon, amelyek súlya megegyezik az acél változatokkal, de ehhez képest javítják a kerekek menetérzetét, ez azonban nagyrészt szubjektív kérdés, amelyben a küllők csak egy szerepet játszanak, a gumiabroncsok, felnik és agyak is jelentős szerepet játszanak. a többi kerékpárról nem is beszélve.
Tekintettel a küllők által elviselt különféle igénybevételekre, a szénszál egyáltalán nem tűnik valószínű választásnak, de a Mavic, valamint számos más csúcskategóriás kerékmárka, mint például a Lightweight és a Reynolds, megtalálta a módját. szakítószilárdságának hasznosítása küllőkben, nyilvánvaló súlymegtakarítással. A Mavic R-Sys SLR például üreges széncsöveket használ a feszültség alatti merevség és a nyomásállóság érdekében.„A küllő nyúlása sokkal alacsonyabb, mint az acél vagy az ötvözet, mert a szén merevebb” – mondja Michel Lethenet, a Mavic munkatársa. „Csövek lévén, ellenállnak a nyomásnak, ami segít megőrizni a kerék merevségét, bár szükség van néhány fém alkatrészre, amelyek mindkét végén össze vannak ragasztva a felni és az agy rögzítéséhez.” Egy alternatív módszert alkalmaznak a Mavic Cosmic Carbone-ban. Az Ultimate, amelyben a pengékkel ellátott karbon küllők a kerék egyik oldaláról a másikra mennek, összekapcsolódnak az agy peremével, és útközben keresztezik a többi küllőt.
Igazság a pörgésből
Van néhány további, a küllőkre vonatkozó kerékpáros bölcsesség, amelyet Peter Marchment anyagtudós és a Hunt Bike Wheels igazgatója szívesen eloszlat. „A mélyebb felnivel, rövidebb küllőkkel rendelkező kereket gyakran „erősebbnek” tekintik, de ez általában a felniben rejlő merevségnek köszönhető” – mondja.„Sokan azt hiszik, hogy a nagyobb küllőfeszesség azt jelenti, hogy merevebb kereket kapunk, de ez nem így van. A kerék merevségét a feszültségen kívül sok minden befolyásolja, beleértve a küllők számát, a merevítési szöget és a keréktárcsa mélységét.
Valójában egy küllő ugyanannyival megnyúlik terheléskor, függetlenül az alkalmazott előfeszítéstől, ami azt jelenti, hogy a küllőfeszesség növelése nem teszi merevebbé a kereket.” Marchment így folytatja: „A küllők megfelelő feszültség alá helyezése döntő fontosságú. Rendkívül nagy feszültség esetén a felni és a küllők nagyobb valószínűséggel sérülnek meg, mivel hatékonyan nagy erővel vannak előfeszítve. De az alacsony küllőfeszesség is problémát jelent, mivel a mellbimbó nagyobb valószínűséggel kilazul [letekerődik], ha ütések vagy útvibrációk hatására feszültségmentesül, amitől a kerék kicsúszik.’
Bármilyen feszültség és mintázat is legyen, a küllők széles skálája közül választhat, nem is beszélve a huzal minőségének sokféle változatáról, amelyből készültek. A Sapim, az egyik vezető küllőgyártó, évente 300 millió küllőt gyárt, és bevásárol, hogy megőrizze a minőséget és versenyképes maradjon termékkínálatában. "Egy sima küllő árának 60-70 százaléka lehet az anyagban, ezért fontos, hogy ez megfelelő legyen, de minden küllőnknél a legfontosabb a drót teljesítménye" - mondja a Sapim értékesítési vezetője., Klaus Grüter. „Olyan huz alt keresünk, amely fényes és fényes, szakítószilárdsága 1000–1050 N/mm2, jó kifáradási adatokkal és ami fontos, kiváló korrózióállósággal rendelkezik.”
Grüter elmondja, hogy a mintákat laboratóriumi vizsgálatnak vetették alá szakítószilárdság, hajlítási és csavarási ellenállás szempontjából. Az elfogadás után a drótot az orsókról géppel kiegyenesítik és levágják. A sima átmérőjű huzalból összevágott küllők is készíthetők (ahol a középső részt keskenyebbé teszik), ha a drótot egy szerszámon keresztül húzzák át. Miután összetapadt, a küllő fejét és a J-kanyart megkovácsolják, a másik végén lévő cérnát pedig feltekerik (nem vágják el). Az elkészült küllőket gépi látórendszerrel és emberi szemmel és kézzel is ellenőrzik. Egy gép napi 20 000 tokos küllő gyártására képes, ami megmagyarázza, hogy a különböző munkaerőköltségek miért csekély hatással vannak a kész küllők árára, és miért tudnak a gyártók világszerte hasonló áron értékesíteni.
De miért kell mégis egy küllőt ütni? Jonathan Day, a Strada Wheels-től elmagyarázza: „A csípős küllők jobban bírják a nyomatékot, mint a sima küllők. A kerék síkjában szélesebbek, ami a torziós erő iránya, így több az ellenálló anyag. Ezenkívül a merőleges síkban kicsit jobban meghajlanak, így jobban elosztják a nyomóterhelést a kerék között.’
Küllőminta
A kerékpárkerék hagyományos küllőmintája 32 (vagy néha 36) küllőből állt, amelyeket háromszor kereszteztek. A hagyományosan fűzött kerék küllőinek átszőtt mintája, amely távolról sem csak egy szép kaleidoszkópszerű elrendezés, valójában a kerék kialakításának funkcionális része.
Az oldalirányú merevség tekintetében a küllők metszéspontjai lehetővé teszik, hogy mindegyik egymáshoz támaszkodjon, amikor feszültség alá kerül, valamint alátámasztja, amikor összenyomódik. A háromkeresztes fűzőmintázat legfontosabb szerepe a hátsó kerékben van, ahol a küllőknek át kell adniuk a pedálozási erőt az agyból. Ebben az esetben a küllők sokkal nagyobb torziós terhelést kapnak a hajtáslánc csavaró erejének köszönhetően. A kazetta oldalán lévő küllők, érintőlegesen elhagyva az agyat, forgóerőt (nyomatékot) adnak át az agyról a peremre. A radiális küllők (amelyek egy utat követnek az agy közepétől közvetlenül a peremig, anélkül, hogy egy másikat kereszteznének) sokkal kevésbé képesek megbirkózni az ilyen típusú terhelésekkel, és nagyobb valószínűséggel tönkremennek.
Amikor a forgatónyomaték nem jelent problémát, például egy felnifékkel ellátott első keréknél, akkor van értelme radiális küllőknek. Ez súlyt takarít meg, mivel a küllők rövidebbek lehetnek, és kevesebb kell az oldalirányban merev kerék létrehozásához. Jól is néz ki. A tárcsafékek azonban jelentős torziós terhelést okoznak, de lehetetlenné teszik a radiális küllőt. „A fűzőmintázat megfelelő kialakítása kulcsfontosságú, mivel a küllők megosztják a kompressziós terhelést azáltal, hogy a szomszédokhoz szorulnak, amelyekkel kereszteződnek, ezért a küllőket be kell fűzni, hogy vezetők vagy utánfutók legyenek” – mondja Day. „Győződjön meg arról, hogy egy vezető küllő veszi fel a terhelést először a meghajtó oldalon. A 32 küllős keréken 16 vezető küllőt szeretne, hogy megosszák a terhelést. Ha rosszul fűzi be a fűzést, végül csak nyolcan végzi el a munkát.’
Figyelemre méltó, hogy a küllőminták továbbra is a kerékkialakítás egyik legkevésbé kihívást jelentő aspektusa, annak ellenére, hogy az utóbbi évtizedekben hatalmas előrelépés történt az anyagok és a gyártástechnológia terén. Ez egy valóban kipróbált módszer, és ahogy a mondás tartja, ha nem tört el…
