Почему колёса дорожных и горных велосипедов спицуются по-разному?

Среди всех возможных видов велосипедных систем торможения выделим две категории: ободные и дисковые. Разные системы торможения по-разному воздействуют на обод колеса. Кроме того, в распределении усилий не последнюю роль играет схема установки спиц — спицовка. В этой статье блога мы расскажем, как рассчитать механическое напряжение в ободе велосипедного колеса для двух типов тормоза и двух вариантов спицовки. Оказывается, применение радиальной спицовки на колёсах с дисковыми тормозами — плохая идея.

Тормоза, обода и спицы

Вы когда-нибудь обращали внимание, что заднее колесо велосипеда никогда не спицуется радиально? Также вы могли заметить, что внешний вид передних колёс велосипедов, участвующих гонке "Тур де Франс", изменился после перехода на дисковые тормоза. Причина здесь одна: чтобы не допустить возникновения высокого напряжения в ободе колеса вследствие действия крутящего момента при педалировании и торможении, колесо необходимо спицевать тангенциально. При использовании ободных тормозов подобные усилия не возникают, поскольку всё колесо работает как арка, а крутящий момент на ступице колеса отсутствует. Эта особенность позволяет делать обода более лёгкими, поэтому на них иногда наносят предупреждающую надпись: "Только для ободных тормозов!"

Типичный велосипед для триатлона, модель 2005 года с радиальной спицовкой, характерной для скоростных гоночных велосипедов того времени. Изображение от GS, переработанное אx — Собственная работа. Лицензировано в соответствии с CC BY-SA 3.0, через Викисклад.

Отметим, что дисковые тормоза были запрещены UCI до 2018 года, и отмена этого запрета спровоцировала множество споров. Давайте посмотрим на этот вопрос с позиции механики твёрдого тела…

Расчёт усилий в ободе велосипедного колеса

Мы обсудим модель для расчёта усилий, возникающих в ободе велосипедного колеса. Модель построена с помощью модулей расширения «CAD-импорт и CAD-операции»и «Механика конструкций» среды численного моделирования COMSOL Multiphysics®.

Будем считать, что обод и ступица изготовлены из алюминия, а спицы — из конструкционной стали. Примем, что давление в шинах равно 3 бар, а для учёта силы натяжения спиц в 1 кН воспользуемся специальным инструментом Bolt Pretension. Учёт геометрической нелинейности существенно повышает степень нелинейности вычислительной задачи, поэтому мы применим метод постепенного увеличения нагрузки. Для описания двух типов тормозов мы зададим два отдельных варианта приложения нагрузки, а для изменения схемы спицовки колеса введём дополнительный параметр. Помимо вариации типа тормоза и схемы спицовки мы также проанализируем влияние силы торможения.

Результаты моделирования

На графике показана зависимость среднего эквивалентного напряжения в ободе от силы торможения для разных комбинаций нагрузки и геометрии. Вариант с радиальной спицовкой и дисковым тормозом выделяется более высокой нагрузкой. Вот почему опасно устанавливать дисковые тормоза на колеса с ободом под ободный тормоз!

При использовании дискового тормоза на ободе возникают более высокие усилия, что может привести к потере устойчивости формы колеса при тангенциальной спицовке.

В случае радиальной спицовки необходима переориентация усилий в спицах для сохранения баланса крутящего момента на ступице. Вследствие этого фактора и возникают более высокие усилия в ободе с дисковым тормозом, как показано на рисунке ниже. Несмотря на то, что напряжение в ободе значительно ниже предела текучести материала, тем не менее может произойти потеря устойчивости формы колеса.

Напряжение в ободе колеса с дисковым тормозом (радужная цветовая палитра). Обратите внимание, как обод вращается относительно ступицы в случае радиальной спицовки (справа).

Деформация обода — это важный фактор, но большое влияние на управляемость велосипеда оказывает также и жёсткость колеса. На графике ниже показано вращение обода относительно ступицы для разных комбинаций тормозов и схем спицовки. При использовании дискового тормоза наблюдается незначительный поворот обода относительно ступицы, тогда как использование ободного тормоза на колесе с радиальной спицовкой приводит к значительной деформации.

Поворот обода зависит преимущественно от схемы спицовки колеса и типа тормоза (обратите внимание, что на оси ординат используется логарифмическая шкала).

Заключение

Итак, мы смоделировали напряжения, возникающие в ободе велосипедного колеса, для различных комбинаций типов тормоза и спицовки. Анализ результатов моделирования объясняет, почему на обод наносят предупреждающие надписи и почему некоторые велосипедисты по-прежнему отдают предпочтение ободным тормозам.

А вот педали — менее спорная тема. Как правило, педали не выкручиваются самопроизвольно из шатунов, но знаете ли вы, почему? Если нет, тогда рекомендуем прочесть нашу публикацию «Почему не выкручиваются педали велосипеда?»

Дальнейшие шаги

Попробуйте самостоятельно поработать с моделью расчёта усилий в ободе велосипедного колеса, описанной в этой статье, скачав модель по ссылке:

Дополнительные материалы

• Почему не выкручиваются педали велосипеда?
• Прочностной анализ рамы трёхколесного велосипеда