Videnskaben bag eger

Indholdsfortegnelse:

Videnskaben bag eger
Videnskaben bag eger

Video: Videnskaben bag eger

Video: Videnskaben bag eger
Video: Дэн Пинк: Загадки мотивации 2024, Marts
Anonim

Cyklens ubesungne helte, vi synes, det er på tide, at eger får den respekt, der skal til

Disse tynde tråde udfører et ubønhørligt hårdt arbejde, idet de strækkes og komprimeres gentagne gange med hver eneste omdrejning af vores hjul. De bærer også accelerationskræfterne ved at træde i pedalerne fra nav til hjulfælg og overfører også bremsekræfter. Deres rolle i selve det faktum, at vi overhovedet kan cykle, er næsten magisk – sådanne tynde tråde, der understøtter så store belastninger. Så vi følte, at det var på høje tid, at den ydmyge tale tog lidt æren, hvor en hel byrde skal betales.

'Det geniale ved egerhjulet er, at det kan overføre de ofte meget store kræfter skabt af rytteren, cyklen og varierende vejbelægninger til disse tynde stænger, som hver systematisk komprimeres, når hjulet drejer, og belastningerne overføres fra man t alte med en anden, og sådan fortsætter det, siger professor Mark Miodownik, direktør for Institute of Making ved University College London, forfatter til Stuff Matters, tv-vært og ivrig cykelrytter. Han fortsætter: 'Det er en smuk måde at optimere vægten, omkostningerne og ydeevnen på et hjul på.'

Eger, når de er spændt, afstiver i det væsentlige fælgen ved at bruge navet som det centrale anker. I et perfekt scenarie trækker hver eger med samme spænding for at fordele belastningen jævnt over hele hjulet, mens den også holder fælgen sand og cirkulær. Egerne skal understøtte hjulet mod lateral flex og deformation af fælgen og også modstå, at hjulet effektivt bliver klemt af lodret belastning (radial kompression). Ingen lille opgave. Det er ikke så mærkeligt, at der siden fremkomsten af hjulet er blevet undersøgt meget få andre løsninger.

Egerspænding

Dt Swiss t alte
Dt Swiss t alte

Nu begynder tingene at blive tekniske, og du vil ikke være alene, hvis det efterfølgende er lidt forvirrende og kontraintuitivt. Der er stor uenighed om, hvorvidt en cykel i virkeligheden hænger fra de øverste eger (dem over navet, når du ser cyklen fra siden) eller rettere bliver understøttet af de nederste, og fungerer som små søjler."Sidstnævnte synspunkt, hvor mærkeligt det end ser ud til, er definitivt tilfældet," siger Jim Papadopoulos fra Northeastern University's College of Engineering i Boston, USA, og medforfatteren til Bicycling Science.

Selvom det er let at tro, at en cykeleger simpelthen ville kollapse under vægten af cyklen og rytteren, fortsætter han med at forklare, at den spænding, der skabes i en eger under hjulbygningsprocessen (kaldet 'forspænding') er hvad der gør det muligt for de nederste eger at bære belastningen uden at bukke, som de ville, hvis der ikke var forspænding. 'Hver eger på det ubelastede hjul har en spænding i størrelsesordenen 100 lb [445N]. Når akslen presses mod jorden med en kraft på 100lb, er den eneste signifikante effekt på egerspændingerne at reducere dem direkte under navet - typisk reducerer man til omkring 50lb og egerne til hver side af den reducerer til omkring 75lb. Det er præcis, hvad man ville se med massive træeger som et gammelt vognhjul - det nederste ville bære 50 lb og dem på hver side af det ville bære 25 lb. Forskellen med wire eger hjul er, at en wire eger ikke kan bære en kompressionsbelastning - den vil kollapse. Så alle eger er geni alt forspændte. En wire kan ikke bære en kompressionsbelastning på 50lb, undtagen når den allerede bærer en spændingsbelastning, der overstiger det.

‘Selvfølgelig vil et cykelhjul kollapse, hvis de øvre eller vandrette eger fjernes,« tilføjer Papadopoulos. »Men det er i bund og grund, fordi den ændrede konstruktion har en meget anderledes belastningsvej og desuden ikke er i stand til at levere den nødvendige forspænding. Vi kan ikke bruge det sammenbrud til at konkludere, at det typiske hjul bærer belastning gennem de øverste eger.’ Hvis det får dit hoved til at snurre, er du ikke alene. Så lad os gå videre til det mere ligetil område med egermateriale.

Ståleger

egetråd
egetråd

Eger er overvejende lavet af stål, et materialevalg, der, som Miodownik fortæller os, 'dybest set kommer ned på evnen til at have et pålideligt gevind. Ståltråd er fantastisk, fordi selv med en meget lille mængde fastgørelsesområde, såsom hvor nippelen holder egeret ved fælgen, kan du lægge ret meget spænding på dem uden at strippe gevindet. Rustfrit stål er det ideelle materiale, da det har den rigtige blanding af høj styrke og lav vægt, samtidig med at det er overkommeligt.’

Rustfrit stål har været det foretrukne metal til eger siden slutningen af det 19. århundrede på grund af dets høje trækstyrke, som gør det muligt for eger at forblive relativt tynde og lette, mens de kan klare de kræfter, der påføres dem. "Eger i blødt stål skal være dobbelt så tunge og tykke," siger Chris Hornzee-Jones, direktør hos konstruktionsingeniørerne Aerotrope. Han designede den banebrydende Lotus kulfiber-mountainbike og arbejdede på et af de største spændeegrede hjul, der nogensinde er lavet - strukturen med en diameter på 60 m, der er ophængt under taget af Millennium Dome, der bruges som platform for luftartister. »Ved at tilføje krom og molybdæn til jern og kulstof i blødt stål er den resulterende rustfri stållegering meget mere modstandsdygtig over for træthed.’

Træthed er en egers nemesis. Hvis du tror, at dine quads gentagne gange bliver belastet af gentagelsen af dine pedalslag, så skam dine eger, der bliver slået med hver eneste hjulomdrejning. Hver eger i hjulet kommer kun under trykbelastning i den brøkdel af et sekund, den er direkte under navet, og i det øjeblik bliver den komprimeret, før trykket falder, og den kan vende tilbage til sin normale længde. Det er en ubarmhjertig cyklus, der bogstaveligt t alt kan være en ophævelse af et dårligt bygget hjul.

t alte brystvorte
t alte brystvorte

'Et hjul er som et udmattende løbebånd til eger, som gøres endnu sværere for dem ved at have fået tilføjet et gevind i den ene ende og [i de fleste tilfælde] en bøjning og/eller hoved i den anden,' siger Hornzee-Jones. »Tråden er en koncentrator af stress, og belastningsoverførslen sker for det meste gennem de første par gevind. Desuden er brystvorten forholdsvis stiv, og da den forsøger at sidde vinkelret på fælgen, flugter den sjældent perfekt med den vinkel, egerne kommer til, hvilket kan være årsagen til yderligere koncentreret belastning. I den anden ende bøjer J-bøjningen minutiøst, og efter hundredtusindvis af normale hjulrotationer kan små overfladefejl, kun mikrometer dybe og fuldstændig umærkelige for det menneskelige øje, begynde at åbne sig. Det er en langsom proces i starten, men vil i sidste ende føre til, at eger knækker.'

Aluminium eger

Stål er dog ikke det eneste materiale, der bruges til eger. Mavic og Campagnolo (samt Campagnolos søsterselskab Fulcrum) har længe været fortalere for aluminium-eger. Aluminium har en tredjedel af densiteten af stål, men omkring en tredjedel af stivheden også, så egerne skal være tykkere, hvilket betyder, at de potentielt er mindre aerodynamiske, kræver brystvorter med større diameter og efterfølgende større huller i fælgene, hvilket kan reducere fælgstyrke og stivhed. Aluminiumseger har også en tendens til at bruge et straight-pull design, da en J-bøjning i aluminium med stor sandsynlighed vil svigte under stress.

En anden begrænsning er, at aluminium ikke holder en tråd så let. Mavics løsning er at skrue niplerne direkte ind i fælgen i stedet for på egerne. Campagnolo foreslår, at den vælger aluminiums-eger, der vejer det samme som stålversioner, men til sammenligning forbedrer kørefølelsen af dens hjul, men dette er et stort set subjektivt spørgsmål, hvor eger kun spiller én rolle, hvor dæk, fælge og nav også er vigtige spillere, endsige resten af cyklen.

I betragtning af de forskellige belastninger, som eger tåler, virker kulfiber måske slet ikke som et sandsynligt valg, men Mavic har sammen med flere andre high-end hjulmærker, såsom Lightweight og Reynolds for at nævne to, fundet måder at udnytte sin trækstyrke i eger, med åbenlyse vægtbesparelser på højkant. Mavic's R-Sys SLR bruger for eksempel hule kulstofrør til at give stivhed under spænding og modstand mod kompression.'Egerstrækningen er meget lavere end stål eller legering, fordi kulstof er stivere', siger Mavics Michel Lethenet. "Da de er rør, modstår de kompression, hvilket hjælper med at bevare hjulets stivhed, selvom der kræves nogle metaldele, som er bundet i hver ende for at lave fastgørelserne ved fælgen og navet." En alternativ metode er anvendt i Mavic's Cosmic Carbone Ultimate, hvor carbon-eger med blade går fra den ene side af hjulet til den anden, forbindes med navflangen og krydser andre eger undervejs.

Sandhed fra spin

t alte stød
t alte stød

Der er et par andre dele af modtaget cykelvisdom i forbindelse med eger, som Peter Marchment, materialeforsker og direktør for Hunt Bike Wheels, er glad for at fordrive. "Et hjul, der bruger en dybere fælg med kortere eger, ses ofte som "stærkere", men det er norm alt på grund af den iboende ekstra stivhed i fælgen," siger han.»Mange tror også, at en højere egerspænding betyder, at du får et stivere hjul, men det er ikke tilfældet. Hjulstivhed påvirkes af mange ting udover spænding alene, inklusive egerantal, afstivningsvinkel og fælgdybde.

Faktisk vil en eger forlænges med den samme mængde, når den er belastet, uanset den påførte forspænding, hvilket betyder, at forøgelse af egerspændingen ikke gør hjulet stivere.' Marchment fortsætter, 'At sætte egerne under den rigtige spænding er afgørende. Ved ekstremt høje spændinger er fælgen og egerne mere tilbøjelige til at blive beskadiget, fordi de effektivt bliver forbelastet med en høj kraft. Men lave egerspændinger er også et problem, fordi brystvorten er mere tilbøjelig til at løsne sig [vinde af], når de afstresses gennem sammenstød eller vejvibrationer, hvilket får hjulet til at gå ud af sandhed.’

Uanset spænding og mønster, er der et stort udvalg af eger at vælge imellem, for ikke at nævne mange variationer i kvaliteten af den ledning, de er lavet af. Sapim, en af de førende egerproducenter, producerer 300 millioner eger om året og shopper rundt for at opretholde kvaliteten og forblive konkurrencedygtig på tværs af sit produktsortiment. "Tres til 70 procent af prisen på en almindelig eger kan ligge i materialet, så det er vigtigt at få det rigtigt, men det vigtigste for alle vores eger er ledningens ydeevne," siger Sapims salgschef., Klaus Grüter. "Vi leder efter en ledning, der er lys og skinnende, og som har en trækstyrke på 1.000 til 1.050N/mm2 med gode udmattelsesdata og vigtigst af alt, fremragende korrosionsbestandighed."

Grüter fortæller os, at prøver er laboratorietestet for trækstyrke, bøjning og vridningsmodstand. Når den er accepteret, rettes tråden fra spolerne ud af maskine og skæres over. Almindelig tråd kan også laves til stødte eger (hvor den centrale del er gjort smallere) ved at trække tråden gennem en matrice. Når egerhovedet og J-bøjningen er stødt sammen, smedes det, og tråden i den anden ende rulles (ikke klippet). Færdige eger inspiceres både af maskinsynssystemer og af menneskeligt øje og hånd. Én maskine er i stand til at lave 20.000 eger om dagen, hvilket forklarer, hvorfor forskellige lønomkostninger har ringe indflydelse på prisen på en færdig eger, og hvorfor producenter verden over kan sælge til lignende priser.

klingede eger
klingede eger

Men hvorfor rømme en eger alligevel? Jonathan Day fra Strada Wheels forklarer: Butted eger er bedre til at håndtere drejningsmoment end almindelig gauge. De er bredere i hjulets plan, som er retningen af vridningskraften, så der er mere materiale til at modstå det. Desuden bøjer de lidt mere i det vinkelrette plan, så de er bedre til at fordele kompressionsbelastningen over hjulet.’

Egermønster

Det traditionelle egemønster på et cykelhjul omfattede 32 (eller nogle gange 36) eger, krydsede tre gange. Det sammenvævede mønster af egerne i et traditionelt snøret hjul, langt fra at være et smukt kalejdoskopisk arrangement, er faktisk en funktionel del af hjuldesignet.

Med hensyn til lateral stivhed tillader de punkter, hvor egerne krydser hinanden, hver af dem at støtte sig mod hinanden, når den sættes under spænding, samt understøtte den, når den komprimeres. Den mest vitale rolle for snøremønsteret med tre krydser er i et baghjul, hvor egerne skal overføre pedalkraft fra navet. I dette tilfælde belastes egerne med meget større torsionsbelastninger takket være vridningskraften fra drivlinjen. Eger på kassettesiden, der forlader navet tangentielt, overfører en roterende kraft (drejningsmoment) fra navet til fælgen. Radiale eger (som følger en sti fra midten af navet direkte til fælgen uden at krydse en anden) er meget mindre i stand til at klare denne type belastning og vil have større sandsynlighed for at fejle.

Når drejningsmoment ikke er et problem, såsom på et forhjul med fælgbremser, er det fornuftigt at bruge radiale eger. Dette sparer vægt, da egerne kan være kortere, og der skal færre til for at skabe et sideværts stift hjul. Det ser også godt ud. Skivebremser forårsager dog betydelig vridningsbelastning, hvilket gør radial eger næsten umuligt. "At få snøremønsteret rigtigt er nøglen, fordi egerne deler kompressionsbelastningen ved at klemme mod naboerne, de krydser, så egerne bør snøres til at være ledere eller trailere," siger Day. »Du skal sikre dig, at en førende eger tager belastningen først på drivsiden. På et 32-eger hjul vil du have 16 førende eger til at dele lasten. Hvis du får snøret forkert, ender du med kun otte, der udfører arbejdet.'

Det er bemærkelsesværdigt, at egermønstre er forblevet et af de mindst udfordrede aspekter af hjuldesign, på trods af nogle massive spring fremad inden for materialer og fremstillingsteknologi gennem de seneste årtier. Det er en virkelig gennemprøvet metode, og som man siger, hvis den ikke gik i stykker…

Anbefalede: