Những người hùng thầm lặng của xe đạp, chúng tôi nghĩ rằng đã đến lúc những chiếc nan hoa nhận được sự tôn trọng đó
Những sợi dây mảnh này thực hiện một công việc khó khăn không ngừng, được kéo căng và nén nhiều lần với mỗi vòng quay của bánh xe. Chúng cũng truyền các lực gia tốc của bàn đạp từ trung tâm đến vành bánh xe và truyền cả lực phanh. Vai trò của chúng đối với thực tế là chúng ta có thể đi xe đạp gần như là một điều kỳ diệu - những sợi dây mỏng như vậy hỗ trợ tải trọng khổng lồ như vậy. Vì vậy, chúng tôi cảm thấy rằng đã đến lúc người khiêm tốn phát biểu nhận được một số tín dụng, nơi mà cả một tải trọng sắp đến hạn.
'Điều kỳ diệu của bánh xe có gai là nó có thể truyền lực thường rất lớn do người lái, xe đạp và các loại mặt đường khác nhau tạo ra vào các thanh mảnh này, mỗi thanh được nén một cách có hệ thống khi bánh xe quay và tải trọng chuyển từ Giáo sư Mark Miodownik, Giám đốc Viện Chế tạo tại Đại học London, tác giả của Stuff Matters, người dẫn chương trình truyền hình và người đi xe đạp sắc sảo, cho biết. Anh ấy tiếp tục, "Đó là một cách tuyệt vời để tối ưu hóa trọng lượng, chi phí và hiệu suất của bánh xe."
Các nan hoa, một khi bị căng, về bản chất sẽ nẹp vành bằng cách sử dụng trục làm neo trung tâm. Trong một kịch bản hoàn hảo, mỗi chấu sẽ kéo với lực căng bằng nhau để phân bổ tải trọng đều khắp bánh xe trong khi vẫn giữ cho vành xe tròn và chân thực. Các nan hoa phải hỗ trợ bánh xe chống lại sự uốn cong bên và biến dạng của vành và cũng chống lại việc bánh xe bị ép một cách hiệu quả do tải trọng thẳng đứng (nén hướng tâm). Không có nhiệm vụ nhỏ. Có một điều hơi ngạc nhiên là kể từ khi bánh xe ra đời, rất ít giải pháp khác đã được khám phá.
Nói Căng thẳng
Bây giờ mọi thứ bắt đầu trở nên kỹ thuật và bạn sẽ không đơn độc nếu những gì sau đây hơi khó hiểu và phản trực giác. Có nhiều ý kiến bất đồng về việc liệu một chiếc xe đạp có thực sự bị treo ở các nan phía trên (những cái phía trên trung tâm khi bạn nhìn xe đạp từ bên cạnh) hay đúng hơn là được đỡ bởi những chiếc phía dưới, hoạt động như những cột trụ nhỏ. Jim Papadopoulos từ Đại học Kỹ thuật thuộc Đại học Northeastern ở Boston, Hoa Kỳ và là đồng tác giả của Khoa học Đi xe đạp, cho biết: “Quan điểm thứ hai, kỳ quặc như vậy, chắc chắn là đúng như vậy”.
Mặc dù dễ dàng tin rằng một chiếc xe đạp có chấu sẽ chỉ bị sụp xuống dưới sức nặng của xe đạp và người lái, nhưng anh ấy tiếp tục giải thích rằng lực căng tạo ra trong một chấu trong quá trình chế tạo bánh xe (được gọi là 'lực căng trước') là điều gì cho phép các nan dưới chịu tải mà không bị vênh, như chúng sẽ làm nếu không có lực căng trước. ‘Mỗi bánh xe không tải có lực căng bằng 100lb [445N]. Khi trục được ép về phía mặt đất với một lực 100lb, tác động đáng kể duy nhất đối với lực căng của các chấu là làm giảm những căng thẳng bên dưới trục - thông thường, một chiếc giảm xuống khoảng 50lb và các nan hoa ở mỗi bên giảm xuống khoảng 75lb. Đây chính xác là những gì người ta sẽ thấy với các nan gỗ rắn chắc như một bánh xe toa tàu cũ - chiếc dưới cùng sẽ chở được 50lb và những chiếc ở hai bên của nó sẽ chở được 25lb. Sự khác biệt với bánh xe có dây là một nan hoa không thể chịu tải trọng nén - nó sẽ bị xẹp xuống. Vì vậy, tất cả các nan hoa đều được căng trước một cách khéo léo. Một sợi dây không thể chịu tải trọng nén 50lb, trừ khi nó đã chịu tải trọng căng vượt quá mức đó.
‘Tất nhiên bánh xe đạp sẽ bị xẹp nếu loại bỏ các nan trên hoặc nan ngang,” Papadopoulos cho biết thêm. “Nhưng đó thực chất là do cấu trúc bị thay đổi có đường dẫn tải rất khác, và hơn nữa không thể cung cấp lực căng trước cần thiết. Chúng tôi không thể sử dụng sự sụp đổ đó để kết luận rằng bánh xe điển hình truyền tải qua các nan phía trên.”Nếu điều đó khiến đầu bạn quay, bạn không đơn độc. Vì vậy, hãy chuyển sang lĩnh vực đơn giản hơn của tài liệu nói.
Phôi thép
Các nan hoa chủ yếu được làm bằng thép, một sự lựa chọn vật liệu, như Miodownik nói với chúng tôi, về cơ bản là khả năng có một sợi chỉ đáng tin cậy. Dây thép rất tốt vì ngay cả với một lượng rất nhỏ khu vực buộc dây, chẳng hạn như nơi núm vú giữ phần nói ở vành, bạn có thể đặt khá nhiều lực căng lên chúng mà không làm đứt chỉ. Thép không gỉ là vật liệu lý tưởng vì nó có sự kết hợp phù hợp giữa độ bền cao và trọng lượng thấp, đồng thời giá cả phải chăng. '
Thép không gỉ đã là kim loại được lựa chọn làm nan hoa từ cuối thế kỷ 19 vì độ bền kéo cao của nó, cho phép nan hoa vẫn tương đối mỏng và nhẹ trong khi chịu được lực tác động lên chúng. Chris Hornzee-Jones, giám đốc kỹ sư kết cấu Aerotrope, cho biết: “Các nan thép nhẹ sẽ phải nặng và dày gấp đôi. Ông đã thiết kế chiếc xe đạp leo núi bằng sợi carbon mang tính đột phá Lotus và làm việc trên một trong những bánh xe có sức căng lớn nhất từng được sản xuất - cấu trúc đường kính 60m lơ lửng bên dưới mái của Millennium Dome, được sử dụng làm bệ đỡ cho những người biểu diễn trên không. ‘Bằng cách thêm crom và molypden vào sắt và cacbon của thép nhẹ, hợp kim thép không gỉ tạo ra có khả năng chống mỏi tốt hơn nhiều.’
Mệt mỏi là kẻ thù không đội trời chung. Nếu bạn nghĩ rằng các bánh xe của bạn đang bị căng thẳng liên tục do sự lặp lại của các cú đạp bàn đạp của bạn, thì hãy thương hại cho các nan hoa của bạn, bị đè nén với mỗi vòng quay của bánh xe. Mỗi chấu trong bánh xe chỉ chịu tải trọng nén trong một phần giây mà nó nằm ngay bên dưới trung tâm, và trong thời điểm đó, nó bị nén trước khi áp suất tắt và nó có thể trở lại chiều dài bình thường. Đó là một chu kỳ không ngừng nghỉ có thể là sự hoàn tác của một bánh xe kém chất lượng, theo đúng nghĩa đen.
'Bánh xe giống như một cái máy chạy bộ mệt mỏi với các nan hoa, được làm khó hơn tất cả bằng cách có một sợi chỉ được thêm vào ở một đầu và [trong hầu hết các trường hợp] một khúc cua và / hoặc đầu ở đầu kia,' Hornzee-Jones nói. ‘Luồng là bộ phận tập trung ứng suất và sự truyền tải chủ yếu xảy ra thông qua một vài luồng đầu tiên. Hơn nữa, núm vú tương đối cứng và khi nó cố gắng ngồi vuông góc với vành, nó hiếm khi khớp hoàn hảo với góc mà miệng nói đến, điều này có thể là nguyên nhân của ứng suất tập trung bổ sung. Ở đầu kia, khúc cua chữ J uốn cong từng chút và sau hàng trăm nghìn vòng quay bình thường của bánh xe, bất kỳ lỗ hổng nhỏ nào trên bề mặt, chỉ sâu cỡ micromet và mắt người hoàn toàn không thể nhận thấy, có thể bắt đầu mở ra. Thoạt đầu, quá trình này diễn ra chậm nhưng cuối cùng sẽ dẫn đến hỏng giọng nói.’
Phào nhôm
Thép không phải là vật liệu duy nhất được sử dụng cho nan hoa. Mavic và Campagnolo (cũng như công ty chị em của Campagnolo là Fulcrum) từ lâu đã ủng hộ các nan nhôm. Nhôm có một phần ba tỷ trọng của thép nhưng cũng bằng một phần ba độ cứng, vì vậy các nan hoa cần dày hơn, có nghĩa là chúng có khả năng kém khí động học hơn, yêu cầu các núm có đường kính lớn hơn và sau đó, các lỗ lớn hơn trên vành, có thể giảm độ bền và độ cứng của vành. Các nan nhôm cũng có xu hướng sử dụng thiết kế kéo thẳng vì nhôm uốn chữ J sẽ có khả năng bị hỏng khi chịu lực rất cao.
Một hạn chế khác là nhôm không dễ dàng giữ một sợi chỉ. Giải pháp của Mavic là luồn các núm trực tiếp vào vành, thay vì vào chấu. Campagnolo gợi ý rằng họ chọn các nan nhôm có trọng lượng tương đương với các phiên bản thép, nhưng bằng cách so sánh sẽ cải thiện cảm giác lái của bánh xe, tuy nhiên đây là vấn đề chủ quan phần lớn trong đó nan hoa chỉ đóng một phần, với lốp, vành và trung tâm cũng đóng vai trò quan trọng, hãy để một mình phần còn lại của chiếc xe đạp.
Với những áp lực khác nhau mà nan hoa phải chịu đựng, sợi carbon có vẻ không phải là một lựa chọn khả dĩ chút nào, nhưng Mavic, cùng với một số thương hiệu bánh xe cao cấp khác, chẳng hạn như Lightweight và Reynolds, đã tìm ra cách để khai thác độ bền kéo của nó trong các nan hoa, với việc tiết kiệm trọng lượng rõ ràng cho các gắp. Ví dụ, Mavic’s R-Sys SLR sử dụng các ống carbon rỗng để cung cấp độ cứng dưới sức căng và khả năng chống nén. Mavic’s Michel Lethenet cho biết: “Độ căng của các chấu thấp hơn nhiều so với thép hoặc hợp kim vì carbon cứng hơn. 'Là dạng ống, chúng chống lại lực nén, giúp duy trì độ cứng của bánh xe, mặc dù cần phải có một số bộ phận kim loại, được liên kết ở mỗi đầu để tạo ra các bộ phận gắn ở vành và trục. Cuối cùng, trong đó các nan carbon có cánh đi từ bên này sang bên kia của bánh xe, kết nối với mặt bích trung tâm và băng qua các nan khác trên đường.
Sự thật từ vòng quay
Có một số thông tin khác về xe đạp đã nhận được liên quan đến nan hoa mà Peter Marchment, nhà khoa học vật liệu và giám đốc của Hunt Bike Wheels, rất vui khi được giải tán. "Một bánh xe sử dụng vành sâu hơn với các nan ngắn hơn thường được coi là" mạnh hơn "nhưng điều này thường là do độ cứng tăng thêm vốn có của vành", ông nói.'Ngoài ra, nhiều người tin rằng độ căng của bánh xe cao hơn đồng nghĩa với việc bánh xe cứng hơn, nhưng thực tế không phải vậy. Độ cứng của bánh xe bị ảnh hưởng bởi nhiều thứ ngoài lực căng, bao gồm số lượng chấu, góc giằng và độ sâu vành xe.
Trên thực tế, một chấu sẽ dài ra cùng một lượng khi được tải, bất kể lực căng trước được áp dụng, có nghĩa là việc tăng độ căng của chấu sẽ không làm cho bánh xe cứng hơn. "Marchment tiếp tục," Đặt các nan hoa dưới độ căng phù hợp là quan trọng. Ở độ căng cực cao, vành và nan hoa dễ bị hư hỏng hơn vì chúng đang được tải trước một cách hiệu quả với một lực cao. Tuy nhiên, độ căng của bánh xe thấp cũng là một vấn đề vì núm vú có nhiều khả năng bị lỏng ra [bung ra] khi chúng bị giảm căng thẳng do va chạm hoặc rung chuyển trên đường, khiến bánh xe bị lệch.’
Dù độ căng và kiểu dáng như thế nào, có rất nhiều nan hoa để bạn lựa chọn, chưa kể đến nhiều biến thể về chất lượng của dây mà chúng được tạo ra. Sapim, một trong những nhà sản xuất nan hoa hàng đầu, sản xuất 300 triệu nan hoa mỗi năm và các cửa hàng xung quanh để duy trì chất lượng và duy trì tính cạnh tranh trên toàn bộ sản phẩm của mình. Giám đốc bán hàng của Sapim cho biết: '60% đến 70% giá của một chiếc đồng hồ đo trơn có thể nằm ở chất liệu, vì vậy điều quan trọng là phải làm đúng như vậy, nhưng điều quan trọng nhất đối với tất cả các nan hoa của chúng tôi là hiệu suất của dây., Klaus Grüter. "Chúng tôi đang tìm kiếm một loại dây sáng và bóng và có độ bền kéo từ 1, 000 đến 1, 050N / mm2 với dữ liệu mỏi tốt và quan trọng là khả năng chống ăn mòn tuyệt vời."
Grüter cho chúng tôi biết các mẫu được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm về độ bền kéo, khả năng chịu uốn và xoắn. Sau khi được chấp nhận, dây ra khỏi ống cuộn được làm thẳng bằng máy và cắt. Dây đo trơn cũng có thể được làm thành các nan hoa (nơi phần trung tâm được làm hẹp hơn) bằng cách kéo dây qua một khuôn. Sau khi đã húc, phần đầu của chấu và phần uốn chữ J sẽ được rèn và chỉ ở đầu kia được cuộn lại (không cắt). Các nan hoa thành phẩm được kiểm tra bằng cả hệ thống thị giác máy và mắt người và bàn tay. Một chiếc máy có thể tạo ra 20.000 nan hoa mỗi ngày, điều này giải thích tại sao chi phí lao động khác nhau ít ảnh hưởng đến giá của một nan hoa hoàn thiện và tại sao các nhà sản xuất trên toàn thế giới có thể bán với giá tương tự.
Nhưng tại sao mông a vẫn nói? Jonathan Day của Strada Wheels giải thích, ‘Các nan hoa có rãnh có khả năng xử lý mô-men xoắn tốt hơn so với thước trơn. Chúng rộng hơn trong mặt phẳng của bánh xe, là hướng của lực xoắn, vì vậy có nhiều vật liệu hơn để chống lại nó. Ngoài ra, chúng uốn cong hơn một chút trong mặt phẳng vuông góc, vì vậy chúng phân phối tải trọng nén qua bánh xe tốt hơn.’
Nói mẫu
Kiểu bánh xe đạp truyền thống bao gồm 32 (hoặc đôi khi là 36) nan hoa, được đan chéo ba lần. Mô hình đan xen của các nan hoa trong một bánh xe có dây truyền thống, không chỉ là một kiểu sắp xếp kính vạn hoa đẹp mắt, thực sự là một phần chức năng của thiết kế bánh xe.
Về độ cứng bên, các điểm mà các nan hoa giao nhau cho phép mỗi nan hoa chống lại một nan hoa khác khi nó được đặt dưới sức căng, cũng như hỗ trợ nó khi nó bị nén. Vai trò quan trọng nhất của kiểu viền ba chữ thập là ở bánh sau, nơi các nan hoa phải truyền lực đạp từ trung tâm. Trong trường hợp này, các nan hoa chịu tải trọng xoắn lớn hơn nhiều nhờ lực xoắn từ hệ thống truyền lực. Các nan hoa trên mặt cassette, rời khỏi trục theo phương tiếp tuyến, truyền một lực quay (mô-men xoắn) từ trục sang vành. Các nan hướng tâm (đi theo đường từ tâm trung tâm trực tiếp đến vành mà không vượt qua vành khác) ít có khả năng đối phó với loại tải này hơn và có nhiều khả năng bị hỏng hơn.
Khi mô-men xoắn không phải là vấn đề, chẳng hạn như trên bánh trước có phanh vành, việc sử dụng nan hoa hướng tâm có ý nghĩa. Điều này giúp tiết kiệm trọng lượng, vì các nan hoa có thể ngắn hơn và cần ít nan hơn để tạo ra một bánh xe cứng hơn. Nó trông cũng tốt. Tuy nhiên, phanh đĩa gây ra tải trọng xoắn đáng kể, khiến cho việc tạo ra hướng tâm là không thể. Day nói: “Làm đúng kiểu viền là điều quan trọng bởi vì các nan hoa chia sẻ tải trọng nén bằng cách ép vào các hàng xóm mà chúng cắt ngang, vì vậy các nan hoa nên được viền để trở thành người dẫn đầu hoặc xe kéo,” Day nói. Bạn phải đảm bảo rằng một thanh nói dẫn đầu chịu căng thẳng đầu tiên ở phía ổ đĩa. Trên bánh xe 32 chấu, bạn muốn có 16 nan hoa hàng đầu để chia sẻ tải trọng. Nếu bạn mắc sai lầm, bạn sẽ chỉ có tám người thực hiện công việc. '
Đáng chú ý là, các mô hình nối vẫn là một trong những khía cạnh ít bị thách thức nhất của thiết kế bánh xe, bất chấp một số bước tiến vượt bậc về vật liệu và công nghệ sản xuất trong những thập kỷ gần đây. Đó là một phương pháp thực sự đã được thử và thử nghiệm và như người ta thường nói, nếu nó không thành công…
