Як працює колесо та чому з'являються вісімки?

Збирання коліс — це і наука, і мистецтво. Механіки вчаться цьому все життя. У рамках однієї статті описати принцип роботи колеса дуже складно, але для загального розуміння ми спробуємо розібратись та відповісти на три питання.

1. Чому варто підтягувати спиці та перевіряти натяжіння?
2. Чому варто звертатися до професіоналів?
3. Чому варто купляти якісні спиці?

Забігаючи наперед, радимо всім, хто цікавиться, прочитати книгу Джобста Брандта "Велосипедне колесо" ("The Bicycle Wheel"). Це справжня біблія для веломеханіка. Вона написана простою та зрозумілою мовою і містить рекомендації по збиранню коліс від інженера з досвідом роботи у компаніях Avocet, Stanford Linear Accelerator Center, Hewlett-Packard та Porsche.

Ну а ми розпочнемо. Щоб відповісти на перше питання, слід спочатку розібратися у тому, які сили діють на колесо у статиці та русі і що під час руху відбувається зі спицями та ободом.

На колесо діють статичні та динамічні навантаження. Статичні навантаження, такі як натяжіння спиць або тиск повітря у камері, не змінюються або змінюються плавно протягом тривалого відрізку часу. Динамічні навантаження змінюються постійно. Їх три: розтяжіння, стискання та скручування.

Статичні навантаження.

Натяжіння спиць підтримує колесо у стабільному стані. Стабільність колеса напряму залежить від рівномірного натяжіння кожної окремої спиці та фізичної цілісності ободу та фланців втулки.

Функцію спиці у зібраному колесі можна порівняти з функцією арматури всередині залізобетонної конструкції. Бетон може витримувати жахливі навантаження на стискання, але напрочуд легко деформується при спробі розтягнути конструкцію. Якщо конструкція провішена між двома точками, як проліт мосту на опорах, вона зламається під власною вагою. Щоб уникнути цього, у будівництві вдаються до переднатягнення конструкцій. Всередині залізобетону знаходиться сталева арматура, яка приймає на себе навантаження та не дозволяє бетону розірватися. Спиця у колесі грає саме таку роль: вона працює, коли якась сила тягне її на себе.

Грамотно зібране колесо на 36 спиць може витримати навантаженняя до 400 кілограмів. Коли велосипед не рухається, колесо знаходиться у рівновазі. Як тільки на велосипед сідає вершник, через його вагу (а вага, як ми пам'ятаємо зі школи, це — сила, вектор якої спрямовано до центру мас) відбувається перерозподіл навантажень на спиці, обід та фланці втулки.

Іншим статичним навантаженням є тиск повітря у колесі. Чим більший цей тиск, тим сильнішим є його вплив на систему. Для фетбайка, колеса якого накачані до 10 PSI (0.5 атм), можна знехтувати цим параметром. А ось власник шосейного або трекового велосипеда, колеса якого накачують іноді до 160 PSI (11 атм) та вище, обов'язково має взяти до уваги силу, яка стискає обід.

Волокна у шосейній однотрубці прокладені "ялинкою" під кутом 90° по відношенню одне до одного та під кутом 45° у поперечній площині. При накачуванні волокна підтягуються назад, розкриваючи кут на додаткові 3-5°. Покришка ущільнюється, роздається у ширину і зменшується у діаметрі. Волокна накачаної до 124 PSI (8.5 атм) трубки тиснуть на обід силою 300 Н — цього достатньо, щоб перетягнуте колесо втратило форму. При протяжці колесо може тріщати — це нормально. І це унеможливлює визначення на слух того, що вказаний виробником ободу ліміт натягу перебільшено. Недосвідчені механіки іноді настільки нерівномірно натягують спиці, що після накачування колеса його веде "вісімкою". Якщо різниця невелика, спускання тиску повертає колесу початкову форму, але іноді виправити "вісімку" вдається тільки після протяжки спиць з нуля. Саме тому слід звертатись до досвідченого механіка або перевіряти дані про максимальне натяжіння спиць у виробника ободів. Для кожної моделі ці дані суворо індивідуальні.

Клінчерна покришка не тисне вниз, як однотрубка. Натомість, тиск її стінок на борти ободу спрямований поперечно в обидва боки. Клінчерний обід повинен витримувати навантаження від стінок покришки, що тиснуть на його борти зсередини, тому борти зроблені товстими з урахуванням природного зносу від тертя колодок об гальмівні доріжки. Перевіряйте максимально допустимий тиск для клінчерного ободу.

Кілька років тому шосейні спортсмени перейшли на широкі покришки (до 28с та у окремих випадках більше). Це зробило фізично можливим використання на шосейниках вузьких (21-25 мм) 622 мм ободів для МТБ. Не робіть цього. Використання шосейних покришок на полегшених МТБ-ободах недопустиме. Більшість тонкостінних ободів для найнера розрахована на використання з безкамерками. Верхній ліміт тиску на таких ободах сягає 4,5 бар або 65 PSI, що є нижньою планкою тиску для шосе. Якщо райдер високий на зріст та важить більше 80 кілограмів, нормальним робочим тиском для нього буде позначка 7,5-8 бар. Такий тиск може незворотньо деформувати обід.

Динамічні навантаження.

У русі на колесо діють поперечні, торсіонні та радіальні навантаження, які призводять до пластичної деформації ободу та спиць. Вага вершника є динамічним навантаженням, яке напряму впливає на структуру колеса. Навіть якщо велосипедист їздить тільки по ідеально гладкому асфальту, його вага сама по собі може бути достатньою причиною для поступової втоми складових колеса. До цього ми ще повернемось.

Коли велосипед рухається, радіальне навантаження спрямовується вертикально. Воно зміщує обід відносно втулки: догори-вниз, догори-вниз. Як ми вже казали вище, коли велосипед стоїть на місці, спиці його коліс знаходяться у стані рівноваги — всі спиці натягнуті рівномірно. Ви можете перевірити натяжіння за звуком, який спиці видають від щипка: вони видаватимуть звуки схожої частоти, немов музичний інструмент. За наявності тензометра така перевірка буде більш показовою. Тепер сядьте на велосипед та попросіть друга послідовно щипнути спиці, які знаходяться вище та нижче втулки. Частота цих звуків буде різна. Що відбулося? Своєю вагою ви завантажили колесо і спричинили перерозподіл натяжіння, вивівши спиці зі стану рівноваги. Тепер дві спиці, які знаходяться вертикально над втулкою, завантажені максимально. Завантаження двох нижніх спиць сягає свого мінімуму. Обід при цьому втратив ідеально круглу форму і набув форми овалу, хоча у макроскопічному масштабі без спеціального тесту помітити таку деформацію неможливо. Оскільки велосипед колесами спирається на поверхню, обід в зоні контакту з нею уплощується, призводячи до асиметричності деформації: ексцентриситет верхнього напівовалу колеса відрізняється від ексцентриситету нижнього.

Другою силою, яка діє на колесо у русі є торсіонне навантаження, яке виникає на обох колесах при гальмуванні та на задньому колесі при педалюванні. Візьмемо для прикладу велосипед, обладнаний обідними гальмами. Каліпер стискає обід зусиллям до 500 Н. Це спричиняє перерозподіл напруги між спицями, яке і формує обід. Відбувається це наступним чином: якщо розбити колесо на сегменти на кшталт годинникового циферблату, то спиці, що проходять сегменти від першої години до третьої, послаблюються до 5%. Спиці на протилежній стороні, що у цей момент проходять сегменти від сьомої до дев'ятої години, завантажуються на ті самі 5%.

Що відбулося у цьому випадку? Сумарне натяжіння спиць у колесі не змінилося. Відбувся перерозподіл навантажень з однієї зони до іншої. Уявіть тремтіння желе, коли ви несете його на тарілці — те ж саме відбувається й з колесом. І знов-таки, оскільки на обидва колеса тисне вага райдера та велосипед не літає десь по орбіті навколо Сонця, а спирається на поверхню, деформація ободу при гальмуванні далека від симетричної: за формою дуга з 11 до 5 години відрізняється від дуги з 5 до 11. 

Коли колесо наїжджає на перешкоду, до торсіонного навантаження додається радіальне, спрямоване вертикально вгору. Розвантажені нижні спиці розвантажаться ще сильніше, верхні спиці натягнуться пропорційно силі удару. Енергія удару гаситься та сила пружності повертає складовим колеса похідну форму.

Заднє колесо передає обертальний момент, який рухає велосипед вперед. Це ще одна торсіонна сила, яка діє на колесо велосипеда. Формула обертального моменту — це добуток довжини важеля на силу, що його рухає: T = l · F, але спиці гнучкі і не можуть виконувати роль важеля. Тому вони передають момент від втулки ободу через завантаження та розвантаження. Як нагадує Джобст Брандт, довжина важеля у цьому випадку — це відстань від центру вісі до центру отвора фланця втулки (не плутайте з зовнішнім радіусом фланця).

Коли вершник тисне на педалі, напрям дії торсіонної сили співпадає з напрямом обертання колеса. Коли він тисне на гальмо, скручування відбувається у протилежному напрямі.

Третьою силою, яка діє на колесо у динаміці є поперечне навантаження. В принципі, тут все просто: колесу не потрібно бути жорстким у поперечній площині, адже сили, які діють на нього у поворотах, досить слабкі. Переважну більшість часу велосипед їде прямо, тримаючи рівне положення. Поперечна жорсткість колеса приблизно дорівнює 1/10 від його радіальної жорсткості і це проблема тільки у тому випадку, коли велосипедист потрапляє в аварію.

Специфіка заднього колеса.

На задньому колесі знаходиться касета з передачами і вона займає чимало простору. Тому на велосипедах з паралелограмним перемикачем заднє колесо асиметричне. Кут розкриття парасольки на стороні приводу більший (тупіший), ніж на протилежній і натяжіння спиць на ній вдвічі більше. Вага вершника на колесі з 36 спицями спирається фактично не на 36, а на 18 спиць. І це проблема.

Заднє колесо слабкіше переднього. Необхідність передавати обертальний момент унеможливлює використання радіальної схеми спицювання, хоча іноді зустрічаються екзотичні комбіновані тангенціально-радіальні схеми, такі як Campagnolo G3. Діаметр фланця у задньої втулки завжди більший, ніж у передньої — цього вимагає наявність барабану на привідній стороні. Збільшений діаметр фланця допомагає спростити процес спицювання, аби не вдаватися до демонтажу барабану. І навіть маючи мінімум як 30 мм переваги у ширині втулки заднє колесо все одно слабкіше переднього.

Іноді цю проблему намагаються вирішити використанням втулок з асиметричними фланцями — такі втулки називаються Hi-Lo. В них фланець на стороні приводу має більший діаметр, ніж на протилежній.

Збільшення діаметру фланця зменшує ефективне натяжіння спиць. Гітаристи можуть навести актуальний приклад з довжиною мензури гітари: чим довша мензура — тим сильніше доводиться натягувати струни і навпаки. Втулка зі збільшеним фланцем також передає вдвічі більший обертальний момент. Саме з цієї причини трекові втулки мають великий діаметр фланця і саме тому на велосипедах іноді можна зустріти втулки Hi-Lo: така конструкція дозволяє якщо не зрівняти натяжіння обох парасольок, то хоча б наблизитись до такого зрівняння.

Але проблема асиметричності на велосипеді з заднім перемикачем не вирішена до сих пір. На більшості планетарних втулок такої проблеми немає, адже передача обертального моменту здійснюється через одну зірку, що дозволяє збільшити ширину втулки та зробити обидві парасольки симетричними.

Спиці.

Спиці підбираються під:

1. вагу вершника;
2. стиль їзди/умови використання;
3. висоту профілю ободу та діаметр фланців втулки (вибираємо довжину спиць для переднього та заднього колеса);

Також слід визначитись з тим, спиці якої форми ви хочете мати на своєму колесі. За формою спиці бувають прямі круглого розрізу, батовані круглого розрізу, батовані овального розрізу, пласкі аеродинамічні, пласкі з батованими кінцівками, тощо. У цій статті ми розповідали про те, якими вони бувають і чому слід надавати перевагу батованим спицям, тому ретельно фокусувати увагу не будемо. Нагадаємо лише, що від знакозмінних навантажень спиці ламаються у зонах накопичення стресу, які знаходяться біля кінцівок. Частіше за все спиця ламається трішки вище голівки. Батування дозволяє перерозподілити навантаження на велику центральну зону, що збільшує еластичність спиці та подовжує її життя.

Деформація колеса.

Деформація — це втрата похідної форми колеса. Деформація буває зворотною та незворотною. Основними видами деформації є так звані вісімка (поперечне відхилення сегменту ободу), яйце (овальність ободу), зміщення парасольки (коли колесо становиться не по центру вилки), поперечна та продольна вм'ятина ободу, тощо. Вісімка, яйце та зміщення парасольки відносяться до зворотної деформації, а остання з них майже завжди є помилкою механіка. Всі інші — це приклади катастрофічної поломки, яка вимагає заміни одного з основних компонентів або всього колеса загалом. Вони бувають спричинені ударами, сила яких перевищує поріг пружної деформації матеріалів, з якого зроблено колесо, лопанням спиці та ніпеля, розстикуванням шва, концентричним, продольним або поперечним лопанням ободу, лопанням фланця втулки, що спричинені статичними та/або динамічними навантаженнями, тощо.

Іноді деформація колеса спричинена незворотнім розтягуванням спиці (погана якість). Також через тривалу дію великого статичного навантаження спиця може вирвати оточуючу зону навколо отвору, що візуально схоже на кальдеру активного стратовулкану. Цей вид деформації спричинений недотриманням механіком рекомендацій щодо натяжіння спиць та/або перевантаженням велосипеда туристичним спорядженням (помилка користувача).

У рамках цієї статті катастрофічні (незворотні) деформації колеса та його компонентів ми розглядати не будемо і сфокусуємось на тому, що можна виправити без заміни комплектуючих.

Вісімка.

Давайте змоделюємо ситуацію, в якій колесо потрапило у яму на високій швидкості. Припустимо, що колесо заспицьоване у 3 хреста. Це означає, що на одному фланці спиця перетинається з трьома іншими. Перший та другий перетини віртуальні — голівки сусідніх спиць заведені з протилежних сторін фланця втулки, тому спиці знаходяться у різних площинах. У третій точці перетину спиці переплітаються, чим становляться взаємозалежними від натяжіння своєї сусідки. Під час руху удар спричиняє втрату натяжіння однієї спиці. Слабшання однієї спиці призводить до втрати натягу й зв'язаної з нею сусідньої. Отвори в ободах просвердлені не по центральній лінії, а з певним відступом у шаховому порядку, тому поряд з кожною спицею з однієї парасольки знаходиться спиця з протилежної і вона також зв'язана у пару на своїй стороні колеса. Оскільки пара спиць з протилежної сторони натягнута добре, сила пружності намагається звільнитись від сили, яка розтягує кожну з них. Дисбаланс статичних сил, що утворився, спричиняє відхилення ураженого сегменту ободу від вісьової лінії.

Так утворилася вісімка. Сегмент парасольки на "сильній" стороні розкрився на більший кут. Через збільшення кута добре натягнута спиця також втратила певну частину свого натягу, адже через відхилення скоротилася відстань від фланця до ободу.

Завдання механіка у цьому випадку — повернути спицям втрачене натяжіння.

У залежності від "важкості" деформації протягувати доводиться три, п'ять спиць на одній стороні, а іноді й все колесо разом. Виправлення вісімки здійснюється у шаховому порядку: ослаблену сторону натягують обертанням ніпеля проти ходу годинникової стрілки, а протилежну сторону навпаки спускають обертанням по ходу циферблату. Помилки тут немає: на спицях нарізана традиційна права різьба, але дивимось ми на неї знизу, тому протягування відбувається у дзеркальному відображенні. Протяжка відбувається ступінчасто у шаховому порядку: якщо уражено сегмент ободу з 5 спиць, перша спиця протягується на 1/8 оберту. Друга на протилежній стороні послаблюється на ту саму одну восьму. Третю спицю протягуємо на 1/4 та послабляємо четверту на 1/8. П'яту натягуємо на 1/8 та перевіряємо результат.

Більшість подібних відхилень можна виправити, але кожне наступне виправлення призводить до втрати можливості досягти рівномірності натяжіння. Якщо обід пережив за свій вік чимало пригод, у механіка залишається все менше шансів добитися рівномірності натяжіння всіх спиць.

Коли одна або декілька спиць з якоїсь причини слабшають, добре натягнуті спиці користуються нагодою звільнитись від сили, що розтягує їх. Сила пружності намагається скинути навантаження зі спиці і навіть домагається цієї мети, але лише частково. Повністю скинути навантаження не дає сила пружності самого ободу і ці сили урівноважують одна одну. Звільнити статичне навантаження повністю може тільки потужний зовнішній фактор: сильний удар або навантаження, яке перевищує поріг пружної деформації колеса. Як сказано вище, якісно зібране колесо на 36 спиць може витримати до 400 кг статичної ваги.

Зміщення парасольки.

Це — частий випадок вісімки, спричинений помилкою механіка, який намагався виправити вісімку, але не мав точки відліку — покажчика середньої лінії. Через це обід відхилився від вісьової, хоча втулка у дропаутах тримається правильно. Бувають такі випадки, коли від зовнішнього чинника — від дії поперечної сили деформується не колесо, а нога вилки або перо рами, що спричиняє відхилення колеса від вертикальної вісі, але такі випадки трапляються вкрай рідко і можливі тільки на металевих рамах.

Якщо переднє колесо втратило свою симетричність відносно вертикальної вісьової, це свідчить про суттєву різницю у натяжінні між обома сторонами. На передньому колесі парасольки мають бути симетричними. У цьому випадку слід ослабити спиці на одній стороні та підтягнути на іншій. Кожну наступну спицю ослаблюємо та підтягуємо на 1/8 оберта до позитивного результату.

Якщо заднє колесо на велосипеді, обладнаному паралелограмним перемикачем, набуло симетричності та у звуковому тесті на протилежних сторонах спиці видають звуки схожої частоти, це можна виправити у такий самий спосіб, але тепер спиці на привідній стороні мають бути натягнуті вдвічі сильніше, ніж на протилежній. Рекомендуємо скористатися тензометром для визначення різниці.

Яйце.

Яйце утворюється, коли на колесо діє вертикальна сила, наприклад, вага вершника, який стрибає з бордюру не встаючи з сідла. У цьому випадку перерозподіл натяжіння спиць відбувається перпендикулярно дії сили, що тисне на колесо. Спиці, які у цей момент знаходяться на 3 та 9 годин завантажуються максимально.

Виправлення яйця виконується ступінчастою протяжкою кожної наступної спиці в ураженому сегменті колеса. Якщо уражено сегмент з 5 спиць, натягуємо послідовно першу на 1/8, другу на 1/4, третю на 1/2, четверту на 1/4 та п'яту на 1/8.

Висновки.

Колесо — це еластична структура. Довговічність колеса залежить від вибору компонентів, від рівномірного натяжіння спиць та у найбільшій мірі від роботи механіка.

Колесо втрачає форму від втрати натяжіння спиць, яке само по собі не є причиною, а наслідком внутрішніх та зовнішніх чинників. Внутрішніми чинниками є величина торсіонних сил (наскільки потужно велосипедист крутить педалі та як потужно гальмує), кількість спиць, схема спицювання, діаметр фланця втулки. Зовнішніми факторами є профіль дорожнього полотна, характер водіння та вібрації, що призводять до розкручування ніпелів. Пульсація навантажень у колесі плавно призводить до втоми спиць.

Але вирішальною завжди є якість роботи механіка. Від його навичок залежить 80% успіху. Коли спиці натягнуті рівномірно та з запасом (>120 кгс для 80-кг вершника), коли ніпелі не розкручуються від вібрацій та вертикальних поштовхів, тоді колесо прощаватиме велосипедисту помилки та не змусить турбуватися про регулярну протяжку. Радимо при спицюванні наносити на різьбу компаунд thread lock синього кольору. Він зменшить ймовірність розкручування ніпелів та подовжить міжсервісний інтервал.

Ретельно вибирайте ободи, слідкуйте, щоб вони не були покручені вісімкою та не мали овальну форму. Користуйтесь спицями та ніпелями тільки перевірених виробників та зайшовши одного дня у веломайстерню не забудьте подарувати механіку пару пляшок пива. Повірте, для нього — це найкраща подяка за добру роботу.