Рама для велосипеда является опорной частью, так как к ней прикреплены все главные составляющие. 70 % нагрузки приходится на раму, именно поэтому конструкция должны выполняться из качественных материалов.
Для многих владельцев главным критерием является вес изделия, чем он меньше, тем удобнее управлять средством. Масса напрямую зависит от материала, поэтому выбирать байк следует исходя из этого критерия, учитывая плюсы и минусы каждого.
Сравнительный анализ физико-механических свойств материалов
Материал | Предел прочности, кг/мм2 | Теплопроводность, Вт/(м х°С) | Коэф-т линейного расширения, 1/°С | ТЕМПЕРАТУР. ДЕФОРМАЦИЯ ПРИ t = 65 °С, мм/м | Температура плавления, °С |
Нержавеющая сталь* | 55 | 40 | 10х10-6 | 0,65 | 1800 |
Алюминиевый сплав | 18 | 221 | 25х10-6 | 1,62 | 640 |
*Свойства нержавеющей и оцинкованной стали отличаются незначительно.
Другие способы сварки алюминия со сталью
Лазерным способом пользуются не только для создания миниатюрных соединений, но и для того, чтобы получить длинные швы, например, в автомобильной промышленности. Этот способ позволяет тонко управлять тепломощностью импульсного лазерного излучения.
Чтобы получилось нахлёсточное соединение, нагрев лазером нужно вести со стороны стали. Она нагреется до температуры, когда алюминий уже расплавится, но останется твёрдой.
Прочность швов можно повысить с помощью присадки на основе алюминия.
Диффузионная
В этом сварочном процессе соединяемые детали не расплавляются. Но из-за их продолжительного контакта на высокой температуре образуются интерметаллидные фазы.
Электронно-лучевая
На сталь наносят буферные покрытия из титана, никеля и циркония: тогда сварочный процесс будет успешен.
Точечная контактная
Хорошее точечное соединение стали и алюминия получается не всегда, даже если варить на конденсаторных машинах с жестким режимом разряда.
Этого можно избежать, применив промежуточную биметаллическую ленту. Полученные точечные соединения по прочности можно сравнить с клепаными.
Теплотехнические и прочностные характеристики нержавеющей стали и алюминия
1. Учитывая в 3 раза меньшую несущую способность и в 5,5 раз большую теплопроводность алюминия, кронштейн из алюминиевого сплава является более сильным «мостом холода», чем кронштейн из нержавеющей стали. Показателем этого служит коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции. По данным исследований коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции при применении системы из нержавеющей стали составил 0,86-0,92, а для алюминиевых систем он равен 0,6-0,7, что заставляет закладывать большую толщину утеплителя и, соответственно, увеличивать стоимость фасада.
Для г. Москвы требуемое сопротивление теплопередаче стен с учетом коэффициента теплотехнической однородности составляет для нержавеющего кронштейна — 3,13/0,92=3,4 (м2.°C)/Вт, для алюминиевого кронштейна — 3,13/0,7=4,47 (м2.°C)/Вт, т.е. на 1,07 (м2.°C)/Вт выше. Отсюда, при применении алюминиевых кронштейнов толщина утеплителя (с коэффициентом теплопроводности 0,045 Вт/(м.°C) должна приниматься почти на 5 см больше (1,07*0,045=0,048 м).
2. Из-за большей толщины и теплопроводности алюминиевых кронштейнов по расчетам, проведенным в НИИ Строительной физики, при температуре наружного воздуха -27 °C температура на анкере может опускаться до -3,5 °C и даже ниже, т.к. в расчетах площадь поперечного сечения алюминиевого кронштейна принималась 1,8 см2, тогда как реально она составляет 4-7 см2. При применении кронштейна из нержавеющей стали, температура на анкере составила +8 °C . То есть, при применении алюминиевых кронштейнов, анкер работает в зоне знакопеременных температур, где возможна конденсация влаги на анкере с последующим замерзанием. Это будет постепенно разрушать материал конструктивного слоя стены вокруг анкера и соответственно снижать его несущую способность, что особенно актуально для стен из материала с низкой несущей способностью (пенобетон, пустотелый кирпич и др.). При этом теплоизоляционные прокладки под кронштейн по причине их малой толщины (3-8 мм) и высокой (относительно утеплителя) теплопроводности снижают теплопотери всего на 1-2 %, т.е. практически не разрывают «мост холода» и мало влияют на температуру анкера.
3. Низкое температурное расширение направляющих. Температурные деформации алюминиевого сплава в 2,5 раза больше, чем нержавеющей стали. Нержавеющая сталь имеет более низкий коэффициент температурного расширения (10•10-6 °C-1), по сравнению с алюминием (25•10-6 °C-1). Соответственно удлинение 3-метровых направляющих при перепаде температур от -15 °C до +50 °C составит 2 мм для стали и 5 мм для алюминия. Поэтому для компенсации температурного расширения алюминиевой направляющей необходим целый ряд мероприятий:
а именно — введение в подсистему дополнительных элементов — подвижных салазок (для П-образных кронштейнов) или овальных отверстий с втулками для заклепок — не жесткая фиксация (для L-образых кронштейнов).
Это неминуемо приводит к усложнению и удорожанию подсистемы или неправильному монтажу (так как очень часто бывает, что монтажники не использует втулки или неправильно фиксирует узел с дополнительными элементами).
В результате данных мероприятий весовая нагрузка приходится только на несущие кронштейны (верхний и нижний) а другие служат лишь как опора, а это значит, что анкеры нагружены не равномерно и это обязательно нужно учитывать при разработке проектной документации, что зачастую просто не делают. В стальных же системах вся нагрузка распределяется равномерно — все узлы жестко зафиксированы — незначительные температурные расширения компенсируются за счет работы всех элементов в стадии упругой деформации.
Конструкция кляммера позволяет делать зазор между плитами в системах из нержавеющей стали от 4 мм, тогда как в алюминиевых системах — не менее 7 мм, что к тому же не устраивает многих заказчиков и портит внешний вид здания. Кроме того, кляммер должен обеспечивать свободное перемещение плит облицовки на величину удлинения направляющих, иначе будет происходить разрушение плит (особенно на стыке направляющих) или разгибание кляммера (и то, и другое может привести к выпадению плит облицовки). В стальной системе нет опасности разгибания лапок кляммера, что может с течением времени произойти в алюминиевых системах из-за больших температурных деформаций.
Какую раму выбрать на велосипед?
Стальная рама, плюсы и минусы
Для выполнения стальных рам используют такие виды:
- Сталь обыкновенная.
- Углеродистая сталь.
- Сталь, легированная хромом и молибденом.
Сталь обыкновенного качества. Имеет самые низкие свойства, поэтому велосипеды невысокой стоимости. Такой материал быстро портится, рама ржавеет,и велосипед теряет пригодность.
Рамы из углеродистых сталей имеют хорошие прочностные свойства, а также стойки к коррозии. Они достаточно гибкие, поэтому на дороге сглаживают все неровности. Такие конструкции идеально подходят для обычной езды, а также для выполнения трюков. Углеродистая сталь выдерживает большие нагрузки, вплоть до 150 кг.
Легированные стали позволяют сделать конструкцию более надежной, прочной и легкой. Чаще всего стали для выполнения рам легированы молибденом и хромом. Молибден влияет на структуру стали, делая её мелкозернистой, за счет этого повышается прочность. Хром придает коррозионную стойкость.
Цена на такую раму начинается от 400$. Высокая стоимость самый существенный недостаток, именно поэтому такие велосипеды не пользуются спросом.
Преимущества рам из стали:
- высокие показатели прочности, жесткости,
- долговечны,
- выдерживают удары,
- просты в обслуживании,
- в отличие от алюминиевых рам, стальные не накапливают усталость. Это свойство позволяет не ломаться элементу в один момент, поэтому велосипедист может вовремя заметить трещину и заменить поврежденную деталь,
- ремонтировать стальные конструкции достаточно легко, для этого необходима лишь сварка,
- велосипеды имеют небольшую стоимость,
- физические свойства позволяют гасить вибрации при движении.
Недостатки стальной рамы:
- ощутимый вес конструкции,
- конструкции из обычной стали быстро подвергаются коррозии,
- из-за появления ржавчин, необходимо тщательно ухаживать за велосипедом: окрашивать поверхность, не оставлять под дождем и снегом, и регулярно смазывать.
Алюминиевая рама, плюсы и минусы
Чаще всего для изготовления рам используют алюминиевые сплавы. Такой материал делает конструкцию более легкой и отзывчивой к недостаткам дороги, а также стоек к коррозии. Алюминиевые сплавы превосходят сталь по жесткости, но они имеют меньшую плотность.
Преимущества рамы из алюминия:
- маленький вес рамы. Низкосортные конструкции весят около 2 кг, а качественные до 1,5 кг,
- хорошие характеристики стоят наряду с небольшой стоимостью,
- велосипед разгоняется быстро на любой местности,
- не подвергаются коррозии,
- выдерживают большой вес.
Недостатки этой рамы прямо противоположны достоинствам рамы из стали:
- Несмотря на быстрый разгон, они также стремительно теряют инерцию.
- Некоторые модели не поглощают вибрации от дороги, поэтому езда может стать мучительной.
- Накапливают усталость, поэтому поломка может произойти в любой момент.
- Большинство поломок практически невозможно починить.
Противопожарные свойства нержавеющей стали и алюминия
Температура плавления нержавеющей стали 1800 °C, а алюминия 630/670°C (в зависимости от сплава). Температура при пожаре на внутренней поверхности плитки (по результатам испытаний МООУ «Региональный сертификационный ) достигает 750 °C. Таким образом, при применении алюминиевых конструкций может произойти расплавление подконструкции и обрушение части фасада (в зоне оконного проема), а при температуре 800-900°С алюминий сам по себе поддерживает горение. Нержавеющая сталь же при пожаре не плавится, поэтому наиболее предпочтительна по требованиям пожарной безопасности. К примеру — в г. Москва при строительстве высотных зданий алюминиевые подконструкции вообще не допускаются к применению.
Биметалл и алюминий на примере радиаторов
При замене радиаторов отопления многие стоят перед выбором, какому материалу новой конструкции отдать предпочтение. Ушли в прошлое чугунные батареи, производители предлагают алюминиевые, стальные и биметаллические. Если сталь внешне легко узнаваема, то с алюминиевыми и биметаллическими конструкциями проблема, на глазок не отличишь. Тем более что последний вариант имеет наибольший спрос. В магазине есть шанс не купить подделку, а как отличить биметалл от алюминия на базаре?
Визуальное распознание не даст точных результатов потребителю. И у алюминиевой, и у биметаллической системы внешнее оребрение изготовлено из алюминия. Да и узнать визуально вес одной секции нереально.
Для справки: алюминиевая секция весит 1–1,6 кг, «отсек» биметаллического радиатора – 1,5–2 кг.
Можно воспользоваться «дедовским» методом и вооружиться неодимовым магнитом, имеющим большую мощность.
Предварительное испытание. Магнит поднесите сначала к стальному, затем к алюминиевому радиатору. Магнитный тестер притянет к поверхности первого варианта. Слабее проявится эффект у биметаллического радиатора. Его трубки из стали находятся под диамагнетиком – алюминием. С мощным неодимовым магнитом уловить притяжение возможно.
Сложней, когда трубки теплоносителя из меди, которая, как и алюминий, невосприимчива к магнитному полю.
Коррозионные свойства
На сегодняшний день единственным достоверным источником о коррозионной стойкости той или иной подоблицовочной конструкции, а соответственно и долговечности, является экспертное заключение «ЭкспертКорр-МИСиС».
Самыми долговечными являются конструкции из нержавеющих сталей. Срок службы таких систем составляет не менее 40 лет в городской промышленной атмосфере средней агрессивности, и не менее 50 лет в условиях условно-чистой атмосферы слабой агрессивности.
Алюминиевые сплавы, благодаря оксидной плёнке, обладают высокой коррозионной стойкостью, но в условиях повышенного содержания в атмосфере хлоридов и серы возможно возникновение быстроразвивающейся межкристаллитной коррозии, что приводит к существенному снижению прочности элементов конструкции и их разрушению. Таким образом, срок службы конструкции из алюминиевых сплавов в условиях городской промышленной атмосферы средней агрессивности не превышает 15 лет. Однако, по требованиям Росстроя, в случае применения алюминиевых сплавов для изготовления элементов подконструкции НВФ, все элементы в обязательном порядке должны иметь анодное покрытие. Наличие анодного покрытия увеличивает срок службы подконструкции из алюминиевого сплава. Но при монтаже подконструкции различные её элементы соединяются заклёпками, для чего сверлятся отверстия, что вызывает нарушение анодного покрытия на участке крепления, т. е. неизбежно создаются участки без анодного покрытия. Кроме того, стальной сердечник алюминиевой заклёпки совместно с алюминиевой средой элемента составляет гальваническую пару, что также ведёт к развитию активных процессов межкристаллитной коррозии в местах крепления элементов подконструкции. Стоит отметить, что зачастую дешевизна той или иной системы НВФ с подконструкцией из алюминиевого сплава обусловлена именно отсутствием защитного анодного покрытия на элементах системы. Недобросовестные производители таких подконструкций экономят на дорогостоящих электрохимических процессах анодирования изделий.
Недостаточной коррозионной стойкостью, с точки зрения долговечности конструкции, обладает оцинкованная сталь. Но после нанесения полимерного покрытия срок службы подконструкции из оцинкованной стали с полимерным покрытием составит 30 лет в условиях городской промышленной атмосферы средней агрессивности, и 40 лет в условиях условно-чистой атмосферы слабой агрессивности.
Сравнив вышеперечисленные показатели алюминиевых и стальных подконструкций, можно сделать вывод — стальные подконструкции по всем показателям значительно превосходят алюминиевые.
Биметалл и алюминий на примере радиаторов
Известно, что у металлов свойства в большей степени идентичны. Но каждый элемент имеет свои отличительные характеристики. Именно они и позволяют понять, как отличить металл от алюминия:
- медь распознается по ярко-красноватому оттенку,
- у железа и его сплавов высокие показатели магнитных свойств,
- узнать золото можно по желтому цвету,
- у свинца высокая хрупкость и плотность,
- серебро отличается ярким блеском,
- у олова высокая пластичность.
Вышеперечисленные способы только оценочные и приблизительные. Более достоверная информация доступна на страницах специальной справочной литературы.