Wstęp

Dwadzieścia lat temu wybór ramy rowerowej był czymś prostym i ograniczonym jednocześnie. Do konstruowania lekkich i w miarę elastycznych ram używano w zasadzie wyłącznie rur Columbus SL, lub zbliżonych. Kolarze potrzebujący ram mocniejszych wybierali rury Columbus SP. Budowniczowie ram mieszali różne rury ze sobą usiłując w ten sposób pogodzić różne wymagania co do wytrzymałości i sztywności.
Jeśli ktoś preferował aluminium to wybierał pomiędzy firmą Alan a Vitus, lub super sztywnym i jednocześnie ultradrogim Klein'em. Dodajmy do tego jeszcze tylko karbonowego Grafteka oraz tytanowego Teledyne cieszące się złą sławą z powodu występujących usterek.
Przełom nastąpił dopiero w latach 80-tych. Firmy Cannondale i Trek objęły przodownictwo w produkcji wyczynowych ram aluminiowych, a prócz tego pojawiły się tańsze odmiany tytanu i włókna węglowego, materiałów istniejących dotychczas wyłącznie w przemyśle kosmicznym i militarnym. Jednocześnie producenci rur stalowych zaprezentowali nowe, termicznie ulepszane stopy, dzięki którym zaczęto produkować rury o nietypowych przekrojach i lepszych niż dotychczasowe parametrach.
Obecnie mamy większy niż kiedyś wybór i jednocześnie większy z wyborem kłopot. Jeśli ktoś zapyta: "jaki materiał jest najlepszy?", to należy odpowiedzieć pytaniem: "a jak rama będzie używana?".
Idealna rama powinna być wykonana pod indywidualne potrzeby kolarza i jednocześnie powinna być lekka. Powinna dobrze absorbować drgania i jednocześnie powinna być wystarczająco sztywna, aby bezstratnie przenosić siłę z pedałów do układu napędowego. Powinna być trwała i nie poddawać się zjawisku "zmęczenia materiałowego", oraz powinna być odporna na uderzenia boczne, oraz momenty skręcające. I w końcu wreszcie powinna posiadać atrakcyjny wygląd, oraz cechować się odpornością na niekorzystne wpływy atmosferyczne.

Fakty

Stal, aluminium, tytan i włókno węglowe - wszystkie te materiały tak różne pod względem wytrzymałości, sztywności, odporności na korozję, próbuje się jednak wykorzystać do tego samego celu - do zbudowania wyczynowej ramy rowerowej. Nie można jednak zapomnieć o istotnych dla tych materiałów różnicach! Jeśli dla przykładu zbudowałoby się ramę tytanową lub aluminiową z rur o takiej samej średnicy jak analogiczna rama stalowa, to wprawdzie byłaby ona zdecydowanie lżejsza, ale jednocześnie byłaby zbyt elastyczna. Dlatego też wszystkie ramy zbudowane z materiałów niemagnetycznych wykorzystują rury o dużo większych średnicach.
Ramy metalowe najczęściej nie psują się z powodu pojedyńczego zdarzenia, ale z powodu systematycznie powtarzających się narażeń powodujących w końcu tzw. "zmęczenie materiałowe". Stal i tytan mają ściśle zdefiniowaną wielkość narażeń prowadzących do tego zjawiska, natomiast aluminium nie! W konsekwencji jakiekolwiek użytkowanie ramy aluminiowej prowadzi do jej "zmęczenia". Szczęśliwie w praktyce nie wygląda to tak źle jak w teorii, gdyż konstruktorzy nauczeni doświadczeniem mają tendencję do przewymiarowywania wszystkich rur aluminiowych.
Lekkość tytanu, jego zdolność tłumienia drgań i odporność na korozję czynią go wydawałoby się wymarzonym materiałem do zbudowania ramy rowerowej. Jednakże ponieważ jest to metal, więc ma i cechy wspólne wszystkim metalom: wytrzymałość tytanu jest jednakowa we wszystkich kierunkach przyłożonej siły. Jest to cecha zwana izotropowością. Chociaż sztywność, lub wytrzymałość ramy metalowej definiowana jest przez producenta w jednej płaszczyźnie, to konstruktorowi brakuje informacji o tejże w innych płaszczyznach. W rurze metalowej zdefiniowanie jej średnicy i grubości ścianki, automatycznie określa jej sztywność osiową i promieniową.
Materiały kompozytowe składają sięz mocnych włókien zatopionych w spoiwie. Większość kompozytów ma w swojej nazwie słowo "szkło", a oznacza to po prostu żywicę poliestrową wzmocnioną włóknem szklanym. Zaawansowane kompozyty są mieszaniną takich włókien jak: polimerowe, węglowe, ceramiczne i metalowe. Zazwyczaj włókna te są termicznie impregnowane w żywicy. Są też spoiwa zawierające materiały termoplastyczne, metale, a nawet ceramikę. Te zaawansowane technologicznie materiały potrafią mieć wytrzymałość i sztywność równą metalom, przy dużo mniejszym ciężarze. Co więcej, ponieważ spoiwo jest utwardzane albo w wyniku procesów chemicznych, albo w efekcie oddziaływania podwyższonej temperatury, to ten złożony produkt może przybierać dowolne niemal kształty.
W przeciwieństwie do metali, materiały kompozytowe są anizotropowe, co oznacza, że ich sztywność i wytrzymałość zależy wyłącznie od kąta pod którym układane są włókna zatopione w spoiwie. Ma to taką pozytywną cechę, że w dowolnym miejscu można wpływać na sztywność i wytrzymałość kompozytu zmieniając kąt zaplotu nitek, oraz ilość warstw. Technika ta w poważnym stopniu ma wpływ na redukcję ciężaru.
Ramy kompozytowe mogą być wykonywane w duchu tradycyjnym (rury łączone za pomocą łączników), lub też jako skorupowe (Monocoque), gdzie "szkieletem" dla kompozytu jest albo to pianka, albo pęcherz wypełniony gazem. Możliwa też jest metoda łączenia rur w procesie laminacji wysokociśnieniowej, co w efekcie daje konstrukcję będącą czymś pośrednim pomiędzy skorupową, a tradycyjną.

Współczesne tendencje

Tak jak w wielu innych dziedzinach sportu, przyszłość "przemysłu" kolarskiego polega na powolnym odchodzeniu od stosowania metali. Jest to tendencja, która została zapoczątkowana w przemyśle lotniczym, sportach samochodowych i w konstrukcjach łodzi sportowych.
Inne dziedziny sportu, gdzie stare, tradycyjne materiały zastępowane są nowymi to: tenis, łucznictwo, narciarstwo, sporty wodne, golf i wędkarstwo.
Przyczyny pojawienia się nowych materiałów są różnorakie. Najczęściej odbywa się tak dlatego, że nowe materiały mają parametry znacznie przewyższające te poprzednio używane. Przykładem może być rakieta tenisowa, gdzie przez dziesiątki lat królowało drewno. Charakteryzowało się ono wyśmienitym tłumieniem drgań, jednak było bardzo słabo odporne na zmienne czynniki atmosferyczne, wskutek czego wypaczało się, a naciąg ulegał zmianie. Natomiast gatunki drewna nie posiadające tych negatywnych cech, były zbyt ciężkie. Na początku lat 70-tych drewno zaczęto zastępować stopami metali, ale rychło okazało się, że tłumienie drgań tychże było tak słabe, że tenisiści zaczęli uskarżać się na częściej występujące kontuzje.
Pod koniec lat 70-tych pojawiły się rakiety kompozytowe i błyskawicznie opanowały one tą dziedzinę sportu. Dość powiedzieć, że obecnie stanowią one 95% wszystkich sprzedawanych rakiet tenisowych na świecie.
Początkowo kompozytowe ramy rowerowe były zjawiskiem typowo amerykańskim z powodu najlepiej opanowanej w USA technologii włókna węglowego. Technologia ta wymaga po prostu znacznie większego kapitału przeznaczonego na rozwój i badania. W konsekwencji wyroby te zaliczają się automatycznie do klasy High End, co oznacza, że cenowo plasują się na tzw. "górnej półce".
Niestety wielu inżynierów mających dużą więdzę i doświadczenie w dziedzinie materiałów kompozytowych nie posiada wizji jak najszerszego upowszechnienia tej technologii, co jeszcze bardziej te trendy "high-endowe" umacnia.

Zalety karbonu

Rama rowerowa jest złożoną strukturą, którą powinny cechować: lekkość, sztywność, trwałość i zdolność pochłaniania drgań. Aluminium i tytan zawdzięczają swoją popularność temu, że mają nad stopami żelaza przewagę niewielkiego ciężaru właściwego i odporności na korozję. Wszystko na to jednak wskazuje, że już niebawem ramy kompozytowe zdominują przemysł rowerów sportowych.
W przypadku rur wykonanych z metalu niemożliwa jest taka kompozycja materiału, aby jego skład w zależności od potrzeb, zmieniał się wzdłuż długości rury. To co jest niemożliwe w przypadku metalu, możliwe jest w przypadku tworzyw kompozytowych - w dowolnym miejscu kompozytowej rury można dowolnie niemal zaprojektować i wykonać odcinek o zamierzonej gęstości, sztywności, wytrzymałości itd. Udaje się tego dokonać zmieniając kąt zatopionych w spoiwie włókien węglowych, grubość warstw i stosując różne kombinacje materiałów. W ten sposób finalne właściwości tworzywa można dokładnie dopasować do specyficznych zastosowań. Wreszcie to, co jest być może najbardziej godne podkreślenia - park maszynowy producenta rur kompozytowych jest dużo tańszy od odpowiadającego mu parku producenta zaawansowanych technologicznie rur metalowych.

Kompozytowe rury typowo wykonywane są z wykorzystaniem stalowego rdzenia (następnie usuwanego) poprzez nawijanie na nim nitek z włókna węglowego w różnoraki sposób:
- kilkoma nitkami pod różnymi kątami,
- pod tym samym kątem (warstwowo),
- wieloma nitkami wzajemnie plecionymi ze sobą.
Zupełnie odmienna metoda polega na przeciąganiu nitek przez podgrzewaną głowicę, gdzie łączą się one ze sobą tworząc jednolitą masę. Każdy z producentów posiada swój własny patent na ilość warstw i kierunek zaplotu, dzięki czemu uzyskuje się materiał o specyficznych własnościach takich jak: sztywność, wytrzymałość i ciężar. Stwarza to przed konstruktorem nieograniczone wręcz możliwości inwencji twórczej, podczas gdy wszelkie metale są w tym względzie zdecydowanie bardziej ograniczone .
Indywidualne kształtowanie ramy rowerowej (tailoring) nie jest niczym niezwykłym - od lat ramy stalowe wykonywane są z cieniowanych rur dla zredukowania ciężaru i zwiększenia wytrzymałości. Jednak tylko technologia rur kompozytowych umożliwia tak precyzyjne formowanie kształtu i grubości rury w dowolnych miejscach na całej długości, jakie absolutnie nie jest możliwe w przypadku rur z dowolnego metalu.

Rys.1 pokazuje względną sztywność dla czterech podstawowych materiałów używanych do budowy ram rowerowych. Definiuje się ją jako moduł sprężystości w stosunku do ciężaru właściwego. Niejeden może zapytać: skoro ramy karbonowe mają tak olbrzymią przewagę pod względem sztywności nad pozostałymi, czemu nie są więc od pozostałych dużo lżejsze? Odpowiedź brzmi tak, że wciąż trudno jest zachować kontrolę nad siłami oddziaływującymi w całej strukturze, co skutkuje koniecznością przewymiarowania w pewnych newralgicznych miejscach.

Rys.1 Obrazowe przedstawienie sztywności w stosunku do ciężaru dla różnych materiałów

Stal

Tytan

• niska cena
• spora wytrzymałość
• dobra sztywność
• dość dobre tłumienie drgań
• łatwość w obróbce i naprawie

• duży ciężar właściwy
• duża podatność na korozję
• ograniczenia konstrukcyjne związane z małym asortymentem rur katalogowych
• spawanie i lutowanie zmniejsza wytrzymałość w obrębie oddziaływania wysokiej temperatury

• mały ciężar właściwy
• duża wytrzymałość
• zdolność do tłumienia drgań
• mała podatność na korozję

• wysoka cena
• ograniczenia konstrukcyjne związane z małym asortymentem rur katalogowych
• trudność w obróbce i naprawie
• trudność w lokalizowaniu źle wykonanych spawów
• mniejsza sztywność

Aluminium

Włókno węglowe

• niska cena
• mały ciężar właściwy
• stosunkowo duża wytrzymałość
• duża sztywność w stosunku do ciężaru
• niezła odporność na korozję w środowisku pozbawionym soli

• podatność na "zmęczenie materiałowe"
• słabe tłumienie drgań
• trudność w naprawie
• skłonność do pękania w obrębie spawów
• często konieczny proces ulepszania termicznego

• mały ciężar właściwy
• bardzo duża wytrzymałość
• najlepsza ze wszystkich znanych materiałów zdolność do tłumienia drgań
• nieograniczona w żaden sposób podatność na inwencję twórczą konstruktora ramy
• absolutna odporność na korozję
• olbrzymia odporność na "zmęczenie materiałowe"
• niektóre konstrukcje są łatwo naprawialne

• stosunkowo wysoka cena
• wciąż nie do końca opanowana technologia
• wytrzymałość i sztywność uzależniona jest od konstrukcji ramy

Najważniejsza dobra konstrukcja

Jeśli tylko konstruktorzy ramy karbonowej posiadali odpowiednią wiedzę na ten temat i nie popełnili istotnych błędów, to rama taka ma wszelkie szanse być mocniejsza, sztywniejsza, lżejsza i bardziej długowieczna od jakiejkolwiek ramy metalowej.

1. Jak istotne jest doświadczenie konstruktora i oraz próby prototypu
Konstruktor ramy rowerowej analizując na wstępie wszystkie zakładane parametry mechaniczne, częstokroć zderza się z wymaganiami przeciwstawnymi. Korzystając z zaawansowanej nauki o materiałach oraz ze specjalizowanego oprogramowania komputerowego daje się przeprowadzić złożoną analizę zjawisk w całej ramie poprzez analizę zjawisk w skończonym, pojedynczym elemencie. Jednak nie zmienia to faktu, że i tak na samym końcu tego złożonego procesu znajdują się testy drogowe, których w żaden sposób nie da się wyeliminować.
Pełne wykorzystanie wszystkich cech materiałów kompozytowych wymaga złożonej wiedzy o ich technologii wraz z wiedzą wywodzącą się z doświadczeń czysto praktycznych. Niestety producenci mają często tendencję do przeważania szali na jedną stronę - albo kładą nacisk na technologię zaniedbując testy, albo na odwrót.

2. Komfort jazdy
Konstruktorzy zauważyli w materiałach kompozytowych idealny materiał umożliwiający tanie zmniejszenie ciężaru ramy nie pogarszając jednocześnie jej sztywności. Wszakże niektóre wczesne modele ram karbonowych zyskały opinię zbyt elastycznych, podczas gdy inne miały tak dużą sztywność, że jazda na nich była męką. Częściowo przyczyną powstawania tych fatalnych konstrukcji były wcześniejsze wieloletnie doświadczenia producentów wywodzące się z wyłącznej produkcji ram metalowych i mylne przeświadczenie, że można bez żadnych złych konsekwencji po prostu zastąpić jeden materiał drugim. Pomimo tego, że wyśmienite tłumienie drgań jest cechą włókna karbonowego "samą w sobie", to jednak właściwość ta musi być uwzględniona już na etapie ustalania kształtu ramy. Sztuką jest takie zaprojektowanie kształtu, aby rama charakteryzowała się dużą sztywnością wzdłużną, oraz stosowną elastycznością pionową, która gwarantuje odpowiedni dla rodzaju jazdy komfort.
Innym źródłem pogorszenia tłumienia drgań we wczesnych konstrukcjach były miejsca łączenia się rur (mufy). Tam, gdzie łączy się dwa materiały o zupełnie odmiennych cechach (włókno węglowe i aluminium) powstaje strefa nieciągłości. Ponieważ drgania przenoszące się wzdłuż rury natrafiają gwałtownie na taką strefę, to miejsce takie może być źródłem kumulowania się naprężeń. Oprócz tego, że miejsce takie jest narażone na uszkodzenie, to dodatkowo jest ono powodem gorszego wytłumiania drgań.

3. Rozmiar ramy
Tak jak drogi garnitur szyty jest na miarę, tak i zaawansowana technologicznie rama rowerowa powinna mieć rozmiar stosowny do jej użytkownika. Jednakże w przypadku ramy rowerowej warunkowi temu towarzyszy wymóg, aby geometria ramy była dostosowana do biomechaniki kolarza oraz wymaganego komfortu jazdy. W przypadku proporcjonalnie zbudowanego ciała ludzkiego najczęściej daje się dopasować prawidłowo ramę pochodzącą od producenta seryjnego. Jeśli ma się jednak do czynienia z pewnymi odstępstwami od normy, konieczne jest dopasowywanie ramy do indywidualnego kolarza.
Spora część współczesnych ram karbonowych wykonana jest w ten sposób, że łączniki rur (mufy) wykonane są również z kompozytu i stanowią nierozerwalny element całej komstrukcji. Są to tzw. konstrukcje aero. W takich przypadkach dopasowywanie ramy do indywidualnych potrzeb kolarza jest w zasadzie niemożliwe, co należy uznać za największą wadę konstrukcji skorupowych. W rezultacie (koszty!) producenci takich ram oferują bardzo ograniczony asortyment rozmiarów. Z drugiej jednak strony niewielkie opory aerodynamiczne ramy skorupowej, w porównaniu z konstrukcją klasyczną zawierającą rury łączone mufami, mają bardzo mały udział procentowy.

4. Łączenie włókna węglowego z metalami
Najsłabszym ogniwem ramy metalowej są połączenia pomiędzy rurami. Zasadniczo wszystkie uszkodzenia takich ram zachodzą właśnie w tych miejscach - albo to z powodu przegrzania przy spawaniu, albo też sama konstrukcja sprzyja gromadzeniu się naprężeń w tych newralgicznych punktach. Stare kolarskie powiedzonko mówi, że łańcuch pęka zawsze tam, gdzie jest najsłabsze ogniwo.
Konwencjonalne łączenie rur karbonowych za pomocą aluminiowych łączników jest metodą kontrowersyjną. Czy spoiwo pomiędzy włóknem węglowym a metalem charakteryzuje się wystarczającą adhezją? Czy pomiędzy obydwoma materiałami nie pojawi się ogniwo elektrochemiczne? Czy różnica rozszerzalności termicznej kompozytu i metalu jest wystarczająco mała? Pytania te można by mnożyć. Dość, że skumulowanie w jednym miejscu tych wszystkich czynników jest zabiegiem dość ryzykownym.
A rower nie zawsze znajduje sprzyjające mu warunki. Czasem wożony jest w upalną pogodę na dachu samochodu, albo wręcz przeciwnie, w luku bagażowym samolotu. Takie zmiany temperatury, w szczególności jeśli gwałtowne, albo szybko po sobie następujące, mogą doprowadzić do wyraźnego osłabienia w obrębie łączników. Szczególnie narażony jest obszar rury suportowej oraz główki ramy. W związku z tym łączniki powinny być wykonane z metalu o najbardziej zbliżonym współczynniku rozszerzalności termicznej, co włókno węglowe - najlepiej z tytanu. Dodatkowo tytan charakteryzuje się bardzo dobrą w porównaniu aluminium i stopami żelaza odpornością na korozję.
Najgorszym metalem do połączeń z włóknem węglowym wydaje się być aluminium, które nie dość, że ma największy współczynnik rozszerzalności termicznej, to w dodatku tworzy z materiałami kompozytowymi ogniwo, łatwo koroduje i ma fatalną charakterystykę zmęczeniową.

Rys.3 Obrazowe przedstawienie współczynnika rozszerzalności termicznej różnych materiałów.