Сравнительный тест спиц DT Swiss и Sapim

[Vlad X]

Спица представляет собой элемент велосипедного колеса, соединяющий втулку с ободом. Поскольку отношение диаметра спицы к её длине крайне мало, она способна работать лишь на растяжение. От механических характеристик используемых спиц во многом зависит прочность конструкции всего колеса. При этом выделяют прочностные и пластические механические характеристики, находящиеся в обратно пропорциональной зависимости, между которыми необходимо добиться взаимной совместимости. Немаловажную роль играет также правильная сборка колёс, жёсткость которых определяется силой натяжения спиц. Наиболее популярной среди горных велосипедов является тангенциальная схема спицовки в три креста.

Механические испытания проводятся с целью определения прочностных и пластических характеристик исследуемых материалов. Они подразделяются на статические (растяжение, сжатие, кручение, изгиб и вдавливание индентора), динамические (ударный изгиб) и циклические (изгиб при вращении, повторно-переменные растяжение-сжатие или кручение, чистый или поперечный изгиб). При растяжении образцов характеристиками прочности являются предел пропорциональности σ_пц, предел упругости σ_у, предел текучести σ_т [физический (горизонтальный либо нижний и верхний) или условный 0,2%] и предел прочности σ_в, характеристиками упругости - модуль Юнга E и коэффициент Пуассона µ, а характеристиками пластичности - относительное остаточное осевое удлинение δ и относительное остаточное поперечное сужение ψ. Напряжения σ в металле показывают, какую нагрузку способна выдержать единица площади исследуемого материала до наступления необратимой деформации или разрушения.

Для проведения сравнительных испытаний механических характеристик велосипедных спиц нами были выбраны два основных мировых производителя – DT Swiss (Швейцария) и Sapim (Бельгия), модельный ряд которых представлен следующей номенклатурой:

1. DT Swiss Champion 2.0 мм
2. DT Swiss Champion 1.8 мм
3. DT Swiss Competition 2.0-1.8-2.0 мм
4. DT Swiss Competition 1.8-1.6-1.8 мм
5. DT Swiss Revolution 2.0-1.5-2.0 мм
6. DT Swiss Revolution 1.8-1.5-1.8 мм
7. DT Swiss Super Comp 2.0-1.7-1.8 мм
8. DT Swiss Alpine III 2.34-1.8-2.0 мм

9. Sapim Leader 2.0 мм
10. Sapim Zink 2.0 мм
11. Sapim Race 2.0-1.8-2.0 мм
12. Sapim Laser 2.0-1.5-2.0 мм
13. Sapim Force 2.2-1.8-2.0 мм
14. Sapim Strong 2.3-2.0 мм

С целью сравнения характеристик высококлассных дорогостоящих спиц с низкокачественными дешёвыми аналогами были также приобретены безымянные спицы (маркировка на шляпке – «8») диаметром 2 мм по цене 2 руб/шт.

Растяжение образцов проводилось на испытательной машине Walter+Bai AG LFM-L 10kN при равномерно возрастающей нагрузке со скоростью 5 кгс/сек. Предварительная нагрузка составляла 10 кгс. При разрыве спицы регистрировалась максимальная нагрузка P_max (кгс), конечная длина l_к (мм) и диаметр шейки d_к (мм). После проведения измерений определялись предел прочности σ_в (МПа) и остаточное удлинение δ (%).



Для проверки адекватности результатов эксперимента и исключения влияния случайного отклонения эмпирических данных на полученные значения количество повторений каждого опыта u = 3, для чего было испытано по три экземпляра каждой модели спицы. Результаты эксперимента, приведённые в таблице, представляют собой среднеарифметические значения трёх испытаний.



Первое, на что необходимо обратить внимание, это стабильность механических характеристик испытанных спиц. Отличие в усилии разрыва между тремя экземплярами каждой модели было минимальным (не более +/- 5 кгс), а во многих случаях полностью совпадало. Данный факт позволяет говорить о достоверности и воспроизводимости результатов эксперимента, а также о выявлении определённых закономерностей.

Как и ожидалось, лучшие результаты показали спицы с постоянным поперечным сечением профиля. Наиболее прочными оказались No name 2.0 мм, а наиболее пластичными Sapim Leader 2.0 мм. По удельной прочности (на 1 мм²) победителями также вышли No name 2.0 мм. Среди баттированных спиц с утолщением самыми прочными стали Sapim Strong 2.3-2.0 мм, а самыми пластичными DT Swiss Alpine III 2.34-1.8-2.0 мм. По пределу прочности лучшими оказались Sapim Force 2.2-1.8-2.0 мм. У баттированных спиц с утонением наивысшую прочность показали Sapim Laser 2.0-1.5-2.0 мм, а наибольшую пластичность - DT Swiss Revolution 1.8-1.5-1.8 мм. Максимальным временным сопротивлением разрыву обладают DT Swiss Revolution 2.0-1.5-2.0 мм.

Анализируя представленный массив эмпирических данных, можно прийти к следующему выводу. Спицы постоянного диаметра по сравнению с баттированными моделями обладают значительно более высокими прочностными и пластическими характеристиками. Благодаря этому колёса, собранные на таких спицах, будут гораздо прочнее. С другой стороны у баттированных спиц, обладающих повышенной прочностью (например, Sapim Force 2.2-1.8-2.0 мм или Laser 2.0-1.5-2.0 мм), существенно снижена пластичность металла. В результате этого колесо c такими спицами не будет упруго амортизировать удары и нивелировать небольшие деформации обода, обладая при этом повышенной хрупкостью. Поэтому несмотря на высокие значения статического усилия и предела прочности вероятность разрыва спиц в таком колесе при динамических нагрузках значительно выше. Что касается числовых значений, то наиболее пластичные образцы способны перед разрывом растягиваться более чем на 20 мм, а обладающие наименьшей пластичностью – чуть больше 1 мм (для стандартной длины 260 мм).

На рисунках представлены различные диаграммы растяжения трёх моделей спиц. Как можно заметить, при испытании спицы Sapim Leader 2.0 мм (рис. А) график имеет зону упругой деформации до нагрузки примерно 120 кгс, после чего кривая упрочнения плавно переходит в зону пластической деформации. При достижении максимальной нагрузки происходит утонение образца с появлением шейки и наступает зона сосредоточенной деформации (площадка ползучести). Спица No name 2.0 мм (рис. Б) имеет выраженную площадку текучести при нагрузке порядка 105 кгс, которая знаменует переход от упругой деформации к пластической. При достижении максимального усилия площадки ползучести не наблюдается и разрыв образца происходит практически сразу. У спицы DT Swiss Competition 2.0-1.8-2.0 мм (рис. В) упругая деформация начинает переходить в пластическую при нагрузке выше 50 кгс. После достижения максимального напряжения σ_в происходит резкое сужение образовавшейся шейки, в результате чего в зоне местной текучести разрыв происходит при меньшем статическом усилии. Стоит также отметить, что на некоторых диаграммах растяжения баттированных спиц наблюдались зубья текучести. Ещё один интересный момент, о котором стоит упомянуть – разрыв спиц Sapim Laser 2.0-1.5-2.0 мм во всех случаях произошёл на диаметре 2 мм. Причина данного явления не установлена (возможно, это связано с поверхностными закалкой или легированием).

Таким образом, при уменьшении поперечного сечения спицы значительно снижаются не только прочность, но также упругость и пластичность металла. В результате колёса, собранные на классических спицах, способны упруго переносить удары с нагрузкой, вдвое превышающей таковую на колёсах с баттированными спицами, эффективнее сопротивляясь необратимой пластической деформации обода («восьмёркам» и «яйцам»). Благодаря упругому растяжению спицы будут стремиться сжаться и вернуть обод в исходное положение. При ударах же критической силы баттированные спицы лопнут, а постоянного сечения сохранят целостность, практически не растянувшись, но потеряв при этом пластичность. Во всех случаях первоочередное значение имеет правильная жёсткость колеса, при сборке которого необходимо использовать зонтомер и тензометр.


Рис. А «Диаграмма растяжения спицы Sapim Leader 2.0 мм»


Рис. Б «Диаграмма растяжения спицы No name 2.0 мм»


Рис. В «Диаграмма растяжения спицы DT Swiss Competition 2.0-1.8-2.0 мм»

Необходимо отметить, что в реальности предел прочности спиц находится ниже полученных значений. Это вызвано двумя причинами. Во-первых, стендовое растяжение представляет собой статическое нагружение, тогда как в процессе эксплуатации колёса чаще испытывают динамические нагрузки (удары, прыжки и т.д.). В результате этого максимально допустимую нагрузку следует уменьшить на несколько десятков процентов. Однако для пластичных материалов наблюдается обратная закономерность - при резком увеличении скорости возрастания нагрузки прочностные характеристики повышаются (σ_т и σ_в), т.е. пластичность трансформируется в прочность. Ввиду этого модели с постоянным поперечным сечением имеют дополнительное преимущество. Во-вторых, спицы часто лопаются в зоне изгиба у фланца втулки от накопления усталости, т.к. данная область является концентратором остаточных растягивающих напряжений. В результате этого их прочность с годами снижается и максимально допустимую нагрузку также необходимо уменьшить. Однако пластичные материалы и здесь обладают дополнительным преимуществом, поскольку благодаря высокой ударной вязкости в них происходит торможение роста трещин. Следовательно, спицы постоянного поперечного сечения обладают повышенной трещиностойкостью и связанной с ней циклической прочностью. В любом случае следует иметь ввиду, что предел выносливости σ_R прямо пропорционален пределу прочности σ_в в том же сечении. Тем не менее, зная результаты стандартизованных испытаний можно без труда экстраполировать полученную картину на условия реальной эксплуатации, поскольку соотношение механических характеристик различных моделей спиц при этом сохранится.

Резюмируя рассмотренные результаты, можно дать следующие практические рекомендации. Среди спиц постоянного профиля по совокупности механических характеристик лучшей моделью является Sapim Leader 2.0 мм, за которой следует DT Swiss Champion 2.0 мм; среди баттированных спиц с утолщением наиболее сбалансированными моделями выступают DT Swiss Alpine III 2.34-1.8-2.0 мм и Sapim Strong 2.3-2.0 мм, а с утонением - DT Swiss Super Comp 2.0-1.7-1.8 мм и Sapim Race 2.0-1.8-2.0 мм. В целом же, покупка спиц переменного сечения представляется абсолютно нецелесообразной, поскольку экономия массы на одно колесо составляет не более 100 г, которые распределены равномерно по всей площади колеса и не оказывают существенного влияния на ускорение велосипеда.

Выводы

1. Спицы с постоянным поперечным сечением значительно превосходят баттированные модели как по прочности, так и по пластичности.

2. При уменьшении диаметра спицы существенно снижаются её механические характеристики.

3. Низкокачественные спицы отличаются от высококачественных практически полным отсутствием пластичности, вследствие чего резко повышается их хрупкость.