Карбоновые велосипедные рамы - особенности и нюансы выбора

Отредактировано: 20.08.2019

Продолжая серию статей о материалах, применяемых для изготовления велосипедных рам, поговорим о таком относительно молодом и перспективном материале как карбон или углепластик.

В предыдущих статьях были рассмотрены преимущества и недостатки традиционных металлических рам - стальных, алюминиевых и титановых. Металл всегда психологически имеет большее доверие – он крепок и надежен.

Для начала давайте разберемся в самом понятии «карбон»?. На английском этот материал называется «carbon fiber», что переводится как «углеродное волокно».

Что такое карбон (углепластик)

Карбон - это полимерный композиционный материал из переплетенных нитей углерода, расположенных в матрице из различных полимерных смол.

Толщина углеродных нитей, представляющих тонкие трубочки, практически полностью состоящие из углерода, составляет от 0,005 до 0,015 мм. Получают их с помощью специальной термической обработки искусственных или природных веществ.

Углеродные волокна обладают большой продольной прочностью, т.е. разорвать их очень трудно, а вот боковая прочность у них низкая - они легко ломаются вбок. Именно поэтому прочность любой карбоновой конструкции достигается тем, что разные слои нитей располагаются в те стороны, на которые действуют силы в готовом изделии. 

Вторая и не менее важная часть карбона – смолы, главная задача которых удерживать волокна в заданном положении, сохраняя форму изделия. От их типа и качества, зависит,насколько прочно разные слои нитей будут связаны друг с другом и, в конечном счете, физические и эксплуатационные свойства готовых изделий. Смолы могут застывать либо в обычных условиях, либо «запекаться» в специальных печах, что резко повышает качество готовой продукции.

Одним из типов таких смол выступают различные эпоксидные смолы.

Иногда для дополнительного армирования карбона используют каучук. Он придает еще и серый оттенок.

Учитывая особенности этого материала, его очень широко используют во многих отраслях промышленности. В велосипедостроение карбон пришел не так давно, но уже успел прочно занять достойное место. Его используют при изготовлении рам, колес, подседельных штырей, руля и выносов руля, жесткой вилки – т.е. практически всего велосипеда.

Карбоновая велосипедная рама – это сплетенная из стекло- и углеродных волокон конструкция, пропитанная синтетическими смолами и «спеченная» при высокой температуре. За счет направленного плетения конструкция рамы получает нужные прочностные характеристики.

Грамотно спроектированные карбоновые рамы очень хорошо гасят вибрации при поездке именно благодаря своей тканевой структуре. Ехать на такой раме мягко и приятно. Как упоминалось выше, важным элементом при производстве является  смола. Именно она рассеивает энергию удара по всей конструкции. Правильно расположенные слои ткани из карбоновых нитей, дают хорошее виброгашение и упругость, которые точно не получишь используя алюминий. Во многом свойства готового изделия зависят от способа его «выпечки». Особые сочетания направлений и количества слоев, состав смол, температуры и давления при нагревании форм практически всегда наиболее охраняемые секреты серьезных производителей. Но еще раз подчеркну – грамотно спроектированные рамы.

Именно поэтому для гонщиков изготавливают индивидуальную раму точно под его вес, индивидуальные особенности тела, посадку и т.д. Стоит она очень дорого, но свою цену окупает.

А вот изготовленная неизвестной китайской фирмой конструкция под усредненного жителя поднебесной, в которой слои укладываются, как придется, пропитываются обычной эпоксидкой и сушатся на глаз, вряд ли выдержит  нашего человека, да еще и на наших дорогах. Правда выглядит такой байк очень красиво – этого у китайцев не отнять.

Почему мы говорим только о «китайцах». Дело в том, что производство карбоновых изделий очень вредное. Велосипедные рамы производят вручную, а  пары смол и отвердителей, мелкодисперсная пыль при шлифовке готовых изделий быстро убивают здоровье работников. Поэтому их производство в Европе дорогое удовольствие. И хорошая рама не может стоить 200-300 долларов.

Интересное видео о прочности карбоновой и алюминиевой рамы

Карбоновые рамы очень жесткие и прочные, но хрупкие и плохо переносят удары, особенно поперечные, царапины и сколы.

Кстати, для любителей интересных фактов и истории. Первая велосипедная рама с карбоновыми трубами в советском союзе, а возможно и в мире, была изготовлена еще в 1978 году во Всесоюзном научно-исследовательском и проектном институте искусственного волокна и пряжи (ВНИИИВПроект) в подмосковном городе Мытищи.

На жесткость и прочность карбоновой рамы влияют следующие факторы.

1. Чем меньше используется смолы – тем рама крепче.
2. Количество слоев. Чем больше слоев, расположенных в разных направлениях, тем прочнее рама.

Металлические вставки в карбоновые велорамы.

Карбон очень вязкий и хрупкий материал и нарезать в нем резьбу невозможно. По крайней-мере на современном этапе развития технологий.  Поэтому при изготовлении рамы в нее вклеивают стальные, алюминиевые или титановые бочонки с готовой резьбой, например, для каретки, а в некоторых моделях карбоновые трубы вставляют в стальные соединительные элементы рамы.

Но! Любой из этих металлов и карбон имеют разные коэффициенты расширения при изменении температур (это по законам физики), что особенно актуально для нашей климатической зоны. Из-за этого со временем все вклеенные части отклеиваются и выскакивают, причем, как всегда в самый неподходящий для этого момент. Причем все эти вставки постоянно несут на себе нагрузку (в подседельной и рулевой трубах, в каретке). Особенно это важно при зимних поездках или в сильную жару.

Рано или поздно это произойдет, а  как относится к рассказам продающих менеджеров, о том, что именно в их велосипедах применяется самый супер-пупер крепкий и секретный клей, и вообще карбон у них изготовлен по  космическим технологиям, это уже Ваше дело.

На фотографии видно как раз один из примеров подобной проблемы. 

Плюсы велосипедных рам из карбона:

• Малый вес, почти как у титановых, иногда даже легче. В серийном производстве вес рам доходит до 1,1-1,5 кг.
• Высокая прочность
• Возможность изготовить раму любой прочности и формы, вплоть до индивидуальных особенностей. Правда это используется в основном в спортивных дисциплинах.
• Полное отсутствие коррозии.

Основные недостатки карбоновых рам:

• Только грамотно спроектированная геометрия рамы, причем учитывая вес велосипедиста, правильно подобранное направление слоев волокон, выполненная из качественных материалов сама рама, вилка и задние перья могут неплохо гасить мелкие вибрации. Ехать на такой раме будет достаточно комфортно. В остальных случаях велосипед может оказаться очень жестким, в отличие от велосипеда со стальной рамой, у которого сама сталь по своим физическим свойствам хорошо гасит вибрации во всех направлениях. Подчеркиваю еще раз - велосипед, расчитанный для сто килограммового велосипедиста будет жестким для 70 килограммов. 
• Если Ваш вес более 100 кг очень серьезно отнеситесь к выбору. Внимательно изучите инструкцию на предмет предельного веса на который рассчитан велосипед. При таких весах ударная нагрузка, даже при съезде с бордюра, особенно регулярно повторяющаяся, ведет к ее разрушению. В таких случаях мы советуем приобретать стальные или алюминиевые велосипеды. 
• Надежность рамы так же сильно зависит от качества изготовления и продуманности геометрии рамы. В противном случае она может быстро разрушиться.
• Высокая цена. Китайцы смогли довести их цену до приемлемых уровней и вытеснили титановые модели, но пока не достигли уровней хороших стальных и алюминиевых моделей.
• Хрупкость. Боятся точечных ударов, требуют аккуратного обращения, отсутствия ударов и падений велосипеда. В местах сколов или сильных царапин их крепость нарушается.
• Разрушаются сразу и быстро – значительно хуже, чем алюминиевые.
• Очень сложно ремонтируются. Некоторые мастера пытаются заделывать «точечные» удары и даже поломки, но эффективность таких ремонтов слишком низкая. Это объясняется тем, что если ремонтировать раму накладыванием карбонового бандажа, то изменится сечение трубы. Соответственно изменятся нагрузки, действующие на нее, а само место ремонта все-равно останется «слабым звеном», которое может «выстрелить» в будущем.
• При температурах меньше нуля карбон, в отличие от всех металлов, становится более хрупкий. Нельзя сказать, что зимой он рассыпется при падении, но вероятность появление сколов и трещин при ударе повышается.
• Средний срок службы – всего несколько лет. Это практически самые мало живущие велосипеды, причем, они на порядок дороже стальных.
• На велосипеде с карбоновой рамой сложно установить багажник, хотя наши умельцы решают и эту проблему, правда достаточно кустарными методами.

Еще маленький штришок по поводу хрупкости карбона. Если на стальном велосипеде начать туго затягивать болт в креплении подседельного штыря (у нас же народ физически крепкий) – ничего не случится, максимум сорвете резьбу и замените болт. А вот тоже самое сделать на карбоновом подседеле – сразу получите трещину. Кстати, несколько фото о китайских карбоновых подседелах, не выдержавших поперечной нагрузки и сломавшихся во время поездки. Согласитесь, у велосипедиста были не самые приятные ощущения в этот момент.

Видео о плюсах и минусах карбоновых велосипедов

Хочется сделать маленькое замечание по поводу этого видео. Ребята, в качестве примера, говорят о том, что «карбоновые лопасти вертолетов не разрушаются от пулевых отверстий». Замечу на это следующее: Во-первых - лопасти, конечно, не разрушаются, но их сразу же меняют на аэродроме, как только вертолет туда дотянет. И во-вторых – ну там явно не тот же материал, что в велосипедной раме и делают его точно не китайские мастера. Производство авиационного карбона процесс очень кропотливый, сложный и дорогостоящий.  

Основная проблема карбоновых рам

В чем, на мой взгляд, основная проблема карбоновых рам? Как ни странно, ни в эксплуатационных характеристиках и даже не в цене. Тот кто решил ее купить скорее всего имеет на это деньги. Настоящая трудность в том, чтобы найти и купить грамотно спроектированную раму из настоящего и качественного карбона, а не из смеси карбонового волокна и стеклопластика.

Почему? В самом начале статьи мы описали что из себя представляем карбон как материал. Само по себе углеродное волокно стоит не дешево, да и правильно подобрать смолы, которыми его заливают, соблюсти всю технологию производства, выложить слои ткани под правильными углами, обеспечивающими оптимальное распределение нагрузок не так просто.

При производстве рамы карбоновые слои вручную накладывают один на другой. Причем нити должны пересекаться под нужным углом. При этом очень много зависит от квалификации работника. Если между слоями, в смоле, остануться небольшие пузырьки воздуха, то при запекании, в раме образуются пустоты, значительно снижающие её крепкость. Толщина стен и так не очень большая, а тут еще и пустоты внутри неё. Именно в этих местах они люмаются и начинают слоиться.

При изготовлении авиационных изделий идет постоянный контроль качества с использованием специального оборудования на всех  этапах производства, что вряд ли делается при изготовлении велосипедов. Да и толщина стенок изделий там значительно выше, чем у труб велорам. 

С учетом того, что производство изделий из карбона требует много ручного труда и времени, особенно при изготовлении деталей сложных форм, основное их производство расположено в Китае. Я не собираюсь оспаривать того, что часть мировых брендов действительно делают хорошие и качественные рамы под наблюдением специалистов (с большой буквы), по хорошим матрицам и лекалам, из качественных материалов и на своем оборудовании. Такие рамы очень хороши по всем параметрам и на них можно нормально ездить, не боясь, что она сломается при прыжке с бордюра.

Но, во-первых такие велосипеды стоят не 200-300$, а на порядок выше, а во-вторых, и это главное: Вы можете быть уверены в том, что покупаете велосипед именно настоящих брендов, а не дешевую и красиво раскрашенную подделку из китайского гаража или выбракованный при контроле качества байк?

Потратить большие деньги, покататься немного и при первом же серьезном падении или ударе сломать раму и выкинуть ее на свалку? Это, как говорится, на любителя. 

Видео о том как делают индивидуальные карбоновые рамы велосипедов

и как организовано качественное производство карбоновых рам Giant на китайской фабрике

 И в заключении еще одно видео о том как распознать китайскую подделку настоящих брендов

Стоит ли покупать велосипед с карбоновой рамой?

Рассмотрим этот вопрос с двух позиций:

1. Покупка карбона с рук (б/ушный велосипед)
2. Покупка нового велосипеда.

Что нужно сделать для проверки качества при покупке б/у карбона:

Выше уже упоминалось о том, что карбон боится точечных ударов. Он в этих местах начинает разрушаться. Второе слабое место – металлические вставки. Это основные  скрытые угрозы старых карбоновых байков. Поэтому нужно:

1. Тщательно осмотреть раму на предмет внешних повреждений, трещин, глубоких царапин, сколов и т.п. Любая трещина - это очень серьезная проблема для композитного материала. В этом месте резко возрастает вероятность разрушения и кататься на таком байке просто опасно. Учтите, что она может быть под слоем краски и незаметна на первый взгляд.
2. Обратите внимание при осмотре на наличие расслоения слоев. Расслоение слоев карбона означает, что смола, связывающая слои повреждена и больше не держит их, а значит резко уменьшается прочность издения. 
   Признаки расслоения слоев:
   • Затуманенный или побелевший участок поверхности, внешне отличающийся от нормальных частей. Целые участки стекловидны, имеют глубокий блеск, как будто смотришь на жидкость. В расслоенных местах смола пронизана микротрещинами и поэтому они выглядят матовыми, потерявшими яркость.
   • На поверхности видны вздутия или небольшие волны, складки. Если заметны переливы в цвете на вроде бы ровной трубе - это серьезная причина для отказа в покупке. Практически всегда это означает, что карбон уже начинает разрушаться. Только не нужно путать переливы в реальной покраске и переливы в цвете карбона.
3. Все трубы рамы должны быть ровные и гладкие. 
4. Для проверки целостности карбона хорошим методом можно считать простукивание. 

   Если Вам "медведь не топтался по ушам", то рекомендуем попробовать. Только стучать нужно не пальцем, а твердым предметом. Стук по поверхности карбона вызывает характерный звонкий звук. В зоне расслоения или трещины звук будет другим, обычно менее звонким.

   Так же можно проверить велосипед на скрипы. Сядь на него и попробуйте подвигать в стороны. Трещины и расслоения могут вызывать поскрипывания или даже попискивания. Попробуйте найти причину скрипов - если это, например, педали - это один вопрос, но если скрип идет от рамы - это уже плохо.

5. Проверить жесткость посадки металлических вставок - двигаются они или нет, что сделать по интернету проблематично. Так же обратите снимание на подседельную трубу и крепление в ней подседельного штыря.
6. Попытаться выяснить реальную причину продажи, в каких условиях байк эксплуатировался и хранился, часто ли падал, кто и как на нем катался. Все-таки карбоновые велосипеды лучше эксплуатировать и хранить аккуратно.
7. Когда он был куплен первый раз. Так выясняется насколько он старый – ведь срок нормальной эксплуатации этих велосипедов всего несколько лет. И если предлагается модель с 5-6 летним сроком эксплуатации – то лично я бы не покупал.
8. Попробовать на нем прокатиться и определить подходит ли он Вам по геометрии рамы, росту, жесткости, амортизационным свойствам и т.п. Я бы советовал именно нормально покататься, а не посидеть и «проехаться кружочек».

Ну и дальше, в зависимости от предлагаемой цены и целей, для которых Вы его покупаете, принимайте решение.

Хотя лично я рекомендую, если сильно хотите карбон – купите себе лучше новый.  

Что касается покупки нового карбонового велика.

На мой взгляд, карбон очень перспективный материал для изготовления велосипедных рам. Его использование в профессиональном велоспорте оправдано и себя окупает.

Что касается рядового велосипедиста, использующего велик «для покататься и получить удовольствие», я считаю так: если есть лишние деньги, сильное желание и возможность – ну купите и попробуйте. Хотя все же лучше сначала попробуйте. Почувствуйте езду на нем и, если понравится, купите.

Лично мое мнение - я бы купил себе за эти деньги хороший стальной или титановый велосипед. И в общем то, только из-за того, что они более крепкие, надежные и я смогу их через несколько лет эксплуатации спокойно продать или оставить подросшим детям.

В следующей статье, мы немного поговорим о рамах, выполненных из редких и оригинальных материалов. Каких? Перейдите по этой ссылке и почитайте. 

Что еще можно почитать о материалах для велосипедных рам:

1. Материал для велосипедной рамы
2. Плюсы и минусы стальных велосипедных рам
3. Велосипедные рамы из алюминия (алюминиевых сплавов)
4. Титановые велосипедные рамы
5. Оригинальные и экспериментальные материалы для велосипедных рам (магний, скандий, дерево, бамбук)