Vật Liệu Làm Khung Xe Đạp
Hiện nay các dòng xe đạp touring khung sườn sử dụng 3 loại chất liệu thông dụng là: Thép (Reynolds, Choromoly), Hợp kim nhôm (6061, 7075) và Hợp kim Titanium cao cấp, còn với chất liệu Carbon dường như không được sử dụng để làm khung sường xe đạp touring vì không phù hợp.
Thép (Reynolds, Chromoly)
Reynolds xuất xứ ở UK nên các hãng xe UK hay dùng. Chromoly 4130 là thép Mỹ, nên hãng Mỹ hay dùng: Surly, Salsa, Soma…Chromoly có Ultimate Tensile Strength khoảng 560 GPa, thấp hơn Reynolds 525. Nhưng Chromoly rất dễ hàn, chi phí gia công thấp, dễ sản xuất đại trà nên phù hợp với tính thực tế của người Mỹ.
Hợp Kim Nhôm
Nhôm thì nhẹ hơn nữa nhưng cơ tính của nó cũng thấp hơn thép và titanium rất nhiều. Điều này có nghĩa là để đảm bảo được cả độ cứng và độ bền thì làm sườn nhôm phải tốn nhiều thể tích vật liệu hơn và ống sườn cũng phải làm to hơn.
Hợp Kim Titanium
Titanium thì nhẹ gần phân nửa thép nhưng bị cái là Stiffness cũng chỉ hơn phân nửa thép một tí. Có nghĩa là để đảm bảo độ cứng của khung, bắt buộc sườn titanium phải sử dụng ống to hơn và mỏng nhưng vẫn nhẹ hơn thép. Sườn titanium mà thiết kế tồi thì không thể cạnh tranh được với sườn thép về độ cứng.
Titanium đã khó hàn và ống mỏng lại càng khó hơn. Khách hàng dùng sườn titan vì phải bỏ ra nhiều tiền hơn nên thường soi rất kĩ. Mối hàn mà xấu thì chỉ có vứt đi. Sườn titan thường không sơn vì titanium không cần phải bảo bệ chống ăn mòn, rỉ sét nên nếu mối hàn xấu nó lồ lộ ra ngay chứ không như sườn thép hay nhôm có thể dùng sơn để phủ lấp được. Ống titan dùng để làm khung từ các hãng lớn chuyên sản xuất ống thì cũng có 5-7 loại. Ống chất lượng thấp thường có nhiều khuyết tật nhỏ ở bề mặt, và khuyết tật này chính là nơi sẽ khởi đầu cho các vết nứt gãy khi chịu tải trong tương lai.
Tuy nhiên, vì Strength của Titanium tầm 1000 MPa như ở loại 6-4 Ti, cao hơn nhiều so với thép Chromoly nên nếu sườn Titanium thiết kế để đạt được độ cứng tương đương sườn thép thì độ bền khung titanium sẽ cao hơn vì strength của titanium cao hơn và dùng nhiều thể tích vật liệu hơn. Hẳn nhiên là khung vẫn nhẹ hơn rồi vì mặc định của khách hàng là thế rồi. Sườn titanium thường nhẹ hơn sườn thép khoảng 500-600g.
Strength (MPa) : Thông số độ bền & nứt gãy của vật liệu (số càng lớn độ bền càng cao).
Stffness (GPa) : Thông số khả năng chống biến dạng của vật liệu (số càng lớn độ biến dạng càng thấp).
953/853/931/725/921/631/525 : là mã của thép Reynolds
6061 : là mã hợp kim nhôm
3Al-2.5V : là hợp kim Titanium
4130 : là thép Chromoly
Vật liệu nào tốt hơn để làm khung sườn?
Thép, Nhôm, Hay Titanium
Chúng ta tham khảo 2 hình dưới đây, chú ý phần đóng khung hình chữ nhật màu đỏ là vùng của 4 loại Vật liệu:
- Thép: Steel
- Hợp kim Nhôm: Al alloys
- Hợp kim Titanium: Ti alloys
- Carbon: CFRP
Young’s Modulus – Khối lượng vật liệu
Trên đồ thị Young’s Modulus vs Density- khối lượng riêng của vật liệu, chúng ta thấy dù thép có nhiều loại khác nhau, nhưng modulus vùng phân bố là một điểm rất hẹp quanh 200 GPa.
Nhôm: 70-80 GPa, Titan: 100-105 GPa, Carbon: 90-110 GPa
Các giá trị này thể hiện rõ ràng là, nếu chỉ riêng về tính chất vật liệu thì sườn làm bằng thép sẽ cho khung có độ cứng cao nhất. Tuy nhiên, các loại vật liệu khác như Carbon, Nhôm hay titan vì có khối lượng riêng nhẹ hơn thép rất nhiều nên chúng ta có thể tăng chiều dày, tăng kích thước, tạo mặt cắt đặt biệt để gia tăng độ cứng của khung sườn mà vẫn đảm bảo khối lượng của toàn bộ sườn nhẹ hơn. Sườn Carbon là một ví dụ tiêu biểu của trường hợp này.
Strength – Độ bền vật liệu
Tham khảo đồ thị Strength vs Density. Nếu như Young’s Modulus phân bố khá hẹp đối với nhiều mã khác nhau trong cùng loại vật liệu thì strength phân bộ rất rộng. Ví dụ các loại thép tốt, cao cấp có độ bền gấp vài lần thép bình thường nhưng Young’s Modulus cũng chỉ ngang ngang với thép bình thường.
Dựa vào đồ thì này ta thấy Thép, hợp kim titan và Carbon có độ bền ngang ngang nhau. Vì độ bền đứt gãy của khung phụ thuộc vào tiết diện chịu lực, và Carbon và Titan nhẹ hơn thép nhiều nên cho phép dùng lượng vật liệu nhiều hơn nhưng vẫn nhẹ hơn khung thép. Thành thử ra, khung titan và carbon vẫn có độ bền đứt gãy cao hơn.
Ở đây, cần phân biệt strength của vật liệu với độ bền va đập của vật liệu, impact strength. Carbon có cái này thấp nên thường bị phá hủy bởi va đập hơn.
Độ cứng của khung sườn xe đạp
Tại sao xe bị lắc khi chở nặng? Trước hết, xe bị lắc là do khi ta đạp, lực tác dụng lên khung bị lệch tâm, nhấn chân phải thì lực dồn qua bên phải sườn và ngược lại nên làm khung, đặc biệt là phần đuôi xe bị chuyển vị theo phương ngang. Bạn sẽ thấy rõ điều này khi đứng lên đạp.
Chở càng nặng, xếp đồ lệch tâm không cân đối, trọng lực và lực quán tính càng lớn thì khung càng dễ bị dịch chuyển. Nên trong trường hợp này, chúng ta có thể xem khả năng chống lại chuyển vị ngang của xe là độ cứng khung. Ngoài ra, khung có độ cứng thấp, khi vào cua, lực ly tâm cũng làm khung bị chuyển vị ngang, gây khó điều khiển và thiếu an toàn.
Độ cứng của khung phụ thuộc vào các yếu tố chính nào?
Thiết kế và kết cấu của khung. Ví dụ: sườn size nhỏ thường cứng vững hơn sơn size lớn.
Kích thước, tiết diện và hình dạng mặt cắt ngang của ống sườn. Ống sườn lớn, dù mỏng hơn vẫn tạo ra độ cứng cho khung lớn hơn so với ống sườn nhỏ nhưng dày hơn khi sử dụng cùng một lượng vật liệu. Nhiều sườn tạo hình ống sườn có mặt cắt ngang khác với hình tròn thường thấy ở sườn thép để tăng độ cứng chung của sườn. Cái này thường thấy ở sườn carbon, nhôm hoặc titan. Tuy nhiên, ống sườn lớn và mỏng và có mặt cắt ngang đặc biệt thì khó gia công hơn.
Young’s Modulus của vật liệu. Cái này đặc trưng cho độ biến dạng đàn hồi của vật liệu dưới tác động của ngoại lực. Modulus càng thấp, vật liệu càng dễ bị biến dạng. Ví dụ như vật liệu polymer và cao su. Modulus đóng góp vào độ cứng của khung sườn
Cần phân biệt giữ độ bền- strength- của vật liệu với Modulus. Strength liên quan đến phá hủy, đứt, gãy của vật liệu khi bị lực tác động. Strength không đóng góp nhiều vào độ cứng của khung sườn. Strength đóng góp vào độ bền của khung sườn.
Độ cứng khung có ảnh hưởng đến hiệu quả đạp không?
Có. Khung càng yếu, lực đạp thay vì truyền xuống bộ phận truyền động thì năng lượng ấy lại bị chia sẻ một phần để làm rung lắc khung nên hiệu quả đạp không cao. Cái này cũng tương tự trong trường hợp đi tour dùng MTB với phuột nhún, khi đó, lực đạp một phần được chuyển sang làm biến dạng lò xo.
Tóm lại: Để sườn đạt được độ cứng mong muốn, ngoài tính chất vật liệu thì thiết kế khung, ống sườn cũng có đóng góp rất quan trọng. Mỗi sườn làm ra đều có mục đích sử dụng, việc của chúng ta là cứ dùng đúng mục đích đó là được.
Nguồn: Tổng hợp, Darkrockvietnam
