АНАЛИЗ УЗЛОВ ГОНОЧНОГО ВЕЛОСИПЕДА ПО ПАРАМЕТРАМ ПРОЧНОСТИ И ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА

6.1. Динамические качества рамы

К началу 1900-х гг. сформировалась вполне современ­ная конструкция рамы гоночного велосипеда, которая сегодня продолжает совершенствоваться во всех напра­влениях, включая применение новых материалов, тех­нологии изготовления и, что особенно важно, сочетания геометрии рамы с рациональными вязкоупругими свой­ствами элементов ее конструкции.

Велосипедная рама, по мнению подавляющего боль­шинства специалистов, стала одним из решающих фак­торов технического совершенства велосипеда. Она яв­ляется связующим звеном в системе человек—машина, обеспечивающим передачу энергии от биологического двигателя, каким является гонщик, к велосипеду, со­вершающему передвижение со скоростью, пропорцио­нальной эффективно приложенному усилию. Коэффи­циент полезного действия, определяемый отношением эффективно использованной энергии к затраченной, пред­полагает учет потерь энергии, связанных как с качеством педалирования, так и с динамическими качествами вело­сипеда. Последние характеризуются потерями на пре­одоление сил внутреннего и внешнего трения, возникаю — Дцего в результате колебательных процессов в раме и колесах при различных частотах возбуждающего воз — .действия, а также потерями на трение качения колес ‘и других вращающихся частей.

Динамические качества велосипеда и, в частности, рамы влияют и на такие важные параметры, как накати- стоеть и приемистость. Первый термин означает способ­ность велосипеда удерживать начальную скорость без приложения крутящего момента со стороны гонщика, например при спуске или при езде по инерции. Второй термин означает способность велосипеда быстро набирать скорость в момент максимального ускорения при спуртах.

Современные методы испытания и оценки качества гоночных велосипедных рам сводятся в основном к раз­рушающим многоцикловым или одноцикловым испыта­ниям, в результате которых устанавливают допустимое число циклов (при многократных нагружениях) или разрушающую нагрузку (при однократных нагруже­ниях). Оба метода важны для оценки работоспособности и надежности конструкции рамы, однако не дают ни малейшего представления о динамических качествах, о которых мы пока можем получать только косвенную информацию по подчас разноречивым мнениям отдель­ных спортсменов. При этом отсутствуют какие-либо объективные параметры такой оценки.

Анализ многочисленных методов технической диагно­стики механических конструкций позволил сформулиро­вать основные требования к методике оценки динамиче­ских качеств гоночной велосипедной рамы:

1) метод должен быть неразрушающим;

2) максимальные нагрузки не должны приближаться к предельно допустимым и не должны создавать предпо­сылок для возникновения остаточных деформаций и напряжений в элементах конструкции рамы;

3) метод испытаний должен позволять использовать только частично разобранный велосипед, что является важным фактором при экспресс-испытаниях отдельных экземпляров рам, включая в первую очередь рамы ино­странных фирм;

4) метод должен быть статистическим, обеспечивающим накопление статистических данных в целях создания кар­тотеки гоночных рам и разработки рекомендаций по практическому использованию накопленных сведений;

5) метод должен обеспечивать воспроизводимость ре­зультатов, чтобы можно было проводить контрольные и сравнительные испытания новых конструкций рам.

В основу рассматриваемого ниже метода положен метод оценок параметров внутреннего трения, широко Известный в практике материаловедения конструкцион­ных материалов.

Рис. 6.1. Схема установки для оценки динамических качеств велосипедных рам

Д71 АН

Из теории механи­ческих колебаний из­вестно, что свободные колебания неизбежно затухают в конструк­циях. При этом началь­ная энергия колеба­тельного процесса в ко­нечном итоге превра­щается в тепловую энергию. Процессы, про­исходящие в конструк­циях при свободных затухающих колеба­ниях, в которых имеют место указанные пре­образования энергии, принято в технике обозначать термином «внутреннее трение».

В методе используется высокая чувствительность ко­лебательных процессов в деталях и конструкциях к их техническому состоянию. Критерием сценки является декремент затухающих колебаний, возбужденных в ис­следуемой велосипедной раме и наблюдаемых в опре­деленных пределах. Частота собственных колебаний и ее отклонение от номинального значения зависят от ряда причин, основными из которых являются структурные дефекты, геометрические отклонения, изменение вязко­упругих свойств, наличие усталостных явлений в ма­териале и т. д.

Принципиальная схема испытания рамы показана на рис. 6.1. Раму 5 устанавливают горизонтально в шарнир­ных опорах 0Х и 02, смонтированных на стальной разме­точной плите массой около 1500 кг. Передняя вилка кре — ‘Пится на бифилярном подвесе 3 с помощью шарнира 03. Раму нагружают грузом Q с помощью гибкой тяги 11. •Груз задают экспериментально, исходя из условий его — влияния на характер измеряемых параметров или со­гласно требованиям программы исследований. В харак­терных точках рамы, выбираемых экспериментально,
закрепляют шесть индукционных датчиков ускорений 4; 6—10 типа МВ-22Г. В непосредственной близости от оси 01 передней вилки устанавливают две индукционные катушки 1 и 12, соединенные с блоком возбуждения колебаний, который обеспечивает возбуждение исследуе­мой рамы с максимальной мощностью до 600 Вт в диа­пазоне частот от 30 до 2500 Гц. Оптическая система 2 позволяет контролировать амплитуду колебаний отдель­ных элементов рамы.

12 3^56 7 А, в Рис. 6.2. Амплитудно-частотная характеристика двух рам гоночного велосипеда: О — рама В-552 ХВЗ; • — рама фирмы RJH; 1—6 — показания датчиков соответственно 4, 6, 9, 10, 8, 7 (см. рис. 6.1)

В процессе эксперимента с каждого датчика снимают характеристики затухания свободных колебаний в ин­тервале А—1/3А, что позволяет построить зависимость линейного декремента затухания колебаний, выражен­ного числом циклов N, от первоначальной амплитуды колебаний А. Амплитуда выражена в показаниях вольт­метра, подключенного к выходам датчиков. На рис. 6.2 представлены описанные зависимости для двух гоночных велосипедных рам фирмы РИХ (RIH) и модели В-552 Харьковского велосипедного завода (ХВЗ).

Из общего анализа полученных зависимостей можно сделать вывод, что рама гоночного велосипеда модели В-552 является конструкцией, реагирующей на широкий спектр частот возмущающих воздействий. Эти воздействия вызваны неровностями дороги, случайными предметами, попадающими под колеса велосипеда, или усилиями со стороны СНКГ, приложенными к педалям. С другой стороны, рама фирмы РИХ имеет значительно боле? узкий спектр частот возмущающих воздействий, при которых рама или ее отдельные элементы входят в резо­нанс. Если учесть, что на колебательные процессы в раме требуются определенные энергозатраты, то на поддержа­ние одной и той же скорости движения на велосипеде, собранном на базе рамы РИХ, энергозатраты ниже.