BEVEZETÉS - Duna Cycles cargo bikes



FALTAY L?SZL?KER?KP?RV?ZAK TERVEZ?S?NEK HEGESZT?STECHNOL?GIAI MEGFONTOL?SAIBudapesti M?szaki és Gazdaságtudományi EgyetemGépészmérn?ki KarANYAGTUDOM?NY ?S TECHNOL?GIA TanszékSzakdolgozatBudapesti M?szaki és Gazdaságtudományi EgyetemGépészmérn?ki KarANYAGTUDOM?NY ?S TECHNOL?GIA TanszékFaltay LászlóSzakdolgozatKerékpárvázak tervezésének hegesztéstechnológiai megfontolásaiKonzulens:Bobor KristófadjunktusTémavezet?:Dobránszky Jánostudományos tanácsadóBudapest, 2017NyilatkozatokBeadhatósági nyilatkozatA jelen szakdolgozat az intézmény által elvárt szakmai színvonalnak mind tartalmilag, mind formailag megfelel, beadható.Kelt, Az intézmény részér?l:konzulensElfogadási nyilatkozatEzen szakdolgozat a Budapesti M?szaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérn?ki Kara által a Diplomatervezési és Szakdolgozat feladatokra el?írt valamennyi tartalmi és formai k?vetelménynek, továbbá a feladatkiírásban el?írtaknak maradéktalanul eleget tesz. E szakdolgozatot a nyilvános bírálatra és nyilvános el?adásra alkalmasnak tartom. A beadás id?pontja: témavezet?Nyilatkozat az ?nálló munkárólAlulírott Faltay László (EK4ILF), a Budapesti M?szaki és Gazdaságtudományi Egyetem hallgatója büntet?jogi és fegyelmi felel?sségem tudatában kijelentem és sajátkez? aláírásommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és dolgozatomban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelm?en, a hatályos el?írásoknak megfelel?en, a forrás megadásával megjel?ltem.Budapest, 2017. 01. 15szigorló hallgatóTartalomjegyzék TOC \o "1-3" \h \z \u El?szó PAGEREF _Toc472266788 \h VII1.BEVEZET?S PAGEREF _Toc472266789 \h 11.1.T?rténeti áttekintés PAGEREF _Toc472266790 \h 11.2.Piaci viszonyok PAGEREF _Toc472266791 \h 42.SZAKIRODALMI ?TTEKINT?S PAGEREF _Toc472266792 \h 62.1.Mechanikai tulajdonságok és anyagszerkezeti alapjuk PAGEREF _Toc472266793 \h 62.2.Megmunkálhatóság PAGEREF _Toc472266794 \h 102.3.Hegeszthet?ség PAGEREF _Toc472266795 \h 113.KER?KP?RV?ZANYAGOK PAGEREF _Toc472266796 \h 133.1.Acélok PAGEREF _Toc472266797 \h 133.2.K?nny?fémek PAGEREF _Toc472266798 \h 234.TECHNOL?GIA PAGEREF _Toc472266799 \h 284.1.Cs?vek k?tései PAGEREF _Toc472266800 \h 284.2.Additív gyártás PAGEREF _Toc472266801 \h 365.TERVEZ?S PAGEREF _Toc472266802 \h 395.1.Szabványos k?vetelmények PAGEREF _Toc472266803 \h 395.2.?ltalános k?vetelmények és kapcsolatuk a váz anyagával PAGEREF _Toc472266804 \h 415.3.Vázalakok PAGEREF _Toc472266805 \h 435.4.Cs?keresztmetszet PAGEREF _Toc472266806 \h 456.EREDM?NYEK PAGEREF _Toc472266807 \h 477.JAVASLATOK PAGEREF _Toc472266808 \h 498.FELHASZN?LT FORR?SOK PAGEREF _Toc472266809 \h 509.SUMMARY PAGEREF _Toc472266810 \h 54El?szóAz alábbi szakdolgozat a fémb?l készült kerékpárvázakkal foglalkozik, annak is a hegesztéshez kapcsolódó vonatkozásaival. Megismerjük a gyakoribb és a kül?nlegesebb fémeket, melyekb?l kerékpárok készülnek, és a bel?lük készült szelvények ?sszek?tésére használatos technológiákat. Az alábbi munka azonban nem csupán a hegesztés iránt érdekl?d?k számára lehet érdekes. Készítése során arra t?rekedtem, hogy egy sokkal tágabb néz?pontból vizsgáljuk a t?rténetet, mint ahogyan azt a kedves olvasó egy hegeszt?mérn?ki szakdolgozattól elvárná. Megpróbálom ugyanis a kerékpárvázak készítéséhez kapcsolódó tudományterületekr?l olyan olvasók számára is lerántani a leplet, akik a technológia iránt csupán kerékpáros vonzalmuk okán érdekl?dnek.* * *K?sz?netnyilvánítás: K?sz?nettel tartozom tanáraimnak, munkatársaimnak és családtagjaimnak a szakdolgozat készítése k?zben nyújtott segítségükért és türelmükért. Budapest, 2017. 01. 15Faltay LászlóBEVEZET?SA kerékpárok tervezése sokrét? feladat. Az adott célra legmegfelel?bb guruló szerkezet tervezése és gyártása során rengeteg szempontot figyelembe kell venni, aminek az eredménye mindenképpen egy kompromisszum lesz.Jelen szakdolgozatban kísérletet teszek a legt?bb kerékpárvázat érint? m?szaki kérdésre választ találni. A kerékpárok fejl?dést?rténete után megismerkedünk az elengedhetetlen mechanikai fogalmakkal, érint?legesen szubatomi szintre is leereszkedünk. Miután már rálátásunk van a szerkezeti anyagokat érint? igénybevételekre, szemügyre vesszük a kerékpáriparban leggyakrabban alkalmazott fémes anyagokat. Ezt k?vet?en megvizsgáljuk, hogy az anyagból hogyan lesz szerkezet, el?sz?r technológiai, majd tervezési oldalról. Az ?sszegy?jt?tt ismeretanyagot a gyakorlatban is alkalmazzuk, a kísérletb?l további tanulságokat is levonva.T?rténeti áttekintésA helyváltoztatás az emberi élet szükséges velejárója. Az ipari forradalom lehet?vé tette a rendelkezésünkre álló energiák minden korábbinál hatékonyabb felhasználását. Ahogy a hangsúly a kézi termelésr?l a gépesítettre helyez?d?tt, úgy az emberi er?t is sikerült helyváltoztatásra alkalmas formára alakítani. A kerékpár minden id?k leghatékonyabb szárazf?ldi k?zlekedési eszk?ze [1]. Egy 64 kilogrammos, 16 km/h sebességgel haladó biciklista energiafogyasztása 110 kJ (25 kcal) kilométerenként [2], míg a gyaloglás ennek épp kétszeresét, a leghatékonyabb repül?gépek a tízszeresét, a legjobb autók pedig a hússzorosát igénylik. Az emberiség el?tt álló energiaproblémák tükrében a kerékpározás napjainkban tapasztalható reneszánsza tehát nem holmi átmeneti divathóbort, pedig a t?rténete éppen a párizsi gazdagok játékszereként kezd?d?tt.Az els? emberi er?vel hajtott kétkerek?r?l el?sz?r 1791-ben tesznek említést, amikor két kereket ?sszek?t?ttek egy fa rúddal, s az így egy lóra hajazó szerkezet nyergében próbáltak maradást találni, kormány híján nem éppen tartós sikerrel. A szerkezet Célerifère, kés?bb vélocifère nevet kapott [3]. 1812 és 1817 k?z?tt szokatlanul sz?k?s id?k jártak Európára. A napóleoni hadseregek germán f?ld?n kifosztották a magtárakat, a megmaradt termés rendkívül csekély volt, amihez hozzájárult a Mount Tambora 1815-?s kit?rése is. A ma Indonéziában fekv? szigeten t?rtént természeti katasztrófa olyan mennyiség? kéndioxidot juttatott a légk?rbe, hogy az 1816-os nyár az egész északi féltekén elmaradt ("year without summer"), ezért a búza ára az egekbe sz?k?tt, a lovak jó részét levágták. Ennek megfelel?en megn?tt az igény egy ló nélküli k?zlekedési eszk?z iránt. [4]1817-ben egy Karl Drais nev? német feltaláló megalkotta Laufmaschine nev? szerkezetét, amely immár kormánybottal is el volt látva, és a k?vetkez? évben tíz évre le is védette azt. A futógép sikeres lett, ám csak hobbisportolók k?rében. A k?zlekedésre valóban használható járm?h?z még fel kellett illeszteni egy pár hajtókart az egyik kerékre. Ezt els?ként állítólag egy skót kovács, Kirkpatrik Macmillan oldotta meg 1839-ben, bár bizonyíték erre az elméletre máig nem került el?. Philipp Moritz Fischer kerékpárja viszont fennmaradt 1853-ból, szélesebb k?rben pedig Pierre Michaux gépe terjedt el 1863-ban [5]. A Michauline volt az els? t?meggyártott kerékpár. Az angolul Boheshaker néven elhíresült gép k?zvetlen, lánc nélküli áttétellel rendelkezett, ezért a sebesség további n?veléséhez a kerék méretét kellett megn?velni. ?gy született meg a velocipéd (penny farthing) 1869-ben, ugyanabban az évben, amikor Jules Suriray bejegyeztette az els? szabadalmat a golyóscsapágyról. Az új járm?vel elérhet? sebesség immáron lehet?vé tette komolyabb távolságok leküzdését is. SEQ ábra \* ARABIC 1. ábra - a biztonsági kerékpár kifejl?dése [3]28340051599565A lánchajtás megjelenésével alacsonyabbá, és így biztonságosabbá váló, dwarf safety-nek csúfolt bicikli (franciában bicyclette, azaz kis bicikli) amilyen lassan terjedt el, olyan nagy átt?rést hozott a k?zlekedésben. A korábban lovakon, kocsik bakján, majd a velocipéd magas nyergében ül? ember a t?rténelem során most els?ként került emberi magasságba. 1885-ben a londoni kiállításokon már t?bbféle hátsókerékhajtású biztonsági kerékpár is megjelent, k?ztük a nagy kereskedelmi sikert elér? Rover II, melynek nevét a bicikli szó lengyel megfelel?je ma is ?rzi. A váz alakja kezdett hasonlítani a mai gyémánt alakú vázéra, viszont egyes források szerint még ?nt?ttvasból készült.Albert H. Overman amerikai kerékgyártó cége gyártotta az els? kerékpárt, melynek már egyetlen alkatrésze sem volt ?ntvény [6]. A Victort 1882-ben dobták piacra, megjelenése ?tv?zte a m?vészi szint? szaktudást, a stílust, a rendelkezésre álló gépészeti er?forrásokat és a kifejlesztésébe fektetett hatalmas t?két. Az alkatrészek immár cserélhet?ek voltak, így kül?nleges szaktudás nélkül bárki képessé vált megjavítani a kerékpárját.A gyár nem kisebb feladatot t?z?tt ki célul, mint hogy egy k?nny? szerkezetet alkosson a szükséges szilárdság megtartása mellett. A megoldást végül hosszadalmas kísérletezés hozta meg, a fejlesztés során egy sor egyéb vizsgálóberendezést is feltaláltak. A kerékpár ?sszes eleme – a gumiktól az ülésig – mind az üzemen belül készült.Ugyanezt érte el Richard Morriss Woodhead és Paul Eugene Louis Angois is. 1855-ben a notthinghami Raleigh Streeten megalapítják kerékpáros üzletüket, amely kés?bb a világ legnagyobb kerékpárgyártójává n?tte ki magát. ?k voltak az útt?r?i az olyan gyémánt alakú kerékpároknak, melyekben már a nyeregvázcs? is megjelent, ezáltal még merevebbé téve a szerkezetet. SEQ ábra \* ARABIC 2. ábra - A Mannessmann eljárás [7]2633980-33020Az acélipar fejl?désével és az acél árának cs?kkenésével megnyílt az út a varratnélküli acélcs?vekkel kapcsolatos szabadalmak el?tt. Néhány korai gyártó után 1885-ben a német Mannessmann testvérek bejegyeztetik a varratnélküli acélcs?vek kereszthengerléses (cross-rolling) gyártástechnológiáját [7]. ?t évvel kés?bb ezt kiegészítették a pilger eljárással, melynek során az el?lyukasztott vastagfalú acélcs?vet el?re-hátra húzzák-vonják és forgatják, amíg vékonyfalú cs?vet nem kapnak. A két technológiát együtt Mannessmann-eljárásnak nevezzük. "Mintha a róka irháját a fülénél fogva húznánk le" – magyarázták. SEQ ábra \* ARABIC 3. ábra - A Reynolds húzott cs?veinek hosszmetszete egy korabeli reklámon [Reynolds Technology Limited]2100580431801897-ben Alfred M. Reynolds és J.T. Hewitt levédeti a húzott kerékpár cs?veket, mely máig etalonnak számít az acél vázak területén. Az illesztések k?zelében megn?velt falvastagság biztosítja a megfelel? szilárdságot igen kedvez? t?meg mellett.A korabeli katalógusokból kiderül, hogy megkezd?d?tt a kerékpárok t?megét célba vev? piaci csatározás is, a Raleigh 1888-as varrat nélküli cs?vekb?l készül? gépének teljes t?mege 28 font (12,7 kg) volt, emellett megjegyzik, hogy egyes gyártók kevesebbet ígérnek, mik?zben termékeik valójában nehezebbek.A tizenkilencedik században még a fels?bb osztályok huncutsága volt a kerékpár, azonban a t?meggyártás és az árak cs?kkenése miatt a huszadik század k?zepére már egyszer? k?zlekedési eszk?zzé vált. Sok helyen egybeforrt a munkásosztály ?ntudatra ébredésével, a n?i emancipációval, a kerékpáros kluboknak – az ipari trendeknek megfelel?en – nagyobb befolyása volt a politikai életre, mint gondolnánk [9]. Hollandiában és Dániában a kerékpár a nemzeti ?ntudat jelképe lett. A náci német hatalomátvételkor betiltották a Solidarit?t munkás-kerékpáros egyesületet, és meghirdették az "autót mindenkinek!" politikáját [10]. Habár a század derekán még mindig a kerékpárok uralták az utakat, a súlypont a gépjárm?vek oldalára került, és ott is maradt egészen 1995-ig, amikor Amszterdamban a kerékpárt használók száma újra átlépte az autósokét. Ez a pont Koppenhágában 2015-ben k?vetkezett be [11].John Pinkerton, a kerékpárokkal foglalkozó t?rténész egyszer megjegyezte [8]: "Gondolj egy újításra a kerékpártervezésben. Valaki már megcsinálta, valószín?leg a 19. században."2274570172085Piaci viszonyokVilágszerte t?bb, mint százmillió kerékpárt gyártanak évente. SEQ ábra \* ARABIC 4. ábra - A világon éves szinten legyártott autók és kerékpárok száma 1950 és 2003 k?z?tt [Earth Policy Institute from Worldwatch]A világon a legt?bb kerékpárt gyártó országok listáját toronymagasan Kína vezeti (t?bb, mint 60%-nyi szeletet kihasítva a világpiaci tortából), a helyi kereslet azonban rohamosan cs?kken. Az Egyesült ?llamokban eladott mintegy 13 millió kerékpár 86%-a kínai import.O.úti700CMTBHybridCrossKomfortGyerm.CruiserRekumbensTandemElektr.?sszecsukh.200516%29%14%14%15%6%2%--200618%24%19%17%14%6%1%--200721%25%17%15%12%7%3%--200820%26%18%16%12%6%1%--200920%24%21%15%13%6%1%--201023%22%21%13%12%6%2%0.6%0.2%201124%23%20%14%12%6%1%0.3%0.4%201220%25%24%13%12%5%2%0.5%0.4% SEQ táblázat \* ARABIC 1. táblázat - 2005 és 2012 k?z?tt az Egyesült ?llamokban eladott kerékpárok fajtánként [U.S. Commerce Department statistics]A kerékpározás t?rténete is híven tükr?zi azt az álláspontot, hogy a nagy technikai változásokat leginkább a piaci igények hozzák létre. Jó példa erre a k?zelmúltból a magyar fejlesztés? Stringbike esete is, ami a lánchajtást volt hivatott kiváltani. A k?telekkel m?k?d? szerkezet k?nnyebb m?k?dést tesz lehet?vé kevesebb alkatrész felhasználásával, ennek ellenére nem váltotta be a hozzá f?z?tt reményeket, mert a lánchajtással egyszer?en nem volt akkora probléma, hogy le kelljen cserélni.SZAKIRODALMI ?TTEKINT?SMechanikai tulajdonságok és anyagszerkezeti alapjukSzilárdságSzakítószilárdság (Rm, Ultimate Tensile Strength): az anyag mechanikai tulajdonságainak jellemzésére széles k?rben alkalmazott mutatószám, a szakítópróba során meghatározott feszültség-nyúlás diagram maximális értéke. A kerékpárvázanyagok jellemzésére alkalmas, azonban a szerkezetek t?rése a t?bbtengely? feszültségállapotnak és a k?rnyezeti zavarásoknak k?sz?nhet?en jóval a szerkezeti anyag szakítószilárdsága alatt k?vetkezik be.Az anyagok szilárdságát n?vel? eljárások:h?kezelés: utólagos h?kezelés kerékpárok esetében csak kül?n?s k?rültekintés mellett alkalmazható, mert az ?elhúzza” a pontos méretre beállított vázat, deformációt okoz.hidegalakításszemcsefinomítás: szemcsedurvulás során az anyag kilágyul. A folyáshatár a szemcseátmér? cs?kkenésével n?.?tv?zésFolyáshatár (ReH, Yield Strength): az anyag rugalmassági határa, mely felett az igénybevétel már maradó alakváltozást okoz.2195830240030Szívósság SEQ ábra \* ARABIC 5. ábra - Az üt?munka h?mérsékletfüggése lapk?zepes k?b?s és térk?zepes k?b?s kristályszerkezet? anyagoknál [sulinet]A szívósság mér?száma a fajlagos üt?munka (KV = m*g*Δh). Ezt szabványos (Charpy) üt?m?v?n és próbatesteken végrehajtott mérésekkel kapják, az empirikus adatok nagyban függenek a h?mérséklett?l. Egy bizonyos h?mérséklet alatt egyes anyagok (nevezetesen az acélok k?zül a térben k?zéppontos k?b?s kristályúak) rideg t?rési jelleget mutatnak.1943 januárjában a Schenectady T2 tankerhajó az ?b?lben horgonyozva kettérepedt. A víz nyugodt volt és 4°C h?mérséklet?, a reccsenést egy mérf?ldre is hallani lehetett. Az eset kivizsgálására felállított bizottság hibás varratokat talált a fedélzet k?zelében, ahol a t?rés kiindult, de ezzel még nem vált teljesen érthet?vé a t?nkremenetel oka. A T2-es hajók testén talált repedéseknek csak az 50%-ánál voltak okolhatók a geometriai feltételek. A vizsgálat a felhasznált anyagok min?ségét sem találta megfelel?nek hegesztett hajókhoz, ugyanis azok szegecselt szerkezetekhez való acélmin?ségek voltak, ám a háború miatti kapkodásban a bemetszésérzékeny anyagok vizsgálatára nem fordítottak kell? figyelmet. Végül az 1905-ben kifejlesztett Charpy-t?résvizsgálat eredményei mutattak korrelációt a repedések, t?rések kialakulásával [15].A kutatások 1946-ban kimutatták, hogy a kritikus h?mérséklet függ az anyag ?tv?z?ttségét?l, szemcseszerkezetét?l, dezoxidáltságától és h?kezeltségi állapotától. A háborús hajók csaknem negyede szenvedett jelent?s károsodást, ami hatalmas l?kést adott a ridegt?réssel kapcsolatos kutatásoknak.Az üt?szilárdságnak a kerékpárvázaknál nincs nagy jelent?sége, mert egy esetleges esés korábban bek?vetkezik, mint a váz t?rése.FáradásKifáradási szilárdság: fáradásnak nevezzük a szerkezeti anyag váltakozó, illetve leng? igénybevétel mellett bek?vetkez? t?nkremenetelét, amelyet repedések keletkezése és fáradt t?rés jellemez és lényegesen az Rm szakítószilárdság, vagy az Rp0,2 folyáshatár értéke alatt k?vetkezhet be. [21]A fáradás kritikus a kerékpárok szempontjából, mivel a kerékpáros folyamatosan váltakozó csavaró igénybevételnek teszi ki a vázat a hajtókarok nyomása és a kormány húzása által. [16]Valamennyi szerkezeti anyag kifáradási határát adott leng? igénybevétel - id? függvények alkalmazásával a tartós, leng? igénybevételi vizsgálat keretében kísérleti úton határozzák meg és egy W?hler-g?rbe, azaz feszültség - leng? igénybevételi szám-g?rbe (S-N) alakjában ábrázolják. [21]A kerékpárvázanyagok k?zül az alumínium rendelkezik a legalacsonyabb, míg az acél és a titán a legmagasabb kifáradási szilárdsággal. A legt?bb acél- és egyes alumínium?tv?zetek esetében ún. "tartós szilárdság" mutatkozik (ld. a lenti g?rbék vízszintes szakaszát): egy kritikus lengési amplitúdó, a kifáradási határ alatt még tetsz?leges lengésszám esetén sem k?vetkezik be t?rés [19]. Ezt az amplitúdót egy helyesen megtervezett váz normál használat során nem lépi túl. [16] SEQ ábra \* ARABIC 6. ábra - Alumínium, acél és titán?tv?zet kifáradása [20]A kifáradási határt a lokális feszültségi állapot befolyásolja, amely a küls? igénybevételek és a szerkezeti anyagban lév? feszültségek, valamint annak felületén meglév? helyi, felületi hibákból és bemetszésekb?l származó feszültségmez?k ered?je. [21] Kritikus helyeken a lokális feszültség elérheti a folyáshatárt, ami repedés megindulását indikálja. A kerékpárvázaknál ebb?l adódóan a repedések jellemz?en a hegesztések melletti feszütséggy?jt? helyeken ("hot spot") kezd?dnek. A VélUS csoport (Université de Sherbrooke) alumínium vázakra helyezett feszültségmér? bélyegekkel mérte a feszültséggy?jt? helyek k?zvetlen k?zelében fellép? feszültségeket, és az ebb?l származtatott feszültség-ciklusszám g?rbék segítségével becsüli meg a vázak élettartamát. [17] SEQ ábra \* ARABIC 7. ábra - 6061-T6 alumínium ?tv?zetb?l készült vékonyfalú cs? kifáradása feszültséggy?jt? hely k?zelében [17]RugalmasságSok kristályos anyag t?bbféle kristályszerkezet? is lehet a k?rülmények függvényében. Fémek esetén ezt a jelenséget allotropiának nevezzük. A fémek néhány jellemz? módosulata:térben k?zéppontos k?b?s: α-Fe, δ-Fe, Cr, W, Snfelületen k?zéppontos k?b?s: γ-Fe, Al, AuAz allotropia a fázisátalakulások egyik típusa, ahogyan a halmazállapotváltozás is. Fázisátalakulás alatt olyan folyamatot értünk, amelynek során a régi fázis(ok)ból új, más szerkezet? vagy halmazállapotú fázis(ok) keletkeznek. A fázisátalakulás leírására a Helmholtz-féle szabadenergiát használhatjuk; F=U-TS (pV=áll.). A fázisátalakulás során megváltozik az anyag szabadenergiája. Ha dF<0, az anyagban a változások spontán lejátszódnak. Olvadási vagy dermedési h?mérsékleten a szabadenergiaváltozás nulla, így a folyamat továbbviteléhez ΔT túlh?tésre van szükség, azaz fázisátalakulás túlh?tés nélkül nem j?n létre. A vas 911°C-on térben k?zéppontos k?b?s rácsúból felületen k?zéppontos k?b?ssé alakul.A kristályon belül az atomok k?z?tti k?lcs?nhatást vonzó és taszító er?k ered?je adja (ld. 8. bal oldali ábra), egyensúlyi helyzetben ez zéró. A kristály nyújtás hatására el?sz?r n?veked? er? mellett ellenáll az igénybevételnek, majd átbillenve az er?g?rbe es? szakaszára a kristály elszakad. A rácshibák miatt ez kisebb er?knél bek?vetkezik. A g?rbe meredeksége megadja, hogy a kristály szétszakításához mekkora energiára van szüksége, tehát az egyensúlyi távolság k?rnyezetében az er? távolság szerinti deriváltja a rugalmassági modulus, az anyagok egyik alapvet? jellemz?je. SEQ ábra \* ARABIC 8. ábra - Az atomtávolság és az atomok k?zti er?hatások viszonya [67]MegmunkálhatóságAlakíthatóság: a szerkezeti anyagok repedés- és t?résmentes alakíthatósága a rácsszerkezetükt?l és annak jellemz?it?l függ. Jól alakíthatóak a felületen k?zéppontos k?b?s térrácsú, nagy koordinációs számú anyagok. Cs?vek alakíthatóságát hajlító-, lapító-, peremez?-, tágító-, gy?r?szakító és nyomáspróbákkal min?sítik.?ltalában jobban forgácsolhatónak azokat az anyagokat min?sítik, melyek azonos forgácsolási h?mérséklet mellett nagy(obb) forgácsolási sebességgel munkálhatók meg, az ébred? er?k viszonylag kicsik, a megmunkált felület min?sége jó (a szerszámkopás folyamata lassú, az éltartam nagy), a képz?d? forgács nem okoz m?szaki problémákat (rezgés, szerszámt?rés, stb.).A munka- és anyagigényes forgácsolhatósági vizsgálatok keretében, kül?nb?z? forgácsolási sebességek mellett a szerszáméltartamot (azt az id?t, melyet a szerszám – az elfogadott kopáskritériumnak megfelel? kopásnagyság kialakulásáig – forgácsolásban elt?lt) és/vagy a kialakuló forgácsolási h?mérsékletet határozzák meg. Gazdaságos forgácsolási sebességnek az tekinthet?, melynek alkalmazása esetén a legkisebb k?ltséggel, a lehet? legnagyobb forgácsmennyiség távolítható el. Ezt sok tényez? befolyásolja: a munkadarab és a szerszám anyaga, alakja, befogása; a forgácsolási eljárás; a forgács alakja és keresztmetszetének nagysága; a h?t?- és ken?anyag; a szerszámgép jellemz?i; a megkívánt felületmin?ség. [22]Hegeszthet?ségAz anyagban oldott ?tv?z?k lehetnek inter- és szubsztitúciós jelleg?ek. Az acél alapalkotója a szén, amelyb?l legfeljebb 2,06 t?megszázalékot tartalmazhat, és ausztenitet stabilizáló hatása van. Ferritben rendkívül csekély az oldhatósága, így ferrites acélokban mint vaskarbid jelenik meg, megjelenési formája pedig d?nt? hatással van a mechanikai tulajdonságok mellett a hegesztési h?folyamat során létrej?v? sz?vetelemek kialakulására is. A karbidok n?velik a szilárdságot és cs?kkentik a szívósságot, ezért szerkezeti acélokban maximálják a karbon arányát, hegeszthet? szerkezeti acélokban a fels? korlát 0,2%.A hegeszthet?ség jellemzésére gyakran alkalmazott mér?szám a szénegyenérték, melynek maximális értéke el?melegítés nélkül 0,4%, ez az érték felett számítani kell hidegrepedés kialakulására.Ceq=C+Mn6+Cr+Mo+V5+Ni+Cu15A mangán n?veli a szilárdságot és 1,7%-ig a szívósságot is kedvez?en befolyásolja. Nagyjából 1% Mn-tartalomtól beszélhetünk mangánacélról. A mechanikai tulajdonságokra gyakorolt kedvez? hatása mellett kéntelenít? és gyenge dezoxidáló jellege is van.A mikro?tv?z?k k?zül a legfontosabbak az alumínium, a titán, a nióbium, a vanádium, a cirkónium és a bór, melyek nagy részét a kerékpárokhoz felhasznált szerkezeti anyagokban is el?szeretettel alkalmazzák, mivel szemcsefinomító hatásuk van, így javítják a hegeszthet?séget. Egy részük diszperz nitridek és karbonitridek formájában lek?tik az acél nitrogéntartalmát. Az alumínium 0,04..0,1% felett már jelent?s elridegedést okozhat. 0,02% nióbium a megfelel? termomechanikus kezeléssel (750..900°C hengerléssel) kül?n?sen nagy mértékben finomítja a szemcseszerkezetet, s?t a szemcsehatáron kiváló nióbiumkarbidok és -nitridek 1100°C-ig megakadályozzák a szemcsedurvulást. Vanádiumból 0,05%, bórból pedig maximum 0,001% ?tv?zés ajánlott. [23]271970545085 SEQ ábra \* ARABIC 9. ábra - Szemcseméret és folyáshatár viszonya kül?nb?z? anyagok esetén [tankonyvtar.hu]Hegesztés során, f?ként a h? hatására az anyag szemcseszerkezete megváltozik. Leh?léskor új kristálycsírák jelennek meg, az új szemcsék adott h?mérséklettartományban n?vekedésnek indulnak, amit szemcsedurvulásnak nevezük, és makroszkopikus méretekben az anyag mechanikai tulajdonságait befolyásolja. A rekrisztallizációs h?mérséklet (A3) általában nagyjából az olvadáspont fele. Például az ólom már szobah?mérsékleten is új kristályokat n?veszt, habár ez a folyamat alakítás nélkül nagyjából húsz év alatt megy végbe. Az újrakristályosodás a fázisátalakulások egy formája. A hegesztés során minden esetben fellép újrakristályosodás.KER?KP?RV?ZANYAGOKAcélokA Fe-C rendszert állapotábrákkal és leh?lési g?rbékkel jellemezzük. A h?tés sebességét kül?nb?z? k?zegekkel biztosítják: víz, olaj, leveg?, stb. A h?lési sebesség meghatározza az anyag keménységét. A keménység mérésére kül?nb?z? módszerek ismertek.Ha az anyagban nemkívánatos oldott részecskék vannak, azokat szennyez?knek hívjuk. Ilyenek lehetnek például az oxigén, a nitrogén, a foszfor és a kén, melyeket mangánnal és szilíciummal dezoxidálnak illetve kéntelenítenek. A kén és a foszfor maximális mennyisége acélokban általában 0,035%.Az acél a kerékpárvázak leggyakoribb alapanyaga, k?sz?nhet?en kiváló megmunkálhatóságának és hegeszthet?ségének, t?nkremenetele általában nem katasztrofális, emellett olcsó.A kerékpározás t?rténetébe a cs?gyártók k?zül Olaszországban t?bbek k?zt a Columbus és a Falck, Nagy-Britanniában a Reynolds, Franciaországban a Vitus, Japánban pedig a Tange és az Ishiwata írta be magát [54].Külf?ldi szakirodalomban gyakran használják az acélok jel?lésére a Society of Automotive Engineers rendszerét (AISI/SAE), melynek els? számjegye az ?tv?z?ttségre utal (pl. 1xxx - szénacél, 4xxx - molibdénnel ?tv?z?tt acél), a második az ?tv?z?tartalomra, az utolsó két szám pedig a széntartalom százszorosa.High tensile steel, SAE-AISI 1020Kis szilárdságú szénacél. Kiváló alakíthatósága, forgácsolhatósága, és hegeszthet?sége mellett az alacsony ár képezi a legnagyobb vonzóer?t eme acél választásánál. A gyenge min?ség? hi-ten acélból készült vázak tehet?k felel?ssé azért, hogy mára már az alumínium uralja az újonnan eladott k?zépkategóriás kerékpárok piacát.Ausztenites rozsdamentes acél, AISI 1.4301 (304)Az X5CrNi18-10 króm-nikkel ?tv?zés? rozsdamentes acél a legkedveltebb korrózióálló acéltípus az egész világon, így hazánkban is ez kapható a legnagyobb méretválasztékban. A hegesztési folyamat során a 425-900°C h?mérséklettartományban (leggyorsabban 650°C k?rül) a króm a szemcsehatárok mentén karbidok formájában kiválhat, így a k?tés korrózióállóképessége lecs?kken. Ez a megfontolás vezetett a 304L jel?lés? cs?kkentett karbontartalmú acélok bevezetéséhez. SEQ ábra \* ARABIC 10. ábra - A szén hatása a h?mérséklet-id? g?rbékre [68]Chromoly, SAE-AISI 4130A szakzsargonban csak Chromoly néven emlegetett AISI 4130 acélt az 1930-as években kezdték kerékpárépítésre használni. Kezdetben a repül?gépipar volt a f? felhasználója, így sok helyen csak "aircraft steel"-ként emlegetik. A magas krómtartalmú acélt kiváló h?állósága és hegeszthet?sége miatt kedvelik, mivel hegesztés után is megtartja kiváló mechanikai tulajdonságait a karbidképz?dés szemcseméretet fékentartó hatása miatt.Hegesztésekor lassú h?lésre kell t?rekedni, ezért nem ajánlott huzatos helyen végezni a m?veletet. El?melegítésre nincs szükség, de a megszokottnál egy kicsit lassabb hegesztési sebesség ajánlott. A hegeszt?anyag jó, ha némileg alul?tv?z?tt, mint például az E70S2. SEQ ábra \* ARABIC 11. ábra - Az AISI 4130 acél izotermikus (fent) és folyamatos (lent) átalakulási g?rbéje [69] SEQ ábra \* ARABIC 12. ábra - AISI 4130 acél h?mérséklet - id? diagramja [70]A fenti izotermikus átalakulási diagramon az AISI 4130 acél TIG hegesztésekor kialakuló sz?vetszerkezetek k?vethet?ek nyomon. A TIG hegesztés koncentrált h?forrása miatt a h?lési sebesség viszonylag nagy. A kék szaggatott vonal egy 1 mm vastagságú lemez (600°C-on) 10°C/s sebesség? h?lését mutatja. A kialakuló sz?vetszerkezetet nagyban befolyásolja a felhasznált hozaganyag min?sége és mennyisége is.Az alábbi kerékpárvázanyaggyártók a 4130 acélt forgalmazzák kül?nb?z? termomechanikus kezeléseket k?vet?en [12]. A sz?vetszerkezeti felvételeken jól látható, hogy azonos alapanyag mellett más-más sz?vetszerkezetek alakulnak ki.Reynolds 725:825°C-on 30 percig h?ntartott, olajban h?t?tt, majd 570°C-on 60 percig megeresztett 4130 acél. A martenzites sz?vet az ausztenitesítést k?vet? diffúziómentes átalakulásból származik. SEQ ábra \* ARABIC 13. ábra - Reynolds 725 acélból készült villaszár vegyi ?sszetétele (fent) és sz?vetképe (lent) [12]True Temper "Versus Steel":Feszültségmentesít? h?kezelés után eutektoidos ferrit (s?tétszürke) és perlit (világosabb; ferrit és cementit) alakult ki. SEQ ábra \* ARABIC 14. ábra - True Temper acélból készült villanyak vegyi ?sszetétele (fent) és sz?vetképe (lent) [12]Króm-mangán ?tv?zés? acélokAz ázsiai kontinensen hagyományosnak tekinthet?ek a króm-mangán ?tv?zés? acélok, míg az Európában forgalmazott ausztenites korrózióálló acélokban (mint amilyen az 1.4301 is) f?ként a nikkel felel?s az ausztenit stabilizálásáért. A nikkel ára azonban rendkívüli externáliákat mutat, mint ahogy azt a 2006-ban kezd?d?tt árrobbanása is megmutatta, így az európai acélgyártók is lépéskényszerbe kerültek, azonban inkább a duplex és ferrites termékcsaládjukat b?vítették [27].A króm-mangán ?tv?zés? acélokkal szemben felhozott gyakori érv az anyag silány hegeszthet?sége. A legendás Reynolds 531 cs?szett gyártását is emiatt szüntette be a gyártó, azonban mára kijelenthet?, hogy az új fajták ugyanolyan jól viselkednek hegesztés k?zben, mint króm-nikkel ?tv?zés? társaik. Emellett szilárdsági jellemz?i mintegy 15..60%-kal nagyobbak, alakváltozóképességük pedig azonos [27]. A fenti megfontolások alapján a hagyományos ausztenites típusok helyett érdemes lenne króm-mangán ?tv?zés? acélokat használni.Nagyszilárdságú ?tv?z?tt acélokKVA Stainless martenzites acélT?bbek k?zt mangán, szilikon, molibdén, nióbium, titán és nitrogén ?tv?zés?, ferromágneses, k?zepesen korrózióálló acél.A martenzites acélok jellemz?en 10,5..18% krómot tartalmaznak. A KVA martenzites acéltípusa a h?kezelésnek k?sz?nhet?en igen jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik (Rm = 1400 MPa, ReH = 1100 MPa) [24]. A h?kezelési ciklus egy 820°C-os, 15..30 percen át tartó ausztenitesít? izzítást k?vet? leveg?n h?tésb?l, majd 480..500°C-os, 3 órán át tartó ?regítésb?l áll, ami az intermetallikus nitridek diszperz kiválását is magával vonja [25].Habár a krómtartalom a ferrites acélokéval megegyez? mérték?, az acél a magas széntartalom miatt magas h?mérsékleten teljesen átalakul ausztenitessé, majd kés?bb a gyors h?tés során martenzitessé. A KVA hosszvarrathegesztési technológiája a gyártó állítása szerint cs?kkenti a varrat keménységét mind az ?mledékzónában, mind a h?hatás?vezetben, ráadásul homogén szemcseszerkezetet biztosít [24]. SEQ ábra \* ARABIC 15. ábra - Cs? hagyományos hosszvarrata, a KVA eljárásával készült hosszvarrat és ugyanez a h?kezelést k?vet?en [24]LDX 2101Az Outokumpu duplex acélmin?ségéb?l már készült motorkerékpárváz [26], ám a rendelkezésre álló falvastagságok egyel?re nem adtak alkalmat a kerékpárkészít?knek letesztelni az anyagot.Dual Phase acélokKozma Bálint és Bobor Kristóf párhuzamosan zajló kutatása foglalkozik az autóiparban jól bevált dual phase acélok kerékpáros implementációjával.Reynolds1935-ben Max Bigford és Austyn Reynolds bemutatta a legendás Reynolds 531 cs?szettet [28], aminek anyaga egy olyan mangánacél, melyben a f? ?tv?z?k 5-3-1 arányban vannak [29].Az 531 vegyi ?sszetétele hozzávet?legesen: 1,5%?Mn, 0,25%?Mo, 0,35%?C, és megegyezik a régi brit?BS970?En 16/18 acéllal (hasonló: BS970 605M36). Mint látható, a Reynolds 531 a k?zhiedelemmel ellentétben nem króm-molibdén, hanem egy mangán-molibdén acél, szakítószilárdsága megegyezik a 25CrMo4 acéléval [30].Az 531-es acél már nem szerepel a Reynolds cég katalógusában, csupán egyedi megrendelésre gyártanak néha egy-egy adagot. Az eredetileg keményforrasztásra tervezett anyag helyett új, TIG hegesztésre is alkalmazható cs?szetteket kínálnak. Az els? számú helyettes a leveg?n h?t?tt 631-es típus [31]. Ennek az acélnak a hegesztése, majd leveg?n h?tése után kialakuló szemcseszerkezete a gyártó szerint olyan h?hatás?vezetet biztosít, mely akár 30..60%-kal jobban ellenáll a fárasztó igénybevételeknek, mint a hagyományos CrMo acélok, ezáltal kevesebb anyagszükséglettel lehet hasonló tulajdonságokkal rendelkez? szerkezetet el?állítani.A cég által forgalmazott acéltípusokat az alábbi táblázat foglalja ?ssze. Az 1. sz. mellékletben megtalálhatóak az anyagok mechanikai tulajdonságai és vegyi ?sszetételük is.953Maraging Stainless SteelMartenzites, ?regített rozsdamentes acél931Precipitation Hardening Stainless SteelKiválásosan keményített rozsdamentes acél921Cold-Worked High Strength Stainless SteelHidegen alakított nagy szilárdságú rozsdamentes acél853Heat Treated Air Hardening SteelH?kezelt légedzett acél631Cold Drawn Air-Hardening SteelHidegen húzott, légedzett acél725Heat Treated Chrome Molybdenum SteelH?kezelt króm-molibdén ?tv?zés? acél525Cold-Drawn Chrome Molybdenum SteelHidegen húzott króm-molibdén ?tv?zés? acél SEQ táblázat \* ARABIC 2. táblázat - A Reynolds cég által forgalmazott acélmin?ségek [32]Jelenleg a 953-as típus a legjobb szilárdság-t?meg együtthatóval rendelkez? Reynolds acél. Ez egy "maraging", azaz martenzites, ?regített szerkezet? acél. A kis széntartalmú anyag intermetallikus vegyületek kiválásával éri el kiváló mechanikai tulajdonságait [25]. Egy darab cs? 70..80 USD áron kapható.A gyártó ajánlása szerint a maradó feszültségek elkerülése végett a váz ?sszeillesztését a k?zéprésznél kell kezdeni, majd az alsócs? - fejcs?, fejcs? - fels? cs?, végül a fels? cs? - nyeregvázcs? k?tést ajánlott elkészíteni. SEQ ábra \* ARABIC 16. ábra - A Reynolds által forgalmazott acélmin?ségek mechanikai tulajdonságai [32]A brit piacon fellelhet? T45 az 531-eséhez legk?zelebb álló vegyi ?sszetétel? acél. A T45 vegyi ?sszetételében 0,2% szén és 1,5% mangán mellett 0,25% króm, 0,1% molibdén és 0,4% nikkel is helyet kapott [33]. A gyártó szerint jól hegeszthet?, és nem igényel hegesztés utáni h?kezelést.ColumbusA Reynolds nagy riválisát A. L. Colombo alapította 1930-ban. Kezdetben motor- és repül?gépvázak készítése mellett az olasz dizájnerek által megálmodott akkor divatos cs?bútorok gyártásával foglalkoztak. [34]A kerékpáriparba hidegen húzott króm-molibdén ?tv?zés? acélcs?veikkel léptek be. Az 1980-as évekt?l Cyclex típusnév alatt futó SL és SP jel?lések kül?nb?z? falvastagságú (rendre 0,9 / 0,6 / 0,9 és 1 / 0,7 / 1 mm) cs?szettek matricáin voltak olvashatóak. Kés?bb az SPX és SLX cs?vek egy spirálszer? bels? er?sítést kaptak a húzott cs?végeknél, hasonlóan a puskacs?vek huzagolásához. Az olcsóbb típusok k?z?tt van az állandó falvastagságú mangánacél, az Aelle, és a króm-molibdén Cromor. Kés?bbi modelljeiben a Columbus is optimalizálta anyagait a hegesztéshez. Az 1980-as években az amerikai export meglódította az eladásokat, és sok vázkészít? tért át Reynoldsról Columbusra. SEQ ábra \* ARABIC 17. ábra - A Columbus a korabeli reklám tanúsága szerint 1975-t?l forgalmazza termékeit a tengerentúlon [Columbus Tubi]A Reynolds és a Columbus cs?vekb?l készült vázak k?zti leglátványosabb kül?nbség a villaszárakban van. A Reynolds keskenyebb, "Imperial Oval" keresztmetszeténél jobban kedvelték az olaszok által favorizált szélesebb, "Continental Oval" szárral ellátott villákat [35].A Columbus jelenleg csúcskategóriás cs?ve, az XCr a Trafiltubi ed Aubert & Duval céggel k?z?sen j?tt létre. A magas króm-, molibdén- és nikkeltartalmú, alapvet?en martenzites sz?vetszerkezet? acélcs? varrat nélküli kivitelben készül. Az eredetileg hadiipari megrendelésre kifejlesztett rozsdamentes acél maradó ausztenitet tartalmaz, mely cs?kkenti a repedésképz?désre való hajlamot, kül?n?sen a hegesztési folyamat során. Az XCr jobb szakítószilárdság-t?meg aránnyal rendelkezik, mint az alumínium vagy a titán cs?vek.[36]A cég egyik típusjelévé emelte a nióbiumot. Ezt az elemet szélesk?r?en alkalmazzák acélok mikro?tv?zésére (például az autóiparban), mivel karbid- és nitridképz? tulajdonságokkal bír, ami finomítja az acél szemcseszerkezetét, visszafogja az újrakristályosodást és a kiválásos keményedést, ezáltal javítja az anyag hegeszthet?ségét, alakíthatóságát, szilárdságát és szívósságát. Ezt a Columbus a reklámanyagaiban sem felejti el hangsúlyozni. ?rdekesség, hogy a nióbiumot t?bbsz?r is feltalálták, így fél évszázadon át a nióbium és a columbium (Cb) egyaránt használatos név volt, amíg be nem bizonyosodott, hogy a két elem egy és ugyanaz.K?nny?fémekAlumíniumAz alumínium s?r?sége harmada az acélénak, a másik oldalról viszont a szakítószilárdsága és az egyezményes folyáshatára is hasonlóképpen alakul.A világ els? alumínium kerékpárja (és ahogy fentebb is említésre került, csaknem minden kerékpártechnikai újítás) a 19. században készült. A St. Louis Refrigerator & Wood Gutter Co. nev? cég Lu-Mi-Num biztonsági kerékpárját 1893-ban mutatták be, ami azonban a korabeli ?tv?zetek repedésre való hajlama miatt nem váltott ki kül?n?sebb sikert. A kerékpáripar t?rténete során t?bb ízben is próbálkoztak alumínium vázak piacra dobásával. ?vtizedeken át az acél vázakéval azonos cs?átmér?ket alkalmaztak eltér? mechanikai tulajdonságaik ellenére. Voltak kísérletek ?nhordó (monocoque) és epoxival ragasztott vázakra is, mígnem 1975-ben Gary Klein be nem mutatta a nagy cs?átmér?j? kerékpárját [37]. A megn?velt keresztmetszet biztosította a megfelel? szilárdságot az anyag alacsony rugalmassági modulusa ellenére is, mik?zben a váz t?mege mintegy 15%-kal volt alacsonyabb a hagyományos vázakénál. Az újítást Klein le is védette (United States Patent No. 4,500,103 ('103)), ami 1985-ben alapja lett a Klein vs. Cannondale bírósági pernek.A hegesztés után h?kezelésnek vetették alá a vázakat, emiatt pedig az érintkez? felületeket újra be kellett méretre állítani és forgácsolni. A '90-es évekre megjelent a távol-keleti, nagy cs?keresztmetszettel rendelkez?, TIG-hegesztett vázak d?mpingje. Az anyag fáradásra való hajlama miatt ezeket a vázakat sokszor túlméretezik, emiatt pedig gyakran nagyobb t?meg? a termék, mint az acélból készült társai.A mai alumínium vázak nagy része 6061 ?tv?zetb?l készül, amit 1935-ben fejlesztettek ki. Ezt a típust kül?nb?z? h?kezeltségi fokokon lehet kapni, ami nagyban befolyásolja az anyag mechanikai tulajdonságait.mértékegységAlumíniumAcéls?r?ségkg/m327008030RmMPa260 .. 310600 .. 1650Rp0,2MPa240 .. 276241 .. 750EGPa70 .. 80193 SEQ táblázat \* ARABIC 3. táblázat - Az alumínium és az acél jellemz? mechanikai tulajdonságaiAz alumínium egyik nagy el?nye az acéllal szemben, hogy az acéléhoz képest a nagy átmér?k miatt a keresztmetszet másodrend? nyomatéka sokkal nagyobb, így lehet?ség adódik kisebb t?meg?, mégis azonos szilárdságú vázak készítésére.TitánA titán fajlagosan 45%-kal k?nnyebb az acélnál, 60%-kal nehezebb az alumíniumnál és t?bb mint háromszor magasabb a szilárdsága mindkett?nél. Bár alapvet?en drága anyag, a titán?tv?zetekb?l készült termékek hosszú élettartamúak és kevés karbantartást igényelnek.A titán allotróp anyag, ?tv?zetlen állapotban 882°C alatt a hexagonális szerkezet? alfa fázis a stabilis, ezen h?mérséklet felett pedig térk?zepes k?b?s béta fázisúvá alakul. Olvadáspontja 1688°C. Az alfa fázist stabilizáló ?tv?z?k az alumínium mellett az olyan intersztíciós atomok, mint az oxigén, a nitrogén és a szén. Ezeknek az arányát n?velve az átalakulási h?mérséklet n?vekszik, míg a béta fázist stabilizáló ?tv?z?k – mint a vanádium – cs?kkentik azt. A béta fázis nagy mennyiségben elridegíti a hegesztési varratot. SEQ ábra \* ARABIC 18. ábra - Titán?tv?zetek fázisdiagramja [40]28816301838325 SEQ ábra \* ARABIC 19. ábra - Ti - Al egyensúlyi fázisdiagram [39]2586355-609600Az els? titánhoz nyúló vázkészít?k, k?ztük a Teledyne is tiszta titánnal (CP) próbálkoztak, ám kevés sikerrel, a végeredmény általában repedés és t?rés lett. Az els? sikereket a Merlin Metalworks cég érte el a '80-as évek k?zepén, és máig vezeti a titánvázak piacát. Ma a 6Al-4V (ASTM szerinti elnevezése Grade 5, magyarul 5-?s csoport) egy alfa-béta ?tv?zet, mely a világon eladott titán?tv?zetek felét teszi ki, így a kerékpárvázak k?rében is kedvelt fajta. A leggyakoribb azonban a 3Al-2,5V (Grade 9), mely kompromisszum a tiszta titán kedvez? hegeszthet?ségi és forgácsolhatósági tulajdonságai és az 5-?s csoport kiváló mechanikai tulajdonságai k?zt [42]. A helyzet azonban ennél komplikáltabb: a 9-es csoport ugyan alacsonyabb hajlító merevséggel rendelkezik (107 GPa) mint az 5-?s csoport (114 GPa), csavarás esetén a helyzet éppen fordított (44 és 42 GPa). Ennek megfelel?en az ideális titánvázhoz mindkét csoportból érdemes alapanyagot felhasználni. Az alfa-béta ?tv?zetek szakítószilárdsága h?kezeléssel (magas h?fokú izzítást k?vet? ?regítéssel) k?zel 50%-kal n?velhet? [38]. SEQ ábra \* ARABIC 20. ábra - Ti-6Al-4V alfa-béta ?tv?zet 100X-os nagyítású mikroszkópi képe 788?C-os, 15 percen át tartó h?kezelés és leveg?n h?tés után [41]264350590805A titán hegesztése az acélhoz képest sok tapasztalatot és k?rültekintést igényel. 200..400°C felett elnyeli a gázokat (els?sorban az oxigént, a nitrogént és a hidrogént), melyek n?velik a szilárdságot és a keménységet, de elridegítik a varratot, emiatt a titán?tv?zetek hegesztésekor fokozott gázvédelmet kell biztosítani [43]. A titán kerékpárvázakat emiatt TIG hegesztéssel, nagy átmér?j? gázterel? fúvókával (1,5 mm-es elektródához 16 mm átmér?j? kerámia) és gy?kvéd?gáz-elárasztással készítik. A véd?gáz argontartalmának az AWS szerint legalább 99.995%-nak kell lennie. A gázellátó rendszert úgy kell kialakítani, hogy minél kevesebb m?anyag vezetéket tartalmazzon, az ugyanis porózus szerkezete miatt nedvességet vehet fel a leveg?b?l. A gáz megengedett nedvességtartalma 39 ppm.Az oxidréteg színe kis h?mérsékleten fémesen csillogó, ezüst?s tónusú, a h?mérséklet n?velésével a szín aranyszín?re, majd bíborszín?re, nagyobb h?mérsékleten kékre, nagyon nagy h?mérsékleten szürkére és fehérre vált [43]. A szennyez?dések hatása is ennek megfelel?. A varratot a bíborszínig általában elfogadhatónak tartják. Fontos a felület tisztasága is, a szennyez?déseket gondosan el kell távolítani, mert szintén elridegítik a varratfémet, hegesztés el?tt még szabad kézzel sem szabad hozzányúlni. Az alapanyagot és az elektródát is érdemes acetonnal vagy metil-etil-ketonnal átt?r?lni.Az ívgyújtást célszer? érintésmentesen végrehajtani és hegesztés k?zben r?vid ívet tartani.A nem megfelel? tisztítás porózus varratot eredményez, ami lehet a megszilárdulás során a kristályhatárokon létrej?v? mikroporozitás, és a varrat k?zépvonalában elhelyezked? nagyobb gázpórusokHegesztéséhez szürke, 2% CeO2-ot tartalmazó (WC20) wolfram elektróda ajánlott [42]. Hegeszt?anyagból az 5-?s fokozathoz ERTi-6 és ERTi-23 hegeszt?anyag való, ám gyakran hegesztik alacsonyabb szilárdságú vagy tiszta titánnal a béta fázis elridegít? hatását cs?kkentend?.A titán megmunkálása is nagyobb k?rültekintést igényel a hagyományos vázanyagokhoz képest. A legnagyobb problémát a csiszoláskor illetve maráskor a szerszám fogaiba ékel?d? titánszemcsék okozzák, melyek k?nnyen felizzanak és hozzáhegedhetnek az alapanyaghoz. Ezt megel?zend? érdemes alacsony fordulatszámot és b? ken?folyadékot alkalmazni a megmunkálás során, ami n?veli a h?elvezetést. Csiszoláskor használjunk speciális szalagot.MagnézuimA magnézium s?r?sége fele az alumíniuménak, nagyobb a szilárdsága és egyes ?tv?zetei 10..11 százalékos nyúlási értéket mutatnak. Kiváló mechanikai tulajdonságai el?ny?sen befolyásolják a fáradt t?réssel és a horpadással szembeni ellenállóságot [45]. Az anyag a '80-as években vonult be a kerékpárt?rténelembe, amikor Frank Kirk megalkotta a Kirk Precision Bike-ot. Az újdonság nem lett sikeres, a gyártást ?vez? problémáknak k?sz?nhet?en a modell tíz éven belül elt?nt a palettáról. A magnéziummal olyan nagy nev? gyártók is próbálkoztak, mint a Merida vagy a Pinarello, és bár ?scar Pereiro egy magnézium Pinarello Dogma nyergében nyerte meg a 2006-os Tour de France-ot, az anyag kedvez?tlen megmunkálhatósága és hegeszthet?sége nekik is kudarcot hozott. Ma a legnagyobb nevek a magnéziumból készült vázak piacán a Zinn Cycles, a Paketa Cycles (országúti kerékpárok) és a SegalBikes, ami egy helyen gyártja a vázakat az alapanyaggal.A Tour-gy?ztes váz f? háromsz?ge (az alsó-, fels?-, és nyeregvázcs?) AK61 nev? magnézium ?tv?zetként került be a k?ztudatba, ám valójában ez egy AZ61 jel? ?tv?zet [46]. Ennek kémiai ?sszetétele: 6% Al, 1% Zn, 0,2% Mn, 0,0012% Ni, 0,001% Cu, 0,001% Fe, 0,015% Si, a maradék Mg. A magnéziummal szemben leggyakrabban említett érv a korrózióval szembeni gyenge ellenállóképessége. A Paketa ennek homlokegyenest az ellenkez?jét állítja [47], bizonyítékként egy három éves kezeletlen felület? kerékpárjukat felmutatva, melyen nincs nyoma korróziónak (ennek ellenére azt ajánlják a tulajdonosoknak, hogy tartsák szárazon a vázukat). Az igazság az, hogy az anyag korrózióval kapcsolatos tulajdonságait ugyanazok a tényez?k befolyásolják, mint a t?bbi szerkezeti anyagot. Az ?tv?z?k k?zül a vas, a nikkel és a réz er?sen, míg a cink k?zepesen befolyásolja a korróziós hajlamot. A vas kritikus mennyiségére mérések 0,032*%Mn-t adtak [44], így az AZ61 vastartalma az adódó 0,0064% Fe határ alatt marad. A k?rnyezeti hatások k?zül a leveg? páratartalma 30%-ig csak kis mértékben okoz korróziót, amennyiben a felület nem érintkezik sókkal vagy klórral. Ezek ugyanis lebontják a víz hatására kialakult oxidréteget.A magnézium nagy olvadáspontú és felülete oxidokkal borított, így hegesztése nem k?nny? feladat. Az alumíniumhoz hasonlóan váltóáramú TIG hegesztéssel biztosítják az oxidréteg felt?rését [45].TECHNOL?GIAAz alábbi folyamatábra egy kerékpár els? villájának gyártástechnológiáját szemlélteti az alapanyagtól a kész termékig. A kül?nb?z? igénybevételeknek kitett részek – bár azonos alapanyagból készültek – kül?nb?z? termomechanikus kezeléseken mennek keresztül, míg el nem foglalják végs? helyüket. SEQ ábra \* ARABIC 21. ábra - Villa gyártásának folyamata [12]Cs?vek k?téseiKeményforrasztásKeményforrasztás illesztékekkelA kerékpárvázak t?rténete az illesztékes (muffolt) acél cs?szerkezetekkel kezd?d?tt, és napjainkban a reneszánszát éli, igaz, a piaci viszonyok megváltoztak. A t?megtermelésben az illesztékek helyét a '90-es évek k?zepét?l átvették a hegesztett k?tések, illesztékeket sokszor egyedi megrendelésre készült mestermunkákon láthatunk [48]. A k?r keresztmetszet? cs?vek végeit méretre vágják és a t?kéletes illeszkedés érdekében kimarják az áthatásokat. A cs?végeket az acél illesztékekbe helyezik és ?sszeforrasztják. A forraszanyag a kapilláris hatásnak k?sz?nhet?en nagy felületen szétterül a cs? és az illeszték k?z?tti résben.A hagyományos gyémánt alakú vázakban négy darab illeszték található.Az illesztékeket gyakran kül?n?s formájúra alakítják kézi reszel?vel. Ennek célja a t?megcs?kkentés és a mesteri kidolgozás hangsúlyozása mellett az, hogy a kialakított résekben megjelenjen a forraszanyag, jelezve a kapillaritás m?k?dését és n?velve a k?tés szilárdságát.Csaknem minden vázépít? ugyanolyan illesztékeket használ. Az ?ntvények kül?nb?z? méretben és sz?gekben kaphatóak. A kül?nbség abban rejlik, hogy melyik vázépít? mennyi id?t és energiát szán az illesztékek m?vészi megmunkálására. A t?meggyártott termékek esetében gyakran arra sem veszik a fáradságot, hogy elt?ntessék az illesztékbe beüt?tt számot, ami a cs?vek sz?ghelyzetét hivatott jel?lni. Az igényesen kialakított illesztékeknek elvékonyítják a szélét, elkerülve a feszültséggy?jt? helyek kialakulását.Az illesztékes vázak egyik legnagyobb el?nye, hogy javíthatóak. A forraszanyag és az acél olvadási h?mérséklete k?zé felmelegített k?tés felold, a hibás cs? pótolható.Az elkészült k?tés mechanikai tulajdonságait a k?vetkez? tényez?k befolyásolják:az alkatrészek k?z?tti kapilláris rés nagyságaaz alapanyag ?sszetételeh?mérsékletk?tésmin?ségIllesztékek megmunkálásaAz illesztékek kialakítására a k?vetkez? eljárások használatosak: SEQ ábra \* ARABIC 22. ábra - Kerékpárváz illesztékének gyártása sajtolással és hegesztéssel [61]lemezb?l sajtolás, kivágás, hegesztésprecíziós ?ntéshidromechanikus alakítás SEQ ábra \* ARABIC 23. ábra - K?zéprészhüvely gyártásának lépései [Polytechnisches Journal 304, 1897, 269]-30480149225Fillet brazingA cs?vek illeszték nélküli forrasztása rendkívül esztétikus k?téseket eredményez. A hegesztéshez képest azonban kevésbé termelékeny, mivel sokszor rendkívül sok utómunkát igényel.Fogyóelektródás véd?gázas forrasztás (MIG brazing)Viszonylag új eljárás a fogyóelektródás véd?gázas forrasztás, t?bbnyire horganyzott lemezek keményforrasztására használják, általában 1 ill. 1,2 mm átmér?j?, SG-CuSi3 és SG-CuAl8 rézalapú forraszanyagokkal [55]. Az ív h?mérséklete 900..1100°C, az anyagátmenet r?vidzárlat nélkül megy végbe. Véd?gáz gyanánt leginkább argont használnak, folyasztószerre pedig a Fronius szerint nincs szükség [56]. Az eljárással készíthet? tompa- és sarokvarrat, valamint átlapolt k?tés is.ForraszanyagokA kerékpárvázak forrasztásához réz-, vagy ezüstalapú forraszanyagokat használnak. A rézalapú forraszanyagokkal készített k?tés éppolyan kielégít?, mint az ezüstalapú, ellenben lényegesen olcsóbb. Egyes esetekben mégis érdemes ezüstalapú forraszanyagot használni a k?vetkez? megfontolások végett:rozsdamentes alapanyagot jobban lehet ezüstalapú forraszanyaggal "nedvesíteni"h?kezelt acélokhoz alacsonyabb olvadáspontú ezüst forraszanyag választható, elkerülve az alapanyag beedz?désételtér? elektródpotenciáljuk miatt kül?nb?z?képpen hoznak létre galvánelemet az alapanyaggal, azaz eltér? lesz a korrózió mértékeA Columbus a csúcskategóriás XCr cs?szetthez T99 megnevezés? forraszanyagot javasol. Ennek ?sszetétele 56% ezüst, 22% réz és 17% cink [52].A Niobium termékcsaládhoz és a 25CrMo4 cs?vek forrasztásához ajánlott forraszanyag a Castoline 38230 számú ezüst ?tv?zete, mely a gyártónál EcoBraze néven fut, 676..765°C tartományban olvad meg, az ajánlott forrasztási h?mérséklet 765..826°C. Ez az ?tv?zet 30% ezüst?t, 38% rezet és 32% cinket tartalmaz [53].Ugyanezen a cs?család keményforrasztásához Merényi Dániel (a legismertebb hazai vázépít?) Cuprox bronz forraszanyagot alkalmaz (B Cu 60 Zn Si 870 -890; %Cu= 59,7; %Ni=0,2; Rm=450 MPa; A=35%) [50], melyet rozsdamentes anyagok 870..920°C-os forrasztásához ajánlanak. Ugyanez a gyártó (FSH/Selectarc) alacsonyabb h?mérséklet? alkalmazáshoz a BRAZARGENT 5040-et javasolja [49].Hegesztés?mleszt?hegesztéssel készített k?tés létrehozása k?zben a h?forrással együtt mozgó ?mledéket kül?nb?z? mértékben felhevült zónák veszik k?rül, ami meghatározza a kialakuló szemcseszerkezeteket, ezáltal pedig a hegesztett szerkezet mechanikai tulajdonságait. Ezek a zónák a k?vetkez?ek:varratfém, ezen belül megkül?nb?ztetünk három területet: a) az ?mledék keveredése után megszilárdult tartomány, b) keveredés nélküli zóna, c) epitaxiás kristályosodási zóna részben megolvadt zóna h?hatás?vezet, melyben megkül?nb?ztethet? egy fázisátalakulási és egy fázisátalakulás nélküli ?vezetalapanyagA kerékpárvázak fáradt t?rései jellemz?en a h?hatás?vezetb?l indulnak ki, ezért nem árt ezt a zónát részletesebben megvizsgálni.A h?hatás?vezet zónái:A szemcsedurvulás ?vezete az egyik kritikus zóna, mert a durvaszemcsés anyag szilárdsága és szívóssága is cs?kken, az ausztenitnél ez 1100°C és a szolidusz k?z?tt j?n létreA h?kezelés ?vezetében normalizálás játszódik le az A3 h?mérséklet és 1100°C k?z?ttA részleges h?kezelés ?vezetében az utóbbi folyamat csak részben játszódik le. Az újrakristályosodás ?vezete 500°C és az A1 h?mérséklet k?z?tt alakul ki. Kritikus hidegalakítás esetén lehet itt is szemcsedurvulás és ez a zóna is lehet kritikus. Az ?regedés ?vezetét nitrid vegyületfázisok kiválása hozza létre, a kivált nitrid fázisok akadályozzák a diszlokációk mozgását ezáltal ridegítik a h?hatás?vezetet. Az üt?munka cs?kken, az átmeneti h?mérséklet n?. SEQ ábra \* ARABIC 24. ábra - Villanyak és villaszár hegesztett k?tésének zónái a sz?vetképekkel [12]A h?hatás?vezet kilágyulása figyelhet? meg a Nathaniel A. Jannetti és Bradford L. Lynch által vizsgált villa esetében: az alapanyag 930 MPa-s szakítószilárdsága a h?hatás?vezetben 660 MPa-ra cs?kkent. SEQ ábra \* ARABIC 25. ábra - A szakítószilárdság alakulása villanyak hegesztett k?tésének h?hatás?vezetébenA h?folyamat modellezéséhez vékony lemezek hegesztésekor Pavelic modellje jól használható. Eszerint a h?forrás a munkadarab felett Gauss-féle eloszlást mutat. A h?áramsebesség geometria paraméterei hegesztési kísérletek során kerültek meghatározásra. SEQ ábra \* ARABIC 26. ábra - A h? eloszlása a hegesztés során. a) k?r felület, b) félg?mb alak. [71]TIGA volfrámelektródás ívhegesztést 1941-re fejlesztették ki, a kerékpárvázkészít?k pedig r?gt?n használatba is vették az új eljárást, és máig a legnépszer?bb eljárás a kerékpáriparban.A hegeszt?ív a munkadarab és egy volfrám elektróda k?zt alakul ki. Az ív védelméért semleges, t?bbnyire argon gáz felel?s. A hegeszt?anyagot kívülr?l, bal kézzel adagolják az ?mledékbe.El?nye, hogy nem fr?csk?l, stabil ívet ad, emellett kiváló mechanikai tulajdonságokat biztosít.Az ?sszehegesztend? cs?veket a vázkalodába helyezés el?tt gondosan meg kell munkálni és tisztítani. A megfelel? cs?áthatásról maró- vagy szalagcsiszológép, esetenként kézi reszel? gondoskodik.A bonyolult formájú varratok nagy kézügyességet igényelnek. Az ív hosszának a volfrámelektróda átmér?jéhez k?zeli értéknek kell lennie. A hegeszt?áram 15..60 A k?z?tt jellemz?. Az áramer?sség szabályzását célszer? hegeszt?pedállal végezni. A gázterel?be érdemes gázlencsét tenni a véd?gáz egyenletesebb áramlása érdekében. Ez az argonfogyasztást is visszafogja.MIG/MAGFogyóelektródás véd?gázas ívhegesztést jellemz?en a t?meggyártott acél vázaknál alkalmaznak. El?nyét olcsósága jelenti, ám a gyakorlatban gyakran n?veli a hegesztési hibák és a porozitás veszélyét.Dual Pulse MIGFogyóelektródás véd?gázas ívhegesztést dupla impulzus technikával kombinálva a k?tés kinézete hasonló lesz a TIG-hegesztett k?téseknél megszokotthoz. A k?tés mechanikai tulajdonságai a MIG/MAG eljáráshoz hasonlóak maradnak, a gyártó a váz árához azonban hozzáadhat +20%-ot.Hegesztés vagy forrasztás?Az acél vázak gyártói gyakran már-már vallási fanatizmussal védik a saját eljárásuk létjogosultságát. Az illesztékes vázak melletti egyik leggyakoribb érv, hogy a forrasztással kisebb h?hatás éri az anyagot, mint hegesztés esetén, így a késztermék élettartama hosszabb lehet. Ez az állítás lehet igaz vagy hamis is, attól függ?en, hogy mi az alapanyag, milyen termomechanikus kezelésnek lett el?zetesen kitéve, milyenek a leh?lés és h?elvezetés viszonyai, stb.A hegesztés a forrasztáshoz képest lényegesen olcsóbb, kevesebb utómunkát igényel, és k?nnyebb k?tések létrehozását teszi lehet?vé.Cs?formálásA cs?vek alapvet?en kétféleképpen készülnek: a már említett varrat nélküli és hosszvarratos technológiákkal.T?bbsz?r?sen húzott cs?vekA kétszer húzott (double-butted) cs?vek konstans küls? átmér? mellett változó falvastagsággal rendelkeznek. A kerékpároknál alkalmazott cs?átmér?k jellemz?en a k?vetkez?ek: 25.4, 28.6, 31.8, 34.9, 36.4 és 38.1 mm. Rendszerint a cs?végeken, a nagyobb igénybevételnek kitett illesztésnél vastagabb, míg k?zépen vékonyabb falvastagságokat alkalmaznak, így cs?kkentve a szerkezet ?sszsúlyát. A kétszer húzott cs?veket alsó- és fels?cs?ként alkalmazzák. Az üléscs? (seat tube) lehet szimplán húzott, vagy "dudorhúzott" (bulge-butted), amely szabványos (27,2 mm-es átmér?j?) üléscs?vek befogadására alkalmas, az üléscs?nél n?velt falvastagságú cs?anyag. Léteznek triplán húzott anyagok is, amelyek három kül?nb?z? falvastagsággal rendelkeznek.A vázkészít?h?z kerül? cs?vek egyik vége r?videbb, a másik hosszabb, emiatt minden esetben meg vannak jel?lve, hogy melyik végük?n kell kezdeni a vágást. Kisméret? vázaknál mindkét véget vágni kell a megfelel? falvastagság megtartása érdekében.Az így elkészült váz k?ltsége magasabb, t?mege alacsonyabb lesz.Húzott cs?veket t?bbféle módon lehet gyártani. A Reynolds a cs?veket egy tüskével (mandrell) átsajtolja egy sajtolószerszámon. A tüske így meghatározza a cs? bels? átmér?jét, a sajtolószerszám pedig a küls? átmér?t és a keresztmetszet alakját. Duplán húzott cs?veknél így a tüske a cs?ben marad. Ezután a Mannessmann-eljárásnál már megismert keresztben elhelyezett hengerekkel megn?velik az átmér?t, a tüske eltávolítása után ismét egy sajtolószerszám állítja be a végleges küls? átmér?t. Az eljárás a falvastagságok k?z?tt maximum 40% kül?nbséget enged. SEQ ábra \* ARABIC 27. ábra - A Reynolds cs?húzási technológiája (mandrell press) [60]A Reynolds kül?nb?z? anyagokhoz más-más speciális húzási technológiát dolgozott ki, így gyártanak alumínium, titán és magnézium ?tv?zetb?l is húzott cs?veket.Hidromechanikus alakítás (hidroforming)A hidromechanikus alakítást az autó- és repül?gépipar mellett a kerékpárvázak gyártásakor is szélesk?r?en alkalmazzák. A technológia alkalmas bonyolult cs?geometriák, változó cs?keresztmetszetek, illesztékek kialakítására. A folyamat során a szerszámba helyezett munkadarab végeire bélyegeket illesztenek, amin keresztül megt?rténik a folyadékkal való felt?ltés, a nagy nyomású folyadék pedig képlékenyalakítást visz végbe. A szükségtelen részek lyukasztással kerülnek eltávolításra. SEQ ábra \* ARABIC 28. ábra - K?zéprészhüvely hidromechanikus alakítása [61]Additív gyártásaz AM (Additive Manufacturing) során egy CAD rajz alapján gyakorlatilag hulladékmentesen készítik el a kész terméket egymásra adagolt rétegekb?l [57]. A fenntarthatóság témak?re szorosan kapcsolódik a kerékpározáshoz és a kerékpáriparhoz, így nem lenne meglep?, ha a vázak gyártástechnológiáját is egyre t?bben próbálnák meg kevesebb energiával és minimális hulladék termelésével realizálni. A 2013-ban 3,07 milliárd dolláros iparág becslések szerint 2020-ra már 21 milliárd dollárra fog n?vekedni, ami az árak drasztikus cs?kkenéséhez vezethet. Az Amerikai Egyesült ?llamok kormánya 2013-ban 7,4 millió dollárt, 2014-ben pedig már 1 milliárd dollárt fektetett az AM iparba [57]. SEQ ábra \* ARABIC 29. ábra - Az additív gyártáshoz kapcsolódó termékek és szolgáltatások árbevétele a világon, 1993-2011 [58; Wohlers Report 2012, 2012, 125-127.]2157730-450850Az AM t?bbféle technológiát ?tv?z, és a j?v?ben szélesk?r? elterjedése várható, egyel?re azonban magas beruházási- és gyártási k?ltségei miatt f?leg a prototípusgyártás eszk?ze.1193801873885Az egyik els? 3D nyomtatott kerékpár váz az Empire Cycles és a Renishaw k?z?s munkája, az MX6-R modell volt [59], mely 3D nyomtatott titán elemekb?l epoxival t?rtén? ragasztással készült 2014-ben. A gyártó eredeti célja csupán a nyeregvázcs? elkészítése volt, ám miután elvégezték az EN 14766 szabvány szerinti vizsgálatokat és a váz 50000 darab 1200 N amplitúdójú ciklus után sem t?rt el, úgy d?nt?ttek, hogy a teljes vázat felépítik az AM technológia alkalmazásával. A kész termék 1,4 kg t?meg?, a gyártása 20000 fontba került. Az eredeti, hagyományos technológiával készült? vázhoz képest 33%-os t?megcs?kkenést értek el, ami annak k?sz?nhet?, hogy már a tervezés és a gyártás során lehet?ség van a kisebb igénybevételnek kitett helyeken a felhasznált anyag mennyiségének cs?kkentésére. A topológiai optimalizálást a solidThinking Inspire nev? végeselemes program iterációjával végezték. SEQ ábra \* ARABIC 30. ábra - Az els? 3D nyomtatott kerékpárváz fejlesztése [59]Az anyagf?l?sleg fékentartására kül?n?sen nagy szükség van az olyan, viszonylag drága alapanyagok esetében, mint a titán. A Charge Bikes az European Aeronautic Defence and Space Centre-rel kar?ltve már 2012-ben nyilvánosságra hozta, hogy piacra dob egy 50 darabos, 3D nyomtatott papucsokkal ellátott vázszériát. A DMLS (Direct Metal Laser Sintering) technológiával készült titán (5-?s csoport) vázelemek 0,03 mm-es rétegekb?l épülnek fel, nagyjából 40 óra alatt készül el egy 50 darab saruból álló adag. A titán rossz h?vezet?, így jó hatásfokkal lehet felépíteni az egyes rétegeket, ami miatt – ha beleszámoljuk a titán rossz forgácsolhatóságát – egyes esetekben már most k?ltséghatékonyabb az új technológia alkalmazása.Az útt?r?ket sokan k?vették, 2016-ra már halandók számára is elérhet? k?zelségbe kerültek a 3D nyomtatott vázelemek.TERVEZ?S16459201467485 SEQ ábra \* ARABIC 31. ábra - Utánfutás [62]A váz jellegét meghatározó geometriai adatok k?zül a legmeghatározóbb a tengelytáv, illetve ezzel ?sszefüggésben a homlokcs? és a nyeregvázcs? sz?ge. A tengelytávot a tervez?k a jobb kezelhet?ség érdekében megpróbálják minél sz?kebbre szabni, aminek az szab határt, hogy a túl k?zel es? els? kerék kanyarodáskor beleakadhat a kerékpáros lábfejébe. A homlokcs? sz?ge a kanyarodási tulajdonságokat befolyásolja, míg a nyeregvázcs?é a pedálozás kényelmét hivatott módosítani. A korai kerékpárok meglehet?sen kis (68°) sz?gértékekkel rendelkeztek, kés?bb meredekebbé váltak; a homlokcs? 74°-ra volt beállítva, míg a nyeregvázcs? 72°-ra. Napjainkban a párhuzamos sz?gek jellemz?ek (kisebb vázak esetén 72°, nagyobbaknál 74°), a lankásabb homlokcs?sz?get a villa kisebb el?renyúlásával kompenzálva. A villasz?g beállításánál az utánfutás (trail) a kritikus szempont, melynek értéke a tapasztalatok szerint az ideális országúti kerékpárnál 50..60 mm, túra- és cyclocross kerékpároknál 60..65 mm. Azonos villát feltételezve a homlokcs?sz?g cs?kkentésével értelemszer?leg n? az utánfutás.Meredekebb nyeregvázcs?-sz?get érdemes használni a kerékpáros teste által keltett légellenállás cs?kkentése végett (ami el?ny?s kisebb távok megtétele esetén), ugyanakkor ez a pozíció t?bb izommunkát igényel a pedálozáshoz, így hosszabb távokon célszer? laposabb sz?get beállítani. ?sszességében elmondható, hogy a geometriai paramétereknek a kerékpározás stílusához kell alkalmazkodniuk. Szabványos k?vetelményekA kerékpárvázakkal szemben támasztott szabványos k?vetelmények az EN 14781:2005 (Racing bicycles - Safety requirements and test methods) és az EN 14766 szabványok lapjain olvashatóak [13]. A szabvány által ajánlott vizsgálatok és jellemz? adataik:Ejt?súlyos vizsgálat Függ?legesbe állított, a hátsó sarunál mereven befogott kerékpárváz villájába befogott alacsony t?meg?, maximum 55 mm átmér?j? g?rg?re 22,5 kg-os ejt?súlyt ejtenek 212 mm magasból, ennek hatására a szabvány villával maximum 30 mm, illetve villahelyettesít? merev rúddal 15 mm elmozdulást enged meg.2246630501650?tk?zésvizsgálat A hátsó tengelyénél befogott, vertikális síkban elforduló váz a hátsó tengely f?lé az ábra szerint elhelyezett 70 kg teherrel együtt vízszintesbe fordulva nem szenvedhet 15 mm maradó tengelytáv-változásnál t?bbet.Pedálozás fáradásvizsgálat SEQ ábra \* ARABIC 32. ábra - ?tk?zésvizsgálat [13]Tengelyeinél azonos magasságban, a tengelyek k?rül szabadon elfordulni képes vázba lefelé el?re (45°-ban) beállított hajtókart tesznek. A lánckereket egy befogással helyettesítik az ábra szerint, és így a pedálokra a függ?legest?l 7,5°-ban kifelé álló vonalban ható 1100 N-os er?hatás 100000-es ciklusszámmal a vázban nem okozhat látható repedést. SEQ ábra \* ARABIC 33. ábra - Pedálozás fáradásvizsgálat [13]Vízszintes fáradásvizsgálat: Hátsó tengelyénél befogott, de tengelye k?rüli elfordulásra képes váz els? tengelyét +/- 600 N vízszintes igénybevételnek teszik ki 100000-es ciklusszámmal, maximum 25 Hz frekvenciával. Az igénybevétel hatására a vázban nem keletkezhet látható repedés.?ltalános k?vetelmények és kapcsolatuk a váz anyagávalAlacsony t?megA váz t?mege a kerékpár és a kerékpáros teljes t?megének nagyjából 2,5 %-a [16], ezért ezt a tényez?t a helyén kezelve kell d?ntést hozni a váz anyagának megválasztásakor.Kedvez? árA váz anyagk?ltsége a kerékpár teljes árának kb. 5..25%-a. Jelenleg a Nova Cycles Supply weboldalon egy Columbus MAX országúti cs?szett ára 170 USD, míg egy teljes kerékpárt ugyanebb?l az anyagból a Hampsten cégnél 2800 USD áron lehet kapni, tehát a cs?szett ára 6%-a a kerékpár teljes árának. Ehhez természetesen hozzá kell adni a saruk, bowdenvezet?k és egyéb vázalkatrészek k?ltségét.Statikus menetkomfortTesthezálló geometria. Ennek részei a váz és az alkatrészek helyes megválasztása, és ezek adaptálhatósága a kerékpáros testére. Hagyományosan a geometria alapk?ve a nyeregvázcs? és a fels?cs? hossza, amit – attól függ?en, hogy a cs?találkozások k?zepét?l vagy a cs?végekt?l kezdjük a mérést – center-center (C-C) vagy center-top (C-T) jel?léssel együtt adnak meg. Az ideális vázgeometria legegyszer?bben táblázatból, a testmagasság alapján választható ki. Léteznek bonyolultabb, a láb és a kar hosszúságát is figyelembe vev? kalkulátorok is. Professzionális szinten a testhezálló vázgeometriát mér?állomásokon, az ún. statikus mér?eszk?zzel határozzák meg. Hazánkban egyedül a Velencebike nyújt ilyen szolgáltatást [63], mivel a mér?eszk?z rendkívül k?ltséges (kb. 3..4 millió forint) és a személyzet részér?l vizsgához k?t?tt a használata.Dinamikus menetkomfortEgyes kutatásokban a menetkomfort alatt az út egyenetlensége által okozott, a kerékpáros testére átadódó rezgéseket értik [14]. Az ?t érintkezési pont a kezek, a lábak és a fenék. A rezgések elnyeléséért els?sorban nem a váz, hanem a t?bbi alkatrész (pl. gumik, kerekek, kormány, nyereg) felel?s, de a váz függ?leges rezgéscsillapítása is számottev?.A rezgések mérését a kerékpár kül?nb?z? részein elhelyezett gyorsulásmér?kkel vizsgálják. A szervezet sajátfrekvenciái a 0,5..10 Hz tartományba esnek, ennél nagyobb frekvenciáknak csekély szerepük van [18]. A keréknyomás változásának hatását szemlélteti az alábbi táblázat.KeréknyomásEls? kerékagy gyorsulása [m/s2]Hátsó kerékagy gyorsulása [m/s2]5 bar11,69.96 bar13,211,47 bar14,712,48 bar18,814,0 SEQ táblázat \* ARABIC 4. táblázat - A keréknyomás hatása a vázat ér? vibrációra [18]A váz csillapításáról a kerékagyakra, illetve a kormányra és a nyeregre szerelt gyorsulásmér?k eredményeinek ?sszegzésével kaphatunk információkat.A 2011-es kísérlet során létrehozták a mért értékek Fourier-transzformáltjait, amit az alábbi ábrák szemléltetnek a frekvenciák függvényében. A váz az egyes frekvenciatartományokat eltér? módon csillapítja.34. ábra - Rezgésamplitúdók és -frekvenciák a váz kül?nb?z? pontjain [18]Az ábrákon felt?ntetett négyzetes k?zépértékek (RMS) is jól mutatják a váz csillapító hatását. Ugyanennek a kísérletnek az adataiból számított, az els? kerékagy és a kormány k?zt elnyelt rezgések mértékét mutatja a k?vetkez? grafikon, a jobb oldalon a kritikus frekvenciák kinagyítva láthatóak. SEQ ábra \* ARABIC 35. ábra - Az els? kerékagy és a kormány k?zt elnyel?d? rezgések frekvencia-amplitúdó g?rbéje (balra), és a 0..10 Hz tartomány kinagyítva (jobbra) [18]A kísérletet érdemes lenne elvégezni kül?nb?z? vázakkal is. SEQ ábra \* ARABIC 36. ábra - A Raleigh 1890-es vázán k?zépcsapágyazás még nem a váz szerves része és a felül látható kezdetleges nyeregvázcs? sem ide fut be [oldbike.eu]2795905295275VázalakokGyémánt-alakMint már a t?rténelmi áttekintésben említésre került, az egyik els?, nyeregvázcs?vet is magába foglaló gyémánt alakú váz a Raleigh gyár nevéhez f?z?dik. A korabeli vázak egyik f? problémája a r?vid tengelytáv volt. Emiatt a nyeregvázcs? nem érte el a k?zéprészt, hanem valamivel feljebb, az alsócs?v?n végz?d?tt.Miután az 1890-es években ezt a problémát is leküzd?tték, lassan véglegessé vált a kerékpárvázak ma is ismert gyémántra hajazó formája. Ennek ismertet?jegyeiegy fels?cs? a homlokcs? és a nyeregcs? k?z?tt,egy alsócs? a homlokcs? és a k?zépcsapágyazás k?z?tt,egy nyeregvázcs? a nyeregcs? és a k?zéprészhüvely k?z?tt,láncvilla a k?zéprészhüvely és a hátsó kerék saruja k?z?tt,támvilla a nyeregcs? és a hátsó kerék saruja k?z?tt.A fels?cs? hátrafelé es? jellege is 19. századi találmány. Az 1890-es években készült kerékpárok k?zül soknál találunk "sloping" vázat, ami a k?vetkez? század elején már ki is ment a divatból. Az els? világháborútól kezdve az 1980-as évekig a fels?cs? vízszintesen helyezkedett el. Amikor azonban a gyártók k?ltségcs?kkentési okokól egyre inkább uniformizálták a vázaikat, és a korábban megszokott – centiméterben megadott – vázméretek helyett sz?kítették a kínálatot, az es? fels?cs? megtalálta az utat a profi kerékpársportba is. Korunk globalizált, t?megtermeléses, gyártásoptimalizált világában a váz geometriáját gyakran teljesen hajmereszt? szempontok is befolyásolhatják. Ha egy vázgyár megállapodik egy másik céggel, akit?l hatalmas tételben tud egyféle villát vásárolni, egyértelm?, hogy valamennyi vázméretbe ugyanazt a villát szeretné beépíteni. (...) Ha euró milliókról van szó egy gyártástechnológiai d?ntésnél, talán nem cinizmus arra tippelni, hogy az ideális geometria a sokadik szempont. A sloping váz magassága kisebb, így kisebb keresztmetszet? autoklávban is kisüthet?, egyszer?bben csomagolható, t?bb fér a lakkozó kabinba, egy dobozméret lefedi a modell teljes méretpalettáját. Az monocoque karbon els? háromsz?g sem igazán ?system”, hanem lehet?ség arra, hogy kevesebb csomagolóanyaggal, biztonságosabban legyen szállítható a Távol-Keletr?l Európába, hogy ott ragasszák ?ssze a szintén kül?n szállított hátsó villaszárakkal. [Merényi, 51] SEQ ábra \* ARABIC 37. ábra - Kül?nb?z? vázalak-variációk [63]251015580645Mint az az 1901-es tanulmányon is látható, a kerékpárváz lehetséges formáinak csak a tervez?k fantáziája szab határt, azonban a gyémánt alak napjainkra nemzetk?zi sztenderddé vált, f?ként a nemzetk?zi kerékpáros sz?vetség (Union Cycliste International, UCI) szabályozása okán, ami kimondja, hogy az általa felügyelt versenyeken használt kerékpároknak két háromsz?gb?l kell állniuk.KeresztalakA gyémánt alak elterjedése el?tti biztonsági kerékpárok homlokcs?vét gyakran egyetlen tartórúddal oldották meg, ami nagyjából mer?leges volt a nyeregvázcs?re. Az 1879-t?l létez? keresztalak el?nye az volt, hogy a gyártóknak nem kellett kül?n n?i- és férfivázakat készíteniük. A keresztalakú váztípus egyik leghíresebb képvisel?je a Dan Albone által készített Ivel volt, mellyel 1886-ban megd?nt?tték az ?tven mérf?ldes és a huszonnégy órás rekordokat is.Egy másik kereszt alakot képviselt a Raleigh X-frame kialakítása, melyet sokan átvettek. Ez tulajdonképpen a férfi és n?i vázak keresztezéséb?l született, a fels?cs? a homlokcs? alsó részébe fut be.A kereszt alakú váz a kerékpártechnika fejl?dése során id?r?l id?re visszak?sz?nt. Graeme Obree 1993-ban Francesco Moser korábbi egyórás rekordját d?nt?tte meg egy saját készítés? keresztvázas kerékpárral, azonban a gyémánt alakú vázak piacvezet? szerepét ez sem t?rte meg.Dursley PedersenA gyémánt alakú vázak sikerének egyik oka, hogy a korábbi konstrukciókkal ellentétben – ahol a vázcs?vekre ható igénybevételek sokszor hajlító jelleg?ek voltak – a rudazatuk egyre inkább a húzott-nyomott lett. Az 1893-ban a dán Mikael Pedersen által védjegyzett Pedersen kerékpár ezt a tendenciát viszi tovább a hosszú, vékony cs?veivel, melyek csatlakozásai ugyan képtelenek hajlító igénybevételeket felvenni, a váz nagy mérete, az állítható k?télzete és a függ?ágyra hajazó nyerge magasfokú eleganciát k?lcs?n?z a szerkezetnek, sokkal k?nnyebb a hagyományos vázaknál, és az utak egyenetlenségeit is hatásosan csillapítja [64]. Bár széles k?rben sosem terjedt el, máig gyártják és egy sz?k rétegben nagy tiszteletnek ?rvend.Monostay, monocoque backboke, wishboneA támvillák egységesítésére való t?rekvés a gyártók részér?l nem technológiai, mint inkább k?ltséghatékonysági megfontolások mentén alakul. Az uniformizált támvillákat k?nnyebb kezelni és a vázba illeszteni, ráadásul modern kinézetet biztosít a váznak, azonban nem ad plusz merevséget laterális irányban, amerre a hátsó háromsz?gre a kritikus igénybevételek hatnak.Titán esetén azonban a Morati cég tapasztalatai szerint a monostay a jobb választás, mert a túl hosszú egyenes darabból álló támvillák elhagyása n?veli a váz laterális merevségét.Cs?keresztmetszetAhogyan azt a alumínium vázanyagok tárgyalásánál megemlítettük, a váz merevségét nagyban befolyásolja az alkalmazott cs?vek átmér?je. A másodrend? nyomaték a sugár negyedik hatványával arányos:Is=π4r24-r14Az átmér? n?velésének azonos hosszúságú és t?meg? cs? esetén az anyagok kül?nb?z? mérték? kihajlása szab határt.Cs?vek horpadásra való hajlama a rugalmassági modulus mellett függ az átmér?-falvastagság viszonytól (d/t), tehát minél nagyobb átmér?j? vagy minél kisebb falvastagságú az adott keresztmetszet, annál nagyobb a valószín?sége annak, hogy egy ütk?zés vagy egy palástra mer?leges er?hatás katasztrofális k?vetkezményeket okoz. Az utóbbi er?k nem tartoznak szorosan a kerékpár els?rend? igénybevételei k?zé (abúzus), azonban nagyban meghatározhatják annak élettartamát. Az acél és titán cs?veket nagyobb s?r?ségüknél és szilárdságuknál fogva gyakran használják vékony falvastagsággal. A Columbus XCr cs?szett fels?cs?ve például a k?zéps? részén 0,4 mm-es falvastagsággal rendelkezik, azonban az acél magas rugalmassági modulusa nem teszi lehet?vé az átmér? további n?velését. A szakzsargonban s?r?sdoboz-effektusként emlegetett jelenség gyakori t?nkremeneteli mód az alsócs? alsó részén a homlokcs? m?g?tti területen, általában frontális ütk?zést k?vet?en. Az alumínium s?r?sége és rugalmassági modulusa egyaránt mintegy harmada az acélénak, ebb?l pedig t?bb dolog k?vetkezik:ugyanolyan t?meg?, egységnyi hosszúságú vázanyag elkészítéséhez acélból harmadannyit lehet felhasználniaz alumínium érzékenyebb a kihajlásra, ezért a nagyobb keresztmetszet ad az acéléhoz hasonló hajlítómerevségetaz átmér? n?velésének alumínium esetében feljebb van a határa, mint az acél vázak eseténEREDM?NYEKEgy kiválasztott vázanyag hegesztéstechnológiai szempontrendszerének és viselkedésének bemutatása28 darab vázfémet részletesen vizsgáltam t?bbek k?z?tt mechanikai tulajdonságaik és vegyi ?sszetételük szerint. Az ?sszetétel alapján króm- és nikkelegyenértékeket számítottam Spiedel-Uggowitzer 1993-as képlete szerint, mely a korábbiakkal ellentétben a mangán komplex hatását is figyelembe veszi:CrE = Cr + 1,5Mo + 1,5W + 0,48Si + 2,3V + 1,75Nb + 2,5AlNiE = Ni + Co + 0,1Mn - 0,01(Mn)2 + 18N + 30CAz acéltáblázat az 1. sz. mellékletben található.A fentiek alapján a k?vetkez? szempontok játszanak szerepet az alapanyag kiválasztásánál:alacsony árkis falvastagságjó mechanikai tulajdonságokhegeszthet?ségmegmunkálhatóságA magyar piacon elérhet? cs?anyagok k?rét lesz?kíti a falvastagságra vonatkozó k?vetelmény.Az Italinox Hungária Kft által forgalmazott 304L acélmin?ségre esett a választásom. Az elérhet? méretválasztékból a vázépítéshez szükséges átmér?k kaphatóak 1 mm-es falvastagsággal is, emellett a sarukhoz használható, azonos min?ség? lemezanyagokat is egy helyen meg lehet vásárolni.Rozsdamentes acél hegesztéséhez hosszú évek tapasztalatai szükségesek, kül?n?sen vékonyfalú szerkezeti anyagok esetén. A rozsdamentes acélok lineáris h?tágulási tényez?je a k?vetkez?képpen változik az ?tv?zetlen acélhoz képest:α [10-6 / K]Acél12,0Rozsdamentes acél, ausztenites (304)17,3Rozsdamentes acél, ausztenites (316)16,0Rozsdamentes acél, ferrites (410)9,9 SEQ táblázat \* ARABIC 6. táblázat - Egyes fémek lineáris h?tágulási együtthatója [66]Mint látható, a 304-es acél h?tágulása csaknem másfélszerese az AISI 1020 típusénak, ezért a h?bevitel fékentartása kül?n?sen fontos. A hegesztési rés szélességét minimális szinten kell tartani, kül?n?sen a vékony lemezek hegesztésekor. Emellett kiemelt figyelmet kell fordítani a méretpontosság betartását célzó intézkedésekre, úgyis mint el?feszít? szerkezetek, tartók alkalmazására. Ezek viszont a másik oldalról n?velik a leh?léskor a szerkezetben maradó feszültségeket, ezáltal megn?velik a melegrepedés kockázatát.A hegesztési folyamat során alkalmazott áramer?sség függ a falvastagságtól és a hegesztend? k?tés kialakításától, mik?zben a h?bevitelt alacsony szinten kell tartani, ezért nagy hegesztési sebességek alkalmazása ajánlott. A homlokcs? a legvastagabb vázelem, így a hegesztési áramot is itt célszer? a legnagyobbra állítani, kül?n?sen a hegyes sz?get bezáró, keskeny rések hegesztésekor. Az áramer?sséget optimális esetben a hegeszt?pisztolyon vagy pedálon szabályozzuk, így az egy varrat esetén sem diszkrét érték.A varrat gy?koldalán az oxigén diffúziója szemmel látható elváltozásokat okoz, mely a varrat szívósságának cs?kkenését okozhatja. A gy?koldali gázvédelem bevezetése ugyan jelent?sen megn?veli a hegesztés el?készítéséhez szükséges id?t és a véd?gáz k?ltségeit, azonban nagymértékben cs?kkenti az oxidok jelenlétét, ezáltal javítva a k?tés egyenletes min?ségét. SEQ ábra \* ARABIC 38. ábra - A háromdimenziós modell és a VEM szimuláció [cargobike.hu]39. ábra - A Cyclonomiával k?z?sen épített rozsdamentes acél teherszállító kerékpár az Iparm?vészeti Múzeumban [Kultúrgorilla, 2016]JAVASLATOKKerékpárvázak gyártásához használt fémek és technológiák vizsgálata során megállípítottam, hogy az ipar igényei magukkal vonják a szerkezeti anyagok és a kezelésükh?z szükséges technológiák fejl?dését. Eme circulus vitiosus másik oldalát tekintve viszont gyakran az elérhet? anyagok és eljárások k?tik meg a tervez? kezét.Bemutattam, hogy a forrasztott vázakban egykor nagy sikerrel alkalmazott Reynolds 531 típusú, mangánnal ?tv?z?tt acél kiváló mechanikai tulajdonságai és korrózióállóképessége ellenére hogyan vált a hegesztés áldozatává. Az id?k során azonban az ?tv?z?k elérhet?sége változik, a technológia pedig fejl?dik, így k?nnyen lehetséges, hogy a mangán a kerékpáripar nagy visszatér?je lesz.A gy?koldali gázvédelem rozsdamentes acélok esetén javasolt, titán ?tv?zetek hegesztésénél pedig egyenesen k?telez?.A forrasztási és hegesztési h?folyamatok sz?vetszerkezetre gyakorolt hatását a kül?nb?z? ferrites, ausztenites és martenzites szerkezeti acélok esetén érdemes volna további kutatásoknak alávetni, hogy tisztább képet kapjunk az egyes eljárások alkalmazhatóságáról.FELHASZN?LT FORR?SOK E. Bijker : Of Bicycles, Bakelites, and Bulbs: Toward a Theory of Sociotechnical Change (MIT, 1995)Tony Hadland, Hans-Erhard Lessing: Bicycle Design Thomas: The New England states, their constitutional, judicial, educational, commercial, professional and industrial history (1897) Parkin : Cycling and Sustainability A. Jannetti és Bradford L. Lynch: Fatigue Analysis of a Bicycle Fork (Worcester Polytechnic Institute, 2010)EN 14781:2005 (Racing bicycles - Safety requirements and test methods)Matt Wikstrom: The science of bike building: What is ‘ride quality’ and what factors affect it?. Hayes and R. Phaal, TWI: Catastrophic Failures of Steel Structures in Industry: Case Histories. Champoux, S. Richard and J.-M. Drouet: Bicycle Structural Dynamics (Sound and Vibration, 2007 július) Oliemana, Raluca Marin-Perianua, Mihai Marin-Perianub: Measurement of dynamic comfort in cycling using wireless acceleration sensors - A mérn?ki tudományok kézik?nyve, 1993.Dr. Bagyinszki Gyula: Anyagismeret. Szunyogh László: Hegesztés és rokon technológiákánszky János, Varbai Balázs: A króm-mangán ?tv?zés? ausztenites acélok és hegesztésük (Hegesztéstechnika, XXVII. évf., 2016/3. sz.) Mathers: A titán és ?tv?zeteinek hegesztése Titanium Alloy Guide. Komócsin Mihály: Anyagok hegeszthet?sége (2013) Handbook, Volume 13A Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection - Corrosion Resistance of Magnesium Alloys ényi Dániel: ?ltalános kerékpárváz alaktan (Bikemag 2010. 04. 03) Mexico: A flexible joining process made possible by high-tech MIG-brazing L. N. Ford: Additive Manufacturing Technology: Potential Implications for U.S. Manufacturing Competitiveness (Journal of International Commerce & Economics, 2014) Kristóf, Szlancsik Attila: Cs? hidroformázásának szimulációja Kampioen, 1901 Annapurna Padmavathi: Potential Energy Curves & Material Properties (Saifabad Osmania University, 2010) A Designers' Handbook No. 9002: Welding of Stanless Steels and Other Joining Methods Metals Handbook Volume 4.: Heat Treating, John A., Akhlaghi, Mehdi: Computer Simulation of Welding ProcessesSUMMARYUnderstanding materials allows the designer to produce appropriate quality products. During the development of a bicycle frame there emerge several aspects which have to be taken in account.Evolution of the bicycle is the history of industry in Europe. From 1791, the first bike through the first mass-produced bicycle in 1863 and the era of velocipedes to the so-called safety bikes the bicycle industry rapidly followed the technical inventions like the roller bearing, the inflatable tyre, etc. Before the end of the century it was possible to produce seamless tubes and butted tubes.The world produces 100 million bicycles annually, 60% of world bicycle production came from the People's Republic of China.Examination of the mechanical properties included the Ultimate Tensile Strength, the Yield Strength, as well as fatigue cracking (which depends on the state of stress). The modulus of elasticity can be derived from the atomic forces as a function of atomic separation.Workability and weldability are important factors of the production process. Weldability depends on carbon equivalent in the manner of cold cracking. The alloying elements affect the mechanical properties and corrosion resistance, respectively chromium and nickel are the main alloying elements of the most popular stainless steel grades, manganese improves strength and toughness, microalloying elements like aluminium, titanium, niobium are responsible for fine grain distribution. Increasing grain size decreases the yield point.Different steel grades are used by the bicycle industry. High Tensile Steel (1020) is the material of mass production. In paralell, Chromoly (4130 or aircraft steel) is popular from the 1930s among bicycle builders. Chromium-manganese steels are so far the stainless grades of the Asian continent, but the changes in the price of the alloying elements can cause many surprises.The pioneer of the butted tubes Reynolds is the biggest producer of Great Britain, and Columbus in Italy. Both produce chromoly tubes after various thermomechanical processes. Reynolds and KVA produces maraging steels with incredible tensile strength and satisfying weldability. The good mechanical properties can be achieved through intermetallic precipitates. Columbus offers wide range of niobium-alloyed steels.Aluminium, compared with steel has third of the density, as well as the modulus of elasticity. Therefore the diameters and the thicknesses applied are bigger, which causes a higher moment of inertia.Titanium could be an ultimate material with its alloys. Most popular grades are 6Al-4V and 3Al-2.5V, they differ in the character of stress they can absorb. Welding titanium is difficult because of the high diffusion rate of gases from the air. Care must be taken of surface contaminations, shielding gas purity. Machining titanium takes more attention as well.Choosing magnesium as a frame material is also a possibility from several existing manufacturers, but it has its weaknesses as well.Technologies to join bike tubes together are welding and brazing. On welded frames, GTAW or GMAW processes are most common, the latter for mass produced, cheap frames. Brazing is used for lugged frames, where lugs can be made by pressing, casting or hydroforming. Fillet brazing is another option without lugs but with the need of long manual work. Filler metals are based or brass or silver.The heating process of welding creates different zones of the weldment from the weld bead through the coarse- and fine-grained heat-affected zone to the base material.Forming the tubes is done by mandrel press technology at Reynolds, or hydroforming. Butted tubes have thicker wall sections on the ends and thinner at the middle of the tube, bringing higher stress resistance at the hot spots forth.An interesting and emerging industry is additive manufacturing, which already produced fully 3D-printed bicycle frames.Designing the frame starts at frame angles, which is a function of trail, which is determined by the rake of the fork and the wheel size. Different frame geometries are appropriate for different riding styles.Safety requirements can be found in the standards EN 14781:2005 (Racing bicycles - Safety requirements and test methods) and EN 14766. The first basically consists of two impact tests and two fatigue fort requirements have an important role as well, they can be ergonomic aspects and dynamic comfort. The latter can be measured by the vibrations absorbed in the bicycle frame, but most of the vibrations is damped by the additional parts of a bicycle, for example tyres and saddles.The shape of the frame can be (beside the classical diamond frame) cross- or Pedersen-style.304 (1.4301) austenitic stainless steel grade was selected for experiments. It is the only available steel tube with thin (1 mm) wall. Conclusions are drawn from the TIG welding process.Keywords: bicycle, frame, metallurgy ................
................

In order to avoid copyright disputes, this page is only a partial summary.

Google Online Preview   Download