Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων & Συστημάτων

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Αιγαίου Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων & Συστημάτων Διπλωματική Εργασία Μελέτη και σχεδίαση σκελετού ποδηλάτου πόλης με φυσική ανάρτηση Παπαχαράλαμπος Δημήτρης ΑΜ 511/ Επιβλέπων καθηγητής: Παπανίκος Παρασκευάς Τριμελής επιτροπή: Παπανίκος Παρασκευάς, Ζαχαρόπουλος Νικόλαος, Μουλιανίτης Βασίλειος 1

2 Δηλώνω υπεύθυνα ότι η διπλωματική εργασία είναι εξ ολοκλήρου δικό μου έργο και κανένα μέρος της δεν είναι αντιγραμμένο από έντυπες ή ηλεκτρονικές πηγές, μετάφραση από ξενόγλωσσες πηγές και αναπαραγωγή από εργασίες άλλων ερευνητών ή φοιτητών. Όπου έχω βασιστεί σε ιδέες ή κείμενα άλλων, έχω προσπαθήσει να το προσδιορίσω σαφώς μέσα από την καλή χρήση αναφορών ακολουθώντας την ακαδημαϊκή δεοντολογία. 2

3 Ευχαριστίες Οφείλω να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες στους επιβλέποντες καθηγητές για την καθοδήγηση τους καθ' όλη τη διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Ιδιαίτερες ευχαριστίες θέλω να αποδώσω στον Μπάϊλα Κωσταντίνο για την πολύτιμη βοήθεια που μου παρείχε στο τεχνικό μέρος της διπλωματικής εργασίας, αλλά και τους φίλους μου που με στήριξαν σε ψυχολογικό και πρακτικό επίπεδο. Τέλος, τη διπλωματική αυτή εργασία αφιερώνω στην οικογένεια μου για τη διαρκή στήριξη όλα τα χρόνια των σπουδών μου. 3

4 Εισαγωγή Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η μελέτη και ο σχεδιασμός ενός σκελετού ποδηλάτου ο οποίος θα περιλαμβάνει ένα είδος φυσικής ανάρτησης που θα περιορίζει την μεταφορά των κραδασμών από το έδαφος στον αναβάτη. Η λειτουργία αυτού του συστήματος βασίζεται στο τρόπο σχεδίασης του σκελετού σε συνδυασμό με το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί. Τα ήδη υπάρχοντα συστήματα ανάρτησης είναι σύνθετα και αποτελούνται από πολλά επιμέρους στοιχεία τα οποία αυξάνουν το κόστος και το βάρος του ποδηλάτου. Έτσι, το παρόν σύστημα θα διαφοροποιείται χάριν της απλότητάς του, εξυπηρετώντας το βασικό στόχο της ανάρτησης που είναι η απορρόφηση των κραδασμών ώστε να παρέχει πιο άνετη, γρήγορη και ασφαλή οδήγηση. Δομή Για την υλοποίηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας ακολουθήθηκαν τα παρακάτω βήματα, τα οποία χωρίζουν την εργασία σε δύο βασικά μέρη: Μέρος 1ο Έρευνα: Στο κομμάτι της έρευνας καταγράφηκαν: Η γεωμετρία του σκελετού του ποδηλάτου και πως επηρεάζει η κάθε παράμετρος την οδηγική συμπεριφορά. Η διαστασιολόγηση και ο τρόπος που δοκιμάζονται τα ποδηλατικά πλαίσια. Τα υλικά κατασκευής. Η ανάρτηση στα ποδήλατα. Ο ρόλος της, τα οφέλη που προσφέρει και ο πρβληματικός χώρος Το ξύλο ως κατασκευαστικό υλικό. Μέρος 2ο Σχεδιασμός και μελέτη: Σε αυτό το στάδιο : Σχεδιάστηκαν τρεις διαφορετικές γεωμετρίες βάσει των απαιτήσεων που έχουν καθοριστεί. Δοκιμάστηκε η μηχανική συμπεριφορά τριών ειδών ξύλου. Διεξήχθει πειραματική συγκριτική μελέτη μεταξύ των τριών γεωμετριών με όλους του πιθανούς συνδυασμούς των πραγόντων που επηρεάζουν την αντοχή και την κάθετη μετατόπιση του πλαισίου. 4

5 Περιεχόμενα ΜΕΡΟΣ 1 - ΈΡΕΥΝΑ Κεφάλαιο 1 - Ποδήλατο Ορισμός - Γενικά Κουλτούρα ποδηλάτου Κεφάλαιο 2 - Γεωμετρία πλαισίου Εισαγωγή Οι παράμετροι που επηρεάζουν την γεωμετρία Κεφάλαιο 3 Διαστασιολόγηση Εισαγωγή Σχεδιασμός και διαστασιολόγηση του πλαισίου Κεφάλαιο 4 - Υλικά κατασκευής Εισαγωγή Οι παράγοντες που επηρεάζονται από το υλικό Οι ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά των υλικών Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στο ποδήλατο Κεφάλαιο 5 - Ανάρτηση Εισαγωγή Οφέλη απορρόφησης κραδασμών Προβληματικός χώρος Ορολογία Λειτουργία ανάρτησης Παλινδρομική κίνηση και μεταδοτικότητα κραδασμών Ρόδες και Εμπόδια Τύποι Ανάρτησης Με κινούμενα μέρη - Συμβατές Αναρτήσεις Χωρίς κινούμενα μέρη - Φυσικές Αναρτήσεις Σύγκριση των δύο τύπων Τρόποι απόσβεσης κραδασμών στο ποδήλατο Συμπεράσματα Έρευνας Κεφάλαιο 6 Ξύλο Εισαγωγή Κατηγορίες δέντρων Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του ξύλου Αντοχή του ξύλου Προϊόντα ξύλου Ιδιότητες του ξύλου

6 ΜΕΡΟΣ 2 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ Κεφάλαιο 7 Σχεδιασμός γεωμετρίας Brief Απευθυνόμενο κοινό Απαιτήσεις Ιδεασμός Σχεδιαστικές προτάσεις Γεωμετρία Α Σχήμα U Γεωμετρία Β Λούπα Γεωμετρία Γ Σχήμα S Κεφάλαιο 8 - Πείραμα Δοκιμές μηχανικής συμπεριφοράς υλικών Αναλύσεις Αναλύσεις - Γεωμετρία Α Αναλύσεις - Γεωμετρία Β Αναλύσεις - Γεωμετρία Γ Υπολογισμός του βάρους της κάθε γεωμετρίας Συγκριτική μελέτη βάσει των συχνοτήτων ταλάντωσης Συμπεράσματα όλων των αναλύσεων Φωτορεαλισμός τρισδιάστατου μοντέλου Πηγές Παράρτημα

7 Μέρος 1 - Έρευνα Κεφάλαιο 1 Ποδήλατο 1.1 Ορισμός Γενικά {1} Ποδήλατο θεωρείται το όχημα που κινείται με την ανθρώπινη ενέργεια. Συνήθως αποτελείται από, έναν σκελετό πάνω στον οποίο συνδέονται τα περιφερειακά, οι δύο ρόδες, το τιμόνι, η σέλα, τα φρένα και το σύστημα μετάδοσης της κίνησης. Η συμπεριφορά και η αίσθηση του ποδηλάτου καθορίζονται κυρίως από την γεωμετρία και τα υλικά που χρησιμοποιούνται. Με τον όρο γεωμετρία εννοούμε τις βασικές μετρήσεις, τα μήκη των σωλήνων και τις γωνίες που συνθέτουν και ρυθμίζουν το μέγεθος του σκελετού και τη στάση του αναβάτη, ενώ επηρεάζει άμεσα τον έλεγχο και την ευστάθεια του ποδηλάτου. Τα δύο τρίγωνα σχηματίζουν την συνηθέστερη μορφή γεωμετρίας, των οποίων η δομή παρομοιάζεται με αυτή του διαμαντιού και θεωρείται πολύ ισχυρή. Καθοριστικό ρόλο στη συμπεριφορά, την αίσθηση αλλά και το κόστος του ποδηλάτου έχουν τα υλικά. Τα πρώτα ποδήλατα φτιάχνονταν από ξύλο και σίδηρο, ενώ στη συνέχεια με το σχηματισμό διαφόρων κραμάτων αναπτύχθηκαν νέα υλικά, τα οποία βελτίωσαν την απόδοση και την ποιότητα των ποδηλάτων. Ένα από τα πιο συνηθισμένα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των ποδηλάτων είναι το αλουμίνιο, λόγω της ικανότητας του να αντιστέκεται στη διάβρωση καθώς και της εύκολης παραγωγής με σχετικά χαμηλό κόστος και βάρος. Πολλές εφευρέσεις και καινοτομίες αναδείχτηκαν από την βιομηχανία του ποδηλάτου, όπως είναι το γρανάζι, τα ρουλεμάν, το λάστιχο και βρήκαν εφαρμογή τόσο σε άλλες βιομηχανίες, όπως αυτές των αυτοκινήτων και των αεροσκαφών, όσο και σε διάφορα αντικείμενα όπως για παράδειγμα είναι το αναπηρικό καροτσάκι το οποίο χρησιμοποιεί τις ρόδες του ποδηλάτου. Σήμερα, η ανάγκη για ένα οικονομικό και οικολογικό μεταφορικό μέσο έχει οδηγήσει στη χρήση πολύ μεγάλου αριθμού ποδηλάτων σε όλο το κόσμο που εκτιμάται ότι ξεπερνάει το ένα δισεκατομμύριο. Πέρα από την χρήση του ως μεταφορικό μέσο, το ποδήλατο πλέον χρησιμοποιείται για γυμναστική, για διασκέδαση, ως αγωνιστικό άθλημα αλλά και το συνδυασμό αυτών. Επίσης, έχει πολλές εφαρμογές στην σύγχρονη κοινωνία όπως η χρήση του σε υπηρεσίες ταχυμεταφοράς, σε στρατιωτικές και αστυνομικές εφαρμογές. Τα ποδήλατα διαφοροποιούνται και σχηματίζουν κατηγορίες βάση του σκοπού που εξυπηρετούν και της μορφολογίας του εδάφους. Οι βασικές κατηγορίες ποδηλάτων είναι οι εξής: Ποδήλατο πόλης Ποδήλατο βουνού Ποδήλατο BMX Ποδήλατο υβριδικό Ποδήλατο δρόμου 7

8 Ποδήλατο τουρισμού Ηλεκτρικό ποδήλατο Σπαστό ποδήλατο 1.2 Κουλτούρα ποδηλάτου {2} Όλα ξεκίνησαν με την έκρηξη ενός ηφαιστείου, όταν καταστράφηκαν οι σοδειές και πολλά άλογα, τα οποία εκείνη την εποχή δεν χρησιμοποιούνταν μόνο στη γεωργία αλλά χρησίμευαν και ως μεταφορικό μέσο για ανθρώπους και αγαθά, λιμοκτονούσαν. Χωρίς αυτά τα ζώα η ζωή έγινε ακόμα πιο δύσκολη από ότι ήταν πριν. To 1817 εφευρέθηκε το draisine, μια ξύλινη κατασκευή του Γερμανού βαρόνου Καρλ Φον Ντράις, η οποία δεν διέθετε πεντάλ και για να κινηθεί χρειαζόταν ο αναβάτης να σπρώξει με τα πόδια του προς τα πίσω. Ο στόχος του ήταν να αντικαταστήσει το άλογο, αλλά ήταν τόσο ακριβό που η πλειοψηφία του πληθυσμού δεν ήταν σε θέση να το αποκτήσει. Για πολύ καιρό μετά την εφεύρεση του velocipede δεν άλλαξαν πολλά στην καθημερινή ζωή των ανθρώπων. Στις αρχές της δεκαετίας του 1860, ο Pierre Michaux άρχισε να αναπτύσσει ποδήλατα με πεντάλ, τα οποία μπορούσε να αποκτήσει μόνο η ευκατάστατη αστική τάξη. Το 1863 το Boneshaker ή αλλιώς Velocipede του Pierre Michaux κάνει τη διαφορά χρησιμοποιώντας το σύστημα μετάδοσης της κίνησης των πεντάλ, τοποθετημένο στον μπροστινό τροχό, έχοντας μόλις μία ταχύτητα. Όπως αναφέρει και το όνομά του ήταν ένα εξαιρετικά δύσκολο και άβολο ποδήλατο. Ο σχεδιασμός της γεωμετρίας και οι ιδιότητες του υλικού είχαν ως αποτέλεσμα ένα άκαμπτο πλαίσιο το οποίο απαιτούσε από τον ποδηλάτη καλή ισορροπία και πολύ 8

9 δύναμη για να οδηγηθεί στους πλακόστρωτους δρόμους εκείνης της εποχής. Γι αυτό το λόγο του δόθηκε ο τίτλος Boneshaker. Το ποδήλατο παρέμεινε ένα αντικείμενο πολυτελείας για τους αστούς μέχρι την εμφάνιση του Ordinary ή penny-farthing ή αλλιώς High Wheeler στην αγορά λίγα χρόνια αργότερα (1870), με τον μεγάλο μπροστινό τροχό και τον μικρό πίσω. Το ποδήλατο αυτό θεωρείται ως η λογική επέκταση του Boneshaker. Οι κατασκευαστές αύξησαν το μέγεθος του μπροστινού τροχού και η θέση του αναβάτη μεταφέρθηκε πιο μπροστά και πιο ψηλά από το κέντρο βάρους. Το Ordinary θεωρήθηκε πιο άνετο από τον προκάτοχό του χάριν στο συμπαγές καουτσούκ ελαστικό που χρησιμοποιήθηκε στις ρόδες και στην ελαστικότητα που δημιουργούσαν οι μεγάλες ακτίνες που είχε ο μπροστινός τροχός, απορροφώντας καλύτερα τους κραδασμούς. Με τη χρήση του χάλυβα ως κύριο υλικό, κατάφεραν να μειώσουν τη μάζα του ποδηλάτου, σχεδόν στο μισό από το Boneshaker. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός πως με το πέρασμα του χρόνου η ρόδα όλο και μεγάλωνε, ενώ οι κατασκευαστές συνειδητοποιούσαν πως όσο μεγαλύτερος ήταν ο τρόχος τόσο πιο μακριά μπορούσε να ταξιδέψει το ποδήλατο με μία περιστροφή του πεντάλ. Το πρόβλημα με αυτό το ποδήλατο ήταν η έλλειψη ασφάλειας που δημιουργούσε η μεγάλη ρόδα σε συνδυασμό με τη θέση του αναβάτη. Ο μπροστινός μεγάλος τροχός μπορούσε εύκολα να κολλήσει σε κάποιο εμπόδιο οδηγώντας τον αναβάτη σε άτσαλη πτώση. 9

10 Έτσι, το 1880 έρχεται το Rover - Safety Bike για να βελτιώσει το θέμα της ασφάλειας που είχε προκαλέσει το Ordinary και να χτίσει τα θεμέλια για την βάση της εξέλιξης του ποδηλάτου. Το safety έφερε ριζικές αλλαγές τόσο στη δομή του ποδηλάτου, όσο και στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης. Οι δύο ρόδες είχαν πλέον το ίδιο μέγεθος, ο σκελετός πήρε την μορφή του διαμαντιού και το σύστημα μετάδοσης της κίνησης μεταφέρθηκε στον πίσω τροχό επιτρέποντας, υψηλότερες ταχύτητες εξασφαλίζοντας συγχρόνως περισσότερη άνεση και ασφάλεια. Ήταν η πρώτη φορά που η συχνότητα περιστροφής του πεντάλ διέφερε από αυτή των τροχών. Λόγω της εύκολης πρόσβασης που δημιούργησαν τα safety μετέτρεψαν το ποδήλατο από ένα αντρικό επικίνδυνο παιχνίδι σε ένα πραγματικό μέσο μεταφοράς, το οποίο μπορούσε να οδηγηθεί από άνδρες και γυναίκες όλων των ηλικιών. Το μειονέκτημά του σε σχέση με τα High Wheeler ήταν η έντονη μετάδοση των κραδασμών στον αναβάτη, αναγκάζοντας έτσι τους κατασκευαστές να εγκαταστήσουν σε διάφορα μέρη του ποδηλάτου συστήματα ανάρτησης που λειτουργούσαν με την βοήθεια ελατηρίου. Η αμέσως επόμενη μεγάλη ανακάλυψη γίνεται το 1890 από τον John Dunlop και είναι το λάστιχο με αέρα στη μορφή που συναντάται μέχρι και σήμερα. Το σχέδιο των safety δεν άλλαξε πολύ για τα επόμενα περίπου εκατό χρόνια και έτσι το λάστιχο συνέβαλε στη βελτίωση της ποιότητάς τους, μειώνοντας το συνολικό τους βάρος, ενώ παράλληλα έκανε πιο ομαλή την οδήγηση απορροφώντας μεγάλο μέρος των κραδασμών από το ανώμαλο έδαφος. Στις αρχές του 20ου αιώνα άρχισε η μαζική παραγωγή ποδηλάτων και με αυτόν τον τρόπο έγιναν προσιτά σε όλους και εξελίχθηκαν από ένα σύμβολο κοινωνικής κατάστασης σε ένα αντικείμενο πρακτικής χρήσης. Τα ποδήλατα εξοικονομούσαν χρόνο στους εργαζόμενους, παρέχοντάς τους ελευθερία και μεγαλύτερη ανεξαρτησία. Αλλά, δεν ήταν μόνο οι εργαζόμενοι που επωφελήθηκαν από το ποδήλατο, παρόλο που θεωρείτο μέσο κυρίως για τους άνδρες, εκείνη την εποχή, καθώς και οι γυναίκες δεν έχασαν την ευκαιρία να το οδηγήσουν. Όταν το ποδήλατο έφτασε στα χέρια όλων των ανθρώπων, ήταν ακόμα πολύ περιορισμένος ο ρόλος της γυναίκας στην κοινωνία και ο κώδικας ενδυμασίας εκείνης της εποχής καθιστούσε πολύ δύσκολη την οδήγηση των ποδηλάτων, διότι τα φορέματα ήταν φουσκωτά και ταυτόχρονα υπήρχαν περιοριστικοί ηθικοί κανόνες που αφορούσαν τα ρούχα τους. Αν οι γυναίκες ήθελαν να οδηγήσουν, έπρεπε να παραβιάσουν τον κώδικα ενδυμασίας και ταυτόχρονα και τον ηθικό κανόνα καθώς τα εκτεθειμένα πόδια δεν ήταν επιτρεπτά και τα παντελόνια ήταν απαγορευμένα. Συνεπώς, είτε έπρεπε να παραβιάσουν τους κανόνες της εποχής, είτε να επιλέξουν να οδηγήσουν γυναικεία ποδήλατα, τα οποία ήταν εξαιρετικά ασταθή καθώς είχαν σέλα που ανάγκαζε τον αναβάτη να έχει και τα δύο του πόδια στην ίδια πλευρά του ποδηλάτου, κάτι που σχεδιάστηκε αποκλειστικά για αναβάτες που φορούσαν φορέματα ή φούστες. Επίσης, το ποδήλατό απέκτησε μεγάλη δημοτικότητα ως άθλημα και στους άνδρες και στις γυναίκες και η πρώτη κούρσα των γυναικών πραγματοποιήθηκε στο Μπορντό το 1868, παρ όλες τις συμβάσεις. Με την άνοδο και την εξέλιξη του ποδηλάτου ασφαλείας, το οποίο επίσης παρήχθη και για τις γυναίκες, είχε ως αποτέλεσμα όλο και περισσότερες να αρχίσουν να το χρησιμοποιούν. Από τότε το ποδήλατο προωθούσε την αυτονομία των εργαζομένων, ανδρών και γυναικών εκείνης εποχής, μέχρις ότου ξεκίνησε ο Δεύτερος Παγκόσμιος Πόλεμος. 10

11 Για δεκαετίες το ποδήλατο αποτελούσε σημαντικό μεταφορικό μέσο, αυτό όμως άλλαξε με την οικονομική άνθηση της δεκαετίας του 1950, όπου οι μοτοσικλέτες και τα αυτοκίνητα γρήγορα μπήκαν στις ζωές και στην καθημερινότητα των ανθρώπων και οι μόνοι που τα χρησιμοποιούσαν ήταν πλέον εκείνοι που δεν είχαν την οικονομική δυνατότητα να αποκτήσουν ένα αυτοκίνητο ή να έχουν άδεια οδήγησης. Συνεπώς, το σύμβολο της εύπορης οικονομικής κατάστασης καταρρίπτεται και φέρει πλέον τη φήμη ότι είναι απλά ένα μεταφορικό μέσο των φτωχών. Το ποδήλατο γνώρισε μια μικρή έκρηξη στα τέλη της δεκαετίας του 1960, όταν κυκλοφόρησε το Banana bike και το πτυσσόμενο ποδήλατο. Παρ 'όλα αυτά, η προσοχή του καταναλωτή παρέμεινε στη μηχανοκίνητη μεταφορά η οποία ήταν πιο γρήγορη και πιο άνετη και παράλληλα υποστηριζόταν από το σχεδιασμό των πόλεων. Η κατάσταση αυτή δεν άλλαξε παρά μόνο κατά τη διάρκεια του 70, όπου ξέσπασε η πετρελαϊκή κρίση. Η οικολογική συνείδηση αναπτύχθηκε ραγδαία και το ποδήλατο άρχισε σιγά σιγά να γίνεται και πάλι σημαντικό, ειδικά στο αστικό περιβάλλον. Επιπλέον, στη δεκαετία του 1980 άρχισε να αναπτύσσεται και η αθλητική πλευρά του ποδηλάτου όπως είναι η ορεινή ποδηλασία, το στατικό ποδήλατο γυμναστηρίου και οι αγώνες. Σήμερα, τα ποδήλατα αποτελούν ένα νέο τρόπο ζωής τουλάχιστον σε μεγάλες περιοχές της Ευρώπης και της Αμερικής. Ταυτόχρονα, εξακολουθεί να αποτελεί βασικό μέσο μεταφοράς σε πολλές χώρες. Ιδιαίτερα στις τριτοκοσμικές, όπου οι αποστάσεις είναι μεγάλες και η δεινή φτώχεια καθιστά αδύνατη την απόκτηση μηχανοκίνητου οχήματος και τη χρήση δημόσιων συγκοινωνιών. Παρόλα αυτά, ακόμα δεν είναι δεδομένο ότι ο καθένας διαθέτει ποδήλατο στις χώρες αυτές και μέχρι και σήμερα είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τη αυτονομία των γυναικών λόγω του ρόλου τους στην κοινωνία. Πριν από διακόσια χρόνια μια ηφαιστειακή έκρηξη έθεσε σε κίνηση την εφεύρεση του ποδηλάτου και σήμερα είναι μια επιθυμία για μια ποιότητα ζωής στις πόλεις που παρακινούν τους ανθρώπους να επιλέξουν το ποδήλατο ως μέσο ατομικής μεταφοράς. Το ποδήλατο αναλαμβάνει ολοένα και σημαντικότερο ρόλο στους αστικούς χώρους. Μπορεί κανείς να συναντήσει στους δρόμους μία μεγάλη ποικιλία μοντέλων, τα μοτοποδήλατα, τα ποδήλατα φορτίου και τα ηλεκτρονικά ποδήλατα τα οποία έχουν γίνει όλο και πιο δημοφιλή τα τελευταία χρόνια. Μπορεί κανείς να ταξιδέψει άνετα με τη βοήθεια ηλεκτρικών κινητήρων και με μικρά πτυσσόμενα ποδήλατα είναι ευέλικτα και εύκολα στην καθημερινή χρήση. Το ποδήλατο συμβάλει πολύ σε έναν υγιή τρόπο ζωής και είναι ένα μέσο οικονομικό και φιλικό στο περιβάλλον. 11

12 Κεφάλαιο 2 - Γεωμετρία πλαισίου {3} Εικόνα 1. Βασικές μετρήσεις της γεωμετρίας του σκελετού ποδηλάτου. 2.1 Εισαγωγή Η γεωμετρία αποτελεί τον μεγαλύτερο παράγοντα για τον χειρισμό και την ευστάθεια του ποδηλάτου. Με τον όρο αυτό εννοούμε τις βασικές μετρήσεις, τα μήκη των σωλήνων και τις γωνίες που συνθέτουν και ρυθμίζουν ένα σκελετό. Από τη γεωμετρία καθορίζεται το είδος του ποδηλάτου, το μέγεθός του, η συμπεριφορά του, η αίσθηση και η άνεση που προσφέρει στον αναβάτη. Η πιο συνηθισμένη μορφή γεωμετρίας ξεκίνησε από τα safety ποδήλατα και είναι αυτή που σχηματίζεται από τα δύο τρίγωνα και τις ρόδες ίδιου μεγέθους, ενώ παρομοιάζεται με τη δομή του διαμαντιού η οποία θεωρείται πολύ ισχυρή. Παρ όλα αυτά πολλά είναι τα σχέδια που έχουν ξεφύγει από το πλαίσιο της δομής του διαμαντιού ώστε να πετύχουν καλύτερα αποτελέσματα ως προς τις κύριες λειτουργίες του ποδηλάτου. Μέσα σε περισσότερο από ένα αιώνα ανάπτυξης έχουν επιτευχθεί πολλές επιτυχημένες συνθέσεις ποδηλάτων, ωστόσο, μεγάλο μέρος αυτής της εξέλιξης έγινε μέσω μιας εμπειρικής διαδικασίας, αντί της εφαρμογής υγιούς μαθηματικής γνώσης. Οι παραλλαγές σε οποιαδήποτε συνιστώσα επηρεάζουν τη δυναμική του ποδηλάτου. Τα περισσότερα μήκη και γωνίες σε έναν σκελετό είναι αλληλεξαρτώμενα, δηλαδή μία αλλαγή στο σχεδιασμό μιας συνιστώσας θα επηρεάσει μια άλλη [1]. 12

13 2.2 Οι παράμετροι που επηρεάζουν την γεωμετρία Οι παράμετροι που συνθέτουν την γεωμετρία ενός σκελετού ποδηλάτου είναι οι εξής: Stack and Reach: Αυτές είναι δύο σημαντικές μετρήσεις στην γεωμετρία του ποδηλάτου οι οποίες θέτουν ποιο είναι το κατάλληλο μέγεθος για τον αναβάτη χωρίς να χρειαστεί αρχικά κάποια δοκιμή. Το stack μετράει κατακόρυφα από το κέντρο της μεσαίας τριβής μέχρι το επάνω μέρος του head tube και δίνει την ένδειξη για το πόσο ψηλό είναι ένα πλαίσιο. Το reach μετράει την οριζόντια απόσταση από το κέντρο του επάνω μέρους του head tube μέχρι το κέντρο της μεσαίας τριβής δίνοντας την ένδειξη για το πόσο μακρύς είναι ο σκελετός. Head tube: Περιλαμβάνει δύο μεταβλητές που επηρεάζουν τον χειρισμό του ποδηλάτου. Το μήκος και την γωνία. Το μήκος μετράται από τον πυθμένα προς την κορυφή του σωλήνα και επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τη στάση του σώματος του αναβάτη. Τα ποδήλατα που έχουν μεγαλύτερο το μήκος του head tube τοποθετούν τον αναβάτη σε πιο όρθια θέση σε αντίθεση με τα ποδήλατα με μικρότερο μήκος head tube όπου χαμηλώνει το εμπρόσθιο άκρο του σκελετού με αποτέλεσμα να μειώνεται το μετωπικό προφίλ του αναβάτη βελτιώνοντας έτσι την αεροδυναμική. Η γωνία του head tube προσδιορίζει τις μοίρες που σχηματίζει η προέκτασή του με το έδαφος και συνήθως χαρακτηρίζεται ως χαλαρή (μικρότερη γωνία) ή απότομη (μεγαλύτερη γωνία). Η απότομη γωνία συνεπάγεται με πιο γρήγορο στρίψιμο και απαιτεί από τον αναβάτη λιγότερη δύναμη και προσπάθεια για την οδήγηση, ενώ τα ποδήλατα με χαλαρή γωνία του head tube έχουν πιο αργό στρίψιμο και απαιτούν περισσότερη δύναμη από τον αναβάτη. Για παράδειγμα, τα ποδήλατα βουνού έχουν πιο μικρή γωνία από τα ποδήλατα δρόμου για να έχουν μεγαλύτερη σταθερότητα στις τραχιές και τεχνικές διαδρομές. Fork Rake (Offset): Fork Rake (Offset) ονομάζεται η κάθετη μετατόπιση του κέντρου του τροχού από τον νοητό άξονα που διέρχεται από το κέντρο του Head tube και συνεχίζει μέχρι το έδαφος. Όσο πιο μεγάλο είναι το Rake τόσο πιο γρήγορο είναι το στρίψιμο. Επίσης αυξάνοντας το Rake αυξάνει και το μεταξόνιο (wheelbase) αποδίδοντας έτσι μεγαλύτερη σταθερότητα, ενώ σε συνδυασμό με τη λέπτυνση του υλικού προς το κέντρο λειτουργεί ως ανάρτηση. Fork Trail: To fork trail συνδυάζει την κλίση του head tube με το Fork rake. Στην ουσία είναι το μήκος που μετράται από το σημείο που εφάπτεται το μπροστινό ελαστικό με το έδαφος μέχρι την γωνία του head tube. Πρόκειται για μια πολύ σημαντική μέτρηση όσον αφορά τον χειρισμό του ποδηλάτου. Μικρότερο μήκος του fork trail ισοδυναμεί με γρηγορότερο στρίψιμο και δίνει την αίσθηση μεγαλύτερης ευκινησίας του ποδηλάτου, ενώ ο αναβάτης νιώθει το στρίψιμο περισσότερο στα χέρια του σε αντίθεση με το μεγάλο μήκος του fork trail όπου αποδίδει μεγαλύτερη σταθερότητα σε μεγάλες ταχύτητες, ενώ ο ποδηλάτης νιώθει πιο πολύ το στρίψιμο πλαγιάζοντας το σώμα του. Επίσης το μεγαλύτερο μήκος του fork trail ισούται με μεγαλύτερη ταλάντευση όταν ο αναβάτης 13

14 βγαίνει από τη σέλα απαιτώντας έτσι περισσότερη προσπάθεια στην κατεύθυνση του ποδηλάτου όταν στρίβει. Ο γρήγορος χειρισμός θεωρείται καλός σε υψηλές ταχύτητες αλλά μπορεί να περιγραφεί ως σπασμωδικός, επειδή παρουσιάζει μεγάλο βαθμό ευαισθησίας. Ο αργός χειρισμός απαιτεί περισσότερη προσπάθεια στο στρίψιμο, παρέχοντας έτσι μεγαλύτερη σταθερότητα και πιο ομαλό χειρισμό, ενώ είναι λιγότερο αντιδραστικός στην ταχύτητα. Seat Tube Angle: H γωνία του σωλήνα καθίσματος αναφέρεται στη γωνία που σχηματίζει αυτή με το έδαφος. Συνήθως η γωνία του σωλήνα καθίσματος κυμαίνεται στις μοίρες ανεξάρτητα από το είδος του ποδηλάτου και διαφέρει πιο πολύ μεταξύ των μεγεθών των πλαισίων. Η μεγαλύτερη γωνία ισοδυναμεί με καλύτερη απόσβεση των κραδασμών, διαφορετικά η κλίση του παλουκόσελου γίνεται κάθετη στις δυνάμεις καθιστώντας έτσι αδύνατη την ταλάντευσή του. Μήκος Seat Tube: Το μήκος του σωλήνα καθίσματος μετράται από το κέντρο της μεσαίας τριβής μέχρι το μέγιστο ύψος του. Η παράμετρος αυτή θεωρείται δευτερεύουσας σημασίας. Top Tube: Η άνω σωλήνα μετράει την απόσταση από τη σωλήνα καθίσματος μέχρι το head tube. Καθορίζει σε μεγάλο βαθμό το πόσο μακριά κάθεται ο αναβάτης από το τιμόνι και αποτελεί τον πιο απλό τρόπο για να προσδιορίσουμε το μέγεθος ενός ποδηλάτου. Chainstay: Το chainstay είναι το μήκος του κάτω μέρους του ψαλιδιού και μετράτε από το κέντρο της μεσαίας τριβής μέχρι το κέντρο του πίσω τροχού. Συνδέεται άμεσα με το μεταξόνιο(wheelbase) και συνεπώς επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την σταθερότητα του ποδηλάτου. Το μακρύ chainstay δημιουργεί μεγαλύτερο μεταξόνιο με αποτέλεσμα την βελτίωση της σταθερότητας του ποδηλάτου. Wheelbase (μεταξόνιο): Το μεταξόνιο αναφέρεται στην οριζόντια απόσταση μεταξύ των κέντρων του μπροστινού και πίσω τροχού. Τα ποδήλατα με μακρύ μεταξόνιο προσφέρουν σταθερότητα και άνεση, ενώ το κοντό μεταξόνιο κάνει το ποδήλατο πιο ευέλικτο. Bottom Bracket Drop (μεσαία τριβή): Το bottom bracket drop αντιπροσωπεύει την κάθετη απόσταση μεταξύ του κέντρου της μεσαίας τριβής και της οριζόντιας νοητής γραμμής που ενώνει τα δύο κέντρα τροχών. Είναι μία πολύ σημαντική συνιστώσα στη γεωμετρία, διότι καθορίζει το ύψος του κέντρου βάρους του αναβάτη. Όσο πιο χαμηλά βρίσκεται η μεσαία τριβή τόσο πιο καλός είναι ο χειρισμός του ποδηλάτου, ενώ δημιουργείται και μία καλύτερη σταθερότητα σε όλες τις ταχύτητες. Παρόλα αυτά υπάρχουν πολλοί παράγοντες που μπορεί να επηρεάσουν την επιλογή του ύψους της μεσαίας τριβής. Για παράδειγμα στα ποδήλατα βουνού η μεσαία τριβή πρέπει να βρίσκεται λίγο πιο ψηλά, ώστε να περνάει με άνεση τα εμπόδια. Ενώ προτιμάται χαμηλό ύψος της μεσαίας τριβής, πρέπει να υπάρχει ισορροπία με την απόσταση που δημιουργείται, όταν το πεντάλ βρίσκεται στο χαμηλότερο σημείο σε σχέση με το έδαφος, διότι υπάρχει πιθανός κίνδυνος πρόσκρουσης στην περίπτωση που ο ποδηλάτης πλαγιάζει, ώστε να στρίψει καλύτερα. 14

15 Σημαντικό για τη γεωμετρία είναι το πάχος και η διάμετρος του κάθε σωλήνα. Γι αυτό το λόγο παρατηρούμε πλέον ότι πολλές εταιρείες στους δισδιάστατους πίνακες με τις διαστάσεις μετράνε από κέντρο σε κέντρο εκεί δηλαδή που τέμνονται οι νοητοί άξονες των κέντρων των σωλήνων. Κεφάλαιο 3 Διαστασιολόγηση 3.1 Εισαγωγή Για τον σχεδιασμό ενός νέου ποδηλάτου πρέπει να ληφθούν υπόψη κάποιες παράμετροι. Οι κυριότερες εξ αυτών είναι: Η χρήση του ποδηλάτου (ποδήλατο βουνού, ποδήλατο δρόμου κλπ). Οι περιορισμοί σε ορισμένες διαστάσεις προκειμένου το ποδήλατο να είναι συμβατό με την πλειονότητα των εξαρτημάτων που προσφέρονται στην αγορά. Η σωστή διαστασιολόγηση του πλαισίου προκειμένου αυτό να συμμορφώνεται με τους κανονισμούς της UCI. Η επιλογή των κατάλληλων υλικών και ο ανάλογος σχεδιασμός προκειμένου το πλαίσιο να εγκριθεί από τα διεθνή πρότυπα (iso, din, ebfe), ώστε να αντέχει στις καταπονήσεις που του επιβάλλονται. Η σωστή αεροδυναμική συμπεριφορά του ποδηλάτου σε μετωπικούς και πλευρικούς ανέμους. Η εργονομία του πλαισίου, ώστε ο αναβάτης να μπορεί να ασκεί τη βέλτιστη δύναμη ανά πάσα στιγμή. Οι περιορισμοί λόγω κόστους. Οι συμβιβασμοί που θα γίνουν στις ανωτέρω παραμέτρους, από το σχεδιαστή με βάση τα κριτήρια που θα θέσει και τους στόχους που θέλει να πετύχει το ποδήλατο που πρόκειται να κατασκευάσει καθορίζουν το τελικό προϊόν. Στο κεφάλαιο αυτό θα εστιάσουμε κυρίως στο κομμάτι της διαστασιολόγησης, της επιλογής των υλικών και των προτύπων (standards). 3.2 Σχεδιασμός και διαστασιολόγηση του πλαισίου Ο σχεδιασμός ενός ποδηλάτου, και όχι μόνο, είναι μία διαδικασία κατά την οποία ο σχεδιαστής επιλέγει πχ. μία διατομή σωλήνα και είτε με βάση κάποια πειράματα που έχει σχεδιάσει είτε μέσω αναλύσεων στον υπολογιστή, κρίνει αν η επιλογή του ήταν σωστή, διαφορετικά τροποποιεί το σχέδιο και επαναλαμβάνει τη διαδικασία, έως ότου το αποτέλεσμα τον ικανοποιεί. Επειδή όμως ο σχεδιασμός περιλαμβάνει πάρα πολλά δεδομένα τα οποία πρέπει να ληφθούν υπόψη, ο σχεδιαστής πρέπει να ορίσει κάποιες παραδοχές και κάποιους περιορισμούς. Έτσι λοιπόν μπορεί και ορίζει κάποιες αρχικές διαστάσεις και στη συνέχεια ακολουθεί τη διαδικασία που αναφέραμε. Για την σωστή διαστασιολόγηση του πλαισίου, απαιτείται η επαλήθευση. Η επαλήθευση μπορεί είτε να γίνει με τη μορφή πειραμάτων σε ένα ήδη υπάρχον πλαίσιο ποδηλάτου είτε σε ένα 15

16 πρωτότυπο. Αυτή η διαδικασία όμως αυξάνει το κόστος σχεδιασμού. Έτσι οι κατασκευαστές οδηγήθηκαν στη χρήση λογισμικών ανάλυσης των πλαισίων με τη χρήση των πεπερασμένων στοιχείων, στα οποία το κόστος πλέον είναι μόνο ο χρόνος που απαιτείται, ώστε να γίνει σωστά η ανάλυση και η προσομοίωση του πλαισίου. Η χρήση των πεπερασμένων στοιχείων δεν είναι κάτι νέο, αλλά με την εξάπλωση της τεχνολογίας και της αύξησης της υπολογιστικής ισχύος σε κοινούς υπολογιστές, δόθηκε η δυνατότητα σε πολλούς μηχανικούς να έχουν πρόσβαση σε τέτοιου είδους λογισμικά. Έτσι λοιπόν οι κατασκευαστές πλέον μπορούν να εισάγουν ως δεδομένα στο λογισμικό τη γεωμετρία του πλαισίου (geometry), τις ιδιότητες του υλικού (materialκ, properties), τις συνοριακές συνθήκες (boundary conditions) και τα φορτία (load cases) και σαν αποτέλεσμα να έχουν τις τάσεις που αναπτύσσονται σε όλα τα σημεία του πλαισίου και τις παραμορφώσεις καθώς και πολλά ακόμα χρήσιμα δεδομένα. Έτσι ο χρόνος της προτυποποίησης και το κόστος του σχεδιασμού έχουν μειωθεί δραματικά. Συνηθέστερα, το δυσκολότερο κομμάτι της ανάλυσης είναι ο ορισμός των ιδιοτήτων του υλικού, ιδιαίτερα αν το υλικό που έχει επιλεγεί είναι σύνθετο υλικό (composite materials), όπως για παράδειγμα είναι και το ανθρακόνημα που χρησιμοποιείται κατά κόρον σε αγωνιστικά πλαίσια δρόμου και βουνού, αλλά και σε πολλά εξαρτήματα, με απώτερο σκοπό τη μείωση του βάρους και την επίτευξη πολύ αεροδυναμικών σχημάτων, με ταυτόχρονη αύξηση της ακαμψίας του πλαισίου όπου αυτή χρειάζεται. Επίσης αρκετά χρονοβόρο είναι και το κομμάτι του ορισμού των φορτίσεων. Τα διάφορα πρότυπα (standards) ορίζουν και διαφορετικές καταπονήσεις, αλλά σαν γενικός κανόνας το πλαίσιο θα πρέπει να αντέχει σε τέσσερεις κύριες φορτίσεις-καταπονήσεις, οι οποίες είναι 2 φορτίσεις κρούσης (impact) και 2 φορτίσεις κοπώσεως (fatigue), οι οποίες φαίνονται στα παρακάτω σχήματα: 16

17 Εικόνα 2. Κρουστική φόρτιση με ελεύθερη μάζα που προσκρούει στο πιρούνι του ποδηλάτου και προσομοιάζει την σύγκρουση του ποδηλάτου με εξωτερικό αντικείμενο [2]. 17

18 Εικόνα 3. Σύγκρουση του ποδηλάτου σε απαραμόρφωτο στερεό. Η φόρτιση αυτή προσομοιώνει την πρόσκρουση του ποδηλάτου στο έδαφος μετά από άλμα [2]. 18

19 Εικόνα 4. Διάταξη κόπωσης του ποδηλάτου που προσομοιώνει την άσκηση δύναμης στα πετάλια από τον αναβάτη με δύναμη 1100 N, για κύκλους φόρτισης [2]. 19

20 Εικόνα 5. Διάταξη κόπωσης του ποδηλάτου, για την περίπτωση οριζοντίων δυνάμεων. 600Ν για κύκλους φόρτισης [2]. Κεφάλαιο 4 - Υλικά κατασκευής {4} 4.1 Εισαγωγή Μέσα στο περασμένο ενάμιση αιώνα, οι σκελετοί ποδηλάτων από το ξύλο πέρασαν στο χάλυβα. Έπειτα με το σχηματισμό διαφόρων κραμάτων αναπτύχθηκαν νέα υλικά, τα οποία βελτίωσαν την απόδοση και την ποιότητα των ποδηλάτων. Βασικό πλεονέκτημά τους, κυρίως στο αλουμίνιο και στο ατσάλι που είναι τα πιο δημοφιλή υλικά στην κατασκευή του ποδηλάτου, είναι η δυνατότητα μαζικής παραγωγής με χαμηλό κόστος. Παρ όλα αυτά το ξύλο επανέρχεται στα ποδήλατα ως υλικό, όχι μόνο επειδή είναι κάτι διαφορετικό, βιώσιμο ή επειδή μπορεί να έχει πιο ρομαντικό χαρακτήρα, αλλά επειδή είναι ασύγκριτο ως προς τις μοναδικές ιδιότητες που παρουσιάζουν οι φυσικές του ίνες. Ενδιαφέρον παρουσιάζει o κύκλος που γίνεται ιστορικά από την βιομηχανία του ποδηλάτου στις βιομηχανίες των αυτοκινήτων και των αεροσκαφών και πάλι πίσω. Το πάθος για την ποδηλασία παρέδωσε υποδομές και καινοτομίες τόσο στους δρόμους όσο και στις τεχνολογίες για τα αυτοκίνητα, τα οποία στις αρχές του 20αιώνα αλλάζουν το σκηνικό στην Αμερική και συμβάλουν στον ανασχηματισμό της κοινωνίας. Από τις ρόδες με ακτίνες μέχρι τις κατασκευαστικές διεργασίες για μηχανικά γρανάζια καθώς και τους πιο εξελιγμένους δρόμους όπως είναι οι πλακόστρωτοι. Οι αλλαγές αυτές στο παρασκήνιο της τότε εποχής επέτρεψαν στα αυτοκίνητα να γίνουν πιο φθηνά και αξιόπιστα σε γρήγορο χρονικό διάστημα. Η επόμενη μεγάλη επανάσταση στην μεταφορά είναι τα αεροπλάνα τα οποία θεωρούνται με διάφορους τρόπους τα παιδιά της βιομηχανίας των ποδηλάτων. Πολλοί πρώιμοι εφευρέτες, κατασκευαστές και πιλότοι όπως οι αδελφοί Wright, που έφτιαξαν και πέταξαν το πρώτο επιτυχημένο αεροπλάνο το όποιο είχε παρόμοιο τρόπο κατεύθυνσης με ένα ποδήλατο, ξεκίνησαν από την βιομηχανία των ποδηλάτων [3]. 20

21 Ενώ λοιπόν το αυτοκίνητο έχει καθιερωθεί ως μέσο μεταφοράς τα τελευταία περίπου 90 χρόνια, ανάγκες όπως η οικονομία στα καύσιμα, η άθληση, νέες τάσεις μόδας και διάφορες κουλτούρες επαναφέρουν το ποδήλατο στη ζωή των ανθρώπων και την ποδηλατική βιομηχανία η οποία επωφελείται πλέον από τις καινοτομίες των βιομηχανιών των αυτοκινήτων και των αεροσκαφών και ανοίγει το δρόμο για ελαφρύτερα, γρηγορότερα, ισχυρότερα και φθηνότερα ποδήλατα. Έτσι η ιστορία της ποδηλατο-βιομηχανίας ολοκληρώνει έναν πλήρη κύκλο. Από το 1900 μέχρι το 1950 παρατηρείται πτώση στη δημοτικότητα του ποδηλάτου και κατά συνέπεια και στην εξέλιξή του. Αυτό οφείλεται στην διείσδυση του αυτοκινήτου στην κοινωνία και στη καθιέρωσή του ως βασικό μέσο μεταφοράς. Μέχρι το 1900 γίνανε πολλές σημαντικές τεχνολογικές εφευρέσεις αναντικατάστατες μέχρι και σήμερα όπως το σύστημα διεύθυνσης, το λάστιχο στον τροχό, το σύστημα μετάδοσης της κίνησης με το πεντάλ, το γρανάζι και η αλυσίδα. Από το 1950 και έπειτα έχουμε τη δεύτερη μεγάλη περίοδο εξέλιξης του ποδηλάτου με τα υλικά να πρωταγωνιστούν στον τομέα της καινοτομίας. Αρχικά οι σκελετοί φτιάχνονταν από ξύλο, σίδηρο, μαλακό χάλυβα ή και συνδυασμό αυτών, όπως για παράδειγμα κάποιοι ξύλινοι σκελετοί των οποίων οι αρθρώσεις ενισχύονταν με πρωτόγονο χάλυβα. Με την πάροδο του χρόνου, η πρόοδος που έγινε στη μαζική παραγωγή και η ανάγκη για πιο ανθεκτικά και ελαφριά ποδήλατα με όσο το δυνατό χαμηλότερο κόστος οδήγησαν στην αναζήτηση για νέα υλικά. Αυτά τα υλικά είναι, τα πολυμερή, τα κράματα αλουμινίου, το μαγνήσιο, το τιτάνιο, οι ίνες άνθρακα και πρόσφατα προστέθηκαν τα προηγμένα σύνθετα υλικά. Η συμπεριφορά του ποδηλάτου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την γεωμετρία του, αλλά εξίσου σημαντικό είναι το υλικό που χρησιμοποιείται. Κάθε υλικό παρουσιάζει διαφορετικές ιδιότητες και προσδίδει διαφορετικά χαρακτηριστικά που καθορίζουν τη συμπεριφορά στο εκάστοτε ποδήλατο ανάλογα με την κατηγορία στην οποία ανήκει. 4.2 Οι παράγοντες που επηρεάζονται από το υλικό Οι παράγοντες που επηρεάζονται άμεσα από το υλικό είναι η ασφάλεια, το βάρος, το κόστος και η αισθητική, ενώ όλοι τους είναι αλληλοεξαρτώμενοι. Όμως για την επιλογή του κατάλληλου υλικού πρέπει πρώτα να καθοριστεί ο σκοπός για τον οποίο προορίζεται το ποδήλατο και έπειτα βάση των χαρακτηριστικών που έχουν τα υλικά να ολοκληρωθεί η διαδικασία της επιλογής. Για παράδειγμα, ένα αγωνιστικό ποδήλατο δρόμου πρέπει να είναι άκαμπτο και ελαφρύ ώστε να ανταποκρίνεται καλύτερα στις απαιτήσεις του αθλητή, ενώ το κόστος είναι δευτερεύουσας σημασίας. Από την άλλη, για ένα ποδήλατο πόλης το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως ως μεταφορικό μέσο το χαμηλό κόστος είναι πιο σημαντικό από το βάρος, ενώ μπορεί να παρέχει μεγαλύτερο βαθμό ευκαμψίας, ώστε να απορροφά τους κραδασμούς από το έδαφος. Ασφάλεια: Το υλικό καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την ασφάλεια του ποδηλάτου και των περιφερειακών του εξαρτημάτων και κατά συνέπεια του αναβάτη. Έχει σημασία το πως ανταποκρίνεται και επιδρά στις διαφορετικές δυνάμεις που το καταστρέφουν, το πόσο γρήγορα καταστρέφεται και πόση προειδοποίηση δίνει πριν καταστραφεί και οδηγήσει τον αναβάτη σε 21

22 πτώση. Αυτό εξαρτάται κυρίως από την αντοχή του υλικού, ένα σημαντικό χαρακτηριστικό το οποίο αναλύεται παρακάτω. Βάρος: Όλα γυρίζουν γύρω από το βάρος, το ελαφρύ ποδήλατο ισοδυναμεί με το καλό ποδήλατο και συνήθως δεν ακολουθεί περαιτέρω συζήτηση για άλλα πλεονεκτήματα ή ιδιότητες του ποδηλάτου ή και του αναβάτη ακόμα. Πράγματι, το βάρος είναι σημαντικό για την καλή επίδοση του ποδηλάτου τόσο σε αγωνιστικό επίπεδο όσο και σε ερασιτεχνικό, παρόλα αυτά είναι πολλοί οι παράγοντες που επιδρούν στις επιδόσεις, όπως είναι η πίεση στα λάστιχα, η αντίσταση του αέρα και η φυσική κατάσταση του αναβάτη. Γενικά αυτή η τάση με το χαμηλό βάρος έχει οδηγήσει τους κατασκευαστές σε υψηλό ανταγωνισμό φτιάχνοντας ποδήλατα και εξαρτήματα που λειτουργούν στα πρόθυρα της αποτυχίας, ειδικά στα αγωνιστικά πλαίσια και εξαρτήματα. Το χαμηλό βάρος του ποδηλάτου προκύπτει από προσεκτικό συνδυασμό των ιδιοτήτων κάθε υλικού (αντοχή στη θλίψη, έκταση και στρέψη, πυκνότητα) με το σχεδιασμό (διατομές και πάχη υλικού, γεωμετρία) αφού ληφθούν υπόψη όλες οι επιθυμητές παραμέτροι (εργονομία, ακαμψία, συμπεριφορά, απορρόφηση κραδασμών). Κόστος: Το υλικό αποτελεί έναν από τους κύριους παράγοντες που επηρεάζουν το κόστος του ποδηλάτου, αφού καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την μέθοδο κατασκευής. Το κόστος μειώθηκε με τον καιρό λόγω της ανάπτυξης και βελτίωσης των τεχνικών μαζικής παραγωγής. Επίσης το κόστος είναι ανάλογο του βάρους, γιατί όσο πιο ελαφρύ είναι ένα ποδήλατο ή εξάρτημά του, τόσο πιο ακριβό γίνεται. Το τιτάνιο είναι από τα πιο ακριβά υλικά ακόμα και από τα ανθρακονήματα, ενώ ο χάλυβας και το αλουμίνιο θεωρούνται πιο οικονομικά, γι αυτό το λόγο είναι πιο διαδεδομένα. Παρόλα αυτά όσο το κόστος παραγωγής θα μειώνεται, υλικά σαν το τιτάνιο και το μαγνήσιο θα γίνονται όλο και πιο προσιτά στην αγορά. Αισθητική: Ποιος δεν θέλει το ποδήλατό του να είναι ελκυστικό; Το υλικό συμβάλει και στον τομέα της αισθητικής και της εμφάνισης. Η διαφορετική υφή, το σχήμα διατομής και ο τρόπος που ενώνονται οι σωλήνες επιδρούν στην συνολική εμφάνιση του ποδηλάτου και είναι όλοι παράγοντες που επηρεάζονται άμεσα από το υλικό. Διαφορετική αίσθηση δίνει ένα τετράγωνο γυαλιστερό μέταλλο από ένα κυλινδρικό ξύλο μπαμπού, ενώ άλλη αισθητική προσδίδει ένα ποδήλατο κατασκευασμένο από ανθρακονήματα χάριν στην ενιαία ομαλή φόρμα που σχηματίζουν οι σωλήνες του σκελετού σε αντίθεση με το ίδιο ποδήλατο φτιαγμένο από αλουμίνιο όπου οι σωλήνες ενώνονται με συγκόλληση και γίνονται πιο αισθητές στο μάτι. 4.3 Οι ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά των υλικών Παρακάτω αναλύονται οι φυσικές ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά που πρέπει να εξετάζονται κατά τη διαδικασία του σχεδιασμού για τη βέλτιστη επιλογή του υλικού. Οι ιδιότητες αυτές επηρεάζουν τη συμπεριφορά του ποδηλάτου στην οδήγηση. 22

23 Πυκνότητα: Η πυκνότητα είναι το βάρος ενός υλικού για ένα δεδομένο όγκο όπως είναι τα γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό. Η πυκνότητα του σύνθετου υλικού από ανθρακονήματα είναι η χαμηλότερη με την κατά προσέγγιση τιμή 1,8 g / cm3 ακολουθούμενη από το αλουμίνιο (2,71 g / cm3). Ωστόσο, το τιτάνιο παρουσιάζει υψηλότερη πυκνότητα (4,43 g / cm3). Η πυκνότητα είναι σίγουρα ένας σημαντικός παράγοντας για την αξιολόγηση των υλικών, ενώ είναι σημαντικότερο να λαμβάνεται υπόψη στην εφαρμογή του ποδηλάτου, σε σχέση με τη δύναμη και την αντοχή τους [4]. Ακαμψία: Η Ακαμψία δίνεται από το συντελεστή της ελαστικότητας ή αλλιώς συντελεστή Young (Young's Modulus). Στην ουσία η ακαμψία μας δίνει το βαθμό της ελαστικής παραμόρφωσης υπό κάποια τάση, δηλαδή αν ασκήσουμε δύναμη σε ένα υλικό πόσο θα παραμορφωθεί μέχρι να σταματήσει και να επιστρέψει στο αρχικό του σχήμα. Όσο πιο μεγάλος είναι ο αριθμός τόσο πιο δύσκαμπτο είναι το υλικό, ενώ σημαντικό ρόλο παίζουν η διάμετρος του σωλήνα και το πάχος του τοιχώματος. Για παράδειγμα, ανεξάρτητα από το πόσο καλές ιδιότητες μπορεί να έχει ένα υλικό, αν το τοίχωμα του είναι πολύ λεπτό τότε και η ακαμψία ή η αντοχή του θα είναι χαμηλή. Με τη χρήση νέων υλικών πού είναι πολύ λεπτά και ταυτόχρονα πολύ ισχυρά όπως είναι η γραφίνη και τα ανθρακονήματα με κυλινδρική νανοδομή, είναι πιθανό να βελτιωθεί αυτό το θέμα στο μέλλον. Σκληρότητα, Ανθεκτικότητα (Toughness): Η σκληρότητα είναι η ιδιότητα που καθορίζει ακριβώς πόσο ένα υλικό μπορεί να παραμορφωθεί πριν αστοχήσει [4]. Τα σκληρά μέταλλα είναι πιο εύκαμπτα (όλκιμα) και παραμορφώνονται αντί να σπάσουν. Αυτή η ιδιότητα είναι ιδιαίτερα σημαντική, γιατί προειδοποιεί για τυχόν αποτυχίες του σκελετού είτε μέσω της πλαστικής παραμόρφωσης του σωλήνα είτε με την εμφάνιση ρωγμών και εγκοπών στα σημεία που συσσωρεύονται οι μέγιστες τάσεις. Η μέτρηση και η ανάλυση της ιδιότητας αυτής θεωρείται πολύπλοκη. Αντοχή σε εφελκυσμό (Tensile Strength): Η αντοχή σε εφελκυσμό είναι το μέτρο της μέγιστης διαμήκους τάσης που μπορεί να αντέξει ένα υλικό χωρίς να σπάσει και εκφράζεται ως ο λόγος του μέγιστου φορτίου ως προς την διατομεακή επιφάνεια. Η ιδιότητα αυτή ποικίλει ανάλογα με τον τύπο κράματος που έχει χρησιμοποιηθεί για τον σωλήνα και τον τρόπο κατασκευής του. Υπάρχει ένα κανόνας που λέει πως όσο πιο ισχυρό το υλικό τόσο το καλύτερο, αρκεί όμως να εξετάζεται μεμονωμένα, χωρίς να σχετίζεται με τις άλλες ιδιότητες. Η αντοχή σε εφελκυσμό αποτελεί μια πολύ καλή ένδειξη για το πως θα συμπεριφερθεί το υλικό κατά τη χρήση. Αντοχή σε κόπωση (Fatigue Strength): Η αντοχή σε κόπωση είναι το μέτρο της τάσης κατά τη οποία ένα υλικό αποτυγχάνει ύστερα από έναν αριθμό κύκλων επανάληψης. Η ιδιότητα αυτή συνδέεται με το όριο κόπωσης και αποτελεί σημαντικό παράγοντα για την εκτίμηση της πιθανής διάρκειας ζωής ενός ποδηλάτου. Η μέγιστη κυκλική τάση πρέπει να είναι μικρότερη από την στατική εφελκυστική αντοχή του υλικού. Ο χάλυβας και τα κράματα τιτανίου παρουσιάζουν ειδική αντοχή σε κόπωση, αφού μπορούν να αντέξουν την εφαρμογή φορτίου σε απεριόριστο αριθμό κύκλων χωρίς να αποτύχουν. Από την άλλη, τα κράματα αλουμινίου είναι λιγότερο ισχυρά και γι αυτό το λόγο οι σωλήνες τους είναι πολύ παχύτεροι από αυτούς που φτιάχνονται από χάλυβα ή τιτάνιο. 23

24 4.4 Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στο ποδήλατο Παρακάτω παρουσιάζονται τα υλικά που χρησιμοποιούνται, οι ιδιότητες τους, πλεονεκτήματα μειονεκτήματα και ο τρόπος κατασκευής. Αλουμίνιο: Το αλουμίνιο είναι από τα πιο διαδεδομένα υλικά στην σύγχρονη βιομηχανία του ποδηλάτου. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980 τα ποδήλατα από αλουμίνιο θεωρούνταν καινοτομία, ενώ λίγοι ήταν οι κατασκευαστές που χρησιμοποιούσαν αυτό το υλικό. Σήμερα, σχεδόν όλοι οι κατασκευαστές παράγουν τουλάχιστον ένα ποδήλατο από αλουμίνιο. Πρωταρχική πηγή του είναι το μετάλλευμα του βωξίτη, ενώ θεωρείται πως είναι το πιο άφθονο μέταλλο στο φλοιό της γης. Επίσης, πέρα από το μαγνήσιο και το βηρύλλιο, είναι το ελαφρύτερο δομικό μέταλλο. Τα πλαίσια αλουμινίου είναι σχετικά οικονομικά σε αντίθεση με τα ανθρακονημάτινα που χρειάζονται πολύ περισσότερο χρόνο για να παραχθούν. Το αλουμίνιο έχει σχετικά χαμηλή πυκνότητα, περίπου στο ένα τρίτο από αυτή του χάλυβα και στο μισό από του τιτανίου, και μπορεί να διαμορφωθεί εύκολα για ελαφριές κατασκευές, έτσι θεωρείται ιδανικό για σκελετούς ποδηλάτων. Επίσης, το μέτρο της ελαστικότητας είναι χαμηλό σε σύγκριση με το χάλυβα. Παρόλα αυτά, το αλουμίνιο είναι πάντα κράμα αποτελούμενο από ένα μικρό ποσοστό άλλων μετάλλων και με την προσθήκη διάφορων ορυκτών αποδίδει πολλές μορφές οι οποίες σε συνδυασμό με το σχήμα του σωλήνα και το πάχος του μπορούν να σχηματίσουν ελαφριές και δύσκαμπτες δομές. Χαρακτηριστική είναι η διαδικασία που αναφέρεται ως butting κατά την οποία το κέντρο του σωλήνα γίνεται πιο λεπτό για τη μείωση του βάρους, ενώ συμπληρώνεται περισσότερο υλικό στα άκρα, διατηρώντας τα πιο ισχυρά για την συγκόλληση τύπου TIG. Πολλά διαφορετικά κράματα μπορούν να παραχθούν από ακατέργαστο αλουμίνιο. Τα κράματα ονομάζονται και κωδικοποιούνται ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής τους. Τα σφυρήλατα ορίζονται από τετραψήφιους αριθμούς και είναι αυτά που χρησιμοποιούνται πιο πολύ για την κατασκευή ποδηλάτων, με το 6061 να είναι το πιο διαδεδομένο, ενώ πολλές φορές παρατηρείται η χρήση επιθέτων όπως Τ4 ή Τ6, με τα οποία υποδηλώνεται ο συνδυασμός της ψυχρής και θερμικής κατεργασίας που έχει υποστεί το υλικό. Το πλεονέκτημα του είναι το κόστος, η σχετικά εύκολη κατασκευή, η αναλογία αντοχής - βάρους και η αντοχή στη διάβρωση, ενώ υστερεί στην επιδιόρθωση και στην αντοχή σε κόπωση. Χάλυβας: Ο χάλυβας είναι το πιο παλιό υλικό που χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή ποδηλάτων. Μέχρι και την δεκαετία του 80 που εμφανίστηκε το αλουμίνιο, ο χάλυβας είχε πρωταγωνιστικό ρόλο ως υλικό στην βιομηχανία του ποδηλάτου. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι χάλυβα στην βιομηχανία των ποδηλάτων. Ο πρώτος, γνωστός ως Hi - Ten, παρουσιάζει καλή αναλογία χαμηλής αντοχής - βάρους και χρησιμοποιείται σε οικονομικά ποδήλατα. Ο δεύτερος τύπος συναντάται σε ποδήλατα υψηλής απόδοσης και αναφέρεται ως CrMo, επειδή περιλαμβάνει χρώμιο και μολυβδαίνιο. Προσφέρει καλύτερες ιδιότητες αντοχής με πιο λεπτούς σωλήνες και λιγότερο βάρος. Για την κατασκευή σκελετών από χάλυβα χρησιμοποιείται παρόμοια διεργασία συγκόλλησης των ενώσεων με το αλουμίνιο, αλλά υπάρχει και μία ακόμα επιλογή που γίνεται με ειδικούς συνδέσμους 24

25 οι οποίοι αποτελούνται συνήθως από ασήμι ή ορείχαλκο και τοποθετούνται εκεί που διασταυρώνονται οι σωλήνες. Ο χάλυβας είναι φθηνός και εύκολος στην επεξεργασία, ενώ παρουσιάζει πολύ καλές ιδιότητες όπως υψηλή ανθεκτικότητα και πολύ καλή αντοχή σε κόπωση. Πλεονέκτημα έχει και στην επιδιόρθωση, ειδικά σε σχέση με το αλουμίνιο και τις ίνες άνθρακα. Τα μειονεκτήματά του είναι το βάρος και η χαμηλή αντοχή στη διάβρωση. Τιτάνιο: Το τιτάνιο είναι και αυτό ένα κράμα όπως το αλουμίνιο και ο χάλυβας και η σύνθεση του αποτελείται από ένα μικρό ποσοστό αλουμινίου και βαναδίου. Αν και είναι ένα πολύ καλό υλικό και άρχισε να χρησιμοποιείται στα ποδήλατα την ίδια χρονική στιγμή με το αλουμίνιο και τις ίνες άνθρακα, δεν είναι τόσο συνηθισμένο λόγω του ότι είναι ακριβό και δύσκολο στην κατασκευή. Το τιτάνιο αποδίδει αντοχή, καλή αναλογία ακαμψίας - βάρους και προσφέρει πολύ ωραία αίσθηση στην οδήγηση, ενώ παρουσιάζει υψηλή αντοχή στην κόπωση με αποτέλεσμα πολλοί κατασκευαστές ποδηλάτων τιτανίου να δίνουν εγγύηση εφόρου ζωής. Η κατασκευή του δεν διαφέρει πολύ από αυτή του αλουμινίου και του χάλυβα αλλά διαφοροποιείται κυρίως στην διαδικασία συγκόλλησης. Απαιτεί μεγαλύτερη καθαριότητα στην περιοχή της συγκόλλησης και οπωσδήποτε καλύτερη προστασία με αδρανές αέριο από το οξυγόνο του αέρα. Ανθρακόνημα: Οι ίνες άνθρακα πρωτοεμφανίστηκαν στο ποδήλατο στα τέλη της δεκαετίας του 80. Επειδή ήταν ένα ακριβό και ποιοτικό υλικό με υψηλές απαιτήσεις στην κατασκευή, άργησε να εδραιωθεί στην αγορά και στη βιομηχανία του ποδηλάτου, ενώ μέχρι και σήμερα χρησιμοποιείται κυρίως στα επαγγελματικά ποδήλατα υψηλής απόδοσης. Το ανθρακόνημα στην ουσία είναι σύνθετο υλικό, διότι αποτελείται από τις ίνες του άνθρακα και την ρητίνη η οποία λειτουργεί ως κόλλα για να συγκρατεί και να ενισχύει τις ίνες. Το υλικό αυτό χαρακτηρίζεται από τον μεγάλο βαθμό ακαμψίας σε σχέση με το χαμηλό βάρος, την χαμηλή θερμική διαστολή, την υψηλή αντοχή σε κόπωση και την ικανότητα να προσαρμόζεται σε οποιαδήποτε μορφή και σχήμα, αφού η μέθοδος παραγωγής του βασίζεται σε καλούπια. Επίσης χάριν αυτής της ικανότητας είναι ιδανικό για την απόδοση αεροδυναμικής φόρμας. Αν και υπάρχουν διάφορων ειδών ίνες που ποικίλουν ως προς το βαθμό ακαμψίας, σημαντικό είναι για το τελικό προϊόν, το πλήθος των στρωμάτων που θα χρησιμοποιηθεί, η ρητίνη που ενώνει τα φύλλα και η γωνία που σχηματίζουν κατά την επίστρωσή τους. Αν η διεύθυνση που σχηματίζει η επίστρωση των ινών αντιτίθεται στις δυνάμεις που ασκούνται τότε το υλικό γίνεται σκληρό και άκαμπτο, ενώ στην αντίστροφη περίπτωση το υλικό γίνεται εύκαμπτο. Το μειονέκτημα αυτού του υλικού είναι ότι απαιτεί πολύ χρόνο και πολύ καλές γνώσεις για την κατασκευή του. Επίσης είναι ευάλωτο στα εξωτερικά χτυπήματα, δηλαδή στην περίπτωση σύγκρουσης του ποδηλάτου με οποιαδήποτε αντικείμενο μπορεί να προκληθεί ζημιά στο υλικό. Μαγνήσιο: Το μαγνήσιο χρησιμοποιείται στα ποδήλατα από τη δεκαετία του 80 αλλά η δυσκολίες και τα προβλήματα στις μεθόδους παραγωγής αποστασιοποίησαν το υλικό αυτό από την βιομηχανία του ποδηλάτου για πολλά χρόνια. Σήμερα πολλές εταιρίες έχουν φτιάξει νέα κράματα μαγνησίου και νέες τεχνολογίες κατασκευής του αξιοποιώντας τα οφέλη των ιδιοτήτων του. 25

26 Τα κράματα μαγνησίου έχουν χαμηλή πυκνότητα και υψηλή αναλογία αντοχής - βάρους, είναι εύκολα στην διαδικασία της εξώθησης και μερικά κράματα επιδέχονται συγκόλληση [5]. Επιπλέον, το μαγνήσιο προσφέρει εξαιρετικά ομαλή και άνετη οδήγηση χάριν της υψηλής ικανότητάς του να αποσβένει του κραδασμούς. Η μέθοδος κατασκευής σκελετών από μαγνήσιο βασίζεται κυρίως στην διαδικασία της χύτευσης ενώ κάποια πλαίσια φτιάχνονται με την συγκόλληση των εξωθημένων σωλήνων. Επίσης κάποιες εταιρίες κάνουν βελτιστοποίηση με τη μέθοδο της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων. Ξύλο: Το ξύλο είναι το υλικό που χρησιμοποιήθηκε στο πρώτο αναγνωρισμένο ποδήλατο του Karl Von Drais το Παρόλα αυτά, οι γρήγοροι ρυθμοί ανάπτυξης και εξέλιξης των οχημάτων οδήγησαν στην εγκατάλειψη των ξύλινων ποδηλάτων και στην αντικατάστασης τους από τα αλουμινένια και τα ατσάλινα που θεωρούνται καταλληλότερα για την μαζική παραγωγή. Αυτό όμως δεν σημαίνει πως το ξύλο δεν είναι καλό και κατάλληλο υλικό για την κατασκευή ποδηλάτων. Αρχικά υπάρχουν πολλά είδη ξύλου που προέρχονται από διαφορετικά δέντρα και παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες, ενώ θα το συναντήσουμε είτε σε συμπαγή μορφή είτε στην μορφή των στρωμάτων. Το ξύλο μπορεί να αποδώσει υψηλή δύναμη και αντοχή στο ποδήλατο σε συνδυασμό με δυναμική εμφάνιση και οπτική αίσθηση λόγω του ότι είναι ένα φυσικό υλικό. Το μειονέκτημα του είναι το βάρος σε σχέση με τα άλλα υλικά, ενώ βασικό πλεονέκτημα των ξύλινων σκελετών αποτελεί ο τρόπος με τον οποίο απορροφούν του κραδασμούς. Αυτό οφείλεται στην φυσική δομή της κυτταρίνης του ξύλου που αναπτύσσεται με ίνες υψηλής και χαμηλής πυκνότητας. Αυτή η παραλλαγή της πυκνότητας συμβάλει στην μείωση των κραδασμών και προσφέρει πιο ομαλή και ξεκούραστη πορεία. Το κόστος εξαρτάται κυρίως από το είδος του ξύλου αλλά μπορεί εύκολα να αυξηθεί, επειδή τάσσεται στην κατηγορία του χειροποίητου και απαιτεί εξειδικευμένο προσωπικό για την παραγωγή και την ανάπτυξή του. Κεφάλαιο 5 - Ανάρτηση {5} 5.1 Εισαγωγή Ανάρτηση είναι το σύστημα που χρησιμοποιείται για την μείωση της μετάδοσης των κραδασμών από το ανώμαλο έδαφος στον αναβάτη και στο ποδήλατο. Έχει σχεδιαστεί για να απορροφά τα χτυπήματα και να μετατρέπει την ενέργεια της μάζας και της ταχύτητας σε θερμότητα. Το σύστημα της ανάρτησης συμβάλλει στο να μένει πάντα ο ένας ή και οι δυο τροχοί στο έδαφος βελτιώνοντας έτσι τον έλεγχο, την απόδοση και την ασφάλεια του αναβάτη και του ποδηλάτου. Από έρευνες που έχουν διεξαχθεί, προκύπτει ότι, οι κραδασμοί που μεταδίδονται στο σώμα του ποδηλάτη οδηγούν σε ένα κουραστικό και άβολο περιβάλλον καθώς ο αναβάτης καταπονείται περισσότερο και καταβάλει μεγαλύτερη προσπάθεια για τον έλεγχο του ποδηλάτου. Επίσης, τα χτυπήματα που μεταδίδονται στο ποδήλατο από τα εξογκώματα του δρόμου, μειώνουν την αντοχή του υλικού σε κόπωση με αποτέλεσμα το σύστημα της ανάρτησης να συμβάλλει και στη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του ποδηλάτου. Η ανάρτηση χρησιμοποιείται κυρίως στα ποδήλατα βουνού λόγω της έντονης τραχύτητας του εδάφους που προκαλείται από φυσικούς παράγοντες όπως το χαλίκι, η διάβρωση από το νερό, οι 26

27 ρίζες, οι πέτρες και τα αναχώματα, αλλά συνηθίζεται επίσης και σε άλλες κατηγορίες όπως τα ποδήλατα πόλης που συχνά έρχονται αντιμέτωπα με λακκούβες, διαφορά επιπέδων (πεζοδρόμιο) και γενικά κακοφτιαγμένα οδοστρώματα. Συγκεκριμένοι όροι καθορίζουν το στυλ του ποδηλάτου ανάλογα με το αν και σε πιο σημείο διαθέτει κάποιο είδος ανάρτησης. Τα ποδήλατα και πιο συγκεκριμένα οι σκελετοί συμπεριλαμβανομένου και του πιρουνιού, που δεν χρησιμοποιούν καθόλου ανάρτηση ονομάζονται rigid, αν και αυτά εμφανίζουν συνήθως κάποιου είδους κάμψη. Τα ποδήλατα που έχουν μόνο μπροστά ανάρτηση, συγκεκριμένα στο πιρούνι, λέγονται hardtail, όπως περιγράφει και ο όρος είναι αυτά που έχουν σκληρό το πίσω μέρος. Ενώ, Full Suspension ονομάζεται το ποδήλατο που περιλαμβάνει δύο συστήματα ανάρτησης, ένα στο μπροστινό μέρος και ένα στο πίσω. Το σύστημα της ανάρτησης εμφανίζεται με πολυποίκιλους τρόπους στο ποδήλατο. Οι πιο διαδεδομένες μορφές είναι η ανάρτηση που ενσωματώνεται στο πιρούνι που συνδέει τον μπροστινό τροχό με το υπόλοιπο πλαίσιο και η πίσω ανάρτηση, ένα σύστημα αποτελούμενο στην απλή του μορφή από έναν αποσβεστήρα, ένα ελατήριο και το μοχλικό που επιτρέπει την κίνηση του πίσω τροχού σε κυκλική τροχιά την στιγμή της συμπίεσης και της αποσυμπίεσης. Άλλες εφαρμογές ανάρτησης εντοπίζονται στα περιφερειακά όπως στη σέλα, στο παλουκόσελο, στους τροχούς, στο λαιμό, στο τιμόνι και στα λάστιχα. Με το σχεδιασμό των διαφόρων αυτών συστημάτων ανάρτησης έχει επιτευχθεί σε μεγάλο βαθμό η απορρόφηση των κραδασμών από το ανώμαλο έδαφος. Αυτό όμως δεν είναι αρκετό, διότι προκύπτουν διάφορα προβλήματα τα οποία δυσκολεύουν το σχεδιασμό και εμποδίζουν την αποτελεσματικότητα της λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος ως ολότητα. Οι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την διαδικασία του σχεδιασμού είναι η γεωμετρία του σκελετού, η ακαμψία, η απώλεια ενέργειας κατά το πενταλάρισμα λόγω της βύθισης της ανάρτησης, ο βαθμός που επηρεάζεται η ανάρτηση από το φρενάρισμα και τέλος το επιπρόσθετο βάρος και κόστος από ένα τέτοιο σύστημα και τα επιμέρους στοιχεία του. Συνήθως επιδιώκεται μια καλή ισορροπία μεταξύ αυτών των παραγόντων για την εύρεση της βέλτιστης λύσης. 5.2 Οφέλη απορρόφησης κραδασμών {6} Καθώς το ποδήλατο κινείται συναντάει διαφόρων ειδών εμπόδια, από μικρές λακκούβες μέχρι μεγάλα εξογκώματα και πέτρες, τα οποία προκαλούν κραδασμούς που μεταφέρονται στο ποδήλατο και στο σώμα του αναβάτη. Στην περίπτωση που το ποδήλατο δεν περιλαμβάνει κανένα σύστημα ανάρτησης οι τροχοί αναπηδούν από τα εμπόδια και βρίσκονται πιο συχνά στον αέρα με αποτέλεσμα η οδήγηση να γίνεται περισσότερο ασταθής και πιο επίπονη για τον αναβάτη αλλά και το ίδιο το ποδήλατο. Ο χρήστης αναγκάζεται πολλές φορές να σηκωθεί ελαφρώς από τη σέλα λυγίζοντας παράλληλα τα γόνατά του και τους αγκώνες του ώστε να μετατρέψει το ίδιο του σώμα στο σύστημα απορρόφησης των κραδασμών. Απ την άλλη, ένα ποδήλατο με αναρτήσεις έχει την δυνατότητα να διαβάζει και να αποσβένει τα χτυπήματα, ενώ κρατάει τις ρόδες σε συνεχή επαφή με το οδόστρωμα παρέχοντας με αυτό τον τρόπο υψηλότερες επιδόσεις, καλύτερο έλεγχο, άνεση και ασφάλεια σε γρήγορες ταχύτητες, χωρίς να υποχρεώνει τον αναβάτη να σταθεί σε όρθια θέση. Η σταθερή επαφή του τροχού με το έδαφος αποδίδει καλύτερη πρόσφυση, βελτιώνει το φρενάρισμα και συμβάλλει στην διατήρηση της ισορροπίας, βελτιώνοντας έτσι τον έλεγχο και την ευστάθεια του ποδηλάτου. Ο αναβάτης μπορεί να ταξιδέψει σε πιο υψηλές ταχύτητες με περισσότερη ασφάλεια τόσο σε ευθεία πορεία όσο και στις στροφές, αφού με την ανάρτηση 27

28 επιτυγχάνονται καλύτερα κρατήματα. Επίσης, όσο ο τροχός παραμένει στο έδαφος, δεν υπάρχουν απώλειες ενέργειας από την κίνηση που μεταδίδεται από το πεντάλ σε αντίθεση με τις φάσεις που η ρόδα βρίσκεται στον αέρα με αποτέλεσμα να περιστρέφεται άσκοπα χωρίς να ωθεί το ποδήλατο προς τα εμπρός. Ένα ακόμα πλεονέκτημα της ανάρτησης όσον αφορά το θέμα της ασφάλειας του ποδηλάτη είναι η δυνατότητα διατήρησης της ευθείας πορείας ανεξάρτητα από τα εμπόδια που υπάρχουν. Ο αναβάτης που οδηγεί ένα ποδήλατο με ανάρτηση δεν χρειάζεται να ανησυχεί για τις ανωμαλίες του εδάφους, αφού μπορεί απλά να τις περάσεις από πάνω. Αυτό είναι σημαντικό ιδιαίτερα στην μετακίνηση εντός πόλης όπου μια αλλαγή της πορείας για την αποφυγή εμποδίου μπορεί να προκαλέσει την σύγκρουση με άλλο όχημα που διέρχεται από τον ίδιο δρόμο. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η έρευνα που δημοσίευσε το περιοδικό Bicycle Quarterly το 2016 η οποία υποστηρίζει πως η υψηλή πίεση στα ελαστικά δεν φέρνει υψηλότερες ταχύτητες και αντιθέτως προτείνει πιο φαρδιά ελαστικά με χαμηλότερη πίεση, ώστε να αποσβένουν καλύτερα τις δονήσεις που προκαλούνται ακόμα και από τα πιο ομαλά οδοστρώματα. Η υψηλή πίεση αποδίδει μια πιο άκαμπτη επιφάνεια η οποία μεγιστοποιεί την ένταση των δονήσεων που προκαλούνται από το έδαφος. Οι δονήσεις προκαλούν απώλειες ενέργειας από τους ιστούς του σώματος που τρίβονται μεταξύ τους και μετατρέπουν την ενέργεια σε θερμότητα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα χαμηλότερες επιδόσεις, πιο κουραστική και πιο επικίνδυνη οδήγηση. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε συγκριτικά, μεταξύ ομαλού οδοστρώματος και προειδοποιητικών λωρίδων (μικρές επαναλαμβανόμενες λακκούβες) που βρίσκονται στην άκρη του δρόμου οι οποίες αντιπροσωπεύουν μια τυποποιημένη τραχιά επιφάνεια. Για να διατηρηθεί η ίδια ταχύτητα στην τραχιά επιφάνεια, ο αναβάτης χρειάστηκε να καταναλώσει επιπλέον ενέργεια, 290watts, σε σχέση με το ομαλό οδόστρωμα [6]. Μία άλλη έρευνα που πραγματοποιήθηκε σε ειδικά διαμορφωμένη εξέδρα, δοκιμάζει και διερευνά την επίδραση των επιπτώσεων των κραδασμών κατά την διάρκεια της ποδηλασίας σε ανώμαλο έδαφος. Σκοπός ήταν η σύγκριση των επιδόσεων σε τραχύ κομμάτι (υψηλή συχνότητα επαναλήψεων) των δύο βασικών κατηγοριών ποδηλάτου, hardtail (μόνο μπροστά ανάρτηση) και μπρος-πίσω ανάρτησης. Υπό τις συνθήκες του εργαστηρίου το ποδήλατο μπρος - πίσω ανάρτησης έδειξε σαφές φυσιολογικό και δυναμικό προβάδισμα. Πιο συγκεκριμένα, με το εμπρός - πίσω ανάρτησης ποδήλατο υπήρξε 30% μείωση στη κατανάλωση οξυγόνου, ενώ ο καρδιακός ρυθμός μειώνεται κατά 20 έως 50 παλμούς ανά λεπτό. Αυτό συνεπάγεται με τη μειωμένη κατανάλωση φυσιολογικής ενέργειας η οποία σχετίζεται με τη μείωση ισχύος της τάξεως μεταξύ 30% και 60% που μεταδίδεται από τα μπράτσα της πεταλιέρας, και αποτελεί την κινητήριο δύναμη για την περιστροφή του πίσω τροχού. Επίσης, το πίσω σύστημα ανάρτησης παρείχε περίπου 50% μείωση της κατακόρυφης μετατόπισης του καθίσματος καθώς το ποδήλατο περνά πάνω από ένα εμπόδιο, με αποτέλεσμα να παρέχει πιο άνετη βόλτα ενώ μεταφέρεται λιγότερη ενέργεια από το εμπόδιο στο ποδήλατο την στιγμή της κρούσης [7]. 5.3 Προβληματικός χώρος {7} Η μείωση των κραδασμών που προκαλούνται από το ανώμαλο έδαφος με σκοπό την πιο άνετη οδήγηση ενός ατόμου που κάθεται σε ένα όχημα, αποτέλεσε σοβαρό πρόβλημα από την ανάπτυξη 28

29 του πρώτου κιόλας οχήματος. Στο χώρο του ποδηλάτου, από την εφεύρεσή του μέχρι και σήμερα εντοπίζονται πολλά είδη αναρτήσεων που απορροφούν τους κραδασμούς, από το λάστιχο μέχρι σύνθετα συστήματα ανάρτησης που χρησιμοποιούνται κυρίως στα ποδήλατα βουνού. Το πρόβλημα εντοπίζεται κυρίως στα ποδήλατα της πόλης όπου ο αναβάτης έρχεται συχνά αντιμέτωπος με λακκούβες, εξογκώματα, πλακόστρωτους δρόμους και το ανεβοκατέβασμα σε πεζοδρόμια, με αποτέλεσμα η οδήγηση να γίνεται κουραστική, επίπονη και επικίνδυνη. Πέρα από κάποιες εναλλακτικές μορφές ανάρτησης που δεν έχουν ωριμάσει αρκετά ώστε να εδραιωθούν στην αγορά του ποδηλάτου, οι επιλογές του χρήστη εγκλωβίζονται στις τυπικές και συμβατές αναρτήσεις. Πρόκειται για ποδήλατα που χρησιμοποιούν το σύστημα ανάρτησης με κινούμενα μέρη, το οποίο λόγω της πολυπλοκότητας του αυξάνει το κόστος και το βάρος του ποδηλάτου, ενώ απαιτεί συντήρηση σε τακτά χρονικά διαστήματα για την καλή λειτουργία του. Συνεπώς υπάρχει η ανάγκη για το σχεδιασμό ενός συστήματος ανάρτησης το οποίο θα είναι απλό και θα εξυπηρετεί το σκοπό του χωρίς να αυξάνει δραματικά το κόστος και το βάρος του ποδηλάτου. 5.4 Ορολογία {8} Όπως πολλά θεματικά πεδία έτσι και το σύστημα της ανάρτησης του ποδηλάτου περιλαμβάνει πολλούς όρους που περιγράφουν τις διάφορες πτυχές του συστήματος αλλά και τις ρυθμίσεις του. Σημαντική είναι η κατανόηση των όρων αυτών για την κατανόηση του συνολικού συστήματος και του τρόπου λειτουργίας του. Παρακάτω περιγράφονται αυτές οι έννοιες οι οποίες θα χρησιμοποιηθούν και σε επόμενες ενότητες, ώστε να προσδιοριστεί πλήρως το σύστημα της ανάρτησης. Η διαδρομή, της ανάρτησης είναι η μέτρηση που αναφέρεται στη απόσταση που διανύει ο τροχός τη στιγμή που συμπιέζεται από ένα εμπόδιο. Η ανάρτηση που περιέχει μεγάλη διαδρομή μπορεί να απορροφήσει καλύτερα τα πιο μεγάλα εμπόδια. Βύθιση (sag), αναφέρεται στο πόσο βυθίζεται η ανάρτηση από τη στατική φόρτιση που προκαλεί το βάρος του αναβάτη. Η παράμετρος αυτή είναι η βάση όλων των ρυθμίσεων, ενώ πρέπει να κυμαίνεται σε ένα εύρος βύθισης της τάξεως του 20-30%, ανάλογα με το στυλ οδήγησης. Η ρύθμιση αυτή επιτυγχάνεται με την προ- φόρτιση του ελατηρίου. Προ - φόρτιση, είναι η ρύθμιση που προσδιορίζει την τάση που δέχεται το ελατήριο από την συμπίεση του πριν του ασκηθεί οποιαδήποτε άλλη εξωτερική δύναμη, όπως αυτή του βάρους του αναβάτη. Όσο αυξάνεται η προ- φόρτιση τόσο μειώνεται η βύθιση sag. Επαναφορά, είναι η ταχύτητα με την οποία η ανάρτηση επιστρέφει στην αρχική της θέση ύστερα από συμπίεση. Ο χρόνος αυτός ελέγχεται από τον αποσβεστήρα επαναφοράς, ενώ υπάρχει η δυνατότητα ρύθμισης ανάλογα με τις απαιτήσεις του εδάφους και τον τύπο οδήγησης. Η μικρή ποσότητα επαναφοράς ισοδυναμεί με γρήγορη αποσυμπίεση. Κλείδωμα, είναι ο μηχανισμός που απενεργοποιεί την λειτουργία της ανάρτησης. Πρόκειται για μια ρύθμιση η οποία κλείνει τη βαλβίδα συμπίεσης, εμποδίζοντας με αυτό τον τρόπο τη ροή του λαδιού. Απόσβεση συμπίεσης, είναι η ταχύτητα συμπίεσης της ανάρτησης, όταν απορροφά ένα κραδασμό. Όσο πιο άκαμπτο είναι το ελατήριο τόσο πιο χαμηλή είναι η ταχύτητα της απόσβεσης, με 29

30 αποτέλεσμα να μην βυθίζεται άσκοπα η ανάρτηση από μικρά εμπόδια ή από την επίδραση του φρεναρίσματος. Bottoming out, είναι ο όρος που περιγράφει τη στιγμή που η ανάρτηση τερματίζει, δηλαδή όταν φτάνει στο τέλος της διαδρομής της. Στις μεγάλες πιέσεις είναι καλό η ανάρτηση να τερματίζει άλλα αυτό δεν πρέπει να συμβαίνει συνέχεια, διότι μπορεί να προκαλέσει την καταστροφή όλου του συστήματος. Αναρτώμενη και μη αναρτώμενη μάζα, Δύο όροι που αποτελούν βασικά μεγέθη για την μελέτη της ανάρτησης είναι αυτοί της αναρτώμενης (sprung) και μη αναρτώμενης (unsprung) μάζας. Με τον όρο αναρτώμενη μάζα περιγράφεται οτιδήποτε βρίσκεται πάνω από τα ελατήρια του συστήματος ανάρτησης. Αυτό περιλαμβάνει για παράδειγμα το πλαίσιο και τον αναβάτη. Η μη αναρτώμενη μάζα είναι αυτή που παλινδρομεί μαζί με τον τροχό. Σε αυτήν ανήκουν οι τροχοί, οι άξονες των τροχών, η γλίστρα (slider) ενός συστήματος τηλεσκοπικής ανάρτησης, οι δαγκάνες των φρένων (brake callipers), μέρος του ψαλιδιού ή και ολόκληρο (swingarm). Ιδανικά, η τροχιά της αναρτώμενης μάζας θα έπρεπε να είναι μία ευθεία γραμμή (ή μία ομαλή καμπύλη κατά την στροφή), και η μη αναρτώμενη μάζα να παλινδρομεί ακολουθώντας το έδαφος με όποιες ανωμαλίες αυτό φέρει. Όταν το όχημα έρχεται σε επαφή με τις τελευταίες, η φόρτιση μεταξύ του τροχού και του εδάφους θα έπρεπε να παραμένει σταθερή. [8] 5.5 Λειτουργία ανάρτησης {9} Το σύστημα της ανάρτησης στοχεύει στη απορρόφηση των κραδασμών από το ανώμαλο έδαφός. Για την βέλτιστη αντίληψη της λειτουργίας της ανάρτησης χρειάζεται να προσδιοριστούν οι παράγοντες που το συνθέτουν και το επηρεάζουν. Την βασική του σύσταση αποτελούν η αναρτώμενη και μη αναρτώμενη μάζα, το ελατήριο με τον αποσβεστήρα που απαρτίζουν το μέσο σύνδεσης των δύο μαζών και τα εμπόδια που προκαλούν τις αναταραχές. Αυτά συνδέονται και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους λόγω των δυνάμεων που ασκούνται από το βάρος της αναρτώμενης μάζας και από τις αντίθετες δυνάμεις που προκαλεί η επαφή του ποδηλάτου με το έδαφος. H μάζα του αναβάτη ασκεί δύναμη προς τα κάτω, λόγω της βαρύτητας και το ποδήλατο ασκεί μια δύναμη αντίδρασης προς τα επάνω. Όταν το ποδήλατο χωρίς ανάρτηση χτυπήσει σε κάποιο εξόγκωμα του δρόμου, θα τιναχτεί ολόκληρο προς τα επάνω προκαλώντας αστάθεια στην οδήγηση και καταπόνηση στο σκελετό και στο σώμα του αναβάτη. Στη περίπτωση που το ποδήλατο περιλαμβάνει ανάρτηση, όταν χτυπήσει σε κάποιο εμπόδιο θα κινηθεί κυρίως η ρόδα προς τα επάνω και το υπόλοιπο μέρος του ποδηλάτου που είναι η αναρτώμενη μάζα θα μείνει σχετικά σταθερό. Το ελατήριο είναι αυτό που φέρει τα φορτία της μάζας του αναβάτη, του ποδηλάτου και του εμποδίου, ενώ ο αποσβεστήρας αντιτίθεται στην κίνηση του ελατηρίου, απορροφώντας την ενέργεια του και με αυτό το τρόπο αποσύρει την περιττή κίνηση, ώστε να μην παλινδρομεί άσκοπα και χωρίς έλεγχο η αναρτώμενη μάζα. Εάν το ελατήριο είναι πολύ άκαμπτο σε σχέση με το βάρος του αναβάτη, την ταχύτητα που κινείται και την δύναμη που του ασκείται από το εμπόδιο, δεν μπορεί να συμπιεστεί αρκετά ώστε να έχει τη μέγιστη δυνατή απόδοση. Απ την άλλη, εάν το ελατήριο είναι πολύ μαλακό βυθίζεται άσκοπα βαθιά στην διαδρομή του χωρίς να μεταφέρει σωστά το φορτίο, ενώ ο αποσβεστήρας δεν λειτουργεί στην βέλτιστη περιοχή. 30

31 Η δύναμη που παράγεται από το ελατήριο εξαρτάται από την απόσταση της συμπίεσης και τον βαθμό ακαμψίας του ελατηρίου και δίνεται από τον τύπο F=-Kx. Το Κ προσδιορίζει τον βαθμό ακαμψίας του ελατηρίου και το x την απόσταση της συμπίεσης. Η δύναμη που παράγεται από τον αποσβεστήρα εξαρτάται από την ταχύτητα συμπίεσης της ανάρτησης, όταν απορροφά ένα κραδασμό, αντιτιθέμενη της κίνησης του ελατηρίου. Όσο πιο πολύ συμπιέζεται το ελατήριο τόσο πιο πολύ δύναμη παράγει, έχοντας ως όριο την διαδρομή της ανάρτησης. Όταν ξεπεραστεί αυτό το όριο, η πίεση μεταφέρεται στο σώμα του αναβάτη το οποίο καλείται με τη σειρά του να την απορροφήσει. 5.6 Παλινδρομική κίνηση και μεταδοτικότητα κραδασμών {10} Όταν ένα ποδήλατο που περιλαμβάνει ανάρτηση χτυπήσει σε κάποιο εμπόδιο, τότε θα κινηθεί μόνο η ρόδα προς τα επάνω και το υπόλοιπο μέρος του ποδηλάτου που είναι η αναρτώμενη μάζα θα μείνει σταθερό. Όσο πιο σταθερή μένει η αναρτώμενη μάζα κατά τη λειτουργία της ανάρτησης τόσο πιο πετυχημένο θεωρείται το σύστημα της ανάρτησης. Στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 6.) αποτυπώνονται τα τρία βασικά στάδια κατά την λειτουργία της ανάρτησης με τις δύο πράσινες γραμμές να δείχνουν τις τροχιές που διαγράφουν η αναρτώμενη και η μη αναρτώμενη μάζα. Παρατηρείται μηδενική μετάδοση του κραδασμού στον αναβάτη καθώς η αναρτώμενη μάζα διαγράφει ευθεία γραμμή, κάτι που είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθεί υπό πραγματικές συνθήκες και ειδικά στην περίπτωση που τα εμπόδια επαναλαμβάνονται σε διαφορετικές συχνότητες, σε διαφορετικά μεγέθη και ταχύτητες που περνάει το ποδήλατο. Εικόνα 6. Οι τροχιές της αναρτώμενης και μη αναρτώμενης μάζας. Η μεταδοτικότητα των κραδασμών ισούται με το λόγο της κάθετης μετατόπισης και του ύψους του εμποδίου. Η ταχύτητα που έχει το ποδήλατο, όταν περνάει πάνω από τα εμπόδια, αποτελεί ένα σημαντικό παράγοντα που επηρεάζει άμεσα την μεταδοτικότητα. Για παράδειγμα, αν υποθέσουμε ότι ένα ποδήλατο περνάει με χαμηλή ταχύτητα πάνω από επαναλαμβανόμενα ίδια εμπόδια σε ίσες μεταξύ τους αποστάσεις η ανάρτηση δεν θα λειτουργήσει και η αναρτώμενη μάζα θα 31

32 ανεβοκατεβαίνει παράλληλα με τα εμπόδια, ενώ στην περίπτωση που η ταχύτητα είναι υψηλή τότε η ανάρτηση θα απορροφήσει τους κραδασμούς και η αναρτώμενη μάζα θα διαγράψει ομαλή πορεία. Μια άλλη σημαντική παράμετρος που επηρεάζει την μεταδοτικότητα είναι η συχνότητα των εμποδίων. Στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 7.) αποτυπώνονται οι πορείες που διαγράφουν η αναρτώμενη (κόκκινη γραμμή) και μη αναρτώμενη μάζα (πράσινη γραμμή) σε τρεις διαφορετικές συχνότητες από ένα ποδήλατο με ανάρτηση (εξαιρουμένου τριβών και αποσβεστήρα, μόνο το ελατήριο) που έχει περάσει πάνω από τα εμπόδια. Στην πρώτη φάση έχουμε, χαμηλές συχνότητες και η μεταδοτικότητα ισοδυναμεί περίπου με την μονάδα, δηλαδή η πορεία της αναρτώμενης μάζας αντισταθμίζεται με την πορεία που διαγράφει η μη αναρτώμενη μάζα. Η δεύτερη φάση πραγματοποιείται σε υψηλές συχνότητες και η μεταδοτικότητα είναι μικρότερη της μονάδας, σε αυτή τη περίπτωση οι κραδασμοί απορροφούνται από την ανάρτηση. Η τρίτη φάση γίνεται σε μεσαίες συχνότητες και η μεταδοτικότητα ξεπερνάει την μονάδα με αποτέλεσμα η αναρτώμενη μάζα να ταλαντεύεται περισσότερο από την μη αναρτώμενη μάζα. Εικόνα 7. Πορείες αναρτώμενης και μη αναρτώμενης μάζας που εκτελούνται υπο διαφορετικές συχνότητες. Παρακάτω (εικόνα 8.) αποτυπώνεται το γράφημα που περιγράφει τις παραπάνω φάσεις και δείχνει πως επηρεάζεται η μεταδοτικότητα οποιασδήποτε ανάρτησης βάση της συχνότητας που επαναλαμβάνονται τα εμπόδια. Η σκιαγραφημένη περιοχή με το πορτοκαλί δείχνει πως ενισχύεται η μεταδοτικότητα από τις μεσαίες συχνότητες και η πράσινη περιοχή αντιπροσωπεύει την μείωση 32

33 της μεταδοτικότητας λόγω της απορρόφησης των κραδασμών από την ανάρτηση, ενώ η χαμηλότερη μεταδοτικότητα επιτυγχάνεται στις υψηλότερες συχνότητες. Το σημείο με τη μέγιστη μεταδοτικότητα αντιστοιχεί στη φυσική συχνότητα (fn), κατά την οποία ένα σύστημα ανάρτησης (εξαιρουμένου τριβών και αποσβεστήρα, μόνο το ελατήριο) τείνει να ταλαντεύεται άσκοπα από οποιαδήποτε δύναμη απόσβεσης προκαλώντας αστάθεια στο ποδήλατο. Η φυσική συχνότητα για ένα ποδήλατο ισοδυναμεί περίπου με 2 Hz, που σημαίνει ότι εκτελεί δύο κύκλους ταλάντωσης το δευτερόλεπτο. Για τον ακριβή υπολογισμό της φυσικής συχνότητας κάθε περίπτωσης δίνεται ο τύπος, fn = (1/2π) * ( Κ ελατηρίου / Αναρτώμενη μάζα). Οπότε, αν ένα ποδήλατο περάσει πάνω από εμπόδια που η συχνότητα τους είναι κοντά στην φυσική συχνότητα τότε η μεταδοτικότητα ενισχύεται στο μέγιστο. Εικόνα 8. Γράφημα μεταδοτικότητας κραδασμών [9]. Όλες οι περιπτώσεις που προαναφέρθηκαν αφορούν σε ένα σύστημα ανάρτησης το οποίο δεν περιλαμβάνει άλλους παράγοντες που επηρεάζουν την λειτουργία και την αποδοτικότητα ενός τέτοιου συστήματος, όπως είναι ο αποσβεστήρας και οι τριβές που δημιουργούνται στις αρθρώσεις του μοχλικού μηχανισμού. Οι τριβές αποτελούν ένα φυσικό παράγοντα ο οποίος μπορεί να προκαλέσει δυσλειτουργία στο σύστημα στην περίπτωση που δεν εφαρμόζεται η κατάλληλη συντήρηση. Ο αποσβεστήρας όμως, αποτελεί πλέον αναπόσπαστο κομμάτι μιας τυπικής - συμβατικής ανάρτησης. Είναι το μέσο το οποίο συμβάλλει στο μπλοκάρισμα της άσκοπης ταλάντωσης της ανάρτησης. Οι αποσβεστήρες συνήθως περιλαμβάνουν την ρύθμιση της ταχύτητας επαναφοράς της ανάρτησης στην αρχική της κατάσταση ελέγχοντας με αυτό το τρόπο την μεταδοτικότητα. 33

34 Το παρακάτω διάγραμμα (εικόνα 9.) είναι παρόμοιο με το προηγούμενο συμπεριλαμβανομένης της ρύθμισης επαναφοράς αποσυμπίεσης υπό διαφορετικές ταχύτητες. Η μπλε γραμμή αντιστοιχεί στην πιο γρήγορη ταχύτητα επαναφοράς και η ροζ στην πιο αργή. Στην περίπτωση με τη γρήγορη ταχύτητα επαναφοράς, στη φυσική συχνότητα η μεταδοτικότητα αυξάνεται υπερβολικά με αποτέλεσμα το ποδήλατο να γίνεται πολύ ασταθές, ενώ στις υψηλές συχνότητες παρουσιάζεται η βέλτιστη απορρόφηση των κραδασμών από την ανάρτηση. Στην περίπτωση με την πολύ χαμηλή ταχύτητα επαναφοράς (ροζ γραμμή), στις μεσαίες συχνότητες μειώνεται πολύ η μεταδοτικότητα, ενώ στις υψηλότερες συχνότητες η ανάρτηση δεν απορροφά τόσο καλά τους κραδασμούς όσο απορροφούνται στην περίπτωση της μπλε γραμμής. Εικόνα 9. Γράφημα μεταδοτικότητας κραδασμών με ρύθμιση επαναφοράς αποσυμπίεσης [9]. Συνεπώς συμπεραίνουμε ότι μια πιο μέτρια ταχύτητα επαναφοράς μπορεί να αποδώσει καλύτερα αποτελέσματα στην λειτουργία της ανάρτησης σε μια διαδρομή που τα εμπόδια ανέρχονται σε διαφορετικές συχνότητες, διότι κρατάει σε χαμηλά επίπεδα την τιμή της μεταδοτικότητας στις χαμηλές συχνότητες και απορροφά σε ικανοποιητικό επίπεδο τους κραδασμούς στις υψηλές συχνότητες. Ένα ιδανικό σύστημα ανάρτησης θα μπορούσε να προσαρμόζει αυτόματα την ταχύτητα επαναφοράς στις αντίστοιχες συχνότητες. 5.7 Ρόδες και Εμπόδια {11} Το μέγεθος της ρόδας, ο τύπος και ο όγκος του εμποδίου αποτελούν δύο σημαντικούς παράγοντες που επηρεάζουν τη λειτουργία της ανάρτησης. Τα εμπόδια ποικίλουν ως προς το μέγεθος και το σχήμα που έρχεται σε επαφή με τη ρόδα. Υπάρχουν πολλά είδη όπως είναι για παράδειγμα οι πέτρες, οι λακκούβες, τα πεζοδρόμια, διάφορα εξογκώματα, σαμαράκια, πλακόστρωτοι δρόμοι και 34

35 άλλα διάφορα. Για την ανάρτηση τα πράγματα είναι πιο απλά, αφού αντιλαμβάνεται κυρίως δύο κατηγορίες, τα εμπόδια με τετράγωνο σχήμα και τα εμπόδια με το στρογγυλεμένο. Το σχήμα του εμποδίου είναι πιο σημαντικό από το μέγεθος με αποτέλεσμα τα τετράγωνα σχήματα ακόμα και σε μικρότερα εμπόδια να δυσκολεύουν περισσότερο την ανάρτηση από τα στρογγυλεμένα σχήματα. Στην εικόνα παρακάτω (εικόνα 10.) βλέπουμε δύο ρόδες ίδιας διαμέτρου και δύο εμπόδια ίδιου ύψους (y) αλλά διαφορετικού σχήματος επαφής. Στην πρώτη περίπτωση η ρόδα πρέπει να σκαρφαλώσει ολόκληρο το εμπόδιο με τη μία, ενώ στην δεύτερη περίπτωση φαίνεται πιο εύκολο το σκαρφάλωμα λόγο της ράμπας που σχηματίζει η στρογγυλεμένη επιφάνεια. Αν η ράμπα είχε διπλάσιο μήκος τότε η ρόδα θα μπορούσε να αναρριχηθεί με απόλυτη άνεση. Εικόνα 10. Εμπόδια διαφορετικού σχήματος επαφής με τη ρόδα. Πιο συγκεκριμένα, εάν το εμπόδιο έχει ένα ύψος y και η ρόδα μια ακτίνα r, τότε η απόσταση χ που ταξιδεύει η ρόδα κατά το σκαρφάλωμα, δίνεται από τον τύπο: x = (2yr - y^2). Επίσης μπορούμε να υπολογίσουμε την ταχύτητα που χρειάζεται το πιρούνι για να απορροφήσει έναν κραδασμό από τον τύπο: s = (v*y) / χcosθ, όπου v είναι η ταχύτητα που κινείται το ποδήλατο και θ είναι η κλίση του πιρουνιού που περιλαμβάνει την ανάρτηση και συνδέει τη ρόδα με το υπόλοιπο πλαίσιο του ποδηλάτου. Το συμπέρασμα από την παραπάνω εικόνα είναι ότι οι ρόδες με μεγαλύτερη διάμετρο βοηθούν περισσότερο την ανάρτηση, επειδή δίνουν περισσότερο χρόνο στο πιρούνι για να αντιδράσει, ενώ παράλληλα δίνουν την αίσθηση ότι μικραίνει το ύψος του εμποδίου. Αν η ρόδα ήταν διπλάσιας διαμέτρου θα ήταν σαν το εμπόδιο να είναι μισού ύψους. 5.8 Τύποι Ανάρτησης Η ανάρτηση αποτελεί το μέσο σύνδεσης και παράλληλα διαχωρισμού, της αναρτώμενης μάζας και μη αναρτώμενης μάζας ενός ποδηλάτου, ελέγχοντας την κατακόρυφη ταλάντωση των τροχών, με σκοπό την απορρόφηση των κραδασμών. Τα συστήματα αναρτήσεων διαχωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες. Η πρώτη είναι αυτή με τα κινούμενα μέρη και αποτελείται από ένα σύνολο 35

36 μηχανικών αρθρώσεων και συναρμογών ενσωματωμένα σε άκαμπτο σκελετό, όπου για να λειτουργήσουν συνεργάζονται με τα ελατήρια και τα αμορτισέρ. Η δεύτερη κατηγορία αφορά τις φυσικές αναρτήσεις όπου οι σκελετοί δεν έχουν καθόλου κινούμενα μέρη και η λειτουργία τους βασίζεται στην ταλάντωση που εκτελεί κάποιο τμήμα του σκελετού χάριν της ελαστικότητας που του αποδίδει ο σχεδιασμός και το υλικό κατασκευής Με κινούμενα μέρη - Συμβατές Αναρτήσεις {12} Τις αναρτήσεις με κινούμενα μέρη τις συνθέτουν τέσσερα κυρίως στοιχεία: Ελατήριο - Διαχειρίζεται το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που δημιουργείται από την πρόσκρουση για να απομονώσει το ποδήλατο και τον αναβάτη από τους κραδασμούς. Το ελατήριο απορροφά, αποθηκεύει και απελευθερώνει ενέργεια. Αποσβεστήρας (συμπίεσης και επαναφοράς) - Βοηθά το ελατήριο στη διαχείριση της ενέργειας για τον έλεγχο της ταχύτητας με την οποία η ανάρτηση συμπιέζεται και αποσυμπιέζεται. Ο αποσβεστήρας μετατρέπει την ενέργεια σε θερμότητα. Σασί - Φιλοξενεί το ελατήριο και τον αποσβεστήρα και χρησιμεύει ως δομικό μέλος του ποδηλάτου. Μηχανισμός μοχλικού συστήματος - Ενσωματώνεται στο πίσω σύστημα ανάρτησης και ανεξαρτητοποιεί το πίσω τρίγωνο από το υπόλοιπο πλαίσιο μέσω περιστροφικών αρθρώσεων, επιτρέποντας τον πίσω τροχό να κινηθεί σε κυκλική τροχιά κατά τις φάσεις της συμπίεσης και αποσυμπίεσης της ανάρτησης. 36

37 Ελατήριο Εικόνα 11. Μπρος πίσω αναρτήσεις με κινούμενα μέρη. Το ελατήριο είναι το μέσο που απορροφά την ενέργεια από μια ασκούμενη δύναμη. Μέχρι να απελευθερωθεί η δύναμη και να επιστρέψει το ελατήριο στην αρχική του μη συμπιεσμένη θέση, η ενέργεια αποθηκεύεται στο ελατήριο. Η ικανότητα απορρόφησης ενέργειας ενός ελατηρίου μετράται ως ο βαθμός της ελαστικότητας του ελατηρίου και δίνεται από τον λόγο της απορροφούμενης ενέργειας προς την απόσταση συμπίεσης. Για παράδειγμα, αν ένα ελατήριο απαιτεί δύναμη 100 λίβρες για να συμπιεστεί μια ίντσα, τότε αναφέρεται ως ελατήριο 100 λιβρών. Ο βαθμός ελαστικότητας του ελατηρίου επιλέγεται με βάση το δυναμικό βάρος (βάρος μη αναρτώμενης μάζας) και την τυπική ταχύτητα οδήγησης του αναβάτη. Γενικότερα στα οχήματα, οι ταχύτεροι αναβάτες χρησιμοποιούν πιο σκληρά ελατήρια, επειδή αποδίδουν λιγότερη κίνηση στο σκελετό του οχήματος και περισσότερη σταθερότητα. Ανεξάρτητα από τις εξωτερικές δυνάμεις που ασκούνται στο ελατήριο, υπάρχει η ρύθμιση της προφόρτισης η οποία προ-φορτίζει το ελατήριο, ώστε να αντισταθμίσει το βάρος του αναβάτη και του ποδηλάτου. Για να συμπιεστεί η ανάρτηση θα πρέπει να ασκηθεί δύναμη μεγαλύτερη από αυτή της προ-φόρτισης. Με την προ-φόρτιση ρυθμίζουμε το sag της ανάρτησης, με τον βαρύτερο αναβάτη να απαιτεί περισσότερη προ-φόρτιση. Η υπερβολική προ-φόρτιση σημαίνει συνήθως ότι χρειάζεται πιο δύσκαμπτο ελατήριο. Στην περίπτωση που η ανάρτηση δεν περιλαμβάνει ρυθμιστή προ-φόρτισης, χρειάζεται να προστεθούν ή αφαιρεθούν αποστάτες, ώστε να επιτευχθεί η κατάλληλη προ- φόρτιση. 37

38 Υπάρχουν δύο κυρίως τύποι ελατηρίου που χρησιμοποιούνται στις αναρτήσεις ποδηλάτων, το σπειρωτό και το ελατήριο με αέρα. Σπειρωτό Ελατήριο Το σπειρωτό ελατήριο αποτελείται από εύκαμπτο σύρμα (αποτελούμενο συνήθως από χάλυβα, τιτάνιο, ίνες άνθρακα κ.α.), τυλιγμένο σε ένα νοητό κύλινδρο, το οποίο επιτρέπει στο ελατήριο να κάμπτεται σε γραμμική διαδρομή κατά μήκος του. Ο βαθμός ελαστικότητας του ελατηρίου καθορίζεται από το υλικό του σύρματος, το πάχος του και το μήκος του ενεργού σύρματος. Όσο πιο παχύ και κοντό σε μήκος είναι το σύρμα τόσο πιο άκαμπτο γίνεται το ελατήριο, ενώ το λεπτότερο σύρμα και το μακρύτερο μήκος αποδίδουν περισσότερη ελαστικότητα. Η απόσταση μεταξύ των σπειρωμάτων και η διάμετρος του σπειρώματος δεν επηρεάζουν την ακαμψία του ελατηρίου παραμόνο τις συνολικές διαστάσεις. Τα σπειροειδή ελατήρια διαχωρίζονται συνήθως σε τρεις τύπους βάση της συχνότητας των σπειρωμάτων. Τα ελατήρια μονού βαθμού (single rate coil), διπλού βαθμού (dual rate coil) και τα προοδευτικά (progressive coil). Στη εικόνα αποτυπώνονται οι τρεις αυτές κατηγορίες. Εικόνα 12. Τρεις τύποι σπειροειδών ελατηρίων. Τα ελατήρια μονού βαθμού λειτουργούν ακριβώς όπως αναφέρεται παραπάνω, δηλαδή η συμπίεση μεταβάλλεται σταθερά, ανάλογα με την δύναμη που ασκείται. Για παράδειγμα, αν το ελατήριο με δύναμη 100 λίβρες συμπιεστεί κατά μια ίντσα, τότε αντίστοιχα με 200 λίβρες θα συμπιεστεί κατά δύο ίντσες και με 300 λίβρες τρεις ίντσες. Τα ελατήρια αυτά είναι πιο εύκολα και οικονομικά στην κατασκευή και στην κατανόηση αλλά δεν αποδίδουν πάντα τα καλύτερα αποτελέσματα στην οδήγηση και το χειρισμό. Στα ελατήρια διπλού βαθμού η απόσταση των σπειρωμάτων μετά τη μέση μειώνεται με αποτέλεσμα η ανάρτηση να είναι πιο μαλακή στα μικρά εμπόδια και πιο σφιχτή και σταθερή στα 38

39 μεγάλα εμπόδια, ενώ η μετάβαση από το μαλακό στο σκληρό γίνεται απότομα. Τα προοδευτικά όπως αναφέρει και η ονομασία, όσο συμπιέζονται σκληραίνουν εκθετικά μέσω της διαδρομής, με τη διαφορά ότι η μετάβαση από το μαλακό στο σκληρό γίνεται ομαλά. Ένα ελάττωμα που παρουσιάζουν τα σπειροειδή ελατήρια ύστερα από μεγάλες περιόδους συμπίεσης, όπως η τακτική χρήση και η σταθερή προ-φόρτιση, είναι η κόπωση και η αδυναμία να επανέλθει το ελατήριο στην αρχική του θέση. Σε αυτή τη περίπτωση δεν αλλάζει ο βαθμός ελαστικότητας του ελατηρίου παρά μόνο το μήκος του. Η επιπλέον προ-φόρτιση ή οι αποστάσεις μπορούν να αντισταθμίσουν το μικρότερο μήκος. Ελατήριο με αέρα Τα ελατήρια αέρος αποτελούνται κυρίως από ένα σφραγισμένο θάλαμο γεμάτο αέρα και ένα έμβολο το οποίο πιέζει τον αέρα καθώς κινείται μέσα στο θάλαμο. Κατά την συμπίεση το έμβολο ασκεί δύναμη στον αέρα με αποτέλεσμα να αυξάνεται η πίεση και να μειώνεται ο όγκος του θαλάμου, ενώ παράλληλα δημιουργείται μια αντίθετη δύναμη που πιέζει το πιστόνι προς τα έξω. Όσο η ανάρτηση συμπιέζεται τόσο πιο πολύ αυξάνεται η πίεση του αέρα, ενώ όταν το έμβολο επιστρέφει στην αρχική του θέση, η πίεση του αέρα μειώνεται. Η πίεση καθορίζεται από το λόγο της ποσότητας του αέρα προς τον όγκο του θαλάμου και μετράται σε psi. Τα ελατήρια αέρος ταυτίζονται με τα προοδευτικά σπειροειδή ελατήρια, δηλαδή η ποσότητα δύναμης που απαιτείται για την συμπίεση αυξάνεται εκθετικά μέσω της διαδρομής. 39

40 Εικόνα 13. Δομή ελατηρίου αέρος. Οι αναρτήσεις με αέρα χρησιμοποιούνται πιο πολύ στα ποδήλατα βουνού. Τα πλεονεκτήματά τους, είναι το χαμηλό βάρος το οποίο βασίζεται στην αφαίρεση του ελατηρίου που επιβαρύνει πολύ την ανάρτηση ειδικά όταν είναι κατασκευασμένο από χάλυβα και η δυνατότητα που δίνεται στον αναβάτη να ρυθμίσει με μεγαλύτερη ακρίβεια την σκληρότητα της ανάρτησης ανάλογα με το στυλ οδήγησης. Απ την άλλη οι αναρτήσεις αυτές κοστίζουν περισσότερο από τις αναρτήσεις σπειροειδούς ελατηρίου και υστερούν σε ευαισθησία και απόδοση, κάτι που βελτιώνεται με την εξέλιξη της τεχνολογίας. Αποσβεστήρας Η ενέργεια εμφανίζεται με πολλές μορφές όπως η κίνηση, η πίεση και η θερμότητα. Η ενέργεια μπορεί να αλλάξει μορφή αλλά δεν μπορεί να εξαλειφθεί. Η δύναμη που προκαλείται από την πρόσκρουση με ένα εμπόδιο μεταδίδει ενέργεια στην ανάρτηση και αυτή η ενέργεια μετατρέπεται σε τριβή μέσω του ρευστού που περιέχει ο αποσβεστήρας. Η τριβή αλλάζει την κινητική ενέργεια της κίνησης που εκτελεί η ανάρτηση και την μετατρέπει σε θερμότητα η οποία διασκορπίζεται στο ρευστό και τελικά απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. 40

41 Ο αποσβεστήρας είναι ένας κύλινδρος μέσα στην ανάρτηση γεμάτος με λάδι και ένα έμβολο με μικρές οπές (βαλβίδες). Καθώς το έμβολο κινείται οι οπές επιτρέπουν μια μικρή ποσότητα λαδιού να περνά μέσα από αυτό. Οι αναρτήσεις που συμπιέζονται και αποσυμπιέζονται πολύ γρήγορα προκαλούν αστάθεια στο χειρισμό του συστήματος που έχουν σχεδιαστεί να υποστηρίξουν. Έτσι ο υδραυλικός αποσβεστήρας αποτελεί το μέσο που χρησιμοποιεί τις τριβές που προκαλούνται από την ροή λαδιού μέσων των βαλβίδων, ώστε να μειώνει και τελικά να ελέγχει τον ρυθμό με τον οποίο συμπιέζεται και αποσυμπιέζεται μια ανάρτηση. Όταν ασκείται δύναμη στο έμβολο για να κινηθεί τότε αυτό αντιστέκεται. Όσο πιο γρήγορη είναι η ταχύτητα συμπίεσης τόσο πιο μεγάλη είναι η αντίσταση. Η ποσότητα αντίστασης καθορίζεται από το μέγεθος των οπών και το μέγεθος του λαδιού. Στην παρακάτω εικόνα (εικόνα 14.) απεικονίζεται ένας αποσβεστήρας με τα βασικά στοιχεία που τον συνθέτουν. 41

42 Εικόνα 14. Δομή αποσβεστήρα. Ο αποσβεστήρας αποτελείται από το κυρίως σώμα το οποίο φιλοξενεί και στερεώνει τα εξαρτήματα απόσβεσης και το λάδι. Το έμβολο, που περιέχει τις οπές και κινείται πάνω - κάτω στο εσωτερικό του κυρίου σώματος. Το λάδι, το οποίο δημιουργεί την αντίσταση, όταν διέρχεται μέσα από τις οπές και βοηθά στη διάχυση της θερμότητας που παράγεται από την τριβή. Η κεφαλή κλεισίματος, που κλείνει το θάλαμο και κρατάει το λάδι στο εσωτερικό του. Τέλος, ο άξονας ο οποίος συνδέει το υπόλοιπο σύστημα της ανάρτησης με τα εξαρτήματα που περιλαμβάνει το κυρίως σώμα του αποσβεστήρα. Μερικοί αποσβεστήρες χρησιμοποιούν και αέριο, συνήθως με άζωτο, το οποίο βρίσκεται στο κάτω μέρος του κυλίνδρου του αποσβεστήρα και διαχωρίζεται από το λάδι με ένα επιπρόσθετο ασύνδετο έμβολο. Το έμβολο αυτό μειώνει την αναπήδηση και επιτρέπει στην ανάρτηση να ανταποκριθεί γρηγορότερα κυρίως στις περιπτώσεις όπου οι ταχύτητες είναι υψηλές και τα εμπόδια μεγάλα. Απόσβεση συμπίεσης Η απόσβεση συμπίεσης χωρίζεται σε δύο τύπους, στην χαμηλή ταχύτητα και στην υψηλή. Οι περισσότερες αναρτήσεις ποδηλάτων που έχουν ρύθμιση για την απόσβεση συμπίεσης επιτρέπουν στο χρήστη να ρυθμίσει την χαμηλή ταχύτητα αλλά χρησιμοποιούν συνήθως προκαθορισμένες τιμές για την ρύθμιση υψηλής ταχύτητας. Με τον όρο χαμηλή ταχύτητα εννοείται η ταχύτητα με την οποία συμπιέζεται ο άξονας στα αρχικά στάδια της διαδρομής του που διέρχεται μέσα από το κυρίως σώμα του αποσβεστήρα. Γενικότερα, η χαμηλή ταχύτητα αναφέρεται στο πως η ανάρτηση αντιδρά στις πιέσεις αργού ρυθμού που προκαλούνται από παράγοντες όπως η μετατόπιση του βάρους του αναβάτη, το στρίψιμο, το φρενάρισμα και το πενταλάρισμα. Η υψηλή ταχύτητα αφορά τις πιο απότομες συμπιέσεις όπου ο άξονας βυθίζεται περισσότερο στην διαδρομή του. Συνήθως οι υψηλές ταχύτητες συμπίεσης προκαλούνται από προσκρούσεις με τετραγωνικές ακμές ή από τις προσγειώσεις έπειτα από άλμα ή γενικότερα, όταν το ποδήλατο ταξιδεύει σε γρήγορες ταχύτητες και προσκρούει σε εμπόδια. Φθορά συστήματος Η τακτική χρήση της ανάρτησης και η επαναλαμβανόμενη κίνηση που εκτελείται κατά την λειτουργία της προκαλεί διάφορες φθορές στο σύστημα του αποσβεστήρα και στα επιμέρους στοιχεία του. Μία τέτοια φθορά είναι η αλλαγή θερμοκρασίας του ρευστού που προκαλείται από την τριβή και από την ψύξη, όταν έχει κρύο καιρό. Με την πάροδο του χρόνου οι επαναλαμβανόμενες αλλαγές στην θερμοκρασία του λαδιού καταστρέφουν το ιξώδες του και οποιαδήποτε άλλη ιδιότητα που συμβάλει στην καλή απόδοση του υγρού. Η μόνη αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος είναι η αντικατάσταση του ρευστού. Στις περιπτώσεις που ο αποσβεστήρας περιλαμβάνει αέριο δημιουργείται το πρόβλημα της εξαέρωσης. Το αέριο μεταφέρεται στο επάνω μέρος του θαλάμου λόγω της βαρύτητας και έπειτα με την λειτουργία του αποσβεστήρα σχηματίζει φυσαλίδες, οι οποίες διαλύονται και δημιουργούν 42

43 ένα είδος αφρού χαμηλότερης πυκνότητας από αυτή του λαδιού με αποτέλεσμα να αλλάζουν τα χαρακτηριστικά της απόσβεσης και να μειώνεται η απόδοση της ανάρτησης. Επίσης, πολλές φορές περνάνε μέσα από τις τσιμούχες, στο εσωτερικό του θαλάμου, διαφόρων ειδών ακαθαρσίες οι οποίες μπλοκάρουν τις οπές μεταβάλλοντας τη ροή του λαδιού και αλλάζοντας τα χαρακτηριστικά της απόσβεσης. Σασί Στο παρελθόν κάποιες εταιρίες κατασκεύαζαν πιρούνια με συνδέσμους όπου περιλάμβαναν άξονες περιστροφής και ένα μικρό αποσβεστήρα. Πλέον, οι περισσότερες αναρτήσεις σχεδιάζονται με παρόμοιο τρόπο. Τα πιρούνια με ανάρτηση αποτελούνται από τηλεσκοπικούς σωλήνες που φιλοξενούν στο εσωτερικό τους το ελατήριο και τον αποσβεστήρα και συνδέουν τον μπροστά τροχό με το υπόλοιπο πλαίσιο. Το σασί της πίσω ανάρτησης βασίζεται σε παρόμοια λογική, ενώ αποτελεί το βασικό μέσο σύνδεσης των δύο τριγώνων του σκελετού. Εικόνα 15. Σασί από ένα τυπικό πιρούνι με ανάρτηση και τα επιμέρους στοιχεία που το συνθέτουν. Πηδαλιούχος σωλήνα (steerer tube): Η σωλήνα του οδηγού στερεώνει το πιρούνι στο πλαίσιο του ποδηλάτου και στο λαιμό που σφίγγει γύρω του και συγκρατεί το τιμόνι. Οι συνηθισμένες τιμές της διαμέτρου του πηδαλιούχου σωλήνα είναι 1, 1.125, 1.25 και 1.5 ίντσες, ενώ κάποιοι σωλήνες 43

44 φτιάχνονται με διάμετρο βάσης 1.5 και 1.25 ίντσες στο επάνω μέρος. Το μήκος του σωλήνα εξαρτάται κυρίως από το μήκος του head tube και το ύψος του λαιμού. Στέμμα (Crown): Το στέμμα είναι το κομμάτι που ενώνει το σωλήνα καθοδήγησης με τους άνω σωλήνες και παίζει σημαντικό ρόλο στην συνολική αντοχή και ακαμψία του πιρουνιού. Σε πολλές περιπτώσεις, επειδή το στέμμα επιβαρύνει πολύ το πιρούνι, αφαιρείται όγκος σε συγκεκριμένα σημεία, ώστε να μειωθεί το βάρος, χωρίς να επηρεαστεί σημαντικά η αντοχή και η ακαμψία του πιρουνιού. Άνω σωλήνες (Stanchions): Οι άνω σωλήνες συνδέονται και μπαίνουν μέσα στους κάτω σωλήνες, ενώ στεγάζουν το σύστημα με το ελατήριο και τον αποσβεστήρα. Σημαντική είναι η διάμετρός τους, αφού καθορίζει το μέγεθος του σασί και επηρεάζει την αντοχή και την ακαμψία του πιρουνιού. Όσο πιο μεγάλη είναι η διάμετρος, τόσο πιο γερό και άκαμπτο γίνεται το πιρούνι, αλλά απαιτούνται μεγαλύτερο στέμμα και κάτω σωλήνες, που προσθέτουν βάρος. Επίσης ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει την αντοχή, την ακαμψία και το βάρος είναι το πάχος του άνω σωλήνα το οποίο αυξάνεται συνήθως προς τα μέσα, ώστε να μην επηρεάζει το συνολικό σασί αλλά υπάρχει ο περιορισμός του χώρου, ώστε να μπορούν να υποστηριχθούν τα εξαρτήματα του αποσβεστήρα και το ελατήριο. Κάτω σωλήνες (Lowers): Οι κάτω σωλήνες συνδέονται μέσω της γέφυρας (arch) και του άξονα της ρόδας, ενώ κατασκευάζονται ως ένα κομμάτι, με τη μέθοδο της χύτευσης. Χρησιμοποιούνται για να υποστηρίξουν τους άνω σωλήνες κατά την φάση της συμπίεσης, ενώ πάνω τους στερεώνεται ο τροχός και το μπροστά φρένο. Ειδική τοποθέτηση υλικού γίνεται στους κάτω σωλήνες, ώστε να αυξηθεί περαιτέρω η αντοχή και η ακαμψία του πιρουνιού, να μειωθεί το βάρος και να δημιουργηθεί ένα ωραίο αισθητικό αποτέλεσμα. Υπάρχουν και κάποια πιρούνια σχεδιασμένα με τον αντίστροφο τρόπο, δηλαδή οι άνω σωλήνες είναι μεγαλύτερης διαμέτρου από τις κάτω. Το πλεονέκτημα αυτών των πιρουνιών είναι ότι παρουσιάζουν μεγαλύτερη πλευρική ακαμψία σε σχέση με τα συνηθισμένα, αλλά κοστίζουν περισσότερο, ενώ στην περίπτωση που δημιουργηθεί διαρροή του λαδιού μέσω της τσιμούχας, το υγρό χύνεται κατευθείαν κάτω με αποτέλεσμα να δυσλειτουργεί ο αποσβεστήρας. Μηχανισμός μοχλικού συστήματος Ο μηχανισμός μοχλικού συστήματος είναι το σύστημα που χρησιμοποιεί ένα ή περισσότερα σημεία περιστροφής επιτρέποντας στον πίσω τροχό να κινηθεί σε ένα εύρος κινήσεων κατά την συμπίεση και αποσυμπίεση της πίσω ανάρτησης. Πρόκειται για ένα περίπλοκο σύστημα, το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως στα επαγγελματικά ποδήλατα βουνού που περιλαμβάνουν εμπρός - πίσω αναρτήσεις. Αν και το σασί της πίσω ανάρτησης παραμένει το ίδιο σχεδόν για όλα τα ποδήλατα, τα σχέδια των σκελετών ποικίλουν και χρησιμοποιούνται διάφορα είδη μηχανισμών για να επιτρέψουν την κίνηση του πίσω τροχού και να επιτύχουν τη βέλτιστη λειτουργία της ανάρτησης. Ανάλογα με τις συνθήκες της διαδρομής κάποια συστήματα αποδίδουν καλύτερα από κάποια άλλα. Παρ όλα αυτά, όλα τα συστήματα καλούνται να λύσουν τα ίδια προβλήματα, που είναι η αναλογία μόχλευσης, το αίσθημα της αναπήδησης κατά το πενταλάρισμα, η ανεξαρτητοποίηση της ανάρτησης από το φρενάρισμα και η διαδρομή που διαγράφει η πίσω ρόδα, όταν συμπιέζεται η ανάρτηση. Μέχρι και σήμερα δεν υπάρχει η τεχνολογία ή η τέλεια συνταγή που να λύνει αυτά τα προβλήματα, αλλά οι βασικοί μοχλικοί μηχανισμοί που υπάρχουν καταφέρνουν να επιτύχουν μια 44

45 καλή ισορροπία των τριών βασικών στόχων που είναι η απορρόφηση των κραδασμών, η μείωση της άσκοπης αναπήδησης από τις δυνάμεις που προκαλούνται από το πενταλάρισμα και η απελευθέρωση της ανάρτησης από το φρενάρισμα. Αναλογία μόχλευσης Στα πιρούνια με ανάρτηση, ο τροχός είναι τοποθετημένος κατευθείαν στην ανάρτηση, επομένως κατά την συμπίεση η διαδρομή που εκτελεί η ανάρτηση είναι ίδια με του τροχού. Στο σύστημα της πίσω ανάρτησης, η διαδρομή που διαγράφει ο τροχός είναι διαφορετική από αυτή της ανάρτησης και εξαρτάται από τη γεωμετρία του μοχλικού μηχανισμού. Η σχέση των δύο αυτών διαδρομών εκφράζεται ως αναλογία μόχλευσης. Στην εικόνα παρακάτω, απεικονίζονται δυο διαφορετικές γεωμετρίες μοχλικού και η επιρροή τους στην διαδρομή του τροχού (εικόνα 16.). Παρατηρείται πως παρά το γεγονός ότι η διαδρομή συμπίεσης είναι ίση με τη μονάδα και στις δυο περιπτώσεις, στο δεξιό σύστημα η διαδρομή της ρόδας διπλασιάζεται λόγω της μετατόπισης του σημείου περιστροφής των δυο βραχιόνων. Εικόνα 16. Αναλογία μόχλευσης πίσω ανάρτησης. Αναπήδηση κατά το πενταλάρισμα Η αίσθηση της αναπήδησης κατά το πενταλάρισμα προέρχεται από την μεταβαλλόμενη απόσταση μεταξύ του άξονα του πίσω τροχού και της μεσαίας τριβής ή του άξονα του πεντάλ. Επειδή το κέντρο περιστροφής του πίσω τριγώνου δεν είναι ομοαξονικό με τη μεσαία τριβή, κάθε φορά που 45

46 τεντώνει η αλυσίδα από την πίεση που ασκείται στα πεντάλ, δημιουργείται μια ροπή στρέψης στο τρίγωνο στην αντίθετη κατεύθυνση του ρολογιού. Αυτή η περιστροφική δύναμη συμπιέζει ελαφρώς την ανάρτηση κατά το πενταλάρισμα και προκαλεί στον ποδηλάτη την αίσθηση της αναπήδησης. Μία άλλη εκδοχή αυτού του προβλήματος που προκαλείται από την κίνηση του πεντάλ είναι η ανάδραση από την πρόσκρουση, η οποία οφείλεται και αυτή στην επιμήκυνση της απόστασης μεταξύ του άξονα του τροχού και της μεσαίας τριβής. Με αποτέλεσμα όταν η ανάρτηση συμπιέζεται, ο αναβάτης να αισθάνεται είτε μια αντίθετη δύναμη από τα πεντάλ είτε μία ξαφνική ευκολία στην δύναμή που ασκεί ο ίδιος. Ανεξαρτητοποίηση της ανάρτησης από το φρενάρισμα Όταν ο αναβάτης πιέζει το πίσω φρένο, προκαλούνται δυνάμεις που αναγκάζουν ολόκληρο το σύστημα να αποσυμπιεστεί, κάνοντας πιο σκληρή την πίσω ανάρτηση. Αυτό είναι ένα πρόβλημα που αντιμετωπίζουν κυρίως οι ποδηλάτες, όταν κατεβαίνουν ένα λόφο με τραχύ έδαφος και χρειάζεται να φρενάρουν συνέχεια. Στην περίπτωση που ο μηχανισμός του μοχλικού δεν ανεξαρτητοποιεί την ανάρτηση από το φρενάρισμα, ο πίσω τροχός χοροπηδάει πάνω από τα εμπόδια με αποτέλεσμα να μειώνεται ο έλεγχος της επιβράδυνσης. Διαδρομή τροχού Πολύ σημαντικό και περίπλοκο θέμα θεωρείται η τροχιά που διαγράφει ο πίσω τροχός κατά την συμπίεση της ανάρτησης. Το σχήμα του αντίθετου S αποτελεί την ιδανική τροχιά που ανταποκρίνεται καλύτερα στις επιπτώσεις των κραδασμών, στην αναπήδηση κατά το πενταλάρισμα και στην ανεξαρτητοποίηση της ανάρτησης από το φρενάρισμα. Πρέπει δηλαδή, στην αρχή της συμπίεσης, η διαδρομή του τροχού να απομακρύνεται από το πλαίσιο και στην συνέχεια, περίπου στο μισό της συμπίεσης να αλλάζει η κοιλότητα και η διαδρομή να τείνει πιο κοντά προς το σκελετό του ποδηλάτου. Με αυτή τη μέθοδο η ανάρτηση είναι το ίδιο ενεργή και στην χαμηλή και στην υψηλή συμπίεση. Ένα μοχλικό σύστημα που το πέτυχε αυτό είναι το Dw - Link το οποίο αναλύεται παρακάτω. Προτού αναφερθούν τα βασικά μοχλικά συστήματα είναι σημαντική η κατανόηση του μοναδικού εικονικού σημείου περιστροφής (IC). Το σημείο αυτό χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της συμπεριφοράς του συστήματος υπό συνθήκες φρεναρίσματος και πενταλαρίσματος, καθώς και της πραγματικής θέσης περιστροφής και της διαδρομής του τροχού. Το εικονικό σημείο περιστροφής είναι το σημείο τομής των δυο νοητών αξόνων που διέρχονται από τις άνω και κάτω περιστροφικές αρθρώσεις του συστήματος και απεικονίζεται στην εικόνα παρακάτω (εικόνα 17.). Καθώς η ανάρτηση συμπιέζεται η θέση του μοναδικού εικονικού σημείου περιστροφής μεταβάλλεται. 46

47 Εικόνα 17. Μοναδικό εικονικό σημείο περιστροφής (IC). Παρακάτω αναφέρονται τα τέσσερα πιο βασικά σχέδια μοχλικού μηχανισμού με τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους. Αυτά είναι τα πιο διαδεδομένα στην αγορά και έχουν ιδιαίτερη σημασία για την επίλυση των προαναφερθέντων προβλημάτων. Single Pivot Το σχέδιο αυτό ήταν το πρώτο που διατέθηκε ευρέως στα ποδήλατα με πίσω ανάρτηση και παραμένει μέχρι και σήμερα ως ένα από τα πιο διαδεδομένα μοχλικά συστήματα. Η λογική του είναι απλή και στηρίζεται στην τοποθέτηση του βασικού σημείου περιστροφής λίγο πιο πάνω και μπροστά από την μεσαία τριβή. Όπως παρατηρείται η ανάρτηση λειτουργεί χρησιμοποιώντας ένα τρίγωνο που κινείται προς τα πάνω, μεταφέροντας και μετατρέποντας τις ανοδικές δυνάμεις σε πλευρικές από τον τροχό στην ανάρτηση. Πλεονεκτήματα: Απλό, ελάχιστες περιστροφικές αρθρώσεις, απαιτεί λίγη συντήρηση, ελαφρύ, μειωμένη αναπήδηση κατά το πενταλάρισμα Μειονεκτήματα: Επιρρεπής στην ανάδραση από την πρόσκρουση, δεν λειτουργεί καλά στο φρενάρισμα. 47

48 Unified RT Αυτό το σχέδιο ενσωμάτωσε ολόκληρο το σύστημα μετάδοσης της κίνησης στο βραχίονα, συμπεριλαμβανομένης και της μεσαίας τριβής, ενώ η κυρίως σύνδεσή του με το υπόλοιπο πλαίσιο επιτυγχάνεται μέσω του βασικού σημείου περιστροφής. Είναι παρόμοιο με το single pivot με τη διαφορά ότι η μεσαία τριβή ενσωματώνεται στο πίσω τρίγωνο και κάθε φορά που η ανάρτηση συμπιέζεται η απόσταση μεταξύ του κέντρου του τροχού και της μεσαίας τριβής, παραμένει ίδια. Με αυτό το τρόπο, αυξάνεται το πρόβλημα της αναπήδησης αλλά λύνεται το θέμα της ανάδρασης από την πρόσκρουση. Πλεονεκτήματα: Χαμηλή ανάδραση από την πρόσκρουση, καλή διαδρομή (κοντά στο σχήμα του S) που διαγράφει ο πίσω τροχός κατά την συμπίεση της ανάρτησης Μειονεκτήματα: Η αποτελεσματικότητα της ανάρτησης μειώνεται, όταν ο αναβάτης είναι όρθιος, το βάρος, η επίδραση του φρεναρίσματος Four - Bar Το σύστημα αυτό θεωρείται το επόμενο βήμα στην εξέλιξη της ανάρτησης του ποδηλάτου. Χαρακτηρίζεται από την επιπρόσθετη περιστροφική άρθρωση στο πίσω μέρος του ψαλιδιού και χρησιμοποιεί μερικούς ακόμα συνδέσμους για να σχηματίσει τους τέσσερις βραχίονες. Μέσα από αυτό το σχέδιο γεννιούνται πολλές διαφορετικές εκδόσεις, ανάλογα με το που βρίσκεται το επιπρόσθετο σημείο περιστροφής σε σχέση με το κέντρο της πίσω ρόδας, με την κάθε μία να έχει επίσημα το δικό της όνομα ευρεσιτεχνίας. Μία εκδοχή που έχει τον επιπρόσθετο άξονα περιστροφής ακριβώς μπροστά από το κέντρο της ρόδας, ονομάζεται Horst Link. Το κάτω μέρος του ψαλιδιού περιστρέφεται γύρω από ένα σημείο το οποίο βρίσκεται πάνω στο σωλήνα καθίσματος του σκελετού, ενώ χρησιμοποιείται παράλληλα ένα επιπλέον τρίγωνο που συνδέει το ψαλίδι με το υπόλοιπο πλαίσιο και την ανάρτηση και συμβάλει στην μεταφορά της κάθετης δύναμης από τον πίσω τροχό στην ανάρτηση. Το σύστημα αυτό παρέχει ομαλή αίσθηση στην οδήγηση και ελαχιστοποιεί την επίδραση του φρεναρίσματος στην ανάρτηση. Πλεονεκτήματα: Ελαφρύ, περιορισμένη ανάδραση από την πρόσκρουση, ανεξαρτητοποιεί σε ικανοποιητικό βαθμό την ανάρτηση από το φρενάρισμα Μειονεκτήματα: Αναπήδηση κατά το πενταλάρισμα, απαιτεί τακτικούς ελέγχους στα σημεία περιστροφής Ένα άλλο σχέδιο τύπου Four - Bar είναι το Split Pivot. Το βασικό του χαρακτηριστικό είναι ο κοινός άξονας που έχει η επιπρόσθετη περιστροφική άρθρωση με το κέντρο της πίσω ρόδας. Με αυτό το τρόπο η δαγκάνα του δισκόφρενου τοποθετείται στο πλωτό επάνω τμήμα του ψαλιδιού με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται καλύτερη αλληλεπίδραση της ροπής του φρεναρίσματος με την ανάρτηση. Σε ένα τέτοιο σύστημα ο σχεδιασμός των τεσσάρων βραχιόνων μπορεί να επηρεάσει την μετάδοση της ροπής του φρεναρίσματος μέσω της κίνησης της δαγκάνας 48

49 του φρένου σε σχέση με την δισκόπλακα και την αναλογία μόχλευσης μεταξύ τροχού και ανάρτησης. Για την βέλτιστη απόδοση του μοχλικού μηχανισμού χρειάζεται μια ισορροπία μεταξύ αυτών των επιρροών. Πλεονεκτήματα: Χαμηλή ανάδραση από την πρόσκρουση, καλή λειτουργία της ανάρτησης στο φρενάρισμα Μειονεκτήματα: Κόστος, μέτρια απόδοση ως προς την αναπήδηση κατά το πενταλάρισμα, απαιτεί μοναδικό άξονα για την σύνδεση της πίσω ρόδας με το πλαίσιο. Dw - Link Το σύστημα αυτό είναι πατενταρισμένο από τον ίδιο σχεδιαστή που έχει κάνει το split - pivot και λέγεται, Dave Weagle. Διαχωρίζεται από τα υπόλοιπα χάριν του επιπρόσθετου κοντού συνδέσμου που χρησιμοποιείται για να συνδέσει το κάτω μέρος του ψαλιδιού με το υπόλοιπο πλαίσιο κοντά στην μεσαία τριβή. Με αυτό το τρόπο καταφέρνει να πετύχει τη βέλτιστη τροχιά της πίσω ρόδας που ταυτίζεται με το σχήμα του αντίθετου S. Το μειονέκτημα αυτού του σχεδίου είναι η συσσώρευση υψηλών δυνάμεων σε μια κεντρική περιοχή πάνω στην σωλήνα του καθίσματος, αλλά αυτό αντιμετωπίζεται προσθέτοντας περισσότερο υλικό όπου απαιτείται, αυξάνοντας παράλληλα το βάρος του σκελετού. Πλεονεκτήματα: Αποδίδει καλύτερα στο πενταλάρισμα, δεν επηρεάζεται πολύ από το φρενάρισμα Μειονεκτήματα: Κόστος, σχετικά βαρύ, τα πλεονεκτήματα εξαρτώνται από συγκεκριμένη ακριβή ρύθμιση Χωρίς κινούμενα μέρη - Φυσικές Αναρτήσεις {13} Οι φυσικές αναρτήσεις αποτελούν μια ιδιαίτερη περίπτωση που στοχεύει στην απορρόφηση των κραδασμών και την μείωση της μεταδοτικότητας τους στον αναβάτη. Ο σχεδιασμός τέτοιων συστημάτων διαφοροποιείται σε μεγάλο βαθμό από τις συμβατές αναρτήσεις, διότι δεν περιλαμβάνει καθόλου κινούμενα μέρη, ενώ το ίδιο το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένος ο σκελετός αναλαμβάνει πλήρως τον ρόλο του ελατηρίου και του αποσβεστήρα σε συνδυασμό με τη γεωμετρία που επιτρέπει την κάμψη είτε ολόκληρου του σκελετού είτε κάποιου μεμονωμένου τμήματός του. Τα συστήματα αυτά υπερτερούν σε σχέση με τις συμβατές αναρτήσεις κυρίως ως προς το βάρος, το κόστος και την συντήρηση. Το ενδιαφερόμενο κοινό είναι συνήθως αναβάτες που ποδηλατούν σε ομαλά οδοστρώματα ή ήπιους χωματόδρομους και επιθυμούν ένα ελαφρύ ποδήλατο με ανάρτηση. Στο παρελθόν η υλοποίηση και η ανάπτυξη αυτής της ιδέας ήταν δύσκολη λόγω του περιορισμού που υπήρχε στα υλικά και στις μεθόδους κατασκευής των πλαισίων. Με την πάροδο του χρόνου όμως αναδύθηκαν διάφορες προτάσεις ποδηλάτων που διέθεταν φυσική ανάρτηση χρησιμοποιώντας τόσο νέα υλικά όπως το ανθρακόνημα και το πολυμερές, όσο και πιο παραδοσιακά όπως είναι το ξύλο. Ένα σημαντικό σχέδιο στο χώρο αυτό ήταν το σύστημα φυσικής ανάρτησης της εταιρείας Softride όπου έκανε την πρώτη του εμφάνιση σε μια έκθεση ποδηλάτων 49

50 το Ο σκελετός αυτός είχε σχεδιαστεί έτσι ώστε το κάθισμα του αναβάτη να στηρίζεται πάνω σε μια εύκαμπτη δοκό που λειτουργούσε ως ανάρτηση, ενώ το υπόλοιπο πλαίσιο βασιζόταν στην τριγωνική δομή, ώστε να είναι ισχυρό και άκαμπτο. Η δοκός αποτελούνταν από δύο ανθρακονημάτινα τμήματα, γεμισμένα με αφρό πολυουρεθάνης όπου ενώνονταν με μία ιξωδοελαστική στρώση. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιήθηκε κυρίως για αγωνιστικά ποδήλατα μέχρι το 2007 όπου το σχέδιο απαγορεύτηκε από τους αγώνες της UCI. Ωστόσο, μέχρι και σήμερα δεν έχουν σταματήσει να αναπτύσσονται νέες ιδέες και σχέδια βασιζόμενες σε διάφορα υλικά και γεωμετρίες που ξεφεύγουν κατά πολύ από την κλασική τριγωνική δομή. Παρόλα αυτά, επειδή αυτές οι προτάσεις παραμένουν σε επίπεδο concept υπάρχει η ανάγκη για περαιτέρω αναζήτηση, μελέτη και εξέλιξη τέτοιων σχεδίων που θα εξυπηρετούν την λειτουργία της ανάρτησης σε συνδυασμό με την ακαμψία και την αντοχή που απαιτεί πάντα ένα πλαίσιο ποδηλάτου Σύγκριση των δύο τύπων ανάρτηση με κινούμενα μέρη πλεονεκτήματα: εύκολη και ακριβής ρύθμιση με παραδοσιακές μεθόδους εύκολη αντικατάσταση/αναβάθμιση με ανταλλακτικά διαφόρων κατασκευαστών μειονεκτήματα: μεγάλο βάρος υψηλό κόστος χαμηλή αισθητική δύσκολη και τακτική συντήρηση που απαιτεί ειδικό ανάρτηση χωρίς κινούμενα μέρη πλεονεκτήματα: ευκολία κατασκευής χαμηλό βάρος οικονομική αισθητική απουσία συντήρησης μειονεκτήματα: επικίνδυνο σε περίπτωση θραύσης του τμήματος που λειτουργεί ως ανάρτηση για να έχει ρυθμίσεις σκληρότητας/απόσβεσης κλπ χρειάζεται πολύ σχεδιασμό και χρήση νέων, καινοτομικών μεθόδων και υλικών δύσκολη αναβάθμιση λόγω αποκλειστικού σχεδιασμού για κάθε ποδήλατο (αυτό μπορεί να αλλάξει στο μέλλον, όπως αλλάζουν τα στάνταρ στους λαιμούς, στα λάστιχα (παλιά έτσι ήταν τα δισκόφρενα) κλπ. 50

51 5.9 Τρόποι απόσβεσης κραδασμών στο ποδήλατο {14} Boneshaker Pierre Michaux Η ανάρτηση εμφανίζεται στο ποδήλατο περίπου από τα μέσα του 19ου αιώνα. Ένα από τα πρώτα ποδήλατα με ανάρτηση είναι το Boneshaker (1863) του Pierre Michaux. Όπως αναφέρει και το όνομα του ήταν ένα πολύ άβολο ποδήλατο για τον αναβάτη. Παρόλα αυτά παρατηρείται ένα μεγάλο επίπεδο έλασμα που υποστήριζε την σέλα και απορροφούσε σε μικρό βαθμό τους κραδασμούς από το ανώμαλο έδαφος. Ο σχεδιαστής έχει εμπνευστεί από τον τύπο ανάρτησης με τις στρώσεις ελασμάτων από χάλυβα που χρησιμοποιούνταν σε βαγόνια και άμαξες. Το μειονέκτημα με αυτό το είδος ανάρτησης ήταν η έλλειψη ελέγχου της απόσβεσης πράγμα που καθιστούσε το σύστημα επικίνδυνο, ειδικά την λειτουργία του σε υψηλές ταχύτητες Whippet safety bicycle - C. M. Linley Με την πάροδο του χρόνου οι σχεδιαστές προσπάθησαν να βελτιώσουν την απόδοση του συστήματος της ανάρτησης. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το Whippet safety bicycle (1885), το πρώτο ποδήλατο με ανάρτηση, σχεδιασμένο από τον C. M. Linley. Ο σκελετός αυτού του ποδηλάτου περιείχε ανάρτηση με τη χρήση ελατηρίου. Η σέλα, το τιμόνι και η μεσαία τριβή σχηματίζουν ένα άκαμπτο τρίγωνο το οποίο απομονώθηκε από την κύρια ραχοκοκαλιά του πλαισίου, ώστε να κινείται ολόκληρο στην κάθετη διεύθυνση. Για να λειτουργήσει αυτό το σύστημα ανάρτησης χρειάστηκε να σχεδιαστούν 7 αρθρώσεις. Επίσης παρατηρείται και το ελατήριο στη σέλα ως ένα επιπρόσθετο σύστημα ανάρτησης. 51

52 1888 John Boyd Dunlop - Pneumatic Tyre Το ελαστικό στην μορφή που το γνωρίζουμε έως και σήμερα αποτελεί μια πολύ σημαντική εφεύρεση τόσο στην εφαρμογή του στο ποδήλατο όσο και σε άλλα ήδη οχημάτων όπως είναι το αυτοκίνητο. O Dunlop θεωρείται ο εφευρέτης της εσωτερικής σαμπρέλας και κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το ελαστικό. Το λάστιχο με αέρα βελτίωσε την άνεση και την ασφάλεια του ποδηλάτου, αφού απορροφούσε καλύτερα τους κραδασμούς από το συμπαγές καουτσούκ που χρησιμοποιούνταν μέχρι τότε στις ρόδες. Στην ουσία κάθε φορά που το λάστιχο συμπιέζεται από κάποιο εμπόδιο, η ενέργεια (κραδασμός) που θα μεταφερόταν στο σώμα του αναβάτη μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια με αποτέλεσμα να θερμαίνεται το λάστιχο Velocipede by H.A. Becker 52

53 Η πρώτη κατοχυρωμένη πατέντα full suspension bike δημιουργήθηκε από τον Becker, ο οποίος θεωρείται ο πρώτος εφευρέτης του full suspension bike. Το ποδήλατο αυτό περιλαμβάνει μπρος - πίσω αναρτήσεις χρησιμοποιώντας ελατήρια και μοχλικά συστήματα (αρθρώσεις) για να μετατοπίζονται τα τμήματα που ανήκουν στη μη αναρτώμενη μάζα Pope Men s Rambler Chainless Model 451C Ο σκελετός περιλαμβάνει μία πίσω ανάρτηση αποτελούμενη από ένα τηλεσκοπικό φυσίγγιο όπου στο εσωτερικό του βρίσκεται ένα σπειροειδές ελατήριο και ένα αερόστρωμνο (μαξιλάρι αέρα). Ενδιαφέρον παρουσιάζει η βίδα που ένωνε το φυσίγγιο με τον σκελετό η οποία εξυπηρετούσε διπλό σκοπό, δηλαδή ρύθμιζε παράλληλα το τηλεσκοπικό φυσίγγιο και το ύψος που βρισκότανε το παλουκόσελο. Το τηλεσκοπικό φυσίγγιο αποτέλεσε τη βάση για τους αποσβεστήρες που χρησιμοποιούνται μέχρι και σήμερα στα συστήματα αναρτήσεων Woven Cord Suspension Saddle Ένα μέσο μετάδοσης των κραδασμών από το έδαφος στο σώμα του ποδηλάτη είναι η σέλα,γι αυτό το λόγο έχουν σχεδιαστεί διάφορα συστήματα αναρτήσεων ενσωματωμένα στο κάθισμα. Εδώ παρατηρείται μια διαφορετική μορφή ανάρτησης, εφαρμοσμένη στη σέλα του ποδηλάτου και βασισμένη στο σχέδιο της υφαντής σέλας τύπου αιώρα που τοποθετούνταν στα Dursley- Pedersen ποδήλατα. Αποτελείται από ένα μεταλλικό σκελετό και το υφαντό πλέγμα το οποίο 53

54 τεντώνεται από ένα ρυθμιζόμενο ελατήριο. Η τάση του ελατηρίου μεταβάλλεται με το σφίξιμο ή την χαλάρωση την βίδας που διέρχεται μέσα από αυτό S Frame Suspension Bicycle Το παρόν ποδήλατο εκτιμάται πως κατασκευάστηκε στη Γερμανία περίπου το Περιλαμβάνει δύο αναρτήσεις, μία στο πιρούνι και μια στο πίσω μέρος που αρθρώνει στο ψαλίδι και στο υπόλοιπο μέρος του σκελετού. Ιδιαίτερο χαρακτήρα του δίνει το σχήμα του σκελετού που παρομοιάζεται με το γράμμα S και ο άξονας της άρθρωσης που βρίσκεται στη μεσαία τριβή και αποτελεί το κέντρο περιστροφής του ψαλιδιού τη στιγμή της συμπίεσης της πίσω ανάρτησης. Οι δύο αναρτήσεις είναι του ίδιου τύπου και αποτελούνται από τηλεσκοπικό φυσίγγιο το οποίο λογικά περιλαμβάνει κάποιο ελατήριο στο εσωτερικό του. 1930s Bicycle with Cantilever Rear Suspension Το ποδήλατο της εικόνας είναι ένα ιδιαίτερο ποδήλατο το οποίο εκτιμάται πως κατασκευάστηκε κοντά στο Περιλαμβάνει μια πίσω ανάρτηση βασισμένη στο τύπο ανάρτησης με τα ελάσματα που χρησιμοποιούνταν αρχικά σε βαγόνια και άμαξες. Το σύστημα αυτό έχει δυο αρθρώσεις που επιτρέπουν την κίνηση ολόκληρου του πίσω τριγώνου. Μία στο ένα άκρο των ελασμάτων και μία στη μεσαία τριβή του σκελετού. 54

55 1990 Pelagro Pro Flex by Bob Girvin Το ProFlex θεωρείται το πρώτο ποδήλατο βουνού παγκοσμίως, μαζικής παραγωγής με μπρος και πίσω ανάρτηση. Οι αναρτήσεις του διαφοροποιούνται από τις ήδη υπάρχουσες χρησιμοποιώντας ελαστομερή κομμάτια δίνοντας με αυτόν τον τρόπο ένα νέο νόημα στην άνεση σε εκτός δρόμου οδήγηση. Το ποδήλατο αυτό ήταν κατάλληλο για καταβάσεις αλλά με τα συστήματα ανάρτησης που διέθετε ήταν εξίσου ικανό και στην ανάβαση και γι αυτό το λόγο θεωρήθηκε μηχανικό θαύμα. Τα ελαστομερή βρήκαν εφαρμογή και σε άλλα συστήματα αναρτήσεων που ενσωματώθηκαν σε περιφερειακά τμήματα του ποδηλάτου όπως στη σέλα, στο λαιμό που κρατάει το τιμόνι και στο παλουκόσελο. O Girvin στα μέσα της δεκαετίας του 90 σχεδίασε ένα λαιμό με ανάρτηση που βασιζόταν στη χρήση ελαστομερούς Amp research F3 XC Η Amp research είναι μία αμερικάνικη εταιρεία η οποία προσπάθησε να κάνει κάτι διαφορετικό στα πιρούνια με ανάρτηση. Η ιδέα αυτού του μοντέλου βασίζεται σε ένα άκαμπτο πιρούνι το οποίο κινείται ολόκληρο, ξεφεύγοντας από τους ορθοστάτες και τους σωλήνες. Για την λειτουργία του 55

56 χρησιμοποιήθηκε ένα ελατήριο, ένα υδραυλικό φυσίγγιο για την επαναφορά και το μοχλικό σύστημα με τις αρθρώσεις Softride Solo 700 Το Solo 700 κατατάσσεται σε μια κατηγορία ποδηλάτων γνωστή ως Beam Bikes, η οποία διαφοροποιείται από άλλες χάριν της δοκού που στηρίζει τη σέλα, η οποία λειτουργεί ως ανάρτηση. Επειδή το σύστημα αυτό δεν χρησιμοποιεί παλουκόσελο, το σημείο που συνδέεται η δοκός περιλαμβάνει έναν άξονα περιστροφής, ώστε να ρυθμίζεται η κλίση της δοκού και κατά συνέπεια το ύψος του καθίσματος. Η μακριά δοκός είναι κατασκευασμένη από ίνες άνθρακα και απομονώνει τη σέλα από τον υπόλοιπο σκελετό που δέχεται τους κραδασμούς. Το πλεονέκτημα με αυτόν τον τύπο ανάρτησης είναι πως δεν χάνεται ενέργεια κατά την διάρκεια του πενταλαρίσματος σε όρθια στάση αλλά αποδίδει μόνο στην περίπτωση που ο αναβάτης είναι καθιστός Cane Creek Thudbuster 56

57 Πολλά είναι τα συστήματα ανάρτησης που έχουν ενσωματωθεί στο παλουκόσελο και λειτουργούν με τη βοήθεια ελατηρίων, μεταλλικών ελασμάτων, ελαστομερών υλικών και άλλων τεχνολογικών εφευρέσεων. Το συγκεκριμένο παλουκόσελο περιλαμβάνει μία από τις πιο αποτελεσματικές και ευέλικτες αναρτήσεις. Χάριν της τεχνολογίας των παράλληλων συνδέσμων και με τη βοήθεια ελαστομερούς ελατηρίου, τη στιγμή της συμπίεσης το σύστημα κινείται στην αντίθετη διεύθυνση πάνω στην τροχιά που διαγράφει ο πίσω τροχός. Δηλαδή, όταν η πίσω ρόδα χτυπάει σε εξόγκωμα του δρόμου έχει την τάση να τινάζεται προς τα εμπρός και πάνω, εκείνη τη στιγμή το σύστημα thudbuster απορροφά τη δύναμη με τον ίδιο ρυθμό πηγαίνοντας προς τα πίσω και κάτω. Με αυτό τον τρόπο η καθαρή κίνηση της σέλας θεωρείται μηδενική. Ο αναβάτης έχει τη δυνατότητα να επιλέξει ανάμεσα σε τρία διαφορετικά ελαστομερή ανάλογα με το βάρος του και το στυλ οδήγησης Lauf fork Το 2010 ένας δεινός ποδηλάτης βουνού και μηχανικός, ο Benedikt Skulason και ο φίλος του Gudberg Bjornsson, βιομηχανικός σχεδιαστής, είχαν την ιδέα να φτιάξουν ένα επαναστατικό, πανάλαφρο πιρούνι με ανάρτηση. Το πιρούνι αυτό αποτελείται από σύνθετα υλικά όπως είναι το ανθρακόνημα, δεν περιέχει κινούμενα μέρη, απαιτεί μηδενική συντήρηση και ζυγίζει σχεδόν το μισό από ένα συμβατό πιρούνι με ανάρτηση. Πίσω από τα καλάμια του πιρουνιού βρίσκονται δύο άλλα τμήματα (springers) μέσα στα οποία μπαίνει ο άξονας του μπροστινού τροχού. Τα τμήματα αυτά συνδέονται διαγώνια με τα καλάμια του πιρουνιού μέσω λεπτών εύκαμπτων στρωμάτων αποτελούμενα από σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης τα οποία παίζουν το ρόλο του ελατηρίου, ώστε να απορροφούν τους κραδασμούς. Αν και δεν περιλαμβάνει κάποια ρύθμιση, ώστε να μπορεί να προσαρμοστεί στο βάρος και στις απαιτήσεις του εκάστοτε αναβάτη, η εταιρεία παράγει τρία προ-ρυθμισμένα μοντέλα διαφορετικής ακαμψίας. 57

58 2012 Baramind flexible handlebar Το τιμόνι είναι ένα από τα τρία μέσα μετάδοσης του κραδασμού από το έδαφος στο σώμα του αναβάτη, ενώ συνήθως προκαλεί πόνο στους καρπούς ύστερα από έντονη και πολύωρη χρήση του ποδηλάτου. Η συγκεκριμένη εταιρία σχεδίασε αυτή τη τεχνολογία για να απορροφά τέτοιους μικρούς κραδασμούς που προέρχονται από την εκτός δρόμου ποδηλασία ή από λακκούβες και πεζοδρόμια. Στο κέντρο του τιμονιού τοποθετείται μία σύνθετη πλάκα κατασκευασμένη από υαλοβάμβακα η οποία κάμπτεται περίπου 30 χιλιοστά μόνο προς τα κάτω αλλά μπλοκάρει και αντιστέκεται στην κίνηση προς τα επάνω. Τέσσερα αφαιρούμενα κομμάτια περιτυλίγουν την σύνθετη πλάκα και ρυθμίζουν την ακαμψία του τιμονιού. Η εταιρεία χρησιμοποιεί ένα νέο σύνθετο υλικό που προέρχεται από την αεροναυπηγική βιομηχανία. Λέγεται πως οι μηχανικές ιδιότητες αυτού του υλικού σε συνδυασμό με ένα συγκεκριμένο σχεδιασμό αποτελούν τη βάση για την τεχνολογία των αμορτισέρ. Επίσης το τιμόνι αυτό μειώνει τη μυϊκή κόπωση του χεριού, βελτιώνει την αποτελεσματικότητα της βιομηχανικής του αναβάτη και προλαμβάνει τις μυοσκελετικές διαταραχές, όπως είναι το σύνδρομο του καρπιαίου σωλήνα Altercycles Το ποδήλατο αυτό έχει σχεδιαστεί για να φλεξάρει στην κάθετη διεύθυνση, ώστε να απορροφά τους κραδασμούς χρησιμοποιώντας έναν αποσπώμενο κουρμπαριστό σωλήνα στο κάτω μέρος του τριγώνου που περιλαμβάνει ο σκελετός. Η σωλήνα μπορεί να αφαιρεθεί και να αντικατασταθεί 58

59 εύκολα από άλλη διαφορετικού χρώματος και βαθμού ευλυγισίας προσαρμόζοντας τη λειτουργία του σκελετού στο στυλ και στο βάρος του αναβάτη. Ο σκελετός κατασκευάζεται από αλουμίνιο υψηλής ποιότητας που χρησιμοποιείται και σε αεροσκάφη, ενώ η καμπυλωτή σωλήνα αποτελείται από HS90 χάλυβα ο οποίος πετυχαίνει πολύ καλή ισορροπία αντοχής και ευκαμψίας. Η AlterCycles ισχυρίζεται ότι ο σχεδιασμός αυτός βελτιώνει την αποτελεσματικότητα του πενταλαρίσματος αποθηκεύοντας ενέργεια κατά την διάρκεια του φλεξαρίσματος και απελευθερώνοντας την τη στιγμή που το πεντάλ βρίσκεται στην κατώτερη θέση του κύκλου που διαγράφει, όπου θεωρείται και νεκρή ζώνη Loopwheel Ο Sam Pearce, βιομηχανικός σχεδιαστής, ξέφυγε από το κλασικό πλαίσιο των αναρτήσεων και δημιούργησε το LoopWheel, ένα σύστημα ανάρτησης εφαρμοσμένο στον τροχό του ποδηλάτου. Αντί για ακτίνες, έχουν ενσωματωθεί στον τροχό τρία ελλειψοειδούς σχήματος ελατήρια από ανθρακόνημα, τα οποία συνδέουν το κέντρο με το στεφάνι. Τα ελατήρια αυτά απορροφούν την ενέργεια που δημιουργείται κάθε φορά που η ρόδα προσκρούει σε κάποια ανωμαλία του εδάφους. Πρόκειται για ένα είδος εφαπτομενικής ανάρτησης που λειτουργεί προς κάθε κατεύθυνση σε αντίθεση με ένα πιρούνι με ανάρτηση το οποίο λειτουργεί μόνο σε έναν άξονα. Αυτό σημαίνει πως πέρα από τους κραδασμούς που προέρχονται από πάνω ή από κάτω, το συγκεκριμένο σύστημα μπορεί να απορροφήσει και κραδασμούς που η δύναμή τους έρχεται από μπροστά όπως συμβαίνει στην περίπτωση του κρασπέδου. Στην ουσία το κέντρο επιπλέει μέσα στο τροχό κατά την διάρκεια της λειτουργίας της ανάρτησης και παίζει το ρόλο του ρυθμιστή. Οι τροχοί αυτοί, έχουν μελετηθεί πολύ ώστε να αποδώσουν τη βέλτιστη συμπίεση και να έχουν πλευρική σταθερότητα, ενώ παράλληλα θεωρούνται πολύ ισχυροί και ανθεκτικοί. Παρόλα αυτά, είναι πολύ πιθανό αυτοί οι τροχοί να μην έχουν τη δυνατότητα ακτινολόγησης οπότε, όταν στραβώσουν, να χρειάζεται η πλήρης αντικατάσταση του στεφανιού με ένα καινούργιο. Επίσης, με την ταχύτητα που περιστρέφεται ένας τροχός, ακόμα και αν δεχθούμε τη χρήση δισκόφρενου που δεν επηρεάζεται από την ευθύτητα του τροχού, τα φαινόμενα που αναπτύσσονται είναι τόσο καθοριστικά που συγκρίνονται με σοβαρές αλλαγές στη γεωμετρία του ποδηλάτου. Μέχρι την πλήρη αποσαφήνιση 59

60 όλων των συμπεριφορικών/ρεαλιστικών λεπτομερειών, τέτοια συστήματα θα κατατάσσονται σε "concepts/ σκέψεις" και όχι λύσεις Zum Zum kids balance bike Τα balance bike δεν περιλαμβάνουν πεντάλ και έχουν σχεδιαστεί για να βοηθούν τα παιδιά έως τεσσάρων ετών να μάθουν ισορροπία. Το παρόν ποδήλατο κατασκευάζεται από καμπυλωτό κόντρα πλακέ σημύδας και σε συνδυασμό με την γεωμετρία του σκελετού δημιουργεί ένα είδος φυσικής ανάρτησης με σκοπό την απόσβεση των κραδασμών προσφέροντας πιο άνετη οδήγηση στο άνισο έδαφος, ενώ παράλληλα προστατεύει τη σπονδυλική στήλη του παιδιού. Η εταιρεία ισχυρίζεται πως ο σκελετός είναι τόσο ισχυρός και εύκαμπτος που αντέχει άνετα το βάρος ενός ενήλικα χωρίς να σπάσει στα δύο. Το στυλ αυτό είναι στην ίδια λογική με τα beam bikes που έχουν προ- αναφερθεί Fliz running bike 60

61 Το Φλιζ είναι ένα ξεχωριστό όχημα που συνδυάζει το περπάτημα με την ποδηλασία. Για να κινηθεί χρειάζεται ο αναβάτης να σπρώξει με τα πόδια του προς τα πίσω, αυτός ο τρόπος κίνησης αποτελεί κοινό χαρακτηριστικό με την εφεύρεση του Καρλ Φον Ντράις, το hobby-horse. Ο αναβάτης μέσω ενός συστήματος πρόσδεσης πέντε σημείων, κρέμεται από τον σκελετό ο οποίος λυγίζει και ταλαντεύεται στον κάθετο επίπεδο απορροφώντας με αυτό το τρόπο τους κραδασμούς. Ο σχεδιασμός του πλαισίου είναι τέτοιος ώστε να ανακουφίζει την πίεση που δημιουργείται στην βουβωνική περιοχή, ενώ οι ιμάντες φροντίζουν για την ομοιόμορφη κατανομή του βάρους. Οι στρώσεις γυαλιού και ινών άνθρακα, αποδίδουν ένα ισχυρό και ευλύγιστο πλαίσιο χαμηλού βάρους. Επίσης, με αυτό το όχημα ο χρήστης μπορεί να βελτιώσει την κινητικότητα και την δύναμη των ποδιών χωρίς να δέχεται την ίδια καταπόνηση με αυτή της καθαρής ποδηλασίας ή του τρεξίματος Timber wooden bicycle by Niko Schmut Πηγή έμπνευσης για το timber αποτελεί μια από τις πρώτες μορφές ποδηλάτου, το dandy horse που κατασκευάστηκε στις αρχές του 19ου αιώνα. Οι στρώσεις καπλαμά από δρυ και ο καινοτόμος σχεδιασμός της γεωμετρίας αξιοποιούν στο έπακρο τις ελαστικές ιδιότητες του ξύλου και σχηματίζουν ένα φυσικό σύστημα ανάρτησης που αποσβένει τα χτυπήματα από το άνισους αστικούς δρόμους. Τα υπόλοιπα εξαρτήματα είναι φτιαγμένα από αλουμίνιο μαύρου χρώματος και δημιουργούν δυναμική αντίθεση με το ξύλο και την ιδιαίτερη μορφή του, αποδίδοντας έτσι μοναδική εμφάνιση, υψηλής αισθητικής. Ο Niko Schmut υποστηρίζει πως το ξύλο παρουσιάζει παρόμοια ακαμψία με το μέταλλο, ενώ είναι λιγότερο επιρρεπές σε ρωγμές ή βαθουλώματα, και προσφέρει επίσης μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. 61

62 2017 Giant enduro bicycle Σήμερα το μεγαλύτερο μέρος της εξέλιξης στις αναρτήσεις βασίζεται και αναπτύσσεται κυρίως στα ποδήλατα βουνού όπου έχουν και τις περισσότερες απαιτήσεις. Το συγκεκριμένο ποδήλατο περιλαμβάνει εξελιγμένα συστήματα αναρτήσεων στο πιρούνι και στο πίσω τρίγωνο του σκελετού. Τα συστήματα όπως της πίσω ανάρτησης χαρακτηρίζονται από υψηλή πολυπλοκότητα και λειτουργούν με τη χρήση αρθρώσεων που δημιουργούν μοχλό σε συνδυασμό με αμορτισέρ που συνήθως περιλαμβάνει ένα ελατήριο με λάδι ή αέρα. Επίσης, δίνουν τη δυνατότητα στον χρήστη να ρυθμίσει την ανάρτηση στα μέτρα του ανάλογα με το βάρος, την ποικιλομορφία του εδάφους και το στυλ οδήγησης. Τέτοιες ρυθμίσεις είναι ο βαθμός σκληρότητας, ο χρόνος επαναφοράς της ανάρτησης στην αρχική της θέση ύστερα από συμπίεση και το κλείδωμα, το οποίο στην ουσία απενεργοποιεί την λειτουργία της. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το συγκεκριμένο μοχλικό σύστημα της πίσω ανάρτησης ονόματι maestro της Giant, το οποίο είναι μελετημένο ώστε να μην χάνεται ενέργεια από την βύθιση της ανάρτησης κατά τη διάρκεια του πενταλαρίσματος, ενώ παράλληλα αποδεσμεύει την ανάρτηση από το φρενάρισμα του τροχού. Το μειονέκτημα τους είναι το υψηλό κόστος, το βάρος και η συντήρηση που απαιτείται λόγω των πολλών και ευαίσθητων εξαρτημάτων που συνθέτουν ένα τέτοιο σύστημα. Μελλοντικές Τάσεις 2010 concept neo essence by jun-gu kim Το neo essence είναι μία σχεδιαστική ιδέα από τον Κορεάτη jun-gu kim για ένα διαγωνισμό που έγινε στη Σεούλ το 2010 με θέμα το σχεδιασμό του ποδηλάτου. Στόχος του ήταν να δείξει την δομή 62

63 και τη μορφή που θα πάρει το ποδήλατο στο μέλλον, μελετώντας την πορεία εξέλιξης από την δημιουργία του μέχρι σήμερα. Ο σχεδιαστής καταλήγει πώς στο μέλλον θα δούμε ακόμα πιο μινιμαλιστικές φόρμες με λιγότερα ανεξάρτητα περιφερειακά τμήματα ενώ επισημαίνει πως ο σκελετός θα αποτελείται από ανθρακονήματα και θα φλεξάρει λύνοντας το πρόβλημα της ανάρτησης χωρίς τη βοήθεια επιμέρους τμημάτων Bridgestone s airless tires Το λάστιχο αυτό αντικαθιστά τη σαμπρέλα και ένα μέρος των ακτίνων με μια νέα δομή υποστηριγμάτων - ακτίνων αποτελούμενες από υψηλής αντοχής αλλά εύκαμπτης - υψηλής απόδοσης θερμοπλαστική ρητίνη, ενώ καουτσούκ υλικό έχει χρησιμοποιηθεί για το εξωτερικό πέλμα. Παρέχει πιο ομαλή οδήγηση από το κλασσικό ελαστικό με σαμπρέλα, αφού αποσβένει καλύτερα τους κραδασμούς από το έδαφος χωρίς να απαιτεί ποτέ από τον αναβάτη να ρυθμίσει την πίεση του αέρα. Σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι απαλλάσσει τους αναβάτες από τον κίνδυνο να τρυπήσει ή να σκάσει το ελαστικό τους κατά την διάρκεια της ποδηλασίας. Εξαιτίας της απλοποιημένης δομής που το χαρακτηρίζει, μεγιστοποιείται η αποδοτικότητα του τροχού και μειώνεται η αντίσταση και η απώλεια ενέργειας που προκαλείται κατά την κύλιση της ρόδας. Η Bridgestone στοχεύει στη διάθεση του προϊόντος στην αγορά εντός του Canyon Orbiter Concept 63

64 Το Orbiter της Canyon ανεβάζει το επίπεδο στην ανάρτηση χρησιμοποιώντας μαγνήτες για την λειτουργία της, ενώ ο χρήστης μπορεί να την ελέγχει ηλεκτρονικά. Αυτή η ιδέα ξεπερνά την ηλεκτρονική τεχνολογία που διέθετε το προηγούμενο project MRSC, το οποίο με τη χρήση αισθητήρων ρύθμιζε την πίεση του λαδιού μέσα στα ρουλεμάν του άξονα περιστροφής του μοχλικού και με αυτό το τρόπο ενεργοποιούσε ή απενεργοποιούσε (κλείδωνε) την ανάρτηση. Στο Orbiter έχουν τοποθετηθεί ηλεκτροκινητήρες γύρω από κάθε άξονα περιστροφής για να επηρεάζουν την ελευθερία της κίνησής τους, χρησιμοποιώντας μαγνητική αντίσταση. Όλα ελέγχονται από αισθητήρες που ανιχνεύουν και ανταποκρίνονται στις δυνάμεις που προέρχονται από τους κραδασμούς Luna 3D printed Bicycle Το Luna αποτελείται από νάιλον υλικό, ενώ είναι κατασκευασμένο με τρισδιάστατο εκτυπωτή χρησιμοποιώντας την SLS τεχνολογία, η οποία μετατρέπει τα δεδομένα σε στρώματα υλικού που μπορούν να τοποθετηθούν σύμφωνα με τις προδιαγραφές το ένα πάνω από το άλλο. Χαρακτηρίζεται από υψηλή αντοχή και ανθεκτικότητα σε συνδυασμό με το χαμηλό βάρος, χάριν του υλικού κατασκευής και της κυψελοειδούς δομής που συνθέτει το πλαίσιο. Το ποδήλατο περιέχει ανάρτηση και θα μπορούσε να αποτελέσει πηγή έμπνευσης για την ανάπτυξη εναλλακτικών μορφών ανάρτησης χρησιμοποιώντας την κυψελοειδή διάταξη σε συνδυασμό με κάποιο υλικό που θα αποδίδει ταυτόχρονα υψηλή αντοχή και ευλυγισία. 64

65 5.10 Συμπεράσματα Έρευνας Βάση της έρευνας που πραγματοποιήθηκε παραπάνω προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: Το ποδήλατο είναι ένα από τα παλιότερα και πιο δημοφιλή οχήματα που εφηύρε και χρησιμοποιεί μέχρι και σήμερα ο άνθρωπος, επωφελούμενος παράλληλα από μια ποικιλία χρήσεων και εφαρμογών που του παρέχει στην καθημερινή του ζωή. Ύστερα από χρόνια ανάπτυξης και εξέλιξης ποδηλατικών πλαισίων η γεωμετρία με την τριγωνική δομή έχει καθιερωθεί ως η πιο κατάλληλη για την βέλτιστη αντοχή και ακαμψία που απαιτεί ένας σκελετός. Ο σχεδιασμός είναι αυτός σε συνδυασμό με το υλικό και την γεωμετρία που αποδίδει τα τελικά χαρακτηριστικά και την οριστική συμπεριφορά του ποδηλάτου και όχι οι ιδιότητες αυτούσιου του υλικού. Στις φυσικές αναρτήσεις το υλικό παίζει το ρόλο του ελατηρίου και του αποσβεστήρα. Η χρήση λογισμικών ανάλυσης των πλαισίων αποτελεί πλέον βασικό εργαλείο για την προσομοίωση και τη μελέτη των σκελετών εξοικονομώντας χρόνο και κόστος στους μηχανικούς και στις εταιρείες παραγωγής. Η ανάρτηση βελτιώνει τον έλεγχο, την ευστάθεια και την αντοχή του ποδηλάτου. Επίσης, δημιουργεί πιο άνετο και ασφαλές περιβάλλον για τον αναβάτη αποδίδοντας παράλληλα υψηλότερες επιδόσεις. Η μεσαία ταχύτητα επαναφοράς μπορεί να αποδώσει καλύτερα αποτελέσματα στην λειτουργία της ανάρτησης σε μια διαδρομή που τα εμπόδια ανέρχονται σε διαφορετικές συχνότητες, διότι κρατάει σε χαμηλά επίπεδα την τιμή της μεταδοτικότητας στις χαμηλές συχνότητες και απορροφά σε ικανοποιητικό επίπεδο τους κραδασμούς στις υψηλές συχνότητες. Τα συστήματα φυσικών αναρτήσεων υπερτερούν σε σχέση με τις συμβατές αναρτήσεις κυρίως ως προς το βάρος, το κόστος και τη συντήρηση. Υπάρχει η ανάγκη για μελέτη και σχεδιασμό ενός συστήματος ανάρτησης χωρίς κινούμενα μέρη που θα αποτελέσει βάση και πηγή έμπνευσης για την εξέλιξη και την εφαρμογή αυτής της ιδέας στο χώρο της ποδηλασίας. 65

66 Κεφάλαιο 6 Ξύλο {15} 6.1 Εισαγωγή Έπειτα από την έρευνα που πραγματοποιήθηκε στον τομέα των υλικών, επιλέχθηκε για την παρούσα μελέτη το ξύλο, ως το πιο κατάλληλο υλικό. Οι βασικοί λόγοι είναι ότι πρόκειται για ένα υλικό με δυνατότητα απορρόφησης των κραδασμών χάριν της φυσικής του δομής, παρουσιάζει υψηλή αντοχή, είναι οικολογικό, είναι διαχρονικό και αποδίδει ωραία υφή και αίσθηση σε οποιαδήποτε κατασκευή. Το ξύλο βρίσκεται στην υπηρεσία του ανθρώπου από τότε που αυτός εμφανίστηκε στη Γη και έχει βοηθήσει σημαντικά στην επιβίωση του ανθρώπου από την εποχή του πρωτόγονου ανθρώπου, ενώ έχει επιτελέσει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του πολιτισμου. Η χρη ση του ξυ λου υπη ρξε ε να απο τα σημαντικότερα επιτευ γματα του πρωτο γονου α ν θ ρ ω που. Το χρησιμοποίησε για να ανα ψει φωτια, να φτια ξει τις π ρ ω τες σχεδι ες και τις ναυπηγικε ς κατασκευε ς, κα θ ω ς και να καλύψει τις μετε πειτα ανα γκες του για στε γαση (καταφυ γιο, σπι τι). Ση μερα, παρα τον ανταγωνισμο του απο α λλα υλικα, ο πως με ταλλα, πλαστικα, τσιμε ντο, κ.α., το ξυ λο εξακολουθει να αποτελει μοναδικη και πολυ τιμη π ρ ω τη υ λη για τον α νθρωπο. Η αξι α του διατηρει ται και μεγαλω νει σταθερα με τη χρησιμοποίηση του στην παραγωγή νέων προι ο ντων για την ικανοποι ηση των ολοένα και αυξανόμενων αναγκω ν του α ν θ ρ ω που. Αυτο γι νεται φανερο απο τη συνεχη αύξηση της κατανάλωσης και των χρη σ ε ω ν του και σε εθνική και σε παγκόσμια κλίμακα. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας, ο αριθμός των προι ο ντων που παράγονται από το ξύλο με απλή μηχανική η πολύπλοκη χημική μεταποίηση αυξάνεται συνεχώς. Είναι ευρέως γνωστό ότι το ξύλο προέρχεται από δέντρα. Αυτό που μπορεί να μην είναι τόσο γνωστό στο ευρύ κοινό, είναι η δομή του ίδιου του ξύλου και των επιμέρους στοιχείων που συνθέτουν ένα κομμάτι ξυλείας. Σε αντίθεση με ένα ομοιογενές κομμάτι αφροσανίδας, MDF ή κάποιου άλλου τεχνητού υλικού, το ξύλο είναι ένα οργανικό υλικό και έχει πολλά διαφορετικά χαρακτηριστικά. 6.2 Κατηγορίες δέντρων Τα δέντρα χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, που συνήθως αναφέρονται ως σκληρά και μαλακά ξύλα. Αυτά τα ονόματα μπορεί να προκαλέσουν σύγχυση, δεδομένου ότι ορισμένα μαλακά ξύλα είναι στην πραγματικότητα σκληρότερα από κάποια σκληρά ξύλα και αντίθετα μερικά σκληρά ξύλα είναι πιο μαλακά από κάποια μαλακά ξύλα. Αυτός είναι στην πραγματικότητα απλά ένας διαχωρισμός μεταξύ αγγειόσπερμων (δηλαδή, ανθοφόρα φυτά όπως σφενδάμι, δρυς ή τριανταφυλλιά) και κωνοφόρα ( όπως πεύκα, ελάτη ή έλατα). Τα σκληρά ξύλα (angiosperms) έχουν φυλλοβόλο φύλλωμα και τείνουν να είναι φυλλοβόλα, δηλαδή χάνουν τα φύλλα τους το φθινόπωρο. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά τροπικά είδη σκληρού ξύλου τα οποία είναι αειθαλή, δηλαδή, διατηρούν τα φύλλα τους όλο το χρόνο. Επιπλέον, τα δέντρα από σκληρό ξύλο τείνουν να έχουν διακλαδισμένο ή διαιρεμένο κορμό, που αναφέρεται ως δενδρική μορφή. 66

67 Τα μαλακά ξύλα (κωνοφόρα) τείνουν να έχουν βελόνες ή φύλλα που μοιάζουν με κλίμακα (scale like), αν και σε ορισμένες ασυνήθιστες περιπτώσεις, μπορούν να έχουν μάλλον ευρεία, επίπεδα φύλλα (εικόνα 18.). Εικόνα 18. Φύλλα από διαφορετικά είδη ξύλου. Τα περισσότερα δέντρα από μαλακό ξύλο είναι αειθαλή. Τα μαλακά ξύλα τείνουν να έχουν έναν ενιαίο, κυρίαρχο, ευθύγραμμο κορμό με μικρότερα πλευρικά κλαδιά, που αναφέρονται ως εξερχόμενη μορφή - αυτή η μορφή κώνου βοηθάει τα δέντρα σε εύκρατα κλίματα να ρίχνουν το χιόνι. Η εσωτερική δομή ενός δέντρου κάνει το ξύλο αυτό που είναι, πώς μοιάζει, πώς συμπεριφέρεται και πώς μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε. 6.3 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του ξύλου Η μεγάλη σημασία και η μοναδικότητα του ξύλου ως πρώτη ύλη για διάφορα προι ο ντα οφείλεται σε ορισμένα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει, σε σύγκριση με άλλα υλικά, τα οποία μπορούν να συνοψιστούν στα εξής: α. Το ξύλο είναι ανανεώσιμο βιολογικό υλικό και παράγεται από μεγάλο αριθμό δασικών δένδρων σε μικρότερο η μεγαλύτερο βαθμό και, το σπουδαιότερο, μπορούν να γίνουν κατάλληλες ανθρώπινες επεμβάσεις με σκοπό την καλλιέργεια, ενίσχυση και βελτίωση των υπαρχόντων δασών, των φυσικών αυτών "εργοστασίων" παραγωγής ξύλου, η την δημιουργία νέων δασών. β. Αποτελεί πηγή πολλών προι ο ντων, από τα οποία ένας μεγάλος αριθμός είναι είδη πρώτης ανάγκης. γ. Παρουσιάζει αισθητική υπεροχή, ποικιλία χρωμάτων, υφής και σχεδίασης. δ. Είναι υλικό ευκατε ργαστο, έχει μεγα λη μηχανικη αντοχη σε σχε ση με το βα ρος του, καλε ς μονωτικε ς ιδιο τητες (ακουστικε ς, θερμικε ς, ηλεκτρικε ς) και αποτελει κυρι αρχη πηγη κυτταρίνης. ε. Παρα γεται σε μεγα λες σχετικα διαστα σεις, παρουσια ζει αντιρρυπαντική συμπεριφορα και ε χει χαμηλή σχετικα τιμη. Το ξυ λο, ωστο σο, παρουσια ζει και μειονεκτη ματα: Ει ναι υγροσκοπικο υλικο, δηλαδη συρρικνώνεται και διογκ ω νεται με την α π ω λεια η την προ σληψη υγρασι ας απο την ατμο σφαιρα. 67

68 Ει ναι ανισο τροπο υλικο, δηλαδη διαφε ρει η δομη του, η μηχανικη αντοχη του και οι ιδιο τητε ς του στις τρεις κυ ριες κατευθύνσεις / τομε ς του. Και γεται σχετικα ευ κολα. Προσβάλλεται απο μυ κητες, ε ντομα και μικροοργανισμούς και αλλοιω νεται. Απο τα μειονεκτήματα του ξυ λου κρι νεται αναγκαι α και επιτακτικη η (σωστη ) χρη ση του, γεγονο ς που πρου ποθε τει γ ν ω ση των ιδιοτη των του, της δομη ς του, κ α θ ω ς και των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων του. Με την καλη γ ν ω ση των παραπα νω ει ναι δυνατο να εξαλειφθούν η να περιοριστούν (ο λ ι κ ω ς η μερικω ς) τα μειονεκτήματά του εφαρμόζοντας τους κατα λληλους χειρισμου ς η διεργασι ες (π.χ. εμποτι ζοντας το ξυ λο με συγκεκριμένες χημικε ς ουσι ες που το καθιστούν απρο σβλητο απο μυ κητες και ε ντομα η το κάνει ανθεκτικο στη φωτια ). 6.4 Αντοχή του ξύλου Σωματικά, το ξύλο είναι ισχυρό και άκαμπτο, αλλά σε σύγκριση με ένα υλικό όπως ο χάλυβας, είναι επίσης ελαφρύ και ευέλικτο. Έχει μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα.τα μέταλλα, τα πλαστικά και τα κεραμικά τείνουν να έχουν μια αρκετά ομοιόμορφη εσωτερική δομή και αυτό τα καθιστά ισότροπα,δηλαδή, συμπεριφέρονται ακριβώς με τον ίδιο τρόπο προς όλες τις κατευθύνσεις. Το ξύλο είναι διαφορετικό λόγω της ετήσιας δομής του δακτυλίου και των κόκκων του. Μπορεί συνήθως κάποιος να λυγίσει και να σπάσει ένα μικρό, νεκρό, κλαδί δέντρου με τα γυμνά χέρια, αλλά θα είναι σχεδόν αδύνατο να τεντώσει ή να συμπιέσει τον ίδιο κλάδο, αν προσπαθήσει να τον τραβήξει ή να τον σπρώξει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Το ίδιο ισχύει, όταν κόβεται ένα ξύλο. Το ξύλο μπορεί να χωριστεί εύκολα, εάν κοπεί κατά μήκος των κόκκων του και αντίστοιχα είναι δύσκολο να κοπεί στην αντίθετη κατεύθυνση, δηλαδή, μέσω των κόκκων. Η ανισοτροπία του ξύλου σημαίνει ότι διαφε ρει η δομη του, η μηχανικη αντοχη του και οι ιδιο τητε ς του στις τρεις κυ ριες κατευθυ νσεις / τομε ς του. Εικόνα 19. Γράφημα σύγκρισης διαφορετικών υλικών. 68

69 6.5 Προϊόντα ξύλου Γενικα, τα προι ο ντα του ξυ λου διαιρου νται σε δυ ο μεγα λες κατηγορι ες: Κατηγορία Α: Προι ο ντα ξυ λου που διατηρου ν τη φυσικη δομη του ξυ λου. α. Πριστή (πριονιστή) ξυλεία (sawn timber). Προκυ πτει απο πρι ση (πριο νιση) στρο γγυλων κορμοτεμαχι ων σε δια φορα πα χη, πλα τη και μη κη ανα λογα με τις απαιτη σεις της αγορα ς. Η πριστη ξυλει α χρησιμοποιει ται ως ε χει η μετα απο δευτερογενη μηχανικη κατεργασι α για δια φορα προι ο ντα. Στρωτη ρες, ξυλει α οικοδομω ν (σκαλωσιε ς, στε γες, αποθη κες, κ.α.) και α λλα πριστα τεμα χια αποτελου ν προι ο ντα πρωτογενου ς μηχανικη ς κατεργασι ας του ξυ λου. Άλλα προι ο ντα (π.χ. ε πιπλα) απαιτου ν και δευτερογενη μηχανικη κατεργασι α. Η πρι ση του ξυ λου γι νεται με ταινιοπρι ονα, πολυπρι ονα και δισκοπρι ονα. β. Ξυλόφυλλα (καπλαμάδες) - Αντικολλητά (κόντρα-πλακέ) - Πηχοπλάκες (πλακάζ) - (veneers plywood blockboards). Τα ξυλο φυλλα παρα γονται με εκτυ λιξη (το κορμοτεμα χιο στρε φεται γυ ρω απο τον α ξονα του και ταυτο χρονα κο βεται με ε να μεγα λο μαχαι ρι σε συνεχε ς φυ λλο) και με παλινδρομικη τομη (το μαχαι ρι κα νει παλινδρομικε ς κινη σεις και κα θε φορα κο βει ε να φυ λλο ξυ λου συγκεκριμε νων διαστα σεων). Τα ξυλο φυλλα χρησιμοποιου νται ευρυ τατα ως επενδυ ματα μοριοπλακω ν για την επιπλοποιι α, στην κατασκευη αντικολλητω ν και πηχοπλακω ν κ.α. Η παραγωγη αντικολλητω ν πρου ποθε τει την προετοιμασι α ξυλοφυ λλων με μηχανικη κατεργασι α και τη συγκο λληση τους. Οι πηχοπλα κες εκτο ς απο την εξωτερικη επε νδυση με ξυλο φυλλα περιλαμβα νουν μεσαι α σ τρ ω ση απο μικρα, πριστα τεμα χια ξυ λου. γ. Προϊόντα σε στρόγγυλη μορφή (roundwood products). Τα προι ο ντα αυτα περιλαμβα νουν κυρι ως στυ λους τηλεπικοινωνι ας (ΟΤΕ) και εξηλεκτρισμου (ΔΕΗ). Σε πολλε ς περιπτω σεις, προι ο ντα σε στρο γγυλη μορφη χρησιμοποιου νται και ως ξυλει α μεταλλει ων, πασσα λους, υποστηρι γματα, οικη ματα, υπαι θριες κατασκευε ς, κ.α. δ. Συγκολλημένοι δοκοί (επικολλητό ξύλο, laminated wood) - Ξυλουργικές κατασκευές. Οι συγκολλημε νοι δοκοι αποτελου νται απο πριστα τεμα χια ξυ λου που προκυ πτουν με μηχανικη κατεργασι α και τα οποι α συγκολλου νται, για να παραχθου ν δοκοι επιθυμητω ν διαστα σεων. Το επικολλητο ξυ λο μπορει να υποστει δευτερογενη μηχανικη κατεργασι α, εφο σον υπα ρχει τε τοια απαι τηση για την παραγωγη ορισμε νων προι ο ντων (π.χ. επι πλων, καθισμα των, κ.α.). Οι ξυλουργικε ς κατασκευε ς περιλαμβάνουν ποικιλι α προι ο ντων (π.χ. επενδυ σεις, κα γκελα μπαλκονιω ν, κ ο υ φ ω ματα, πο ρτες, ε ργα τε χνης, οικη ματα, υπαι θριες κατασκευε ς σε πριστη μορφη, κ.α.). ε. Νέα σύνθετα προϊόντα - Ξυλοδοκοί LVL, LSL, PSL, κ.λπ. στ. Έπιπλα (furniture). Η επιπλοποιι α ει ναι ε νας μεγα λος και δυναμικο ς κλα δος, ο που χρησιμοποιούνται μεγα λες ποσο τητες ξυλει ας κα θε χρο νο. Στην κατασκευη επι πλων πε ρα απο την πρωτογενη μηχανικη κατεργασι α, επικρατει η εξαντλητικη δευτερογενής μηχανική κατεργασι α, επειδη μπορου ν να αξιοποιηθούν και μικρα τεμα χια ξυ λου. 69

70 ζ. Μοριοπλάκες (μοριοσανίδες, νοβοπάν, particleboards). Οι μοριοπλα κες παρα γονται σε μορφη πλα κας με συγκο λληση μικρω ν τεμαχιδι ων ξυ λου, τα οποι α προκυ πτουν με θρυμματισμο του ξυ λου. η. Άλλα προϊόντα. Εκτο ς απο τα παραπα νω και σε πολλα α λλα προι ο ντα η φυσικη δομη του ξυ λου διατηρει ται, ο πως κ ι β ω τια, βαρε λια, σπι ρτα, μουσικα ο ργανα, αθλητικα ει δη, ξυλο γλυπτα, αγροτικα εργαλει α, τεχνητα με λη (α ν θ ρ ω πων), μαυροπι νακες, ξυλο τυποι, μπαστου νια, παιχνι δια, τακου νια, οδοντογλυφι δες, φε ρετρα, περιφρα ξεις, κορνι ζες, μολυ βια, καλου πια, παλλε τες, συνδετη ρες, μοντε λα, σε συγκοινωνιακα με σα (πλοι α, βα ρκες, βαγο νια τρε νων, αυτοκι νητα, αεροπλα να), κ.α. Κατηγορία Β: Προι ο ντα ξυ λου που παρα γονται μετα απο χημικη η /και θερμομηχανική κατεργασι α του ξυ λου και που δεν διατηρου ν τη φυσικη δομη του, δηλαδη δεν ει ναι δυνατο να αναγνωρισθεί η προε λευση τους. α. Ινοπλάκες (ινοσανίδες, fiberboards). Οι ινοπλα κες παρα γονται σε μορφη πλα κας μετα απο την εξη ς διαδικασι α: θρυμματισμο ς ξυ λου σε τεμαχι δια - αποι νωση ξυ λου - συγκο λληση ι ν ω ν (κυττα ρων) ξυ λου με συγκολλητικε ς ουσι ες, εφαρμογη πι εσης και θερμοκρασι ας - κλιματισμο ς, παρυ φωση και α λλες επεξεργασι ες. Όλα τα προι ο ντα σε μορφη πλα κας (αντικολλητα, πηχοσανι δες, μοριοσανι δες, ινοσανι δες) χρησιμοποιου νται ευρυ τατα στην επιπλοποιι α αλλα και σε α λλες χρη σεις (π.χ. δα πεδα, επενδυ σεις, ναυπηγικη, συγκοινωνιακα με σα κ.λπ.). β. Ξυλοπολτός (wood pulp) και χαρτί (paper). Η παραγωγη του πολτου και χαρτιου βασι ζεται κυρι ως στο ξυ λο, το οποι ο ει ναι φυσικη και ανανεω σιμη πηγη κυτταρι νης. Τα στα δια παραγωγη ς του ει ναι με τη σειρα : αποφλοι ωση ξυ λου, θρυμματισμο ς, πολτοποι ηση με μηχανικο, ημιχημικο η χημικο τρο πο, κατεργασι α του πολτου (διη θηση, καθαρισμο ς, συμπυ κνωση, λευ κανση, μηχανικη κατεργασι α ι ν ω ν, χρωματισμο, προσθη κη δια φορων ο υ σ ι ω ν), στρωμα τωση ι ν ω ν και παραγωγη χαρτιου, τελικε ς κατεργασι ες. Απο τα προι ο ντα ξυ λου, το χαρτι θεωρει ται ε να απο τα ει δη π ρ ω της ανα γκης. γ. Προϊόντα χημικής αξιοποίησης (products of chemical utilization). Εκτο ς απο τον ξυλοπολτο (wood pulp) και το χαρτι, πολλα α λλα προι ο ντα μπορου ν να παραχθου ν απο το ξυ λο με χημικη τροποποι ηση η διαφοροποι ηση. Τε τοια προι ο ντα ει ναι: (1) τεχνητε ς ι νες ("συνθετικο μετα ξι", rayon) που παρα γονται απο διαλυ ματα παραγω γων κυτταρι νης και χρησιμοποιου νται στην υφαντικη, μικροκυτταρι νη και νανοκυτταρι νη, (2) φιλμ, (3) βερνι κια, (4) πλαστικα απο διαλυ ματα κυτταρι νης επι σης, (5) εκρηκτικε ς υ λες απο νιτρικη κυτταρι νη, (6) λιγνι νη, η οποι α αποτελει π ρ ω τη υ λη διαφο ρων προι ο ντων (π.χ. συνθετικη βανι λια, φα ρμακα, διαλυτικα, συνθετικε ς ι νες, συνδετικο υλικο στην οδοποιι α, κεραμικη, παραγωγη ζωοτροφω ν, παραγωγη ταννινω ν, παραγωγη συνθετικου καουτσου κ, κ.α.), (7) ξυλα νθρακες (ξυλοκα ρβουνο) με ανθρακοποι ηση, (8) δια φορα υγρα και αε ρια (π.χ. πι σσα, οξικο οξυ, μεθανο λη, ακετο νη, φαινο λες, κ.α.) με καταστρεπτικη απο σταξη (εφαρμογη υψηλη ς θερμοκρασι ας C σε ειδικου ς λε βητες), (9) καυ σιμα υγρα 70

71 και αε ρια με υγροποι ηση (π.χ. βιοε λαιο η ξυλε λαιο), (10) αε ρια (μονοξει διο και διοξει διο του α νθρακα, μεθα νιο, υδρογο νο, κ.α.) με αεριοποι ηση (εφαρμογη υψηλη ς θερμοκρασι ας 1000 C η και περισσο τερο και παρουσι α οξυγο νου, αε ρα η ατμου ), (11) σα κχαρα και α λλα προι ο ντα (π.χ. γλυκερι νη, ζυ μη, αιθανο λη, φουρφουρο λη, κ.α.) με υδρο λυση. 6.6 Ιδιότητες του ξύλου Οι ιδιότητες του ξύλου που το καθιστούν καλό για κατασκευαστική χρήση Ειδικό βάρος (SG): Το ειδικό βάρος (SG) και οι κύριες ιδιότητες αντοχής του ξύλου σχετίζονται άμεσα μεταξύ τους. Το ειδικό βάρος για τα δομικά υλικά κυμαίνεται από περίπου 0,30 έως 0,90. Υψηλότερες επιτρεπόμενες τιμές για σχεδιασμό αποδίδονται σε εκείνα τα κομμάτια που έχουν στενότερους δακτυλίους ανάπτυξης (περισσότερους δακτυλίους ανά ίντσα) ή περισσότερο πυκνό latewood (το ξύλο που σχηματίζεται αργά στην καλλιεργητική περίοδο ενός δέντρου και το οποίο αποτελεί το πιο σκοτεινό μέρος του ετήσιου κύκλου ανάπτυξης) ανά δακτύλιο ανάπτυξης και, ως εκ τούτου, υψηλότερο ειδικό βάρος. Περιεκτικότητα σε υγρασία και συρρίκνωση: Αναμφισβήτητα, η αντίδραση του ξύλου στην υγρασία δημιουργεί περισσότερα προβλήματα από οποιονδήποτε άλλο παράγοντα στη χρήση του. Το ξύλο είναι υγροσκοπικό, δηλαδή παίρνει ή εκπέμπει υγρασία για να εξισωθεί με τη σχετική υγρασία και τη θερμοκρασία στην ατμόσφαιρα. Καθώς το κάνει, αλλάζει η ισχύς και η αντοχή του στην κάμψη, δηλαδή, μπορεί να αυξηθεί κατά περίπου 50%. Το ξύλο συρρικνώνεται επίσης καθώς στεγνώνει ή διογκώνεται καθώς απορροφά υγρασία, με ταυτόχρονη πιθανότητα στρέβλωσης. Κρίσιμο σε αυτή τη διαδικασία είναι το σημείο κορεσμού των ινών (fsp), το σημείο (περίπου 25% περιεκτικότητα σε υγρασία σε ξηρή βάση σε φούρνο) κάτω από το οποίο το κενό κέντρο της κυψέλης έχει χάσει το περιεκτικό της σε υγρό, τα κυτταρικά τοιχώματα αρχίζουν να στεγνώνουν και να συρρικνώνονται και η αντοχή του ξύλου αρχίζει να αυξάνεται. Οι διαδικασίες διόγκωσης και συρρίκνωσης είναι αναστρέψιμες και περίπου γραμμικές μεταξύ του σημείου κορεσμού των ινών και του 0% περιεκτικότητας σε υγρασία. Δεν παρατηρείται αποσύνθεση του ξύλου ή κηλίδωση με μυκητίαση, όταν η περιεκτικότητα σε υγρασία είναι κάτω από 20%. Δεν υπάρχει κανένας πρακτικός τρόπος για να αποφευχθεί η αλλαγή της υγρασίας στο ξύλο, τα περισσότερα φινιρίσματα και επικαλύψεις ξύλου επιβραδύνουν μόνο τη διαδικασία. Έτσι, τα εμπόδια ατμών, ο επαρκής εξαερισμός, ο αποκλεισμός νερού από το ξύλο ή η συντηρητική επεξεργασία είναι απολύτως απαραίτητα στην κατασκευή ξύλου. Θερμικές ιδιότητες / Επιδράσεις θερμοκρασίας: Αν και το ξύλο είναι ένα εξαιρετικό θερμομονωτικό υλικό, η αντοχή του και άλλες ιδιότητες επηρεάζονται αρνητικά από την έκθεση για εκτεταμένες περιόδους σε θερμοκρασίες πάνω από περίπου 100 F. Ο συνδυασμός υψηλής σχετικής υγρασίας ή η περιεκτικότητα σε υγρασία και υψηλών θερμοκρασιών, όπως και στις μη αεριζόμενες σοφίτες, μπορεί να έχει σοβαρές επιπτώσεις στα υλικά επένδυσης στέγης και στα δομικά στοιχεία πέρα από τις πιθανότητες προσβολής από 71

72 οργανισμούς αποσύνθεσης (π.χ. σαράκι). Με απλές αποκαταστάσεις συνήθως αποτρέπονται οποιαδήποτε προβλήματα. Φιλικό προς το περιβάλλον Η ξυλεία είναι το πιο οικολογικό δομικό υλικό. Η ξυλεία έχει χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις παραγωγής είναι καθαρός απορροφητής άνθρακα και είναι ανανεώσιμος πόρος. Τα καλά διαχειριζόμενα δάση παράγουν ξυλεία σε σταθερή συνεχή βάση, με ελάχιστες αρνητικές επιπτώσεις στις τιμές του εδάφους και του νερού. Ισχυρό και ελαφρύ Η ξυλεία είναι ισχυρή, ελαφριά και αξιόπιστη. Αυτά τα χαρακτηριστικά την καθιστούν την απλούστερη και ασφαλέστερη κατασκευή σε σύγκριση με τον χάλυβα ή το τσιμέντο. Μια σύγκριση με το χάλυβα και το τσιμέντο δείχνει ότι η δομική ξυλεία πεύκου, για παράδειγμα, έχει λόγο αντοχής με βάρος 20 τοις εκατό υψηλότερο από τον δομικό χάλυβα και τέσσερις έως πέντε φορές καλύτερο από το μη ενισχυμένο τσιμέντο σε συμπίεση. Οι ελαφριές κατασκευές που είναι δυνατές στο ξύλο προσδίδουν πλεονεκτήματα από την άποψη της μείωσης του κόστους θεμελίωσης, της μειωμένης φόρτωσης σεισμού και της ευκολότερης μεταφοράς. Τα κατασκευαστικά στοιχεία και οι πλήρεις κατασκευές είναι απλές και ασφαλείς για την ανέγερση και φθηνότερες για να αποικοδομηθούν ή να επαναχρησιμοποιηθούν στο τέλος της ωφέλιμης ζωής του κτιρίου. 72

73 Μέρος 2 Σχεδιασμός και Μελέτη Κεφάλαιο 7 Σχεδιασμός γεωμετρίας 7.1 Brief Σχεδίαση και μελέτη σκελετού ποδηλάτου πόλης με φυσική ανάρτηση που θα απορροφά τους κραδασμούς που προκαλούνται από το έδαφος. Ο ίδιος ο σκελετός αποτελεί ένα εναλλακτικό σύστημα ανάρτησης χωρίς κινούμενα μέρη το οποίο βελτιώνει τις συνθήκες οδήγησης και τις επιδόσεις του αναβάτη, διατηρώντας παράλληλα σε χαμηλή τιμή το βάρος και το κόστος του ποδηλάτου. 7.2 Απευθυνόμενο κοινό Το πλαίσιο απευθύνεται σε όλους τους ενήλικες που χρησιμοποιούν καθημερινά το ποδήλατο ως μέσο μεταφοράς αλλά και ως γυμναστική και διασκέδαση. Πιο συγκεκριμένα, εστιάζει σε ποδηλάτες που οδηγούν σε διαφορετικής τραχύτητας οδοστρώματα (π.χ. άσφαλτος, πλακόστρωτος) ή ήπιους χωματόδρομους και επιθυμούν ένα ποδήλατο με ανάρτηση σε χαμηλό κόστος και βάρος. 7.3 Απαιτήσεις Σε αυτό το στάδιο της εργασίας ορίζονται οι απαιτήσεις του προϊόντος που πρόκειται να σχεδιαστεί. Οι απαιτήσεις περιγράφουν τα χαρακτηριστικά, τις προδιαγραφές και τους περιορισμούς που προκύπτουν από την έρευνα και από τον σκοπό της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Ο σκελετός προορίζεται κυρίως για αστική μετακίνηση Ο σκελετός θα περιέχει φυσική ανάρτηση της οποίας η λειτουργία θα βασίζεται στη γεωμετρία και στο υλικό κατασκευής του Το υλικό θα παίζει το ρόλο του ελατηρίου και του αποσβεστήρα Η ταχύτητα αποσυμπίεσης της ανάρτησης δεν πρέπει να είναι ούτε πολύ γρήγορη ούτε πολύ αργή Η κατασκευή θα δίνει την αίσθηση μίας ενιαίας φόρμας και δεν θα περιλαμβάνει έντονες ενώσεις όπως είναι για παράδειγμα οι συγκολλήσεις Ο σκελετός είναι ανεξάρτητος και δεν λαμβάνονται υπόψη η μεσαία τριβή και οι υποδοχές του άξονα της πίσω ρόδας, του πιρουνιού και του καθίσματος Το σχήμα του πλαισίου θα αποτελείται από ανοιχτές καμπύλες ώστε να είναι πιο εύκαμπτο Το σχήμα διατομής θα είναι παραλληλόγραμμο ώστε να είναι πιο εύκαμπτο στις κάθετες δυνάμεις που προκαλούνται από το βάρος του αναβάτη και τα εμπόδια του δρόμου, ενώ θα αποδίδει παράλληλα καλύτερη πλευρική ακαμψία Το πλαίσιο θα πρέπει να είναι ασφαλές σε περίπτωση θραύσης 73

74 Η μέγιστη διαδρομή της ανάρτησης (κάθετη μετατόπιση) θα είναι 3 ίντσες (76mm) Ο σχεδιασμός του πλαισίου θα χαρακτηρίζεται από απλότητα Να είναι ανθεκτικό Ναι έχει ωραία αισθητική Οι βασικές παράμετροι της γεωμετρίας θα βασίζονται σε ήδη υπάρχουσα μεσαίου μεγέθους Το βάρος θα είναι χαμηλότερο σε σχέση με πλαίσια που περιλαμβάνουν συμβατική ανάρτηση με κινούμενα μέρη 74

75 7.4 Ιδεασμός Βάσει των σχεδιαστικών απαιτήσεων παρήχθησαν πολλές και διαφορετικές ιδέες και αποτυπώθηκαν σε χαρτί με τη μέθοδο του σκίτσου. Με αυτό το τρόπο μελετήθηκαν διάφοροι τρόποι επίλυσης των προβλημάτων. Στην παρακάτω εικόνα αποτυπώνονται ενδεικτικά κάποια βασικά σκίτσα, ενώ παρατηρείται πως βασικό πυλώνα και παράλληλα βασικό περιορισμό για την ανάπτυξη αυτών των σχεδίων αποτέλεσαν οι δύο ρόδες, η μεσαία τριβή, το κάθισμα και το τμήμα που στηρίζεται το σύστημα διεύθυνσης του μπροστινού τροχού. Εικόνα 20. Αποτύπωση ιδεών με τη μορφή του σκίτσου. 75

76 7.5 Σχεδιαστικές προτάσεις Ύστερα από την μελέτη και την αξιολόγηση που πραγματοποιήθηκε σε όλα τα σκίτσα προκύπτει η δημιουργία και η σύνθεση τριών βασικών γεωμετριών concept. Κατα τη διαδικασία αυτή επιλέχθηκαν προς περαιτέρω ανάπτυξη και βελτίωση τα σχέδια πού ικανοποιούσαν στο μέγιστο τα βασικά κριτήρια όπως είναι η δυνατότητα ταλάντωσης του επάνω τμήματος, η ενιαία φόρμα, οι ανοιχτές καμπύλες και η απλότητα στη δομή του σκελετού. Παράλληλα διατηρήθηκαν τα σημεία κλειδιά που αποτελούν περιορισμό στο σχεδιασμό, όπου είναι το κάθισμα και οι υποδοχές για την πίσω ρόδα, τη μεσαία τριβή και το σύστημα διεύθυνσης του μπροστινού τροχού. Κοινό χαρακτηριστικό και στις τρεις προτάσεις αποτελούν οι αναλογίες στο σχεδιασμό, διότι στηρίζονται προσεγγιστικά στις κύριες μετρήσεις ήδη υπάρχουσας γεωμετρίας ενδιάμεσου μεγέθους. Τις βασικές αυτές μετρήσεις απαρτίζουν το μεταξόνιο, η διάμετρος των τροχών, το stack και το reach. Σε όλα τα σχέδια διατειρείται το σχήμα διατομής του σκελετού που είναι το παραλληλόγραμμο (βάσει απαιτήσεων) με τέτοιο φάρδος ώστε να μην εμποδίζεται η κίνηση που εκτελούν τα πόδια του αναβάτη κατα το πανταλάρισμα. Παρακάτω παρουσιάζονται ολοκληρωμένες οι τρεις σχεδιαστές προτάσεις. 76

77 7.5.1 Γεωμετρία Α Σχήμα U Εικόνα 21. Προσχέδιο γεωμετρίας Α πλάγια όψη. Βασική πηγή έμπνευσης για την δημιουργία της πρώτης γεωμετρίας αποτελέσε το σχήμα U περιστραμμένο αριστερόστροφα κατά ενενήντα μοίρες. Με αυτό το τρόπο καθίσταται δυνατή η αφαιρεση της κεντρικής σωλήνας επιτρέποντας έτσι σε μεγάλο βαθμό την κατακόρυφη ταλάντωση ολόκληρου του επάνω τμήματος του σκελετού το οποίο έχει ένα μόνο σημείο στήριξης στο Head Tube. Το σχήμα U έχει τροποποιηθεί κατάλληλα ώστε να διατηρηθούν οι ανοιχτές καμπύλες και έχει προσαρμοστεί στα σημεία κλειδιά που απαιτείται για την ολοκλήρωση της σύνθεσης του ποδηλάτου, που πηγάζει από τον συνδυασμό του σκελετού με τα περιφερειακά τμήματα. 77

78 7.5.2 Γεωμετρία Β Λούπα Εικόνα 22. Προσχέδιο γεωμετρίας Β πλάγια όψη. Βασικό χαρακτηριστκό της γεωμετρίας Β είναι η συνεχόμενη ενιαία γραμμή που ακολουθεί ο κορμός του σκελετού, διατηρώντας παράλληλα κενό τον ενδιάμεσο χώρο. Με αυτό τον τρόπο συνθέτει το πλαίσιο με τα περιφεριειακά στοιχεία του ποδηλάτου. Έχει παρόμοια δομή με την κλασική γεωμετρία των ποδηλάτων, με κύρια διαφορά την αφαίρεση της κεντρικής σωλήνας, ώστε να επιτρέπει την κέθετη μετατόπιση του επάνω τμήματος που προκαλείται από το βάρος του αναβάτη. Η ιδιαιτερότητα αυτού του σχεδίου έιναι οι δύο στροφές που σχηματίζουν το σχήμα S στο επάνω μέρος του ψαλιδιού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια διαφορετική αισθητική από τις συνηθισμένες, ενώ λειτουργικά μεταφέρει και επικεντρώνει στο σημείο αυτό την φυσική ανάρτηση. 78

79 7.5.3 Γεωμετρία Γ Σχήμα S Εικόνα 23. Προσχέδιο γεωμετρίας Γ πλάγια όψη. Κύρια πηγή έμπνευσης για την δημιουργία της τρίτης σχεδιαστικής πρότασης αποτέλεσε το σχήμα S, διαμορφωμένο κατάλληλα ώστε να δένουν με αρμονία ο σκελετός με τα περιφερειακά τμήματα του ποδηλάτου. Πρόκειται για μια αρκετά πειραματική γεωμετρία, με πολλές και ανοιχτές καμπύλες, η οποία σε αντίθεση με τις προηγούμενες δίνει βαρύτητα και έμφαση στη κεντρική σωλήνα που στηρίζει το κάθισμα και το επάνω τμήμα του σκελετού. 79

80 Κεφάλαιο 8 - Πείραμα 8.1 Δοκιμές μηχανικής συμπεριφοράς υλικών Στα εργαστήρια δοκιμάστηκαν με το μηχάνημα εφελκυσμού τρία διαφορετικά είδη ξύλου με σκοπό την παροχή των τιμών των ιδιοτήτων (αντοχή, μέτρο ελαστικότητας) του κάθε δείγματος, ώστε να χρησιμοποιηθούν στις αναλύσεις που ακολουθούν παρακάτω. Τα ξύλα που χρησιμοποιήθηκαν για την μελέτη είναι ελληνικής προελεύσεως και προέρχονται από τα δέντρα Δρυς, Καρυδιά και Οξιά. Η υψηλή αντοχή είναι βασικό και κοινό χαρακτηριστικό αυτών των ξύλων και αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την επιλογή τους στην παρούσα μελέτη. Εφαρμόστηκε η μέθοδος δοκιμής κάμψης τριών σημείων λόγω της εύκολης προετοιμασίας και δοκιμής του δείγματος. Αρχικά, έγινε η κοπή των δειγμάτων ώστε να είναι εύκολη η τοποθέτησής τους στο μηχάνημα. Έπειτα, με τη χρήση του εργαλείου παχύμετρου μετρήθηκαν με ακρίβεια οι διαστάσεις του κάθε δείγματος για να καταχωρηθούν στα δεδομένα στο λογισμικό του μηχανήματος και να χρησιμοποιηθούν στον τύπο του υπολογισμού του μέτρου ελαστικότητας. Στη συνέχεια ακολούθησε η δοκιμή των δειγμάτων με κοινή ταχύτητα πίεσης 20Ν/sec. Εικόνα 24. Επιλογή, διαστασιολόγηση και κοπή τών ξύλων.. 80

81 Εικόνα 25. Ακριβής μέτρηση των διαστάσεων με τη χρήση του εργαλείου παχύμετρου. Εικόνα 26. Δοκιμή των δειγμάτων με κοινή ταχύτητα πίεσης 20Ν/sec.. 81

82 Αποτελέσματα από την δοκιμή των τριών δειγμάτων Εικόνα 27. Διάγραμμα δύναμης μετατόπισης του δείγματος από ξύλο οξιάς. 82

83 Εικόνα 28. Διάγραμμα δύναμης μετατόπισης του δείγματος από ξύλο Καρυδιάς. 83

84 Εικόνα 29. Διάγραμμα δύναμης μετατόπισης του δείγματος από ξύλο δρυς. 84

85 Πυκνότητα Μ. Ελαστικ. (MPa) Αντοχή (MPa) (Kg/m^3) Οξιά 800 4, Καρυδιά 630 7, Δρυς 740 9, Εικόνα 30. Πίνακας με τις ιδιότητες από τα τρία είδη ξύλου. Στον πίνακα (εικόνα 30.) παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των ιδιοτήτων των δειγμάτων από τις δοκιμές που διεξήχθησαν στο χώρο του εργαστηρίου. Παρατηρείται πως το πιο εύκαμπτο υλικό είναι η οξιά με το μικρότερο μέτρο ελαστικότητας και αντίστοιχα ο δρυς είναι το πιο δύσκαμπτο. Ως προς την αντοχή υπερτερεί ο δρυς με τη μεγαλύτερη τιμή στα 160MPa, ενώ η καρυδία παρουσιάζει την χαμηλότερη αντοχή με τιμή 100MPa. Επισημαίνεται πως για την διεξαγωγή των αποτελεσμάτων τόσο στις δοκιμές των δειγμάτων όσο και στις αναλύσεις που ακολουθούν, το ξύλο θεωρήθηκε ισότροπο υλικό για διευκόλυνση, λόγω του ότι εξετάζεται μόνο η περίπτωση της αντοχής και της μετατόπισης στην κάθετη διεύθυνση. 8.2 Αναλύσεις Με την ολοκλήρωση του σχεδιασμού των τριών γεωμετριών και τη δοκιμή της μηχανικής συμπεριφοράς των υλικών που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν, ακολούθησε η μελέτη της αντοχής και της μετατόπισης του κάθε σχεδίου ξεχωριστα με τη χρήση του λογισμικού μοντελοποίησης και ανάλυσης για την προσομοίωση του σκελετού, Creo Parametric. Οι δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν περιλαμβάνουν όλους τους πιθανούς συνδυασμούς που προκύπτουν από τους βασικούς παράγοντες που επηρέαζουν την αντοχή και την μετατόπιση του πλαισίου στην κάθετη διεύθυνση. Οι παράγοντες που λαμβάνονται υπόψη στο συγκεκριμένο πείραμα είναι η γεωμετρία, το υλικό και το πάχος του σκελετού. Στο λογισμικό εισήχθησαν τα δεδομένα της γεωμετρίας του πλαισίου, οι ιδιότητες του εκάστοτε υλικού, οι συνοριακές συνθήκες και το φορτίο που ασκείται από το βάρος του αναβάτη, με σκοπό την μελέτη των παραμόρφωσεων και των τάσεων που αναπτύσσονται σε όλα τα σημεία του σκελετού. Η παρούσα μελέτη στηρίχθηκε στο μοντέλο φορτίσεων που εφαρμόστηκε από τους Maestrelli και Falsini και ορίζει έξι διαφορετικές περιπτώσεις φορτίσεων κατά την διάρκεια της ποδηλασίας [10]. Στο πείραμα εξετάζεται μόνο η περίπτωση που ο αναβάτης είναι καθιστός και εφαρμόζεται κάθετη δύναμη (2400Ν) στο παλουκόσελο, όπου προκαλείται από ανωμαλία του εδάφους. Επισημαίνεται πως η μελέτη αυτή δεν έχει μοναδικό στόχο την σύγκριση των αποτελεσμάτων για την βέλτιστη επιλογή, αλλά αποσκοπεί ταυτόχρονα να χτίσει μια βάση για περαίτερω μελέτη και ανάπτυξη σκελετών ποδηλάτου με ενσωματωμένη φυσική ανάρτηση. 85

86 8.2.1 Αναλύσεις - Γεωμετρία Α Εικόνα 31. Τρισδιάστατο μοντέλο γεωμετρίας Α. Παραπάνω (εικόνα 31.) παρουσιάζεται το τρισδιάστατο μοντέλο της γεωμετρίας Α που χρησιμοποιήθηκε στις αναλύσεις. Στο μοντέλο διακρίνεται η κάθετη δύναμη (πορτοκαλί βελάκια) που ασκείται στο παλουκόσελο, τα σημεία πάκτωσης που είναι το Head Tube, η μεσαία τριβή και ο άξονας της πίσω ρόδας, ώστε να επικετρωθεί η ανάλυση στη συμπεριφορά του επάνω τμήματος του σκελετού και το εκάστοτε υλικό (κίτρινο καρτελάκι) με τις τιμές των ιδιοτήτων που διεξήχθησαν από τις δοκιμές στο εργαστήριο. Η μέτρηση του πάχους έχει παραμετροποιηθεί με σκοπό την διευκόλυνση και την γρήγορη προσαρμογή της τιμής στις απαιτήσεις της κάθε περίπτωσης. 86

87 Εικόνα 32. Κατανομή των τάσεων γεωμετρίας Α. Εικόνα 33. Παραμόρφωση γεωμετρίας Α. Οι παραπάνω εικόνες (εικόνες 32. & 33.) αποτελούν δυο ενδεικτικά παραδείγματα κατανομής των τάσεων και παραμόρφωσης της γεωμετρίας Α. Στις αναλύσεις της πρώτης γεωμετρίας έχει προστεθεί και η περίπτωση με το νέυρο το οποίο στηρίζει το επάνω τμήμα του σκελετού ωστέ να επιτύχει καλύτερα αποτελέσματα κύριως ως προς την αντοχή, ενώ μετριάζει παράλληλα την μετατόπιση. Παρατηρείται πως οι τάσεις συσσωρεύονται στην περιοχή που εφάπτεται το επάνω τμήμα του σκελετού με το νεύρο. Αυτό αποτελεί μειόνεκτημα διότι σε περίπτωση αστοχίας του υλικού υπάρχει η πιθανότητα να αποκολληθεί ολόκληρο το επάνω μέρος του πλαισίου. Επίσης, στο θέμα της παραμόρφωσης παρατηρείται πως η μέγιστη μετατόπιση εντοπίζεται στο άκρο του σκελετού και όχι στην περιοχή του παλουκόσελου. Γι αυτό το λόγο έχει χρησιμοποιηθεί ένα σημείο επάνω 87

88 στο παλουκόσελο που αντιπροσωπεύει την θέση του καθίσματος ώστε να μετρηθεί τελικά η μετατόπιση που θα υποστεί το κάθισμα και κατά συνέπεια ο αναβάτης. Γεωμετρία Α Αποτελέσματα Υλικό Πάχος Νεύρο max_stress_prin max_disp_z disp_point Περίπτωση_1Α Οξιά 15mm Περίπτωση_2Α Οξιά 15mm Με νεύρο Περίπτωση_3Α Οξιά 20mm Περίπτωση_4Α Οξιά 20mm Με νεύρο Περίπτωση_5Α Καρυδιά 15mm Περίπτωση_6Α Καρυδιά 15mm Με νεύρο Περίπτωση_7Α Καρυδιά 20mm Περίπτωση_8Α Καρυδιά 20mm Με νεύρο Περίπτωση_9Α Δρυς 15mm Περίπτωση_10Α Δρυς 15mm Με νεύρο Περίπτωση_11Α Δρυς 20mm Περίπτωση_12Α Δρυς 20mm Με νεύρο Εικόνα 34. Πίνακας με τα αποτελέσματα των αναλύσεων της γεωμετρίας Α. Στον πίνακα (εικόνα 34.) καταγράφονται όλα τα αποτελέσματα απ όλους τους πιθανούς συνδυασμούς που προκύπτουν από τους παράγοντες που επηρέαζουν την αντοχή και την μετατόπιση του πλαισίου στην κάθετη διεύθυνση. Συμπεριλαμβάνονται και οι επιπρόσθετες δοκιμές με τη χρήση του νεύρου. Επίσης, στην τελευταία δεξιά στήλη απεικονίζονται τα αποτελέσματα του σημείου που χρησιμοποιήθηκε για να μετρηθεί η μετατόπιση του καθίσματος. Οι τίμες των κελιών με πράσινο χρώμα είναι πιο κοντά στα επιθυμητά αποτελέσματα χωρίς να υπερβαίνουν τα όρια της αστοχίας του υλικού και αντίστοιχα της προκαθορισμένης μέγιστης μετατόπισης. 88

89 8.2.2 Αναλύσεις - Γεωμετρία Β Εικόνα 35. Τρισδιάστατο μοντέλο γεωμετρίας Β. Στην παραπάνω εικόνα (εικόνα 35.) παρουσιάζεται το τρισδιάστατο μοντέλο της γεωμετρίας Β που χρησιμοποιήθηκε στις αναλύσεις. Στο μοντέλο διακρίνεται η κάθετη δύναμη (πορτοκαλί βελάκια) που ασκείται στο παλουκόσελο, τα σημεία πάκτωσης που είναι το Head Tube, η μεσαία τριβή και ο άξονας της πίσω ρόδας, ώστε να επικετρωθεί η ανάλυση στη συμπεριφορά του επάνω τμήματος του σκελετού και το εκάστοτε υλικό (κίτρινο καρτελάκι) με τις τιμές των ιδιοτήτων που διεξήχθησαν από τις δοκιμές στο εργαστήριο. Η μέτρηση του πάχους έχει παραμετροποιηθεί με σκοπό την διευκόλυνση και την γρήγορη προσαρμογή της τιμής στις απαιτήσεις της κάθε περίπτωσης. 89

90 Εικόνα 36. Κατανομή των τάσεων γεωμετρίας Β. Εικόνα 37. Παραμόρφωση γεωμετρίας Β. Οι παραπάνω εικόνες (εικόνες 36. & 37.) αποτελούν δυο ενδεικτικά παραδείγματα κατανομής των τάσεων και παραμόρφωσης της γεωμετρίας Β. Παρατηρείται πως οι τάσεις επικεντρώνονται κυρίως στο επάνω μέρος του ψαλιδιού, ενώ είναι περισσότερο απλωμένες σε σχέση με τις τάσεις της πρώτης γεωμετρίας. Επίσης, στο θέμα της παραμόρφωσης παρατηρείται πως η μέγιστη μετατόπιση εντοπίζεται στο σχήμα S του ψαλιδιού. Έτσι, όπως και στην πρώτη γεωμετρία έχει χρησιμοποιηθεί το σημείο επάνω στο παλουκόσελο για τον ίδιο λόγο. 90

91 Γεωμετρία Β Αποτελέσματα Υλικό Πάχος max_stress_prin max_disp_z disp_point Περίπτωση_13Β Οξιά 15mm Περίπτωση_14Β Οξιά 20mm Περίπτωση_15Β Καρυδιά 15mm Περίπτωση_16Β Καρυδιά 20mm Περίπτωση_17Β Δρυς 15mm Περίπτωση_18Β Δρυς 20mm Περίπτωση_2Β_1 Οξιά 10mm Περίπτωση_2Β_2 Καρυδιά 10mm Περίπτωση_2Β_3 Δρυς 10mm Εικόνα 38. Πίνακας με τα αποτελέσματα των αναλύσεων της γεωμετρίας Β. Στον πίνακα (εικόνα 38.) καταγράφονται όλα τα αποτελέσματα απ όλους τους πιθανούς συνδυασμούς που προκύπτουν από τους παράγοντες που επηρέαζουν την αντοχή και την μετατόπιση της γεωμετρίας Β στην κάθετη διεύθυνση. Επίσης, στην τελευταία δεξιά στήλη απεικονίζονται τα αποτελέσματα του σημείου που χρησιμοποιήθηκε για να μετρηθεί η μετατόπιση του καθίσματος. Οι τίμες των κελιών με πράσινο χρώμα είναι πιο κοντά στα επιθυμητά αποτελέσματα χωρίς να υπερβαίνουν τα όρια της αστοχίας του υλικού και αντίστοιχα της προκαθορισμένης μέγιστης μετατόπισης. 91

92 8.2.3 Αναλύσεις - Γεωμετρία Γ Εικόνα 39. Τρισδιάστατο μοντέλο γεωμετρίας Γ. Στην παραπάνω εικόνα (εικόνα 39.) παρουσιάζεται το τρισδιάστατο μοντέλο της γεωμετρίας Γ που χρησιμοποιήθηκε στις αναλύσεις. Στο μοντέλο διακρίνεται η κάθετη δύναμη (πορτοκαλί βελάκια) που ασκείται στο παλουκόσελο, τα σημεία πάκτωσης που είναι το Head Tube, η μεσαία τριβή και ο άξονας της πίσω ρόδας, ώστε να επικετρωθεί η ανάλυση στη συμπεριφορά του επάνω τμήματος του σκελετού και το εκάστοτε υλικό (κίτρινο καρτελάκι) με τις τιμές των ιδιοτήτων που διεξήχθησαν από τις δοκιμές στο εργαστήριο. Η μέτρηση του πάχους έχει παραμετροποιηθεί με σκοπό την διευκόλυνση και την γρήγορη προσαρμογή της τιμής στις απαιτήσεις της κάθε περίπτωσης. 92

93 Εικόνα 40. Κατανομή των τάσεων γεωμετρίας Γ. Εικόνα 41. Παραμόρφωση γεωμετρίας Γ. Οι παραπάνω εικόνες (εικόνες 40. & 41.) αποτελούν δυο ενδεικτικά παραδείγματα κατανομής των τάσεων και παραμόρφωσης της γεωμετρίας Γ. Παρατηρείται πως οι τάσεις επικεντρώνονται στο κεντρικό κορμό της γεωμετρίας και στην καμπυλή που σχηματίζεται στο επάνω τμήμα του σκελετού. Στην περίπτωση αυτή παρουσιάζεται καλύτερη κατανομή των τάσεων σε σχέση με την πρώτη γεωμετρία. Επίσης, το σχέδιο αυτό διαφοροποιείται από τα προηγούμενα διότι η μέγιστη μετατόπιση συμπίπτει με την μετατόπιση του σημείου. 93

94 Γεωμετρία Γ Αποτελέσματα Υλικό Πάχος max_stress_prin max_disp_z disp_point Περίπτωση_19Γ Οξιά 15mm Περίπτωση_20Γ Οξιά 20mm Περίπτωση_21Γ Καρυδιά 15mm Περίπτωση_22Γ Καρυδιά 20mm Περίπτωση_23Γ Δρυς 15mm Περίπτωση_24Γ Δρυς 20mm Εικόνα 42. Πίνακας με τα αποτελέσματα των αναλύσεων της γεωμετρίας Γ. Στον πίνακα (εικόνα 42.) καταγράφονται όλα τα αποτελέσματα απ όλους τους πιθανούς συνδυασμούς που προκύπτουν από τους παράγοντες που επηρέαζουν την αντοχή και την μετατόπιση της γεωμετρίας Γ στην κάθετη διεύθυνση. Επίσης, στην τελευταία δεξιά στήλη απεικονίζονται τα αποτελέσματα του σημείου που χρησιμοποιήθηκε για να μετρηθεί η μετατόπιση του καθίσματος. Οι τίμες των κελιών με πράσινο χρώμα είναι πιο κοντά στα επιθυμητά αποτελέσματα χωρίς να υπερβαίνουν τα όρια της αστοχίας του υλικού και αντίστοιχα της προκαθορισμένης μέγιστης μετατόπισης. 8.3 Υπολογισμός του βάρους της κάθε γεωμετρίας Γεωμετρία Α (kg) Γεωμετρία Β (kg) Γεωμετρία Γ (kg) Οξιά (15mm) Καρυδιά (15mm) Δρυς (15mm) Εικόνα 43. Πίνακας με το βάρος της κάθε γεωμετρίας. Στον πίνακα (εικόνα 43.) καταγράφονται όλα τα βάρη από κάθε γεωμετρία για μια ενδιάμεση τιμή πάχους (15mm). Ο υπολογισμός έχει γίνει με τη βοήθεια του λογισμικού μοντελοποίησης και ανάλυσης. Το πιο ελαφρύ πλαίσιο είναι της γεωμετρίας Β από καρυδιά, ενώ το πιο βαρύ είναι της γεωμετρίας Α από ξύλο οξιάς. Παρατηρείται και επιβεβαιώνεται πως η καρυδιά που έχει την μικρότερη πυκνότητα σε σχέση με τα άλλα υλικά παρουσιάζει τις χαμηλότερες τιμές βάρους και αντίστοιχα η οξιά τις πιο υψηλές. 94

95 8.4 Συγκριτική μελέτη βάσει των συχνοτήτων ταλάντωσης Εικόνα 44. Γράφημα δυναμικής ανάλυσης ιδιοσυχνοτήτων. Στη συνέχεια στα δύο επικρατέστερα concept έγινε και συγκριτική μελέτη ιδιοσυχνοτήτων (modal analysis). Στόχος της μελέτης ήταν να διαπιστωθεί αν υπάρχουν σημαντικές διαφορές στις φυσικέ συχνότητες στο συνδυασμό των δύο γεωμετριών και των τριών υλικών. Πρέπει να τονιστεί οτι οι φυσικές συχνότητες αναφέρονται στα μοντέλα που παρουσιάστηκαν παραπάνω. Αυτό σημαίνει οτι τα αποτελέσματα της ανάλυσης που παρουσιάζονται (εικονα 44.) ειναι μόνο για το πλαίσιο του ποδηλάτου με τις συγκεκριμένες συνοριάκες συνθήκες και δεν αναφέρεται στη φυσική συχνότητα όλου του ποδηλάτου. Τα αποτελέσματα δείχνουν οτι φυσική συχνότητα κυμαίνεται απο 40Hz εως 88Hz με την ελάχιστη συχνότητα να παρουσιάζεται στην τρίτη γεωμετρία με υλικό οξιά και την μεγαλύτερη στην δεύτερη γεωμετρία με υλικό καρυδιά. Γενικά η τρίτη γεωμετρία παρουσιάζει χαμηλότερες συχνότητες απο την δεύτερη γεωμετρία (περίπου 20-25%). Επειδή οι φυσικές συχνότητες είναι μόνο για το πλαίσιο και η διαφορά τους είναι σχετικά μικρή δεν δίνουν κάποια σημαντική ένδειξη για την επιλογή κάποιας από τις δύο γεωμετρίες βάσει της συχνότητας ταλάντωσης. Γι αυτό το λόγο η επιλογή γίνεται βάσει της ασφάλειας κάθε γεωμετρίας και υλικού όπως παρουσιάστηκε στις στατικές αναλύσεις. 95

96 8.5 Συμπεράσματα όλων των αναλύσεων Από τις στατικές αναλύσεις φάνηκε οτι στη πρώτη γεωμετρία αναπτύσσονται πολύ μεγάλες τάσεις και μετατοπίσεις και για να οδηγηθούμε σε ασφαλή κατασακευή θα πρέπει να αυξήσουμε πολύ το πάχος πάνω απο 25 χιλιοστά ακόμα και στην περίπτωση που θα χρησιμοποιήσουμε το νεύρο. Συγκρίνοντας την δεύτερη και την τρίτη γεωμετρία παρατηρούμε οτι για όλα τα υλικά και για πάχος 15 χιλιοστών η μέγιστη τάση κυμαίνεται γύρω στα 50MPa και η μετατόπιση από 11 εως 27 χιλιοστά. Για την γεωμετρία Γ οι τάσεις για το ίδιο πάχος είναι αρκετά μεγάλες στα 125ΜPa και οι μετατοπίσεις απο 8 εως 20 χιλιοστά. Παρατηρούμε οτι η δεύτερη γεωμετρία προσφέρει μεγαλύτερη ασφάλεια και ικανοποιητική μετατόπιση ώστε να προσφέρει καλή απορρόφηση των κραδασμών. Σε σχέση με το βάρος η γεωμετρία Β εμφανίζει 40% μεγαλύτερο βάρος απο την γεωμετρία Γ για το ίδιο πάχος. Εν τουτοις αν θέλαμε να εξασφαλίσουμε την αντοχή έπρεπε να αυξηθεί το πάχος της γεωμετριας Γ, με τελικό αποτέλεσμα οι δυο γεωμετρίες να έχουν το ίδιο βάρος. Βάσει των παραπάνω έγινε η επιλογή της γεωμετρίας Β. Σε σχέση με τα υλικά και λόγω της διαφορετικής δυσκαμψίας η οξιά παρουσιάζει την μεγαλύτερη μετατόπιση και ο δρυς την μικρότερη. Και τα τρία υλικά, σε σχέση με το βάρος και σε σχέση με την αντοχή μπορούν δυνητικά να επιλεχθούν ως υλικά του πλαισίου. Η τελική επιλογή θα μπορούσε να γίνει από μια αναλυτική μελέτη κόστους κατασκευής, κόστους υλικού αλλά και πραγματική μηχανική συμπεριφορά από την μελέτη προτοτύπων πλαισίων. 96

97 Φωτορεαλισμός τρισδιάστατου μοντέλου Παρακάτω παρουσιάζεται ενδεικτικά η επικρατέστερη γεωμετρία μαζί με τα περιφερειακά τμήματα του ποδηλάτου. 97

98 98