Ανάλυση των καταπονήσεων των ποδηλατικών σκελετών του
[1] Ας μιλήσουμε για...σωλήνες!!! Σήμερα θα ακουμπήσουμε μαζί ένα θέμα που πολλοί το θεωρούν ταμπού. Ένα θέμα που...υποτίθεται πως αφορά τους...γνώστες των μυστικών της ποδηλασίας. Ας πάμε λοιπόν μαζί να μελετήσουμε την κατασκευή των ποδηλάτων μας...τι κάνουν οι μικρές λεπτομέρειες;...και πόσο ιδιοφυείς είναι; Ξεκινάμε λοιπόν...αναλύοντας τον σκελετό του ποδηλάτου μας. 9 σωλήνες και 1-2 σωληνάκια... 9 σωλήνες και 1-2 μικρά σωληνάκια. Αυτό είναι ο σκελετός των περισσότερων ποδηλάτων. ΟΚ, υπάρχουν τα Full Suspension ποδήλατα, τα ποδήλατα με παράξενα σχήματα, τα ποδήλατα από σύνθετα υλικά κατασκευασμένα σε ένα κομμάτι κ.λ.π ωστόσο εμείς θα σταθούμε στο παλιό καλό...ξερό μας ποδήλατο. Η ανάλυση που ακολουθεί αφορά ένα κλασικό ΜΤΒ παλιάς σχολής, χωρίς ανάρτηση, ωστόσο τα ίδια πράγματα ισχύουν πάνω κάτω και στα ποδήλατα δρόμου αλλά και στα ΜΤΒ με μπροστινή ανάρτηση και...σκληρή ουρά (Hardtails). Για τις ανάγκες της ανάλυσής μας κατασκευάσαμε στον υπολογιστή (στο μηχανολογικό σχεδιαστικό πρόγραμμα SolidWorks) ένα 3D μοντέλο ενός ποδηλάτου πάνω στο οποίο κάνουμε και τις...εικονικές μας δοκιμές. Σκοπός μας λοιπόν είναι να μελετήσουμε τη συμπεριφορά του εικονικού ποδηλάτου και να εντοπίσουμε τα αδύνατα σημεία του. Με αυτόν τον τρόπο θα μπορέσουμε να εξηγήσουμε τη λειτουργία και τη χρησιμότητα ορισμένων...λεπτομερειών που καλούμαστε να πληρώσουμε όταν αγοράζουμε ένα καινούριο ποδήλατο. Λίγα λόγια για το μοντέλο μας... Το ψηφιακό ΜΤΒ μας βασίζεται σε πραγματικές διαστάσεις ποδηλάτου μαζικής παραγωγής χωρίς όμως να διαθέτει πάρα πολλές λεπτομέρειες. Εξάλλου στην προκειμένη περίπτωση η δομή πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο καθαρή έτσι ώστε να φαίνεται εύκολα η συμπεριφορά του ποδηλάτου στις διάφορες...δοκιμασίες που θα το υποβάλλουμε. Οι παραμορφώσεις που παρουσιάζονται στο ψηφιακό μοντέλο είναι πλασματικές και σκοπό έχουν να δείξουν την τάση παραμόρφωσης και όχι την ίδια την παραμόρφωση. Τέλος, τα σημεία που δεν θέλουμε να μελετήσουμε ως προς τη συμπεριφορά
[2] τους έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να μην επηρεάζουν το τελικό αποτέλεσμα (υπερβολικά ανθεκτικά) αλλά χωρίς ιδιαίτερη λεπτομέρεια. Ας ξεκινήσουμε όμως και θα δούμε τα υπόλοιπα στην πορεία... Ένα απλό Hardtail... Ο σκελετός ενός απλού ΜΤΒ χωρίς αναρτήσεις αποτελείται από τα εξής τμήματα: - Το βασικό Τρίγωνο το οποίο αποτελείται από τους τρεις βασικούς σωλήνες του ποδηλάτου (οριζόντιος, κατακόρυφος, διαγώνιος) - Τα οπίσθια μικρά τρίγωνα (chainstays) τα οποία αποτελούνται από 2 ζευγάρια λεπτών σωλήνων - Η φωλιά της μεσαίας τριβής - Ο σωλήνας του πιρουνιού Αυτά λοιπόν είναι χοντρικά τα τμήματα του σκελετού ενός κλασικού ποδηλάτου βουνού τα οποία υπάρχουν σχεδόν όμοια στα ΜΤΒ χωρίς αναρτήσεις εδώ και καμιά 20αριά χρόνια!!! (ενώ τα συναντάμε και στα ποδήλατα δρόμου χωρίς ιδιαίτερες διαφοροποιήσεις). Αφού όμως οι σκελετοί των ποδηλάτων μας είναι οπτικά τουλάχιστον ίδιοι τα τελευταία χρόνια, πως εξηγείται η βελτίωση των χαρακτηριστικών και της αντοχής τους; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι αρκετά σύνθετη και αφορά την εξέλιξη των γεωμετρικών χαρακτηριστικών, των υλικών, των τεχνικών παραγωγής κ.λ.π Εμείς όμως θα θεωρήσουμε όλα τα παραπάνω δεδομένα και...σταθερά και θα στρέψουμε τον μεγεθυντικό μας φακό στον σχεδιασμό των σημαντικών λεπτομερειών! Θα δούμε λοιπόν πώς η μελέτη αρκετών σπασμένων σκελετών, σε συνδυασμό με πολύ σκέψη, και 5-6 κομματάκια μέταλλο μπορούν να μεταμορφώσουν κυριολεκτικά έναν σκελετό ΜΤΒ. Η εικονική μας...πίστα δοκιμών Χρησιμοποιώντας λοιπόν τα αγαθά της μοντέρνας καταναλωτικής μας κοινωνίας...(βλ. 3D λογισμικό σχεδίασης & εφαρμογές στατικής ανάλυσης με πεπερασμένα στοιχεία) μπορούμε να υποβάλουμε το εικονικό μας ΜΤΒ σε καταπονήσεις όμοιες με αυτές που θα συναντήσει ένα κανονικό ποδήλατο στην πραγματική του ζωή. Για να απλοποιήσουμε τη διαδικασία και για
[3] περιοριστούμε στα στενά όρια ενός άρθρου επιλέγουμε τρεις χαρακτηριστικές περιπτώσεις καταπόνησης. 1 η Περίπτωση...Touch Down... Στην πρώτη περίπτωση υποθέτουμε ότι μόλις έχουμε πραγματοποιήσει ένα μικρό άλμα και προσγειωνόμαστε με τον πίσω τροχό. Το ποδήλατο είναι...σούζα, εμείς είμαστε φυσικά όρθιοι και τ ο βάρος μας πέφτει στα πετάλια. Βέβα ια κατά την προσγείωση από το άλμα έχουμε κάποια ορισμένη ορμή, συνεπώς η δύναμη που μεταφέρεται από τα πετάλια μέσω του σκελετού και της ρόδας στο έδαφος είναι μεγαλύτερη από το βάρος μας. Επιπλέον δεν είμαστε τελείως κάθετα ως προς το έδαφος αλλά γέρνουμε λίγο και προς το πλάι (αποκλείεται η προσγείωση να είναι πάντα τέλεια), ενώ το τιμόνι μας λειτουργεί απλά σαν στήριγμα αφού ουσιαστικά δεν το πιέζουμε αλλά το τραβάμε ελάχιστα έτσι ώστε να ισορροπήσουμε. ΟΚ...πάμε λοιπόν να κοιτάξουμε προσεκτικά το τρισδιάστατο μοντέλο μας για μισό λεπτό και συνεχίζουμε με την ανάλυση των αποτελεσμάτων...
[4]...τέλος χρόνου!! Παρατηρήσεις: Παρατηρούμε λοιπόν στην εικόνα με τη συγκέντρωση των μέγιστων τάσεων τα σημεία που καταπονούνται περισσότερο είναι η σύνδεση του λαιμού με τον πάνω σωλήνα του σκελετού καθώς και η περιοχή της μεσαίας τριβής. Για την μεσαία τριβή, λίγο πολύ το περιμέναμε, εξ άλλου όλο το βάρος μας συγκεντρώνεται εκεί, ωστόσο γιατί και στην περιοχή του λαιμού;; Αυτό λοιπόν είναι ένα καλό παράδειγμα μεταφοράς των δυνάμεων. Οι δυνάμεις που καταπονούν τα πίσω τρίγωνα του σκελετού δεν είναι ικανές να τα κάμψουν (το γιατί έχει να κάνει με τη γωνία εφαρμογής των δυνάμεων και είναι θέμα του 1 ου ή του 2 ου έτους της Μηχανολογίας στο πανεπιστήμιο, οπότε...) έτσι η δύναμη μεταφέρεται μέσω του οριζόντιου σωλήνα στην περιοχή του λαιμού. Να λοιπόν δυο σημεία που θα μπορούσαμε να ενισχύσουμε. Δράσεις: Ενισχύονται λοιπόν ιδιαίτερα οι κολλήσεις στην περιοχή της μεσαίας τριβής και του τιμονιού, ενώ σε πολλά ποδήλατα στην πάνω πλευρά του οριζόντιου σωλήνα παρατηρούμε και ένα επιπλέον ενισχυτικό λαμάκι. Την ενίσχυση της περιοχής της μεσαίας τριβής βελτιώνει και η μόδα χρήσης διαγώνιου σωλήνα μεγάλης διατομής, αφού το μεγαλύτερο μήκος κόλλησης
[5] μεταξύ των σωλήνων δρα θετικά στο θέμα της αντοχής. Επιπλέον το...ταπεινό λαμάκι, που διαθέτουν αρκετοί σκελετοί, στην πάνω πλευρά του οριζόντιου σωλήνα κοντά στην περιοχή του τιμονιού είναι πολύ πιο σημαντικό από ότι πιστεύουν οι περισσότεροι από εμάς. Το λαμάκι αυτό παραλαμβάνει δυνάμεις από την περιοχή του λαιμού και τις κατανέμει μέσω των κολλήσεων του, σε μεγάλη επιφάνεια του οριζόντιου σωλήνα. Ο σωστός λοιπόν σχεδιασμός του καθώς και η σωστή κόλλησή του έχουν ιδιαίτερη σημασία (π.χ. μια πλευρά πρέπει να μην κολληθεί για να μην εγκλωβίζονται οι τάσεις...αλλά πάμε μακριά) Περισσότερες Παρατηρήσεις: Κοιτώντας τώρα την εικόνα που δείχνει (διογκωμένα) τα αποτελέσματα των δυνάμεων στο πλαίσιο, μπορούμε να παρατηρήσουμε πως η μικρή κλίση προς τα αριστερά που θεωρήσαμε ότι έχει το ποδήλατο κατά τη φάση της προσγείωσης είναι αρκετή για να δημιουργήσει τάσεις για παραμόρφωση στο σκελετό. Να σημειώσουμε για άλλη μια φορά ότι το πλαίσιο ΔΕΝ παραμορφώνεται έτσι, απλά έτσι τείνει να παραμορφωθεί. Αυτό που αξίζει να παρατηρήσουμε εδώ είναι η διαφορά που παρουσιάζεται στην παραμόρφωση των κάτω σωλήνων των πίσω τριγώνων (chainstays) σε σχέση με τους πάνω.
[6]...και περισσότερες Δράσεις: Η μεγάλη αυτή διαφορά οφείλεται στα μικρά ενισχυτικά σωληνάκια που βλέπουμε συχνά στους μοντέρνους σκελετούς. Το ενισχυτικό σωληνάκι που βρίσκεται πάνω από την πίσω ρόδα των ποδηλάτων μας, κοντά στην στις βάσεις των φρένων είναι στάνταρ σε όλους σχεδόν τους σκελετούς εδώ και πολλά χρόνια αφού είναι απαραίτητο και για την καλή λειτουργία των φρένων (αλλιώς μέρος της δύναμης των φρένων χάνεται παραμορφώνοντας τον σκελετό). Πολλοί όμως σύγχρονοι σκελετοί διαθέτουν ένα αντίστοιχο σωληνάκι και στην κάτω πλευρά των τριγώνων του σκελετού. Η ενίσχυση λοιπόν, με κάθε τρόπο, του σκελετού στα σημεία που οι δυνάμεις τείνουν να καταπονήσουν έντονα τη δομή του βελτιώνει τόσο την συνολική αντοχή, όσο και την συμπεριφορά του οχήματός μας. 2 η Περίπτωση...Endo... Τώρα ας δοκιμάσουμε κάτι άλλο...ας κάνουμε το αγαπημένο μας endo και ας αναλύσουμε τι θα συμβεί στο εσωτερικό του ποδηλάτου μας. Υποθέτουμε λοιπόν ότι έχουμε ασκήσει σημαντική πίεση στο μπροστινό φρένο, η πίσω ρόδα έχει...απογειωθεί και εμείς στηριζόμαστε στο τιμόνι και στα πετάλια πραγματοποιώντας ένα ωραιότατο endo! Ας παρατηρήσουμε τι συμβαίνει στο εσωτερικό του σκελετού του ποδηλάτου μας αυτή τη στιγμή.
[7]
[8] Παρατηρήσεις: Κοιτάζοντας την εικόνα των μέγιστων τάσεων παρατηρούμε ότι ένα μεγάλο μέρος του σκελετού καταπονείται έντονα. Προφανώς η περιοχή του σωλήνα του τιμονιού είναι η πλέον επιβαρυμένη (όπως φαίνεται και στη σχετική εικόνα). Ωστόσο η περιοχή της μεσαίας τριβής είναι επίσης επιβαρυμένη καθώς μεγάλο μέρος του βάρους μας πέφτει στα πετάλια. Το πιο εντυπωσιακό όμως είναι το γεγονός ότι καταπονούνται αρκετά και σημεία που...εκ πρώτης όψεως δεν φορτίζονται. Παρατηρούμε λοιπόν καταπόνηση στην περιοχή του σωλήνα της σέλας καθώς επίσης και στην περιοχή των πίσω τριγώνων (λίγο πάνω από την περιοχή των V-brakes). Αυτή η περίεργη συμπεριφορά οφείλεται στη, γνωστή πλέον, μεταφορά των διαφόρων δυνάμεων από την περιοχή του τιμονιού και της μεσαίας τριβής προς τα υπόλοιπα μέρη του σκελετού. Δράσεις: Για άλλη μια φορά απαιτείται η ενίσχυση του σκελετού στα ευαίσθητα σημεία του. Αρχικά λοιπόν παρατηρούμε σκελετούς με πρόσθετη ενίσχυση στην περιοχή κάτω από τον διαγώνιο σωλήνα η οποία παραλαμβάνει μεγάλο μέρος των δυνάμεων και τις κατανέμει σε μεγάλο μέρος του διαγώνιου σωλήνα αποτρέποντας την καταστροφική συγκέντρωσή τους σε ένα σημείο. Επιπλέον ο οριζόντιος και ο διαγώνιος σωλήνας του σκελετού αποκτούν μεγαλύτερη διατομή και κατάλληλη διαμόρφωση για μεγαλύτερη αντοχή, ενώ έρχονται και πιο κοντά οι κολλήσεις τους (σε μερικούς σκελετούς οι κολλήσεις των δυο σωλήνων ενώνονται). Τέλος βελτιώνεται γενικότερα η ποιότητα και η αντοχή των κολλήσεων ολόκληρου του σκελετού για την καλύτερη συμπεριφορά στις έντονες καταπονήσεις.
[9] 3 η Περίπτωση...Η ορθοπεταλιά... Σε αυτήν την τελευταία περίπτωση εξετάζουμε τις καταπονήσεις του σκελετού μας κατά τη διάρκεια μιας σκληρής ανάβασης. Θεωρούμε λοιπόν πως ο αναβάτης του εικονικού μας ποδηλάτου είναι όρθιος πάνω στα πετάλια και κάνει την κλασική...ορθοπεταλιά. Βάζει όλη του τη δύναμη στα πετάλια ενώ ταυτόχρονα τραβάει εναλλάξ το τιμόνι για να αυξήσει ακόμα περισσότερο την αποδοτικότητά της κίνησής του. Παρατηρήσεις: Προφανώς η καταπόνηση του σκελετού σε αυτή τη φάση είναι πολύ πιο ομαλή (σε σύγκριση π.χ. με την προσγείωση από ένα άλμα),
[10] ωστόσο οι δυνάμεις που καταπονούν τον σκελετό είναι σημαντικές και αξίζει να μελετηθούν. Για να μην λέμε πολλά όμως ας δούμε λίγο τις σχετικές εικόνες που παρουσιάζουν τη συγκέντρωση των δυνάμεων στον σκελετό μας καθώς και τις τάσεις παραμόρφωσης αυτού. Όσον αφορά λοιπόν το μπροστινό μέρος του ποδηλάτου μάς, παρατηρούμε μια σχετική καταπόνηση της περιοχής του τιμονιού η οποία είναι κυρίως στρεπτικής φύσης. Δηλαδή τείνουμε να στρίψουμε το ποδήλατο αφού πατάμε π.χ το δεξί πετάλι ενώ την ίδια στιγμή τραβάμε το δεξί τμήμα του τιμονιού. Ωστόσο αυτή η καταπόνηση δεν είναι τόσο σημαντική και κάθε σκελετός που σέβεται τον εαυτό του ΠΡΕΠΕΙ να αντέχει αυτές τις καταπονήσεις. Και στην περιοχή της μεσαίας τριβής υπάρχουν προφανώς μεγάλες καταπονήσεις οι οποίες μάλιστα είναι και εναλλασσόμενες (από τις χειρότερες μορφές καταπονήσεων). Ωστόσο οι καταπονήσεις αυτές αντιμετωπίζονται πολύ αποτελεσματικά από τις σύγχρονες σχεδιάσεις όπου η μεσαία τριβή είναι κυριολεκτικά περικυκλωμένη από τις ανθεκτικότατες κολλήσεις των υπόλοιπων σωλήνων. Αυτό όμως που είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον σε αυτού του είδους την καταπόνηση είναι η ασύμμετρη καταπόνηση του πίσω τμήματος του σκελετού. Η δύναμη λοιπόν που καταβάλει ο ποδηλάτης, μεταφέρεται μέσω της αλυσίδας και τείνει να...τραβήξει προς τα εμπρός τον πίσω άξονα (προφανώς θεωρούμε ότι η ρόδα δεν γλιστράει). Ωστόσο αυτή η έλξη δεν γίνεται από το μέσο του άξονα αφού λόγω της θέσης των πίσω γραναζιών των ταχυτήτων, είναι αδύνατον να τραβήξουμε τον άξονα από το κέντρο. Παρά λοιπόν το ειδικό ασύμμετρο πλέξιμο της πίσω ρόδας και τη χρήση πολύ στενών αλυσίδων, δεν είναι δυνατών να αποφύγουμε την έκκεντρη έλξη του πίσω τροχού. Έτσι λοιπόν δημιουργούμε μια μονόπλευρη φόρτιση του πίσω μέρους του ποδηλάτου μας το οποίο...τείνει να εκτραπεί προς τα δεξιά. Δράσεις: Για την αντιμετώπιση των παραπάνω καταπονήσεων σε ένα κλασικό σύγχρονο πλαίσιο ποδηλάτου δεν απαιτεί ιδιαίτερες ενισχύσεις και σχεδιάσεις. Εξάλλου ειδικά στην περίπτωση των ΜΤΒ, ο σκελετός πρόκειται να καταπονηθεί πολύ περισσότερο από τις υπόλοιπες δραστηριότητες του ποδηλάτου. Ωστόσο είναι αρκετά χρήσιμη η γνώση των παραμορφώσεων και των αντιδράσεων του σκελετού στο πεταλάρισμα έτσι ώστε να βελτιστοποιούνται συνεχώς τα σχέδια των ποδηλάτων μας.
[11] Τελικά τι πληρώνουμε;;; Σε αυτό το θεμελιώδες ερώτημα, μάλλον δεν υπάρχει πραγματική απάντηση. Σίγουρα πληρώνουμε ονόματα και φίρμες, σίγουρα πληρώνουμε κέρδη και μεταφορικά. Ωστόσο αγοράζοντας ένα ποδήλατο μπορούμε να παρατηρήσουμε προσεκτικά την κατασκευή του και να προσπαθήσουμε να εντοπίσουμε στον σκελετό του στοιχεία όπως αυτά που είπαμε παραπάνω. Αυτή η διαδικασία θα μας επιτρέψει τουλάχιστον να δικαιολογήσουμε στον εαυτό μας γιατί τα δίνουμε έως ένα βαθμό αυτά τα χρήματα!!. Σίγουρα ένα ποδήλατο είναι πολύ περισσότερο από...9 σωλήνες, ωστόσο αν αυτοί οι 9 σωλήνες δεν είναι σωστά σχεδιασμένοι, κατασκευασμένοι, κολλημένοι κ.λ.π τότε ολόκληρο το ποδήλατό μας έχει σοβαρό πρόβλημα. Σημείωση προς τους αναγνώστες που κατέχουν το θέμα...αλλά και για τους λοιπούς... Το άρθρο που μόλις διαβάσατε ΔΕΝ είναι τεχνικό - μηχανολογικό, είναι η περιγραφή αρκετών σύνθετων φαινομένων Στατικής και Δυναμικής με πολύ απλά λόγια. Σίγουρα υπάρχουν πολλές απλοποιήσεις, ωστόσο είναι αδύνατον να περιγραφούν αναλυτικά ΟΛΑ τα φαινόμενα που συναντάμε στις παραπάνω σύνθετες καταπονήσεις. Το άρθρο επίσης ΔΕΝ απευθύνεται στους...συναδέλφους μηχανικούς, αλλά στον απλό ποδηλάτη που θέλει να ενημερωθεί για κάποια περισσότερο τεχνικά θέματα. Τα αποτελέσματα των ελέγχων (με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων) είναι ποιοτικά. Σκοπός είναι η απλή μελέτη της συμπεριφοράς και όχι η πραγματική σχεδίαση ενός σκελετού. Για αυτό το λόγο και ο σκελετός δεν αποτελεί πιστό αντίγραφο ενός σκελετού του εμπορίου αλλά έχει αντιγραφεί μόνο η γεωμετρία. Για τον ίδιο λόγο, τα εξαρτήματα που δεν εξετάζονται ως προς τις καταπονήσεις τους είναι υπερδιαστασιολογημένα και οι όποιες παραμορφώσεις τους πρέπει να αγνοούνται.