Die onbesonge helde van die fiets, ons dink dit is tyd dat speke die respek kry wat toekom
Hierdie dun draadjies verrig 'n meedoënlose taai werk, en word herhaaldelik gerek en saamgepers met elke enkele omwenteling van ons wiele. Hulle dra ook die versnellingskragte van trap van naaf na wielvelg en dra ook remkragte oor. Hulle rol in die feit dat ons hoegenaamd 'n fiets kan ry, is amper magies - sulke dun stringe wat sulke groot vragte dra. Ons het dus gevoel dat dit hoog tyd is dat die nederige praatjies 'n bietjie krediet kry, waar 'n hele vrag verskuldig is.
'Die genialiteit van die speekwiel is dat dit die dikwels baie groot kragte wat deur die ruiter, fiets en verskillende padoppervlaktes geskep word in hierdie skraal stawe kan oordra, wat elkeen stelselmatig saamgepers word soos die wiel draai en die vragte van een het met 'n ander gepraat, en so gaan dit aan,' sê professor Mark Miodownik, direkteur van die Institute of Making by University College London, skrywer van Stuff Matters, TV-aanbieder en kranige fietsryer. Hy gaan voort: 'Dit is 'n pragtige manier om die gewig, koste en werkverrigting van 'n wiel te optimaliseer.'
Speke, sodra dit onder spanning staan, span in wese die rand vas deur die naaf as die sentrale anker te gebruik. In 'n perfekte wêreld-scenario trek elke speek met gelyke spanning om die vrag eweredig deur die wiel te versprei, terwyl dit ook die velling reg en sirkelvormig hou. Die speke moet die wiel ondersteun teen laterale buiging en vervorming van die velg en ook weerstaan dat die wiel effektief deur vertikale belading (radiale kompressie) vasgedruk word. Geen klein taak nie. Dit is geen wonder dat sedert die koms van die wiel, baie min ander oplossings ondersoek is.
Speakspanning
Nou begin dinge tegnies raak, en jy sal nie alleen wees as wat volg 'n bietjie verwarrend en teen-intuïtief is nie. Daar is hewige meningsverskil oor die vraag of 'n fiets in werklikheid aan die boonste speke hang (dié bokant die naaf as jy die fiets van die kant af sien) of eerder deur die onderste ondersteun word, wat soos piepklein pilare optree.'Laasgenoemde siening, hoe vreemd dit ook al lyk, is definitief die geval,' sê Jim Papadopoulos van Northeastern University se College of Engineering in Boston, VSA, en die mede-outeur van Bicycling Science.
Hoewel dit maklik is om te glo dat 'n fietsspeek bloot sou ineenstort onder die gewig van 'n fiets en ruiter, gaan hy voort om te verduidelik dat die spanning wat in 'n speek tydens die wielbouproses geskep word (genoem 'voorspanning') is wat die onderste speke toelaat om die las te dra sonder om te knik, soos hulle sou as daar geen voorspanning was nie. 'Elke speek op die afgelaaide wiel het 'n spanning van die orde van 100lb [445N]. Wanneer die as na die grond gedruk word met 'n krag van 100lb, is die enigste betekenisvolle effek op speekspanning om dié direk onder die naaf te verminder - tipies verminder 'n mens tot ongeveer 50lb en speke aan elke kant van daardie een verminder tot ongeveer 75lb. Dit is presies wat 'n mens sal sien met soliede houtspeke soos 'n ou wawiel - die onderste een sal 50lb dra en dié aan weerskante daarvan sal 25lb dra. Die verskil met draadspeekwiele is dat 'n draadspeek nie 'n druklas kan dra nie – dit sal ineenstort. Alle speke is dus vernuftig voorgespan. 'n Draad kan nie 'n druklas van 50lb dra nie, behalwe wanneer dit reeds 'n spanningslas dra wat dit oorskry.
‘Natuurlik sal 'n fietswiel ineenstort as die boonste of horisontale speke verwyder word,' voeg Papadopoulos by. 'Maar dit is in wese omdat die veranderde struktuur 'n heel ander laspad het, en boonop nie in staat is om die vereiste voorspanning te verskaf nie. Ons kan nie daardie ineenstorting gebruik om tot die gevolgtrekking te kom dat die tipiese wiel vrag deur die boonste speke dra nie.’ As dit jou kop laat draai, is jy nie alleen nie. Kom ons gaan dus aan na die meer eenvoudige area van speekmateriaal.
Staalspeke
Speke word oorwegend van staal gemaak, 'n keuse van materiaal wat, soos Miodownik ons vertel, 'basies neerkom op die vermoë om 'n betroubare draad te hê. Staaldraad is wonderlik, want selfs met 'n baie klein hoeveelheid bevestigingsarea, soos waar die tepel die speek by die rand vashou, kan jy nogal baie spanning op hulle plaas sonder om die draad te stroop. Vlekvrye staal is die ideale materiaal aangesien dit die regte mengsel van hoë sterkte en lae gewig het, terwyl dit ook bekostigbaar is.’
Vlekvrye staal is sedert die laat 19de eeu die voorkeurmetaal vir speke vanweë sy hoë treksterkte, wat toelaat dat speke relatief dun en liggewig bly terwyl hulle die kragte wat op hulle geplaas word, hanteer. "Sagte staal speke sal twee keer so swaar en dik moet wees," sê Chris Hornzee-Jones, direkteur by strukturele ingenieurs Aerotrope. Hy het die baanbrekende Lotus-koolstofveselbergfiets ontwerp en aan een van die grootste spanspeekwiele gewerk wat ooit gemaak is – die struktuur van 60 m deursnee wat onder die dak van die Millennium Dome opgehang is, wat as platform vir lugpresteerders gebruik word. 'Deur chroom en molibdeen by die yster en koolstof van sagte staal te voeg, is die resulterende vlekvrye staallegering baie meer bestand teen moegheid.’
Moegheid is 'n speek se vyand. As jy dink jou quads word herhaaldelik onder spanning geplaas deur die herhaling van jou pedaalslae, kry dan jammer jou speke, en word met elke wielomwenteling gestamp. Elke speek in die wiel kom net onder drukbelasting vir die breukdeel van 'n sekonde wat dit direk onder die naaf is, en vir daardie oomblik word dit saamgepers voordat die druk afkom en dit na sy normale lengte kan terugkeer. Dit is 'n meedoënlose siklus wat letterlik die ongedaanmaking van 'n swak geboude wiel kan wees.
''n Wiel is soos 'n vermoeiende trapmeul vir speke, wat vir hulle des te moeiliker gemaak word deurdat 'n draad aan die een kant bygevoeg is en [in die meeste gevalle] 'n buiging en/of kop aan die ander kant,' sê Hornzee-Jones. 'Die draad is 'n konsentrator van spanning en die lasoordrag vind meestal deur die eerste paar drade plaas. Wat meer is, die tepel is relatief styf en, aangesien dit loodreg op die rand probeer sit, pas dit selde perfek in lyn met die hoek waarteen die speek kom, wat die oorsaak van bykomende gekonsentreerde spanning kan wees. Aan die ander kant buig die J-buiging fyn en na honderdduisende normale wielrotasies kan enige klein oppervlakfoute, slegs mikron diep en heeltemal onmerkbaar vir die menslike oog, begin oopmaak. Dit is eers 'n stadige proses, maar sal uiteindelik lei tot 'n speek wat breek.’
Aluminium Speke
Staal is egter nie die enigste materiaal wat vir speke gebruik word nie. Mavic en Campagnolo (asook Campagnolo se sustermaatskappy Fulcrum) is lankal voorstanders van aluminiumspeke. Aluminium het een derde van die digtheid van staal, maar ongeveer een derde van die styfheid ook, so speke moet dikker wees, wat beteken dat hulle potensieel minder aërodinamies is, tepels met groter deursnee benodig en, gevolglik, groter gate in die vellings, wat kan verminder randsterkte en styfheid. Aluminiumspeke is ook geneig om 'n reguit-trek-ontwerp te gebruik, aangesien 'n J-buiging in aluminium hoogs waarskynlik sal misluk onder spanning.
Nog 'n beperking is dat aluminium nie so maklik 'n draad vashou nie. Mavic se oplossing is om die tepels direk in die rand te ryg, in plaas van op die speek. Campagnolo stel voor dat hy aluminiumspeke kies wat dieselfde as staalweergawes weeg, maar ter vergelyking die ritgevoel van sy wiele verbeter, maar dit is 'n grootliks subjektiewe saak waarin speke net een rol speel, met bande, vellings en nawe wat ook belangrike spelers speel, laat staan nog die res van die fiets.
Gegewe die verskillende spanning wat speke verduur, lyk koolstofvesel dalk glad nie na 'n waarskynlike keuse nie, maar Mavic, saam met verskeie ander hoë-end wiele handelsmerke, soos Lightweight en Reynolds om twee te noem, het maniere gevind om sy treksterkte in speke te benut, met ooglopende gewigsbesparings op die spel. Mavic se R-Sys SLR, byvoorbeeld, gebruik hol koolstofbuise om styfheid onder spanning en weerstand teen kompressie te verskaf."Die spaakstrek is baie laer as staal of legering omdat koolstof stywer is", sê Mavic se Michel Lethenet. "Omdat hulle buise is, weerstaan hulle kompressie, wat help om die styfheid van die wiel te handhaaf, alhoewel sommige metaaldele benodig word, wat aan elke kant gebind is om die aanhegtings by die rand en naaf te maak." 'n Alternatiewe metode word gebruik in Mavic se Cosmic Carbone Ultimate, waarin lem koolstofspeke van die een kant van die wiel na die ander gaan, met die naafflens verbind en ander speke op pad kruis.
Truth from spin
Daar is 'n paar ander stukkies fietswysheid wat met speke verband hou wat Peter Marchment, materiaalwetenskaplike en direkteur van Hunt Bike Wheels, graag verdryf. ''n Wiel wat 'n dieper velg met korter speke gebruik, word dikwels as 'sterker' gesien, maar dit is gewoonlik te danke aan die inherente ekstra styfheid in die velg,' sê hy.'Baie mense glo ook dat 'n hoër speekspanning beteken dat jy 'n stywer wiel kry, maar dit is nie die geval nie. Wielstyfheid word beïnvloed deur baie dinge behalwe spanning alleen, insluitend speektelling, spanhoek en velgdiepte.
Eintlik sal 'n speek met dieselfde hoeveelheid verleng wanneer dit gelaai word, ongeag die voorspanning wat toegepas word, wat beteken dat die verhoging van die speekspanning nie die wiel stywer maak nie.' Marchment gaan voort, 'Om speke onder die regte spanning te plaas. is deurslaggewend. By uiters hoë spanning is die velling en speke meer geneig om beskadig te word omdat hulle effektief vooraf met 'n hoë krag gelaai word. Maar lae speekspanning is ook 'n probleem, want die tepel is meer geneig om los te kom [ontspan] wanneer hulle ontspan word deur impakte of padvibrasies, wat veroorsaak dat die wiel uit die waarheid kom.’
Wat ook al die spanning en patroon is, daar is 'n groot verskeidenheid speke om van te kies, om nie eens te praat van baie variasies in die kwaliteit van die draad waaruit hulle gemaak is nie. Sapim, een van die voorste spekevervaardigers, vervaardig 300 miljoen speke per jaar en doen inkopies om kwaliteit te handhaaf en mededingend te bly oor sy produkreeks. 'Sestig tot 70 persent van die prys van 'n gewone speek kan in die materiaal wees, so dit is belangrik om dit reg te kry, maar die belangrikste ding vir al ons speke is die werkverrigting van die draad,' sê Sapim se verkoopsbestuurder, Klaus Grüter. 'Ons soek 'n draad wat helder en blink is en wat 'n treksterkte van 1 000 tot 1 050N/mm2 het met goeie moegheidsdata en belangriker, uitstekende korrosiebestandheid.'
Grüter sê vir ons monsters word in die laboratorium getoets vir treksterkte, buig- en wringweerstand. Sodra dit aanvaar is, word die draad van die spoele met 'n masjien reguit en gesny. Gewone maatdraad kan ook in stompe speke gemaak word (waar die sentrale gedeelte smaller gemaak word) deur die draad deur 'n matrys te trek. Sodra dit gestamp is, word die kop van die speek en die J-buiging gesmee en die draad aan die ander kant word gerol (nie gesny nie). Voltooide speke word deur masjienvisiestelsels en deur menslike oog en hand geïnspekteer. Een masjien is in staat om 20 000 stompspeke per dag te maak, wat verduidelik waarom verskillende arbeidskoste min impak op die prys van 'n voltooide spek het en hoekom vervaardigers wêreldwyd teen soortgelyke pryse kan verkoop.
Maar hoekom 'n speek in elk geval stomp? Jonathan Day van Strada Wheels verduidelik: 'Stampspeke is beter om wringkrag te hanteer as gewone meter. Hulle is wyer in die vlak van die wiel, wat die rigting van die torsiekrag is, so daar is meer materiaal om dit te weerstaan. Hulle buig ook 'n bietjie meer in die loodregte vlak, sodat hulle beter is om die druklas oor die wiel te versprei.’
Speekpatroon
Die tradisionele praatpatroon van 'n fietswiel het 32 (of soms 36) speke bestaan, drie keer gekruis. Die verweefde patroon van die speke in 'n tradisioneel ingerygde wiel, ver van net 'n mooi kaleidoskopiese rangskikking, is eintlik 'n funksionele deel van die wielontwerp.
In terme van laterale styfheid laat die punte waar die speke mekaar sny elkeen toe om teen 'n ander te stut terwyl dit onder spanning geplaas word, asook om dit te ondersteun terwyl dit saamgepers word. Die belangrikste rol van die drie-kruis-veterpatroon is in 'n agterwiel, waar die speke trapkrag vanaf die naaf moet oordra. In hierdie geval word die speke met baie groter torsiebelasting gelaai danksy die draaikrag van die dryfstelsel. Speke aan die kassetkant, wat die naaf tangensiaal verlaat, dra 'n roterende krag (wringkrag) van die naaf na die rand oor. Radiale speke (wat 'n pad vanaf die middel van die naaf direk na die rand volg, sonder om 'n ander oor te steek) is baie minder in staat om hierdie tipe laai te hanteer en sal meer geneig wees om te misluk.
Wanneer wringkrag nie 'n probleem is nie, soos op 'n voorwiel met randremme, is dit sinvol om radiale speke te gebruik. Dit bespaar gewig, aangesien die speke korter kan wees en minder nodig is om 'n lateraal stywe wiel te skep. Dit lyk ook goed. Skyfremme veroorsaak egter beduidende torsielading, wat radiale speek alles behalwe onmoontlik maak. "Om die veterpatroon reg te kry is die sleutel, want speke deel die druklading deur teen die bure wat hulle kruis te druk, so speke moet vasgemaak word om leiers of sleepwaens te wees," sê Day. 'Jy moet seker maak dat 'n voorste speek die spanning eerste aan die dryfkant opneem. Op 'n 32-speek wiel wil jy hê 16 voorste speke moet die vrag deel. As jy die veters verkeerd kry, sal jy eindig met net agt wat die werk doen.’
Opmerklik genoeg het praatpatrone een van die mins uitgedaagde aspekte van wielontwerp gebly, ondanks 'n paar massiewe spronge vorentoe in materiale en vervaardigingstegnologie oor die afgelope dekades. Dit is 'n werklik beproefde metodologie en soos die spreekwoord sê, as dit nie gebreek het nie …
