Nojapyöräfoorumi

Kyssäri insinöörismielisille:

oletetaan että pystyisin hiilikuidusta valmistamaan erilaisia putkia, paineella puristaen lateksiletkuilla muottia vasten (näin ne hiilikuiturungot nykyään tehdään). Mikä olisi vahvin putken poikkileikkaus painoonsa nähden nojakin runkona?

1. kuusikulmio jossa on sisällä kuusi triangelia
2. putki jonka sisässä on toinen putki (R1/R2=2), välissä suorat vahvikkeet
3. perinteinen putki jossa kaikki materiaali on ulkoseinämässä

ilmeiseesti taittovoiman vastustaminen on pääasia, ns. 'etupuomin joustaminen puolelta toiselle'.
alkuun voisi olettaa että kaikki seinämät ovat tasapaksuisia, mutta mikään ei estäisi vaikkapa laittaamaan ulos 5 kerrosta ja sisään (kolmiot, ympyrät) vain yhden kerroksen....

jonain kauniina päivänä teen kevyen hiilikuiturungon.

Taivutusta (ja vääntöä) vastaan on edullisinta sijoittaa materiaali mahdollisimman kauas keskustasta. Tätä rajoittaa kuitenkin ilmiö nimeltä lommahdus, jossa puristuksen- tai leikkauksen alainen seinämä menettää stabiilisuutensa ja lommahtaa, eli tuottaa pintaansa laakean lommon, jolloin jäykkyys voi äkisti pienetä. Tämän lommon ilmaantumisherkkyyteen taas vaikuttaa seinämän paksuus ja pinnan kaarevuus, materiaalijäykkyyden lisäksi. Näistä lähtökohdista vasemmanpuoleinen kuusikulmio putoaa heti pois. Se ei voi olla materiaalitehokas tapa luoda taivutuspalkkia. Pyöreät oikeanpuoleiset ovat sitten vaikeampi arvostella, koska nyt tarvittaisiin tarkka kuormitustilanne, materiaalitiedot, geometriapoikkeamat täydellisestä muodosta, mittakaava ym. Joka tapauksessa arvelisin, että kaksikerroksisen putken edut tulevat esiin vasta paljon suuremmilla putkilla -metrin ja yli halkaisijaisilla- jolloin materiaalikerroksen paksuus olisi vain tuhannesosan luokkaa putken halkaisijasta. Pienemmillä putkilla pyöreä putki, kenties matalilla harjanteilla, mikäli lommahdusvaaraa ilmenee lienee edullisin.

Nämäkin harjanteet lienevät nekin turhia, sillä hiilikuitulaminaatti on erittäin jäykkä materiaali, joka tarkoittaa vähäistä taipumusta lommahdukseen. Pikemminkin kuin lommahdus, taitaa putken seinämän ohentamista rajoittaa käsiteltävyys- ja valmistustekniset vaatimukset. Eihän putken pinnasta saa mennä peukalo heti läpi, kun pyörää pitää nostaa.

Mitenkäs jos tavallisen pyöreän muodon lisäksi sisällä olisi huomattavasti huokoisempaa kuitukerrosta? Vähän niinkun kuplamuovia pienessä mittakaavassa Miten sellanen sitten tehdään onkin toinen kyssäri..

Silloin kun maantiekilpapyörät olivat vielä teräsrunkoisia, valmistustekniikan kehittyessä putkien seinämät menivät niin ohuiksi, että pyörän käsittely oli hankalaa. Pienikin kolhu romahdutti kuormitettavuuden, putken seinämä lommahti tästä epäjatkuvuuskohdasta alkaen. Kokeiltiin jopa rungon pääkolmion putkien paineistamista, se paransi paikallisten kuormitusten kantavuutta.

Rivoitettu tai "rihlattu" seinämä on uskoakseni lujempi kuin vaahdolla "tuettu" seinämä. Kyse on pienen alueen paikallisesta jäykkyydestä lähes pistekuormituksella. No, onhan esim. alumiinista tehty vaahtoa...

Nojailija kirjoitti:

oletetaan että pystyisin hiilikuidusta valmistamaan erilaisia putkia, paineella puristaen lateksiletkuilla muottia vasten (näin ne hiilikuiturungot nykyään tehdään). Mikä olisi vahvin putken poikkileikkaus painoonsa nähden nojakin runkona?

Kun kerran on tarkoitus tehdä naarasmuotit ja uroksena sisällä on lateksi paisumassa niin en tekisi nojakin rungosta yksimuotoista vaan enemmän 3D-mallisen. Helpoiten semmonen syntyy kovasta vaahdosta josta tekisin ensin muodot osille, kaikki kokonaisuutena ja samalla miettisin miten nuo 3D-kurvatuurit tuunaisin että tulee sekä jäykkä että kevyt.

Jos tulee otettua liikaa niin päälle pakkelia tai liimaten uutta vaahtokerrosta. Valmis pinta sitten muottien tekotekniikoin sileäksi ja päälle tekemään urosmuotin osia ja sitten sitä käyttäen lateksilitkulla sisälle tulevia paisuvaisia.

Nojailija kirjoitti:

jonain kauniina päivänä teen kevyen hiilikuiturungon.

Samat haaveet... kunhan ensin saisi päätettyä mistä aloittaisi.

Moi,

Voitais käyttää myös lennokkitekniikka hyväksi.
Hiilikuitu + aramid-hunajakenno + hiilikuitu laminaattia. Hunajakenno taipuu aika hyvin.
http://www.jcrocket.com/nike-asp.shtml

-Imi

joo, hunajakennoa olen käyttänyt cone racessa (ketju alempana). sandwichi lisää jäykkyyttä isossa muodossa kuten katteessa. putkesta en tiedä, jori äänesti sen huonoksi (periaateessa toinen vaihtoehto on sma kuin sandwichi)

Hiilikuiturakenteet ovat yleensä epähomogeenisia, eli esim. tasolevyn pinnan suuntaiset materiaaliominaisuudet poikkeavat pintaa vastaan kohtisuoran suunnan materiaaliominaisuuksista. Periaatteessa tällä voisi olla käyttöä putken ominaisuuksien modifioinnissa/optimoinnissa ... luulisin !?

KPS

samoilla linjolla....yksi idea eri putkimuodoissa on että jos laittaa putken sisälle enemmän materiaalia ja vielä eri suuntaan kuin pinta, pintaa voi ohentaa riskeeraamatta liikaa lommahdusta.

Jori, perustuuko vastauksesi metallurgian vai kuitutietoihin, tms? metallihan on tasavahva kaikkiin suuntiin, kuitu vahva yhteensuuntaan.

Nojailija kirjoitti:

samoilla linjolla....yksi idea eri putkimuodoissa on että jos laittaa putken sisälle enemmän materiaalia ja vielä eri suuntaan kuin pinta, pintaa voi ohentaa riskeeraamatta liikaa lommahdusta.

Jori, perustuuko vastauksesi metallurgian vai kuitutietoihin, tms? metallihan on tasavahva kaikkiin suuntiin, kuitu vahva yhteensuuntaan.

Perustui kimmoteoriaan, jossa ilmiön suhteellista lommahdustaipumusta vastustaa materiaalin jäykkyys ja lommahtavan osan paksuus ja edistää puristus- ja leikkausjännitystila ja kyseisen jännityksen alaisen osan "laakeus".

Materiaalin ortotrooppisuus, eli erilaiset ominaisuudet eri suuntiin (kuitulaminaatti) vaikuttavat hiukan, muttei paljon, jos kuitujen suunnat ovat järkevästi valitut, sillä lommahtava alue on summittain yhtä pitkä kuin leveäkin. Putkimateriaalin ulko- ja sisäpintojen välimatkan (seinämän paksuus) merkitys on erittäin suuri, sillä se kasvattaa lommahduslujuutta materiaalipaksuuden kuutiossa. Siksi seinämän ohentaminen puoleen kahden kerroksen aikaansaamiseksi ei liene viisasta, ellei noita pintoja saada kytettyä toisiinsa riittävän leikkausjäykällä materiaalilla, kuten esim. hunajakennolla. Toisaalta hunajakennokin painaa, joten kennon lisääminen väliin vaatii pinnoista huomattavan materiaalimäärän pois, jotta metripaino ei lisääntyisi, jolloin pistekuorman kestävyys vastaavasti heikkenee.

Jos oikeasti haluat lähteä tuota optimoimaan, on viisainta lähteä ohuimman mahdollisen hiilikuitulaminaattikerroksen paksuuden määrittelemisestä. Sen neliöpaino ja lujuusominaisuudet (kuitujen suunta -laatu ja kuitu-hartsi-suhde) määräävät kaiken muun. Ohuessa laminaatissa on suhteessa huomattavasti enemmän hartsia kuitumäärään nähden.

Suuriulkomittaisen putken jännitykset ovat pyörän rungossa mitättömän suuruisia, eikä jäykän materiaalin kyseessä ollen lommahdusvaara ole kovinkaan suuri. Ohutseinäisen putken pahin ongelma on käsittelynkestävyys. Alumiinisen polkupyörän voisi tehdä lujuuden kannalta oluttölkin seinämän vahvuisista (0,13 mm) putkista. Lujuus ja jäykkyys olisi riittävä ja runko painaisi alle kymmensosan nykyisestä. Tällaisesta putkesta tehtyä runkoa ei kuitenkaan voisi käsitellä ja siihen tulisi lommoja äärimmäisen helposti. Lommoutuneena jäykkyys pienenee melkoisesti. Jokainen voi tähän ilmiöön tutustua täyttä ja tyhjää juomatölkkiä hypistelemällä.

Tuolta kannatta lukea:
http://nojakki.wikispaces.com/Runkoputken+valinta
Sivulta löytyy Pikajalassa julkaistu juttu "Mikä runkoa turvottaa".

Mä lähtisin liikkeelle liitekuvan keskimmäisestä rakenteesta, jossa on kevyt huokoinen materiaalikerros kahden hiilikuituputken välissä. Mutuna rakenne olisi pelkkää putkea (toinen ääritapaus, vasen skissi) lujempi, eikä lommahdus olisi luultavasti ongelma. Toinen ääripää sitten olisi putki täytettynä huokoisella matskulla (oikea skissi). Varioitavina suureina kerrospaksuudet ja huokoisen kerroksen materiaali (ominaisuudet). Melkoinen savotta olisi tarjolla, jos tollaista rupeaisi perusteellisesti tutkimaan (ehkä joku on moisen studyn tehnyt) ... ja sitten on vielä valmistustekniset kysymykset/ongelmat ...

KPS

Ei nähtävästi täysin hahmottunut tekstini idea. Optimoinnin kohteenahan tässä tulee olla saman poikkileikkauspainon omaavat rakenteet, joista valitaan lujin ja jäykin. Juuri tämä oli ideana tuossa Pikajalan artikkelissa. Toki parempi olisi valita tarvittava jäykkyys- ja lujuuskapasiteetti ja etsiä näille kevein rakenne, mutta noin päin työmäärä on suurempi, eikä ole keinoa tietää, mikä tarkkaan ottaen on riittävä lujuus ja jäykkyys.

Tämä huomioiden tuo KPS kuva pitäisi piirtää -tai ainakin tulkita niin- että piirretyn alueen pinta-ala (metrimassa) on kaikissa versioissa sama. Se tarkoittaisi sitä, että kaksikerroksisessa rakenteessa, jossa on välimateriaali, molempien kuorikerrosten paksuus olisi selvästi alle puolet pelkän putken seinämänvahvuudesta. Painaahan se välikemateriaalikin, jos se kerran kykenee kantamaan leikkausvoimia estääkseen lommahdusta. Puhumattakaan tuosta umpiaineisesta, jonka kuoren paksuudeksi ei paljon jää, jos metripaino on kaikilla sama.

Kaksikerroksisuuden ja umpinaisuuden ainoa tarkoitushan on estää lommahdus ja parantaa käsiteltävyyttä. Käsiteltävyyden takia olisi ensiarvoisen tärkeää tietää, miten ohut päälimäinen kerros voidaan valmistaa ja mitkä ovat sen ominaisuudet. Pintakerrokseen ei ole mahdollista saada yhtä suurta hiilikuitupitoisuutta, koska märät kuidut menevät tiiviimmin toistensa lomaan, kuin muotin pintaa vasten. Muotin pinnalle jää väkisinkin enemmän hartsia, samoin laminointipuolelle.

Teoreettisesti tämä putkioptimointi on mielenkiintoinen tarkastelu, mutta polkupyörän tekemisen kannalta runko ja sen suorat osat edustavat varsin pientä osaa kokonaispainosta. Mielestäni tärkeämpää on muotoilla runko niin, että liitokset ja liittyvien osien paino ja aerodynaaminen vastus minimoituu. Ero suorien osien painossa eri rakenteiden kesken on pieni.

jori kirjoitti:

Ei nähtävästi täysin hahmottunut tekstini idea. Optimoinnin kohteenahan tässä tulee olla saman poikkileikkauspainon omaavat rakenteet, joista valitaan lujin ja jäykin. Juuri tämä oli ideana tuossa Pikajalan artikkelissa. Toki parempi olisi valita tarvittava jäykkyys- ja lujuuskapasiteetti ja etsiä näille kevein rakenne, mutta noin päin työmäärä on suurempi, eikä ole keinoa tietää, mikä tarkkaan ottaen on riittävä lujuus ja jäykkyys.

Tämä huomioiden tuo KPS kuva pitäisi piirtää -tai ainakin tulkita niin- että piirretyn alueen pinta-ala (metrimassa) on kaikissa versioissa sama. Se tarkoittaisi sitä, että kaksikerroksisessa rakenteessa, jossa on välimateriaali, molempien kuorikerrosten paksuus olisi selvästi alle puolet pelkän putken seinämänvahvuudesta. Painaahan se välikemateriaalikin, jos se kerran kykenee kantamaan leikkausvoimia estääkseen lommahdusta. Puhumattakaan tuosta umpiaineisesta, jonka kuoren paksuudeksi ei paljon jää, jos metripaino on kaikilla sama.

Ei ollut tarkoitus kommentoida viestiäsi vaan esittää mutuna standardiputkea parempi rakenne.

Luonnollisesti rakenteiden poikkileikkausmassa (tai pituusmassa kg/m) ei ole varioitava suure. Putken / rakenteen ulkohalkaisija voi olla vakioitu tai varioitava. Ehdotukseni on lähinnä sandwich - rakenne putkenmuotoisena ... hämärien muistikuvien mukaan sandwich-rakenteiden kehittelyn motiivina on juuri kevyet mutta jäykät rakenteet.

Mitä tulee kolmikerrosrakenteen osien pituusmassoihin niin eiköhän sisemmän hiilikuituputken pituusmassa jää melko pieneksi (verrannollinen halkaisijan neliöön + riittänee selvästi ohuempi kuin ulompi hiilikuiturööri ???) ... välikerroshan oli speksattu kevyeksi (pintakerroksiin verrattuna).

Komposiittirakenteiden käyttäytyminen lienee hiukka monimutkaisempaa kuin metallien joten ei ole mitään havaintoa miten skissin mukainen rakenne käyttäytyy ... teoreettisesti mielenkiintoista mutta ei vermeitä, eikä osaamista eikä mielenkiintoakaan aihetta kohtaan tämän enempää.

KPS

KPS kirjoitti:

Mitä tulee kolmikerrosrakenteen osien pituusmassoihin niin eiköhän sisemmän hiilikuituputken pituusmassa jää melko pieneksi (verrannollinen halkaisijan neliöön + riittänee selvästi ohuempi kuin ulompi hiilikuiturööri ???) ... välikerroshan oli speksattu kevyeksi (pintakerroksiin verrattuna).
KPS

Speksaaminen on eri asia kuin tekeminen. Olen aiemmissa viesteissäni korostanut juuri ohuimman käyttökelpoisen hiilikuitulaminaatin ominaisuuksien selvittämistä. Se on juuri se, joka määrittää lopulta millainen rakenne on edullisin.

Lisäys 21082014:

Naputtelin kuukkeliin hakusanoiksi Sandwich tubes ja sieltä tuli noin 14.4 miljoonaa "tulosta", joista tuossa alla linkkeinä pari:

http://www.dreamscopes.com/pages/sandwich.htm
http://www.roadbikereview.com/reviews/f ... mg_0284063

KPS

Jäi vielä vaivaamaan jotta kuinka suuri positiivinen vaikutus tommosella rakenteella voisi olla esim. putken taivutusjäykkyyteen, joka taisi pyöreällä röörillä olla verrannollinen mittoihin seuraavasti Rulko ⁴ – Rsisä⁴, Rulko on siis putken ulkohalkaisijan puolikas ja Rsisä puolet sisähalkaisijasta.

Otetaan vertailurakenteeksi ulkohalkaisija 40 mm, seinämän paksuus t = 2 mm hiilikuituputki.

Ja arvataan että sandwich-rakenne olisi optimissaan ekvivalentti jollekin suuremman seinämänpaksuuden omaavalle hiilikuituputkelle (ulkohalkaisija sama 40 mm).

Varioimalla seinämänpaksuutta originaalirakenteen 2 mm ylöspäin 10 mm (ulkohalkaisija 40 mm ja sisähalkaisija 20 mm) saadaan kuvan mukainen käppyrä …. no kaavahan ei ole validi hiilikuidulle ja optimista ei ole mitään havaintoa, mutta tuo on se mitä pienellä vaivalla aiheesta sain irti ...

... perävalotakuulla, KPS