Polkupyörän rungon materiaali

Transkriptio

1 Polkupyörän rungon materiaali Tekijä: Lauri Tuominen Käyttö ja ominaisuudet Polkupyörän runko on pyörän suurin ja tärkein yksittäinen osa, johon renkaat ja muut osat kiinnitetään. Runko on yksiosainen, sekä valmistetaan yleensä kokonaan samasta materiaalista. Polkupyörällä ajettaessa ihmisen massa aiheuttaa runkoon jännitystä, joten rungon halutaan olevan ominaisuuksiltaan tarpeeksi vahvaa kannattelemaan polkijaa. Rungosta ei kuitenkaan voi tehdä paksua teräsrakennetta, sillä se tekisi pyörästä hyvin painavan, joka vaikeuttaisi polkemista sekä pyörän kuljetusta. Polkeminen sekä töyssyt aiheuttavat runkoon vaihtuvaa kuormitusta, joten rungon pitäisi kestää myös väsymystä. Lisäksi rungon olisi hyvä tulisi olla jossain määrin taipuisaa ja kestää muodonmuutoksia mahdollisen törmäyksen sattuessa. Tärkeimmät ominaisuudet rungossa ovat siis riittävä, oikeinlainen vahvuus sekä keveys, kestävyyden kuitenkin ollessa etusijalla. Tarkempi vertailu Toinen tärkeä rungon materiaalin ominaisuus on sen massa. Polkupyörän runko on suurin osa polkypyörässä, joten rungon materiaalin tiheyden olisi hyvä olla mahdollisimman pieni, jotta pyörällä olisi helpompi liikkua sekä se olisi helpommin kuljetettavissa. Kestävyyden puolesta mahdolliset materiaalit, metallit sekä komposiitit otetaan seuraavaksi tarkasteluun. Lopputulos Ominaisuuksiensa perusteella hiilikuidulla vahvistettu muovi on paras vaihtoehto polkupyörän rungoksi. Sen ylivoimainen ominaisuus on pieni tiheys, eikä se häviä paljoa vahvuudessa metalleille. Sen elastisuus on samaa luokkaa kuin titaanilla ja alumiinilla sekä kestää jännitystä suhteellisen hyvin, paremmin kuin alumiini. Ainoina huonoina puolina ovat kustannukset, korkeampi materiaalihinta sekä mahdollisesti myös hiilikuidun hankalampi työstäminen. Yleisesti runko on muodoltaan timantin muotoinen, koostuen kahdesta kolmiosta. Kolmio on todettu tukemaan ja kestämään jännitettä hyvin. Materiaalien kestävyys Polkupyörän rungon tärkeimmät ominaisuudet, vahvuus, väsymyksenkesto jne. rajaavat materiaalivaihtoehtoja suhteellisen paljon Tarkoituksena on pysyä realistisena, joten materiaalit, kuten hiilikuitu (joka olisi tiheys-vahvuus arvoltaan huippuluokkaa), voidaan jättää pois, kun suunnitellaan järkevän hintaista pyörää, sillä sitä on hyvin kallista tuottaa.. Polymeerit, kuten muovi tai silikoni eivät ole tarpeeksi vahvoja materiaaleja rungoksi. Silikoni on liian pehmeää ja se venyisi painon alla. Muoveja on erilaisia, vahvimmasta muovista voisi teoriassa valmistaa tarpeeksi vahvan rungon, joka voisi kannatella ihmistä. Muovi kuitenkin käyttäytyy niin, että kovan iskun saadessaan se murtuu, toisin kuin metalli, joka vääntyy. Jotkin keraamit voisivat toimia kovuutensa ja rasituksenkestävyydensä puolesta, mutta keraamien heikko kohta on niiden hauraus. Materiaalit kuten muovi sekä puu voisivat periaatteessa toimia, mutta tarvitun kestävyyden saavutttamiseksi pitäisi rungon olla paksu-> runko tulisi olemaan myös painava. Polymeerit, keraamit ja puu voidaan siis rajata pois. Kestävyyden perusteella soveltuvimmat materiaaliryhmät ovat siis metallit sekä komposiitit. Ne ovat tarpeeksi jäykkiä sekä kestäviä toimimaan runkona. Kuvaajassa näkyy metalleja ja komposiittimateriaaleja, y- akselina niiden tiheys. Kuvaajasta on jätetty pois materiaalit, joiden murtolujuus ei ylitä 200MPa (harmaaksi värjätyt) Suurimmat tiheydet ovat kullalla, lyijyllä, hopealla, nikkelillä ja prossilla. Ne eivät sovellu rungon materiaaliksi pelkästään suuren tiheytensä perusteella, mutta myös pehmeytensä tai hintansa vuoksi, joten ne voidaan jättää pois rungon materiaalivaihtoehdoista. Metallien puolelta löytyy useampi vaihtoehto terästä, rautaa, titaania ja eri alumiiniseoksia. Polkupyörät ovat ulkokäytössä, eli ne ovat alttiita kosketukselle veden kanssa, eli ruostuminen on todennäköistä. Jos runko valmistetaan metallista, metallin tulee olla ruostumatonta, joten rauta tai teräs eivät ole hyviä vaihtoehtoja. Metalleista soveltuvia ovat siis ruostumaton teräs, titaani sekä alumiiniseokset. Komposiiteistä löytyy yksi varteenotettava ehdokas, CFRP (carbon fiber reinforced polymer) eli hiililkuidulla vahvistettu muovirakenne. Se on tiheydensä puolesta metalleja reilusti edellä. Pelkkä hiilikuitu olisi todella kallis ja pelkkä muovi ei olisi soveltuva, kuten edellä kerrottu, mutta niiden yhdistelmä on toimiva. Material Modulus of Elasticity Tensile Strength Yllä vertailu mahdollisista runkomateriaaleista: metalleista ja CFRP:stä. Hiilikuidulla vahvistettu muovi vaikuttaa näin vertailtuna järkevimmältä vaihtoehdota. Sen tiheys-lujuus vakio on suurin kaikista, se on todella kevyttä ja vahvaa. Density GPa MPa Kg/m^3 Titanium CFRP Al Alloy Stainless Steel Materiaaliryhmiä myötöraja-väsytyksenkesto kuvaajassa. Ellipsit kuvaavat eri materiaaleja ja jokaisen materiaaliryhmän tausta on värjätty eri värein. Kuten kuvaajasta voi lukea, ovat metallit ja niiden seokset sekä komposiitit ovat parhaita ehdokkaita rungoksi kestävyydensä puolesta. Metallien vahvuus johtuu niiden vahvasta metallisidoksesta, jossa atomit ovat pakkautuneet tiiviisti yhteen kidemuotoon. Metalliatomeja pitää yhdessä kova sidos, jota ympäröi ns. elektronipilvi, joka muodostuu kun atomien uloimmat elektronit ovat jaettuja kaikkien muiden atomien kanssa. Vahvat sidokset mahdollistavat sen, että kun metalliin aiheutetaan pieni jännitys, deformaatiota ei heti tapahdu, vaan taivutetut kiderakenteet palaavat takaisin alkuperäiseen tilaansa kun voima on vapautettu metallin päältä. Kuvassa näkyvät materiaalien hinnat. Suurin hinta hiilikuidulla vahvistetulla muovilla, pienin alumiinilla. Nämä hinnat eivät kuitenkaan ole suoraan verrannollisia pyörän hintaan, sillä teräksestä valmistettu runko painaa reilusti enemmän kuin CFRP:stä valmistettu runko. Ero CFRP:n ja titaanin välillä ei loppujen lopuksi ole niin suuri. Mutta hiilikuidunhan piti olla todella kallista? Se onkin kallista, mutta sen osuus materiaalissa on hyvin pieni. Se toimii kuin teräs teräsbetonissa. Vaikka sitä olisi muovissa vähän, se saa muovin reilusti vahvemmaksi ja käyttäytymään eri lailla. [] CES Edupack 206 [2] en.wikipedia.org/wiki/metallic_bonding [3] en.wikipedia.org/wiki/cfrp [4]

2 Tekijä: Niko Kälkäjä Yhteystiedot: Johdanto Polkupyörillä on ajettu jo satoja vuosia, eikä niiden suosio ole laskemassa tulevaisuudessakaan. Polkupyörää on kehitetty siitä asti kun se on keksitty, ja sen teknisiä ratkaisuja sekä valmistusmateriaaleja parantelemalla on päädytty nykyisen kaltaiseen pyörään. Onko täydellinen polkupyörä jo rakennettu? Onko enää kehitettävää? Tässä posterissa pohditaan näitä kysymyksiä pyörän suurimman osan, sen rungon, materiaalivalintojen kautta. 000 Age-hardening wrought Al-alloys Stainless steel 00 Polkupyörän runko nykyään Pyörän rungolla on suuri merkitys koko polkupyörän ominaisuuksiin. Liian jäykkä runko saattaa esimerkiksi vaikuttaa ajomukavuuteen huonontavasti. Perinteisiä rungon materiaaleja ovat ruostumaton teräs ja muut terässeokset. Myös titaania käytetään jonkin verran, mutta sen työstäminen on vaikeampaa, jonka takia titaani rungot ovat kalliimpia. Nykyisin yleisin rungon materiaali on alumiini, sen keveyden vuoksi, vaikka todellisuudessa alumiini runkoon on riittävän jäykkyyden saamiseksi käytettävä paksumpaa putkea, jolloin paino ero teräkseen jää pieneksi. Myös komposiitti runkojen valmistus on nykyään suuressa kasvussa. Varsinkin kilpakäyttöön tarkoitetuissa pyörissä hiilikuiturungot ovat yleistyneet, niiden keveyden, lujuuden sekä jäykkyyden vuoksi. Myös muita materiaaleja on käytetty. Esimerkiksi Ruotsissa on valmistettu muovirunkoista pyörää, tosin sen suosio on jäänyt pieneksi. Myös puurunkoisia pyöriä on olemassa. [] Hardness - Vickers (HV) 0 CFRP, epoxy matrix (isotropic) Composites Density (kg/m^3) Kuva 3. Kuvassa vertaillaan komposiittien ja metalliseosten kovuutta suhteessa tiheyteen. Kuva. Perinteisen mallinen polkupyörän runko. [2] Oleelliset ominaisuudet Polkupyörä voi olla tarkoitettu moneen eri käyttöön, ja sen käyttökohde vaikuttaa ominaisuuksiin, joita sen rungolta vaaditaan. Lähes kaikki pyörät on tarkoitettu pääosin ulkokäyttöön, joten rungon on kestettävä hyvin korroosiota. Valmistusmateriaalin tulee olla tarpeeksi kovaa ja jäykkää, jotta se kestää sille tarkoitetun käytön. Runko ei saa olla kuitenkaan liian jäykkä, jotta pyörällä ajaminen on mukavaa. Varsinkin maastossa ajettaessa runkoon kohdistuu paljon tärinää ja iskuja, eikä se saa olla liian jäykkä. Myös rungon paino on otettava huomioon, liian raskasta pyörää ei halua ajaa kukaan. Painoon pystytään toki vaikuttamaan myös muuten kuin materiaalivalinnoilla. Polkupyörän rungot valmistetaan yleensä ontoista putkista, mikä vähentää materiaalin määrä ja näin myös painoa. Myös työstettävyys on tärkeä ominaisuus, materiaalista pitää saada kohtuullisella vaivalla valmistettua toimiva pyörän runko. Kaikki nämä ominaisuudet vaikuttavat tietenkin hintaan, mikä ei saa nousta liian korkeaksi. Normaalille yleispyörälle tärkeimpiä ominaisuuksia ovat sopiva kestävyys, korroosion kesto ja hinta, kun taas esimerkiksi kilpapyörässä tärkeintä on keveys ja kestävyys, eikä hinnalla ole niin suurta väliä. Puhdas alumiini olisi hyvä materiaali keveytensä vuoksi, mutta sitä ei voida käyttää sen pehmeyden vuoksi. Kolmevaiheisen lämpökäsittelyn avulla alumiinista saadaan kuitenkin aikaan hyvin kestävä ja silti kevyt metalli. Kuvan 3. kuvaajasta nähdään että tällaisen käsitellyn alumiinin (Age-hardening wrought Al-alloys) kovuus on jopa yhtä suuri kuin ruostumattoman teräksen, mutta sen tiheys on monta tuhatta kiloa kuutiometriä kohden pienempi. Tämä on varmasti yksi syy miksi alumiini on vakiintunut nykyisten pyörien rungoissa lähes standardi materiaaliksi. Kuvasta 4 nähdään myös, että lämpökäsitelty alumiini on jopa halvempaa kuin ruostumaton teräs, toki muita pyörän rungoksi sopivia metalliseoksia on saatavilla halvemmalla. [4] Komposiitit Komposiiteilla tarkoitetaan kahden tai useamman materiaalin yhdistelmää, jossa ne eivät ole kuitenkaan sulautuneet yhteen. Tällöin materiaalin hyvällä suunnittelulla voidaan maksimoida kahden materiaalin hyödyt ja minimoida haitat. [5] Polkupyörien rungoissa on yleistynyt hiilikuitu joka on hiilisäikeistä valmistetulla kudoksella vahvistettua muovia. [6] Koska metalleja ei ole käytetty, kestää hiilikuituinen pyörän runko hyvin korroosiota. Hiilikuitua käytettäessä Pyörän paino saadaan minimoitua, menettämättä kuitenkaan materiaalin lujuutta. Vaikka hiilikuitu onkin lujuudeltaan hyvää, ei se ole yhtä 00 CFRP, epoxy matrix (isotropic) kestävää kuin esimerkiksi alumiininen runko. Metalliseoksista poiketen komposiitin lujuusominaisuudet ovat eri suuntiin erilaiset. Tämä voi aiheuttaa murtumista tietynlaisessa rasituksessa. Hiilikuitu ei ole myöskään yhtä kestävä iskuja vastaan kuin metallit. Kuvasta 3. nähdään, että hiilikuidun (CFRP, epoxy matrix) lujuus on hieman pienempi kuin lämpökäsitellyn alumiinin, mutta se on myös lähes puolet kevyempää. Yksi suuri ongelma hiilikuidun käytössä on sen hinta. Kuvasta 4. nähdään, että hiilikuidun hinta on huomattavasti alumiinia korkeampi. Tämän takia komposiitti runkoja käytetään vielä nykyään pääosin kilpapyörissä, joissa keveydestä ollaan valmiita maksamaan. Yhteenveto Ainakin vielä vaikuttaisi siltä, että alumiini runko on paras vaihtoehto useimpiin pyöriin sen kestävyyden, keveyden ja hinnan vuoksi. Hiilikuitu on hyvä vaihtoehto, jos hinnalla ei ole niin suurta merkitystä. Tulevaisuudessa hiilikuidun hinta saatta laskea, jolloin se yleistyy pyörien rungoissa. Myös kokonaan uusia materiaalivaihtoehtoja voidaan keksiä, jolloin koko pyörien valmistus voi mullistua. Tällä hetkellä kuitenkin järkevin vaihtoehto normaaliin arkipolkupyörän runkoon on alumiini. Price (EUR/kg) 0 Stainless steel Age-hardening wrought Al-alloys Kuva 2. Metallisidos. [3] Metalliseokset Metalleilla kuten alumiinilla ja teräksellä on monia yhteisiä ominaisuuksia, kuten kovuus ja helppo muokattavuus. Nämä ominaisuudet johtuvat metallisidoksista. Metallit eivät ole atomi tasolla suuntautuneita, ja niillä on paljon vapaita elektroneja. Suuntautumattomuudesta johtuu metallien helppo muokattavuus, sillä sidokset ovat yhtä vahvoja joka suuntaan eikä metalli näin ollen murru helposti. Metalleja on myös helppo hitsata, mikä helpottaa polkupyörän rungon rakentamista, sillä se valmistetaan erillisistä putkista. Useimmat metallit ovat alttiita korroosiolle, ja tämän takia on rungon valmistus materiaali valittava huolellisesti. Korroosion sietokyky on yksi ominaisuus minkä takia juuri ruostumaton teräs ja alumiini ovat valikoituneet yleisiksi rungon valmistus materiaaleiksi. Vaikka polkupyörän runko valmistetaankin ontoista putkista, voivat jotkut metallit olla liian raskaita tähän tarkoitukseen. Kuva 4. Komposiittien ja metalliseosten hintavertailua. [] [2] [3] 6/kk/tsa/metallisidos/a:file/photo/4e e502ff9c723c4255ae6 fc6cb9f/addgateway_metallicbonding.gif [4] [5] [6]

3 Tekijä: Tomi Grönroos Kuva. Polkupyörä Yleisesti pyörän rungosta Polkupyörän runko muodostuu kahdesta liitetystä kolmiosta, etu- ja takakolmiosta. Timanttimallisella muodolla pyritään jakaa paino mahdollisimman tasaisesti etu- ja takarenkaalle. Muuttamalla pyörän geometriaa ja kolmioiden kulmia voidaan saada suuria muutoksia ajoasentoon ja ajotuntumaan. [] Polkupyörän rungossa käytetyllä materiaalilla on suuri vaikutus pyörän hintaan ja painoon, joita voidaan pitää tärkeimpinä kriteereinä pyörää valitessa. Pyörän rungossa voidaan käyttää monia erilaisia materiaaleja ja/tai materiaaliyhdistelmiä. Yleisimpiä rungossa käytettäviä materiaaleja ovat nykyään alumiini, teräs ja hiilikuitu, mutta muitakin materiaaleja käytetään. Rungon materiaalivalinta riippuu täysin pyörän käyttötarkoituksesta. Maantiepyörän tulee olla mahdollisimman kevyt ja vahva, mutta myös joustava, kun taas tavallisessa käytössä olevan pyörän runko voi olla lähes mitä vain kestävää materiaalia. [2] Materiaalilta vaadittavat ominaisuudet Polkupyörän rungolta vaaditaan kestävyyttä, jäykkyyttä ja keveyttä. Pieni jousto on myös suotavaa. Parhaiten näihin vaatimuksiin soveltuvat alumiini, teräs, titaani ja hiilikuitu [4]. Myös puuta, bambua ja muovia on kokeiltu rungon materiaalina, mutta ne eivät ole saavuttaneet kovin suurta suosiota []. Polkupyörän käyttö määrittää mitä näistä materiaaleista on parasta käyttää. Tutkitaan jatkossa pyörän runkoa yleisesti, eikä perehdytä syvemmin rungon käyttötarkoituksen vaatimiin ominaisuuksiin. Tavallisessa arkikäytössä olevalta pyörältä odotetaan kestävyyttä. Rungon tulisi kestää vuosia sään armoilla niin vesisadetta, kylmyyttä kuin lämpöä. Rungon painolla ei ole juurikaan merkitystä arkikäytössä, mutta ajatellaan keveyden olevan plussaa. Käytettävä materiaali ei voi olla kovinkaan kallista, jottei rungon hinta nousisi liian suureksi. Hyvän pyörän hinta on noin euroa, josta runko voi maksaa enimmillään puolet [5]. Miksi rungot ovat yleensä metallia? Kuten kuvasta 2 nähdään ovat metallit ja metalliseokset mekaanisilta ominaisuuksiltaan kestävimpiä. Niiden vetolujuudet ja Youngin moduulit ovat huomattavasti suurempia kuin esimerkiksi muoveilla. Metallien kilohinta on myös erittäin kilpailukykyinen. Pyörien rungoissa käytetyt ja 7000-sarjan alumiinit maksavat reilun 2,00EUR/kg, kun taas esimerkiksi CFRP epoksin kilohinta on lähes 40EUR. Vaikka metallit ovat painavampia kuin esimerkiksi puu, ovat ne silti parempia materiaaleja pyörän rungon valmistukseen. Puun työstö, kestävyys ja jäykkyys ovat huomattavasti metalleja heikompia. Käytetyimmät runkomateriaalit Nykyisin rungon yleisin valmistusmateriaali on alumiini []. Parhaat alumiinirungot valmistetaan tai 7000-sarjan alumiinista, jossa pääseosaineina on sinkki ja magnesium sarjassa noin,2% Mg ja 0,25% Zn sarjassa noin 4-9% Zn ja -3% Mg. Yleisin rungoissa tavattava numeroyhdistelmä on Lisäksi numeroyhdistelmän yhteydessä on usein myös T6, tai vastaava kirjain/numero yhdistelmä, jossa kirjain T kertoo, että alumiini on lämpökäsitelty ja numero 6, että alumiini on keinotekoisesti vanhuutettu. Vanhuuttaminen on metallille tehtävä lämpökäsittely, jonka seurauksena metallista saadaan kevyt ja kestävä [6] sarja alumiini kuuluu siis lämpökäsittelyllä lujitettujen alumiiniseosten ryhmää. n pienen kimmokertoimen (68-80GPa) takia joudutaan riittävän jäykkyyden aikaansaamiseksi käyttämään suurempia runkoputkien aineenpaksuuksia ja halkaisijoita kuin teräsrungoissa. Tämän seurauksena alumiinirungot eivät, alumiinin keveydestä huolimatta (tiheys 2,5e3-2,9e3 kg/m^3), saavuta rungon painossa huomattavaa etua. [4] Teräs Pyörän runkomateriaalina käytetty kromi-molybdeeni teräsputki on ominaisuuksiltaan lujaa ja sitkeää, mutta sen ominaispaino (tiheys 7,8e3-7,9e3 kg/m^3) on muita runkomateriaaleja suurempi. Teräksellä on suuri kimmokerroin ( GPa), jonka ansiosta teräksestä pystytään valmistamaan ohuempi seinämäisiä putkia, kuin alumiini- ja titaanirungoissa. Lisäksi runkoputket voidaan ohentaa siten, että niiden seinämäpaksuus vaihtelee eri kohdissa. Optimoitujen putken seinämäpaksuuksien ansiosta eivät teräsrungot juurikaan häviä painovertailussa alumiini- ja titaanirungoille. Myös halvempaa terästä, joka yleensä ilmoitetaan merkinnällä Hi-Ten (High Tensile Steel), käytetään monissa halvemmissa pyörissä. [4] Hiilikuitu Hiilikuitua voidaan kuvata ominaisuuksilla luja, kevyt (tiheys,5,6 kg/m^3) ja jäykkä. Hiilikuidusta pystytään valmistamaan kahdentyyppisiä pyörän runkoja: niin sanottuja kotelorunkoja ja putkirunkoja. Kotelorungot valmistetaan muottiin valamalla, kun taas putkirungot valmistetaan muottien päälle kierretyistä sopivan paksuisista kuituputkista. Putkirungoissa valitaan kuitujen optimaalinen suunta sen mukaan, mihin kohtaan runkoa putki sijoitetaan. Oikein valmistettuna hiilikuituputkinen runko onkin erittäin tukeva. Mahdollisen ongelmakohdan hiilikuituputkisissa rungoissa muodostuu putkien liitoskohdista, joissa usein käytetään liimausta. Muottiin valetuissa kotelorungoissa ei liittämisongelmaa sen sijaan ole. Hiilikuitu on myös suhteellisen hintavaa (hinta 34,3 38, EUR/kg) verrattuna alumiiniin tai teräkseen. [4] Titaani Pyörän rungoissa yleisesti käytetty titaaniseos on Ti-3Al-2,5V. Tämä ei ole, muutamia lentokonesovellutuksia huomioon ottamatta, yleisesti käytetty titaaniseos. Sillä on kuitenkin huomattavia ominaisuuksia muihin titaanilaatuihin verrattuna, kuten että sen lujuus ja mekaaniset ominaisuudet ovat huomattavasti paremmat kuin teollisuustitaanien ja muiden titaaniseosten, se on hyvä hitsattavaksi, sen korroosion kestävyys on yhtä hyvä kuin puhtaalla titaanilla, sillä on kuormituskestävyyttä, ominaispainoa ja hintaa ajatellen paras hintahyötysuhde ja se voidaan kuumamuokata levyiksi, tangoiksi, rimoiksi. Titaani on kuitenkin todella kallista hinta(8,6 20,6 EUR/kg) verrattuna alumiiniin tai teräkseen. [4] Mistä materiaalista saadaan paras pyörän runko? Pyörän materiaalia kannattaa harkita käyttötarkoitukseen sopivaksi. Mikäli tarvitsee metsäpolulle kovaa rasitusta kestävän pyörän kannattaa runkomateriaalia valitessa kiinnittää huomiota materiaalin mekaanisiin arvoihin, kuten murtolujuuteen ja kimmokertoimeen, ja jättää rungon paino pienemmälle arvolle. Maantielle kilpakäyttöön tulevan pyörän tulisi taas olla mahdollisimman kevyt, eikä sen tarvitse kestää niin suuria rasituksia, kuin maastopyörän. Itselle runkoa ostaessa painottaisin rungossa keveyttä ja hintaa. Arkikäytössä pyörään ei kohdistuisi suuria voimia, joten materiaalin lujuuksilla ei juuri olisi merkitystä. Kevyt runko taas helpottaisi polkemista. Näillä preferensseillä ja CSE-ohjelman arvoilla saataisiin SMAA-ohjelmalla [7] alumiinista paras runko. Kuva 4. SMAA Kuva 5. SMAA [] Anonyymi, [2] Anonyymi, katsottu [3] Anonyymi, katsottu [4] Tomi Eloranta, Julkaistu Fillari-lehdessä 3/2000, katsottu [5] Salla Syvänen, Yleisradio, katsottu [6] AZoM, katsottu [7] Tommi Tervonen, SMAA, smaa.fi, katsottu Tungsten carbides 000 Technical ceramics CFRP, epoxy matrix (isotropic) Technical ceramics 00 Non-technical ceramics Concrete Composites Low carbon steel Tungsten alloys 000 Low alloy steel Silver Gold Natural materials 00 Age-hardening wrought Al-alloys GFRP, epoxy matrix (isotropic) Young's modulus (GPa) 0 0, 0,0 Foams Bamboo Composites Polymers Elastomers Yield strength (elastic limit) (MPa) 0 0, Non-technical ceramics Foams Polyetheretherketone (PEEK) Polymers 0,00 Elastomers 0,0 e-4 0, Tensile strength (MPa) Kuva 2. Materiaalien ominaisuuksia 0,0 0, Price (EUR/kg) Kuva 3. Materiaalien hintoja suhteessa myötörajaan

4 Tekijä: Lauri Pöyry Yhteystiedot: Vaatimuksia Materiaaliryhmän valinta Polkupyörien runkoja valmistetaan nykyisin monista eri materiaaleista ja rungolta vaaditaan tiettyjä ominaisuuksia. Tärkeimpinä ominaisuuksina pidetään rungon lujuutta, painoa sekä jäykkyyttä. Materiaalin tulisi myös olla sellaista, että valmistuskustannukset pysyvät kohtuullisina []. Näihin rungon ominaisuuksiin vaikuttaa tietysti myös rungon muoto, mutta pyritään tässä työssä vertailemaan eri materiaaleja nimenomaan niiden materiaaliominaisuuksien kannalta. Näissä ominaisuuksissa keskitytään mekaanisiin ominaisuuksiin, joihin vaikuttavat pääasiassa atomien väliset sidokset, aineen rakenne mikrotasolla sekä mahdolliset hilavirheet. Etsitään siis materiaalia, joka on sekä lujaa, jäykkää että kevyttä. Aloitetaan tarkastelemalla eri materiaaliryhmiä ja vertailemalla niitä keskenään. Metallit Metalleissa atomit ovat sitoutuneet toisiinsa metallisidoksilla ja ne ovat järjestäytyneet hallitusti. Ne saattavat myös sisältää metallien lisäksi pieniä määriä muitakin aineita. Materiaaleina ne ovat lujia sekä suhteellisen jäykkiä. Sitkeys on myös yksi niiden ominaisuuksista Ne ovat myös yleensä tiheydeltään suurempia ( raskaampia) kuin muut materiaalit. [2] Kuva. Dislokaation liikkeen estyminen raerajalla Metalliatomien väliset metallisidokset ovat suuntautumattomia sidoksia, joissa elektronit ovat delokalisoituneet. Näiden elektronien vapaa liikkuminen tekee metalleista sitkeitä. [3] Metallien ominaisuudet selittyvät yksittäisten metallisidosten lisäksi niiden mikrorakenteella. Metalliatomit muodostavat kiteitä eli rakeita, joiden suunnat ovat satunnaisia. Näiden rakeiden liittyessä toisiinsa muodostuu raerajoja. Nämä raerajat lisäävät lujuutta, koska dislokaatiot eivät pääse etenemään niiden ylitse. Myös erilaiset hilavirheet vaikeuttavat dislokaatioiden liikettä ja metallien lujuuteen voidaankin vaikuttaa muokkaamalla aineen mikrorakennetta esim. lämpökäsittelyllä. Keraamit Keraamit ovat metallien ja muiden aineiden yhdisteitä. Keraameissa eri atomit ovat sitoutuneet toisiinsa joko kovalenttisella sidoksella tai ionisidoksella. Nämä ovat metallisidoksia voimakkaampia ja atomit muodostavat kiderakenteita, jotka ovat yleensä metallien kiderakenteita monimutkaisempia. Kuten metallit, keraamit ovat myös jäykkiä ja lujia. Ne ovat myös todella kovia materiaaleja, mutta hauraita. [2] Keraamien jäykkyys ja lujuus selittyy niiden kiderakenteella ja atomien välisillä voimakkailla sidoksilla. Kovalenttiset sidokset ovat lujia ja suuntautuneita, mikä tekee materiaaleista hauraita, eli sidokset katkeavat ennen plastista deformaatiota. [3] Polymeerit Polymeerit ovat usein orgaanisista yhdisteistä muodostuneita ja niillä on suurikokoinen molekyylirakenne. Polymeerit ovat pienempien monomeerien muodostamia ketjuja, joissa yksittäisten atomien väliset sidokset ovat kovalenttisia (muitakin vahvoja sidoksia voi esiintyä). Monomeerit ovat taasen liittyneet toisiinsa suhteellisen heikoilla Van der Waals voimilla. Polymeerit poikkeavat ominaisuuksiltaan paljonkin metalleista ja keraameista. Ne eivät ole lujia taikka jäykkiä, mutta niiden tiheys on pienempi ( kevyitä). Ne ovat myös sitkeitä ja taipuisia.[2] Kuva 2. Keraamien haurausmurtumia erilaisten voimien vaikutuksesta Kuva 3. Polymeerien erilaisia rakenteita Polymeerien ominaisuuksiin on suuri vaikutus Van der Waals voimilla, jotka perustuvat varauksien hetkelliseen epätasapainoon atomien ja molekyylien välillä. [3] Polymeerien kesken ominaisuudet vaihtelevat niiden rakenteen perusteella. Polymeerit voivat olla lineaarisia, haaroittuneita tai ristiinlinkittyneitä. Lineaarinen rakenne on joustava, kun taas ristiinlinkittynyt rakenne on kova. Haarautuneella rakenteella on pienempi tiheys, mutta se ei ole lujaa. Kun vertaillaan eri materiaaliryhmiä CES Edupack materiaalivalintaohjelmalla, huomataan että metallit ja niiden seokset ovat selvästi parempia täyttämään halutut vaatimukset kuin muut materiaaliryhmät. Niillä on yleensä korkea myötöraja (lujuus) ja kimmokerroin (jäykkyys). Vaikka myös keraameihin kuuluu sekä lujia että jäykkiä materiaaleja, niiden hauraus (matala murtolujuus) on tässä käyttötarkoituksessa suuri ongelma. Polymeerit ovat muihin valmistusmateriaaleihin verrattuna selvästi heikompia, koska suuri lujuus ja jäykkyys eivät ole niille ominaisia. Metallien ainoa huono puoli on niiden selvästi suurempi tiheys muihin materiaaliryhmiin verrattuna. On kuitenkin otettava huomioon yhteys tiheyden sekä muiden mekaanisten ominaisuuksien välillä. Mikäli polkupyörän rungossa käytetty materiaali on kevyttä, muttei tarpeeksi jäykkää, voi olla, että riittävän jäykkyyden aikaansaamiseksi joudutaan rungosta tekemään paksumpi. Tässä tilanteessa ei välttämättä voiteta rungon kokonaispainossa paljoakaan[4]. Valitaan siis metallit ja niiden seokset materiaaliryhmäksi, josta runko tullaan valmistamaan. Valinta eri metallien välillä Polkupyörien rungoissa yleisesti käytettyjä metalleja ovat teräs, alumiini ja titaani. Koska rungosta halutaan kevyt, kestävä sekä edullinen, joudutaan väistämättä jostakin ominaisuudesta tinkimään. Teräs on lujaa, jäykkää ja edullista, mutta raskasta. Titaani on lujaa ja se asettuu painossaan sekä jäykkyydessään terästen ja alumiinin välimaastoon, mutta se on kallista. häviää lujuudessaan ja jäykkyydessään kilpailijoilleen, mutta voittaa ne keveydessään. Koska alumiini on kevyempää kuin teräs ja titaani, voidaan sillä saavuttaa rungossa vastaava jäykkyys kuin kilpailijoillaan, koska rungon rakenteesta voidaan tehdä paksumpi. Valitaan siis lähempään tarkasteluun 606-T6 alumiini, joka on melko yleisesti käytetty polkupyörän runkomateriaali. 606-T6 alumiini on % alumiinia ja sisältää mm. magnesiumia, piitä, rautaa ja kuparia. Magnesium parantaa alumiinin lujuutta ja kovuutta, pii alentaa sulamispistettä ja se saa yhdessä magnesiumin kanssa aikaan karkenevia seoksia joiden korroosionkestävyys on hyvä.[4] 606-T6 alumiinin lujuutta on lisätty keinotekoisesti vanhentamalla sitä erkautuskarkaisulla. Ensiksi suoritetaan liuotushekutus, jossa seoksen aineet kuumennetaan niin että ne muodostavat yhtenäisen faasin. Seuraavaksi seos jäähdytetään nopeasti, niin että liuenneet Kuva 6. Lämpökäsittelyn vaiheet aineet eivät muodosta keskenään yhdisteitä, vaan pysyvät alkuainemuodoissa. Syntynyt liuos on ylikylläinen ja seosaineet pyrkivät ajan kuluessa erkaantumaan yhdisteiksi (vanhenemaan). Lopuksi tätä ylikylläistä liuosta lämmitetään vanhenemisen nopeuttamiseksi.[5] Tässä keinovanhentamiseksi kutsutussa prosessissa alumiiniseoksen rakenteeseen muodostuu erkaumia, jotka vaikeuttavat dislokaatioiden liikettä, lisäten materiaalin lujuutta. Hyödyt ja ongelmat Kuva 5. Materiaalien myötöraja kimmokertoimen funktiona Kuten aiemmin mainittiin alumiini keveys mahdollistaa paksumman runkorakenteen, jolla pystytään korvaamaan sen puutteita jäykkyydessä ja lujuudessa. Paksumpi rakenne kuitenkin tarkoittaa, ettei välttämättä rungon painossa voiteta paljoakaan. myös väsyy muita vaihtoehtoja nopeammin, ja sen käyttöikä vaihtelee rungon rakenteesta riippuen. Tässä joudutaan jälleen tinkimään pyörän keveydessä, mikäli halutaan nostaa sen käyttöikää. Mikäli valmistuskustannuksia ei huomioitaisi, ja valmistettaisiin ainoastaan mekaanisilta ominaisuuksiltaan paras runko, valitsisin materiaaliksi titaanin, taikka jonkin komposiitin. kuitenkin vaikuttaa olevan hyvä kompromissi lujan, mutta raskaan teräksen, ja kevyen, mutta kalliin titaanin väliltä. Komposiitit Komposiitit eivät ole käytännössä yksittäinen materiaaliryhmä, koska ne koostuvat kahdesta tai useammasta eri materiaalista. Niissä yhdistetään metalleja, keraameja ja polymeerejä keskenään, jotta saadaan aikaan ominaisuuksiltaan tietynlainen lopputulos. Komposiiteissa eri materiaaleja on yhdistetty makrotasolla toisiinsa. Tämä mahdollistaa sekä lujien että kevyiden materiaalien luomisen. Usein komposiitit koostuvat kahdesta faasista, joista toinen on jatkuvaa ja ympäröi toisen faasin osasia. Kuva 4. Eri faasit komposiitissa [] M. F. Ashby, Kara Johnson Materials and Design: The Art and Science of Material Selection in Product Design. Butterworth-Heinemann. 33 s. [2] William D. Callister, Jr. David G. Rethwisch Materials Science and Engineering: An Introduction, 8th Edition. John Wiley and Sons. 992 s. [3] Taina Vuoristo, Juha Nykänen Teoreettinen tausta. [Viitattu: ]. Saatavissa: [4] Taina Vuoristo, Juha Nykänen [Viitattu: ]. Saatavissa: [5] AZoM Age Hardening Metallurgical Processes. [Verkkolehti]. [Viitattu: ]. Saatavissa: Kuvat, 2, 3 ja 4. William D. Callister, Jr. David G. Rethwisch Materials Science and Engineering: An Introduction, 8th Edition. John Wiley and Sons. 992 s. Kuva 5. CES EduPack 204, Granta Design, Englanti [Viitattu ] Kuva 6. A.M.A. Mohamed and F.H. Samuel (202). A Review on the Heat Treatment of Al-Si-Cu/Mg Casting Alloys, Heat Treatment - Conventional and Novel Applications, Dr. Frank Czerwinski (Ed.), InTech, DOI: / [Viitattu: ]. Saatavilla:

5 materiaalit Tuukka Yrttimaa Polkupyörästä Ensimmäinen polkupyörä valmistettiin täsmälleen 200 vuotta sitten, kun saksalainen keksijä Karl von Drais julkisti swiftwalker nimellä tunnetun polkupyörän ensiversion. Pyörässä ei ollut varsinaisia pedaaleja, vaan sitä potkittiin jaloin eteenpäin, ja niin runko kuin renkaat olivat valmistettu puusta. Vuonna 888 polkupyörään keksittiin lisätä ilmatäytteiset renkaat ja samalla onnistuttiin keventämään laitetta merkittävästi. Vastaavasti puurungon korvaajaksi yritettiin löytää kevyempiä ja kestävämpiä materiaaleja ajo-ominaisuuksia parantamiseksi. Tyypillinen runkomateriaali oli teräs, joka oli kestävää mutta samalla pyörän paino nousi helposti kiloon. (Science of cycling, 206) Kuva. n atomimalli Vaatimukset rungolle Pyörän rungon tulee olla paitsi kevyt, myös luja. Materiaalien tulee olla sellaisia, jotka eivät saa pysyviä muodonmuutoksia normaalikäytössä. Näin ollen liian plastiset materiaalit on suljettava pois. Toisaalta liian kovien ja hauraiden materiaalien kohdalla voidaan päätyä murtumiin. Parhaassa tapauksessa materiaali toimii itsessään iskun- ja tärinänvaimentimena säilyttäen ominaisuutensa ja muotonsa. Tästä hyvä esimerkki on titaani. Kuva 2. Pyörän alumiinirunko Keveys liittyy vaatimuksena ennen kaikkea ajo-ominaisuuksiin, sillä kevyempää pyörää on helpompi hallita. Myös materiaalivalinnassa kiinnitettään ennen kaikkea huomiota keveyteen, kunhan vain saavutetaan riittävän luja rakenne. Kuva 3. Pintakeskinen kuutiohilan rakenneoppi Mahdolliset runkomateriaalit ryhmittäin. Metallit Metallien soveltuvuus polkupyörän runkoon perustuu pitkälti niiden kemiallisesta hilarakenteesta, joka mahdollistaa tietyt ominaisuudet, rakenteen ja muokattavuuden. Parhaiten metalleista käyttökohteeseen soveltuu teräs, alumiini ja titaani, joita on käsitelty alla. Teräs Yhä edelleen erilaiset teräksen muodot ovat käytetyimpiä polkupyörien rungoissa. Teräksen lujuutta on onnistuttu kasvattamaan ja näin ollen seinämäpaksuuksia pienentämään, jolloin on saavutettu huomattavasti kevyempiä rakenteita. Teräksen suosio perustuu sen hyvään saatavuuteen, edullisuuteen, muokattavuuteen, sitkeyteen, lujuuteen ja jo pitkään tutkittuun rakenteeseen. Teräkseksi kutsutaan kaikkia sellaisia rautaseoksia, joissa on alle,7% hiiltä (Lindoos, 986). Hiilipitoisuus vaikuttaa merkittävästi teräksen ominaisuuksiin kuten lujuuteen ja muokattavuuteen, joten se on yksi keskeinen luokitteluperuste. Myös mikrorakenne riippuu täysin hiilipitoisuudesta. Käsitelty oikealla 2. Keraamit Keraameihin kuuluu suuri joukko erilaisia epäorgaanisia ja epämetallisia yhdisteitä, myös erilaisia metallien oksideja, karbideja ja nitridejä. Keraamien kimmomoduli riippuu keraamin sidostyypistä, mutta on metallien luokkaa tai suurempi. Soveltuvuus pyörän runkoon on heikko keraamien lujuusominaisuuksien vuoksi, sillä niillä ei esiinny lainkaan plastista muodonmuutosta jännityksen kasvaessa, vaan materiaali murtuu. Sen sijaan keraamit ovat hyvin kovia metalleihin verrattuna, ja soveltuvat siten vaikkapa hioma-aineiksi tai vaikkapa jarruihin. 3. Polymeerit Usein puhutaan muoveista, eli polymeerien ja erilaisten lisäaineiden yhdistelmistä. Polymeerit ovat makromolekyylejä, jotka rakentuvat usein hyvin hyvin pitkistä C-C-ketjuista. Synteettiset polymeerit koostuvat suuresta määrästä toistuvia kemiallisia rakenteita. Muovit voidaan jakaa termoplastisiin, termoseptisiin ja elastomeereihin. Näistä vain kahta ensimmäistä voi edes harkita pyörän runkoon mekaanisten ominaisuuksien puitteissa, sillä elastomeerien jäykkyys ei ole riittävä käyttökohteeseen. Kestomuoveilla eli termoplastisilla polymeereillä on monia hyviä ominaisuuksia kuten jäykkyys, mittapysyvyys, virumiskestävyys ja pieni massa metalleihin ja keraameihin verrattuna. Kuitenkin polkupyörän rungossa sen käyttö on vaikeaa, sillä muokattavuus on heikkoa, liitosten (esimerkiksi laakeroitujen) tekeminen vaikeaa ja ennen kaikkea tuotantotekniikka edellyttää massatuotantoa. Rungon valaminen tapahtuu valtavan isolla ja kalliilla muotilla, joten eri mallisille ja kokoisille pyörille tulisi aina tehdä oma muottinsa. (TTY, 2005) 4. Komposiitit Näiden niin kutsuttujen yhdistelmämateriaalien tavoitteena on yhdistää toisiinsa metalleja, polymeerejä tai keraameja siten, että lopputuotteen ominaisuudet, rakenne ja muokattavuus ovat enemmän kuin osiensa summa. Komposiitteja on kuitulujitteisia, laminaatti-, partikkeli-, kerrosja solurakenteisia. Polkupyörän runkoon erilaiset komposiitit soveltuvat loistavasti, ja oikeastaan kustannukset ovat ainut kysymys, joka estää useimpien komposiittien kaupallisen hyödyntämisen. Kuitenkin hiilikuitulujitteiset materiaalit ovat hyvin yleisiä hiukan kalliimmissa polkupyörissä, ja markkinoilta löytyykin useita jopa täyshiilikuiturunkoisia maantie- ja maastopyöriä. (TTY, 2005) Hiilikuitulujitteinen komposiitti Kalleimmat polkupyörien rungot on valmistettu hiilikuidusta. Hiilikuitu koostuu lähes yksinomaan hiiliatomeja sisältävistä säikeistä, joiden halkaisija on 5-8 mikrometriä. Hiilikuidun suosio pyörissä perustuu sen kahteen ominaisuuteen: keveyteen ja lujuuteen. Sen lujuutta voidaan säätää ja sen paino on noin puolet verrattuna vastaavalujuuksiseen teräkseen. (Zoltek, 206) Valitsin tarkempaan tarkasteluun alumiinin, sillä se on kaupallisessa mielessä yksi kilpailukykyisimmistä vaihtoehdoista polkupyörän rungon materiaaliksi. Ensinnäkin, alumiinia on suhteellisen helposti saatavilla ja suhteutettuna muihin mahdollisiin materiaaleihin, on se kohtuuhintaista. Vaikka hinta on terästä korkeampi, saavutetaan sillä kevyempi ja ominaisuuksiltaan erityyppinen runko. Vaikka keveydessä se ei voitakaan hiilikuiturunkoa, se on vastaavasti huomattavasti edullisempi ja helpommin muokattava materiaali. lla on pintakeskinen kuutiollinen hilarakenne ja sillä on kaikki tyypillisimmät metallien ominaisuudet kuten hyvä muovattavuus, hyvä sähkön ja lämmön johtavuus ja alhainen korkein käyttölämpötila. Sen ominaisuuksia voidaan muokata erilaisilla seosaineilla, kuten kuparilla, sinkillä, mangaanilla tai magnesiumilla. Esimerkiksi mangaanin avulla voidaan lisätä lujuutta vaikuttamatta kuitenkaan haitallisesti alumiinin sitkeyteen. Jokin seosaine onkin lähes välttämätön pyörän rungossa käytettävässä alumiinissa. (TTY, 2005) Ominaisuudet Keveys n tiheys on noin /3 teräksen tiheydestä Lujuus Sitkeys- ja lujuusominaisuudet soveltuvat rungon vaatimuksiin Korroosionkestävyys Pintaan muodostuva oksidikalvo jo sellaisenaan suojaa korroosiota vastaan Työstettävyys Voidaan muokata, pursottaa, valaa, hitsata, juottaa ja lastuta helposti, mikä mahdollistaa monipuoliset työstömahdollisuudet tuotannon eri vaiheissa Taloudellisuus Ennen kaikkea keveys- ja lujuusominaisuuksien valossa kilpailukykyinen vaihtoehto verrattuna teräkseen tai vaikkapa hiilikuitulujitteisiin rakenteisiin MIKSI alumiini? Hyvät ja huonot puolet Vertaan tässä alumiinia komposiitteihin ja muista metalleista teräkseen. Teräkseen verrattuna alumiinin keveys on ylivertainen ominaisuus. Alussa määritetyistä polkupyörän rungon vaatimuksista juuri keveydessä on suurin ero verratessa alumiinia ja terästä. Toisaalta hiilikuituvahvisteisilla rakenteilla päästään vielä kevyempään lopputulokseen, mutta alumiinin puolesta puhuu kaksi eri seikkaa: ensinnäkin alumiini on huomattavasti edullisempi vaihtoehto, ja toiseksi se ei ole yhtä hauras kuin hiilikuiturunkoinen. Nimittäin hiilikuiturunkoisen pyörän saadessa kunnon kolauksen, sen runko murtuu eikä sitä ole helppo korjata. Toisin on alumiinin kohdalla, sillä se on sopivan elastinen ja pehmeä, eikä näin ollen murru kuten hiilikuituvahvisteiset rakenteet. Selkeä etu on myös siitä, ettei alumiini ruostu. sessa rungossa seinämien paksuudet ovat terästä suuremmat, ja näin ollen runko on jäykempi. Tämä on sekä etu että haitta, sillä maastossa jäykkyys johtaa epämiellyttävämpään kyytiin kun taas maantieolosuhteissa se tarjoaa paremman tuntuman tiehen. Kaiken kaikkiaan alumiini soveltuu loistavasti hyvin erilaisiin pyöriin aina maastosta maantieolosuhteisiin, ja sen ominaisuudet ovat hyvät myös tuotantotekniseltä kannalta. Lähteet Lindoos, Veikko: Uudistettu Miekk'ojan Metallioppi, s. 38. Otava, 986. ISBN Science of cycling, 206. Frames and Materials. Saatavilla: [luettu: ) TTY, Materiaaliopin laitos. MOL-20 materiaalit-kurssi. Saatavilla: [luettu ) 27 3 Zoltek, 206. Commercial carbon fiber. How is it made? Saatavilla: [luettu: ] Al

6 Katariina Ikävalko Johdanto Polkupyörän runko koostuu ylä-,ala-,emä- ja satulaputkista sekä takakolmiosta. Ohjauksen mahdollistaa etuhaarukka, joka kiinnitetään runkoon emäputken läpi. Perinteisessä timanttimallisessa rungossa runko muodostuu etu- ja takakolmiosta, jotka ovat usein kiinnitettyjä toisiinsa kiinteästi tai iskunvaimennetulla joustomekanismilla. Rungon geometria, materiaali ja rakenne vaihtelevat kuitenkin huomattavasti sovelluskohteen mukaan; Maantiepyörää suunniteltaessa tulee ottaa huomioon verrattain suuri ilmanvastus, kun taas maastopyörän suunnittelun haasteita ovat ohjattavuuteen ja runkomateriaalin rasitukseen liittyvät rakenteelliset ratkaisut. Rungon materiaalivalinnoilla on merkittävä vaikutus hintaan ja painoon, mikä vaikuttaa suoraan kuluttajien valintoihin. Kriteerit Rungon materiaalille voidaan asettaa neljä kriteeriä, jotka ovat sovellettavissa kaikkiin perinteisen polkupyörän variaatioihin. Sovelluskohteesta riippuen priorisointijärjestystä on kuitenkin muokattava vastaamaan kuluttajien toiveita.. Minimoidut kulut painoyksikköä kohden Materiaalin hinta ja saatavuus vaikuttavat sen kannattavuuteen tuotannossa. Valmistus- ja kokoamisprosessin tehostamiseksi rungon osien tulisi olla vakiomittaisia, jotta saadaan tuotettua suuria valmistuseriä kätevästi esimerkiksi hitsausrobottien avulla. Materiaalin valinnassa tulee kiinnittää huomiota myös laadunvalvonta- ja kierrätyskuluihin. Lisäkuluja voi aiheutua, jos materiaalin käyttö vaatii kehitystyötä. Materiaalin valinnassa myös tiheys on tärkeä ominaisuus: Se vaikuttaa materiaalin kilohintaan, joka puolestaan voi lisätä tuotantokuluja. Kevyt runko on usein kuluttajille mieluisampi ja tehostaa myös tuotannon logistiikkaa. 2.Vaatimukset toiminnalle Materiaalin tulee kestää kuormitusta ja kulumista käyttötarkoituksen mukaisesti. Rungon materiaalivalinnan tavoitteena on muun muassa maksimoida Youngin moduuli, joka kuvaa kiinteillä aineilla jännityksen ja muodonmuutoksen välistä riippuvuutta kimmoisella alueella. Muuttamalla rungon geometriaa ja putkien pinta-aloja voidaan muuttaa tutkittavan materiaalin Youngin moduulia. Lisäksi materiaalin lujuus-, sitkeys-,kovuus- ja väsymisominaisuudet tulee tuntea. Lujuus kuvaa kuormituksen ja siitä syntyvän jännityksen vuorovaikutusta. Vetokokeella voidaan selvittää materiaalin vetolujuuden lisäksi myös esimerkiksi puristus-,taivutus-,leikkaus- ja virumislujuus. Sitkeys kuvaa puolestaan materiaalin käyttäytymistä murtumistilanteessa, ja sen mittana voidaan käyttää venymää, murtumiseen kulunutta energiaa tai hetkellä vallinnutta jännitystä. Kovuudella tarkoitetaan tässä tapauksessa polkupyörän runkomateriaalin kykyä vastustaa kulumista, leikkaantumista ja muodonmuutosta. Kovuuden mittaamiseksi on kehitetty useita menetelmiä, esimerkkinä Vickersin, Brinellin ja Rockwellin menetelmät. Materiaalin väsymisellä sen sijaan kuvataan sen käyttäytymistä erilaisissa kuormituksissa, jotka voidaan jakaa väsymissärön ydintymiseen, etenemiseen, kasvamiseen ja lopulliseen murtumaan. 3. Ympäristön asettamat vaatimukset Valitun materiaalin käyttäytyminen vallitsevissa ympäristöolosuhteissa täytyy tuntea. Valintaprosessissa tulee huomioida mahdolliset lämpötilan ja kosteuden vaihtelut ja tutkia niiden vaikutus polkupyörän käyttöikään ja turvallisuuteen. Materiaalin ominaisuuksista ominaislämpökapasiteetti, lämmönjohtavuus ja pituuden lämpötilakerroin mahdollistavat rungon rakenteiden muutosten ennakoinnin ja minimoinnin jo suunnitteluvaiheessa. Lämmönjohtumista ja sen nopeutta voidaan muuttaa esimerkiksi runkomateriaalin valmistustapaa tai seosaineita muokkaamalla tai rungon paksuutta muokkaamalla. Lämmönjohtavuus ja ominaislämpökapasiteetti määrittävät yhdessä nopeuden, jolla ympäristön lämpötilan muutos vaikuttaa polkupyörän rungon materiaalin lämpötilaan. Lämpötilan muutokset voivat altistaa rungon myös korroosiolle sekä virumiselle eli staattiselle väsymiselle, mikä tulee huomioida materiaalin valinnassa. 4. Valmistusprosessin asettamat vaatimukset Materiaalin tehokkaan käsittelyn mahdollistavat ominaisuudet kuten hitsattavuus, lastuttavuus ja valettavuus ovat tuotannon kannalta merkittäviä ominaisuuksia ja vaikuttavat suoraan myös kuluttajahintaan. Lisäksi esimerkiksi materiaalin helppo pintakäsittely ja muovaaminen laajentavat suunnittelun ja muotoilun mahdollisuuksia. Kuva : Automatisoimalla ja käyttämällä standardimittaisia putkia voidaan tehostaa tuotantoa. Materiaalit Tarkastellaan yleisimpiä polkupyörän rungossa käytettyjä materiaaliryhmiä, joita ovat metallit ja komposiitit. Metallit Monet käyttötarkoituksen kannalta tärkeät ominaisuudet, kuten muokattavuus, selittyvät metallihilan rakenteella. Metallihilassa on vapaita elektroneja, jotka mahdollistavat atomien liukumisen toistensa suhteen. Tällöin metalli-atomien väliset sähköiset hylkimisvoimat eivät pääse vaikuttamaan toisiinsa. Myös metallien hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky sekä kiiltävä pinta johtuvat vapaiden elektronien liikkeestä. Valitun metallin sijainti sähkökemiallisessa sarjassa vaikuttaa sen kemialliseen reaktiivisuuteen. Maa-alkali- ja alkalimetallit reagoivat herkästi muodostaen esimerkiksi jo hapelle altistuttaessa oksideja. Useimmat metallit reagoivat myös happojen kanssa muodostaen suoloja, mikä tulee ottaa materiaalinvalinnassa huomioon. Etenkin kaupunkiolosuhteissa ilman epäpuhtaudet ja hapan sadevesi voivat haurastuttaa metallipintaa aiheuttamalla korroosiota. Osa metalleista kuitenkin muodostaa suojaavan oksidikerroksen, joka estää korroosion etenemisen syvemmälle rakenteisiin. Materiaalin valinnassa suositaan metalleja, jota on helppo suojata korroosiolta esimerkiksi maali- tai muovikerroksella. Jalometallit ovat kemiallisesti passiivisia, mutta myös kalliita ja raskaita, jonka vuoksi niiden hyödyntäminen polkupyörän rungossa on epäkäytännöllistä sekä kuluttajalle että tuotannolle. Kuva 2. Metallihilan rakenne ja delokalisoituneet elektronit on eräs yleisimmästä metalleista, jota hyödynnetään polkupyörien rungoissa. Sen saatavuus on hyvä, sillä sitä esiintyy runsaasti maaperässä ja sitä louhitaan globaalisti. Yleisin valmistusmenetelmä on alumiinioksidin erittely bauksiitista Bayerin menetelmällä ja jatkokäsittely alumiiniksi pelkistämällä Hall- Heraultelektrolyysiprosessilla. Myös kierrätyksellä saadaan huomattavan paljon käytetystä alumiinista hyödynnettäväksi. n työstäminen on yksinkertaista verrattuna esimerkiksi hiilikuituisiin pyöriin, sillä teknologia tunnetaan hyvin, kierrättäminen on helppoa ja kokoamisprosessi on hitsausrobottien ansiosta tehokas. on materiaalina kevyt verrattuna esimerkiksi teräkseen tiheytensä ansiosta. lla on myös parempi lujuuden ja painon suhde, joka on käyttötarkoituksen näkökulmasta erittäin hyödyllistä. Kuitenkin alumiinin ominaisuudet, kuten pieni kimmokerroin, vaativat paksumpien runkorakenteiden suunnittelua riittävän jäykkyyden saamiseksi. Tällöin saavutettu painoetu teräsrunkoihin jää pienemmäksi, mutta se voi kuitenkin parantaa polkupyörän ajo-ominaisuuksia esimerkiksi maantie-ajossa merkittävästi. n suurin etu teräkseen liittyy kuitenkin korroosion sietokykyyn: Altistuessaan korroosiolle alumiinin pinnalle muodostuu oksidikerros, joka suojaa metallia vaurioitumiselta. on itsessään kuitenkin varsin pehmeää ja sen soveltaminen runkomateriaalina vaatii seosaineiden käyttöä. Seostamalla alumiinin lujuus- ja kovuusominaisuudet paranevat, jotka voivat osaltaan helpottaa myös sen työstämistä. Kuva 3. Kun haluttujen ominaisuuksien suuruudet tai rajoittavat minimitai maksimiarvot tunnetaan, voidaan laatia valinnan yksinkertaistamiseksi Ashby-diagrammi. Tässä tapauksessa tiheys on sekä kuluttajan että tuotannon kannalta merkittävä ominaisuus, sillä rungon on sekä logistiikan että käytön kannalta oltava tarpeeksi kevyt. Kyseisen diagrammin avulla voidaan siis etsiä mahdollisimman suuren lujuuden omaava materiaali sallitulla maksimitiheydellä. Komposiitit Komposiiteilla tarkoitetaan useammasta materiaalista koostuvaa yhdistelmää, jossa ne eivät kuitenkaan ole sekoittuneita tai liuenneita toisiinsa. Komposiitit omaavat kaikkien yhdisteltyjen materiaalien ominaisuuksia, jotka vaihtelevat riippuen materiaalin luonteesta. Muunneltavuus on komposiittien suurin etu verrattuna esimerkiksi perinteisempiin metallisiin runkomateriaaleihin; epätoivotut ominaisuudet pyritään minimoimaan ja tuotannon kannalta olennaisia ominaisuuksia suositaan valitessa komposiitin materiaaleja. Lisäkuluja voivat aiheuttaa esimerkiksi tuotantoprosessi ja suunnittelutyö. Kuluttajalle komposiitista tehdyn rungon valintaa rajoittaa perinteisiä materiaaleja korkeampi hinta. Komposiittien mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttavat suuresti valitut materiaalit, joten eroavaisuudet esimerkiksi eri komposiittien lujuusominaisuuksissa hankaloittavat niiden yleispätevää kuvailua. Kuva 4. Esimerkki komposiitin rakenteesta Hiilikuitukomposiitti Keskitytään tarkastelemaan hiilikuitukomposiitteja. Niiden käytön merkittävin etu on erinomainen lujuuden ja jäykkyyden suhde massaan. Tämä on erityisen hyödyllistä esimerkiksi kilpapyöräilyssä, jossa tehdään nopeita kiihdytyksiä ja tarvitaan hyvää ohjattavuutta. Materiaalin mekaaniset ominaisuudet mahdollistavat myös aerodynaamisemman muotoilun, sillä putkien ei tarvitse olla sylinterimäisiä. Suunnittelussa voidaan huomioida tietystä suunnasta aiheutuva kuormitus esimerkiksi kuitujen suunnan valinnassa. Metallin työstämisessä ei voida suunnitella yhtä yksityiskohtaisesti kestävyyteen vaikuttavia rakenteellisia ratkaisuja. Hiilikuidut eivät myöskään ole alttiita korroosiolle, jonka ansiosta hiilikuiturungot ovat pitkä-ikäisempiä kuin metalleista valmistetut. Törmäyksissä hiilikuiturungon rakenne kuitenkin kokee voimakkaampia muodonmuutoksia, kuin vastaavasti teräksestä valmistettu polkupyörän runko. Putkien kiinnitykset voivat myös olla heikompia kuin hitsaamalla kiinnitettyjen putkien kiinnitykset. On myös mahdollista valmistaa runko yhtenä kappaleena valamalla, mutta se vaatii kallista tuotantoteknologiaa. Kotelorunkojen valaminen on kuitenkin turvallisempi vaihtoehto kuluttajalle kuin liimauksella kiinnitetyt putket. Kuva 5. Hiilikuiturunko mahdollistaa innovatiivisen ja perinteisestä poikkeavan muotoilun. Johtopäätös Materiaalin valinta perustuu pitkälti kustannusten lisäksi kuluttajien preferenssiin ja käyttötarkoitukseen. Edellä mainittujen perusteluiden mukaan kaupunkipyöräksi, jossa rungon kuormitus on verrattain vähäistä ja rungon muotoilulla ja aerodynamiikalla ei ole suurta merkitystä käytön kannalta kannattaa valita alumiininen runko. Kilpapyöräilyyn ja maantieajoon kannattavammaksi valikoituu hiilikuidusta valmistettu, kevyt ja helposti ohjautuva runko. [] kuva : [2] kuva 2: 7d3b3a69f.gif [3] kuva3: phpapp02/95/material-selection jpg?cb= [4] kuva 4: [5] kuva 5: content/uploads/202/05/-audi-carbon-fiber-e-bike- e jpg [6] [7] mi.pdf?sequence= [8] [9] [0] [] [2]