Времена, когда фэтбайк был единичным экземпляром в городе, начинают отступать. Все больше производителей, сделавших себе имя в шоссейниках и МТБ, выпускают свои модели из данного направления, и похоже, что фэтбайк может пойти в массы. Популярность обусловлена уникальными качествами данного типа велосипеда, возможностью ездить по достаточно глубокому снегу и рыхлому песку. Но, конечно, не только… Движение фэтбайкинга набирает обороты и в трейл райдинге и марафонах. Поэтому все больше внимания уделяют весу и гоночным характеристикам. 
 
Поэтому компания Sarma Bikes решила начать свою линейку продукции именно с ободов — части велосипеда, где чувствуется каждый сброшенный грамм, и очень важна жесткость и прочность.


Данная статья рассказывает о том, как проходит разработка карбоновых компонентов на примере нашего нового карбонового обода с инженерной точки зрения.





Для инженерной команды проект обычно начинается с получения требований от менеджера по продукту.
Определяется ширина, требования по весу (вилка от и до) и другие важные моменты, диктуемые рынком и пользовательскими предпочтениями.
 
Далее инженер задает вопросы продуктовой команде по вариантам использования изделия. Например, максимальный вес велосипедиста, высота, с которой можно спрыгнуть, нагрузки при торможении и многое другое — все это является исходными данными. Впоследствии возможны изменения требований и нахождение компромисса, если условия от продуктовой команды окажутся сложными для выполнения.
 
После этого рассматриваются возможные варианты исполнения изделия.
В нашем случае дополнительный интерес вызывало то, что существовали только металлические обода — композитных для фэтбайков пока не выпустили, а на момент начала работы не было даже анонсов.
 
Замкнутый или открытый профиль?
 
Рассматривали два основных варианта – замкнутый профиль (с двумя полками и двумя стенками) и открытый – с одной стенкой.
 
Вообще, в идеале — создать реальный прототип, оценить его характеристики и затем выбрать, какой вариант лучше — двухстенный или одностенный. Но на практике это, конечно, не реализуемо — очень дорого и долго.

Компьютерное моделирование, или Finite Elements Model (конечноэлементная модель (КЭМ))
Одни из лучших технологий в сфере создания и моделирования композитов проходит из аэрокосмической сферы, поэтому именно оттуда мы старались взять на вооружение лучшие методики. А наш главный инженер специализируется на моделировании композитных агрегатов для самолетов.
 
Finite Elements Model (по-русски — конечноэлементная модель). Данные по напряжённо-деформированному состоянию (НДС) мы получаем с неё. КЭМ-анализ позволяет оценить напряжённое состояние детали, подвергнутой заданным нагрузкам.
 
Помимо расчетов физических свойств обода с помощью КЭМ, также стоит учитывать опыт производителей. После долгих расчетов и раздумий наш выбор пал на замкнутый обод. Его конструкция более тяжелая, но достигается бОльшая жесткость. А поскольку фэтбайк — это не шоссейный велосипед, то жесткость и прочность здесь являются более приоритетными.
 
Сложно ли смоделировать обод?
 
Суть правильной работы композита в том, чтобы оптимально загрузить угольные волокна при расчётной нагрузке. Допустим, у вас есть трубка, работающая исключительно на растяжение. Очевидно, что направление волокон в ней должно быть преимущественно продольным, чтобы обеспечить жёсткость и прочность. В реальных задачах сложнее – обод подвергается различным нагрузкам: надутая покрышка пытается «разогнуть» лапки замка шины, спицы утягивают обод, создавая окружное сжатие, а нагрузка от седока и реакция от земли вносит в общую картину ещё бОльшую ассиметрию. А теперь добавим закручивающий момент, возникающий при торможении и косую нагрузку, если вы спускаетесь диагонально по склону —  задача становится совсем не тривиальной.
 
Поэтому каждую из моделей необходимо смоделировать в 3D, прогнать по тестам и определить слабые и сильные стороны конструкции.
 
Пример влияния различных сил на обод, сделанный с помощью компьютерного моделирования.

 
Задача инженера – найти компромисс между весом (стоимостью) детали и деформациями, напряжениями, которые в ней возникают. Лёгкий дешёвый обод, который сломается за пару поездок, никому не нужен, как и тяжёлый дорогой кусок композита.
 
Первое приближение одного из вариантов обода

Затем на его основе создаём достаточно подробную конечноэлементную модель 

И наполняем её смыслом – задаёмся свойствами материалов, моментными нагрузками, условиями закрепления детали и запускаем задачу на счёт.
Если полученные напряжения будут ниже предельно допустимых для заданного материала, деформации достаточно небольшими, а вес в пределах разумного – значит, мы нашли, что искали.

Итеративная доработка 
Так происходит не сразу. Прежде, чем можно будет отправить модель в производство, придётся сделать несколько приближений, просчитать десятки вариантов, изменить порядок и направление укладки ткани (это тоже влияет), изменить требования и несколько раз всё полностью переделать.
 
Поскольку карбоновые обода для фэтбайков на момент наала работ даже не были анонсированы, то мы начинали с нуля.
Это требует значительных инвестиций в инжиниринг. С момента старта проекта до отправки модели на производство прошло более пяти месяцев и несколько тысяч человеко-часов. Надеюсь пользователи по достоинству оценят качество изделия и наши труды.

Итог:
На выходе у нас получился хороший обод весом в 650 грамм и с возможностью поставить покрышку бескамерно.
Продажи еще не начались, но у нас есть хороший отклик от рынка. Без значительного продвижения уже получили массу заявок и писем. Будем стараться идти в этом же направлении.
  
P.s.
Про производство, проведение тестов с реальными ободами мы поговорим в следующих материалах.

С удовольствием ответим на ваши вопросы.