Reynolds Steel, Chromoly 4130, Aluminum and Titanium/ Vật liệu xe đạp touring hiện nay sử dụng

• Giá trị Stiffness ở đây là Modulus đàn hồi E, đặc trưng cho khả năng chống lại biến dạng, chuyển vị của khối vật liệu. Thép nào cũng vậy, từ bình dân đến cao cấp đều sàng sàng 200 GPa. Cao cấp khác bình dân ở Strength và giá tiền. Strength, độ bền của vật liệu, là khả năng chống lại nứt gãy, phá hủy dưới tác động của tải. Stiffness ở đây liên quan đến biến dạng đàn hồi khác với Hardness- độ cứng bề mặt, liên quan đến cắt, mài mòn. Chúng ta thường hay lẫn lộn 2 tính chất này. Kim cương tự nhiên là một trong những loại vật liệu có hardness cao nhất nên thường được dùng làm công cụ để đo Hardness cho các vật liệu khác.

• Titanium thì Hardness của nó hơn hẳn hợp kim nhôm hoặc cái thép xây dựng thông thường nên cắt nó hẳn nhiên là khó. Tuy nhiên nếu so với mấy cái thép công cụ làm lưỡi phay, lưỡi cưa, lưỡi khoan.. thì Hardness của titanium cũng chỉ là hạng bình thường. Ah, mà trong xe đạp thì cái Hardness này nó không quan trọng bằng Modulus, Strenght, hay Density đâu. Nếu có, chắc quan trọng ở chỗ mấy cái líp lớn trong bộ líp XTR 11s hay trong bộ dĩa-lip của Campy super record vì ở đó cần nhẹ, bền và độ chống mài mòn cao.

• Thép Reynolds xuất xứ ở UK nên các hãng xe UK hay dùng. Chromoly 4130 là thép Mỹ, nên hãng Mỹ hay dùng: Surly, Salsa, Soma…Chromoly có Ultimate Tensile Strength khoảng 560 GPa, thấp hơn Reynolds 525. Nhưng Chromoly rất dễ hàn, chi phí gia công thấp, dễ sản xuất đại trà nên phù hợp với tính thực tế của người Mỹ.

1 mẫu khung xe đạp Darkrock sử dụng thép reynolds 520

• Để tăng độ cứng của cấu trúc mà vẫn tiết kiệm được vật liệu thường thì thiết kế cấu trúc có kích thước bên ngoài lớn. Ví dụ, tấm tôn phẳng thì rất yếu, dễ uốn, oành nhưng khi ta làm nó gợn sóng thì độ cứng của tấm tăng lên đáng kể. Điều này tương tự như khi ta chuyển từ ống nhỏ, dày sang ống to, mỏng mà vẫn giữ nguyên khối lượng. Trong xe đạp, việc chuyển từ cốt đặc, đường kính nhỏ, nặng sang cốt rỗng, đường kính lớn và nhẹ hơn nhiều là một ví dụ tiêu biểu trong trường hợp này.

• Titanium thì nhẹ gần phân nửa thép nhưng bị cái là Stiffness cũng chỉ hơn phân nửa thép một tí. Có nghĩa là để đảm bảo độ cứng của khung, bắt buộc sườn titanium phải sử dụng ống to hơn và mỏng nhưng vẫn nhẹ hơn thép. Sườn titanium mà thiết kế tồi thì không thể cạnh tranh được với sườn thép về độ cứng.

• Titanium đã khó hàn và ống mỏng lại càng khó hơn. Khách hàng dùng sườn titan vì phải bỏ ra nhiều tiền hơn nên thường soi rất kĩ. Mối hàn mà xấu thì chỉ có vứt đi. Sườn titan thường không sơn vì titanium không cần phải bảo bệ chống ăn mòn, rỉ sét nên nếu mối hàn xấu nó lồ lộ ra ngay chứ không như sườn thép hay nhôm có thể dùng sơn để phủ lấp được. Ống titan dùng để làm khung từ các hãng lớn chuyên sản xuất ống thì cũng có 5-7 loại. Ống chất lượng thấp thường có nhiều khuyết tật nhỏ ở bề mặt, và khuyết tật này chính là nơi sẽ khởi đầu cho các vết nứt gãy khi chịu tải trong tương lai.

• Tuy nhiên, vì Strength của Titanium tầm 1000 MPa như ở loại 6-4 Ti, cao hơn nhiều so với thép Chromoly nên nếu sườn Titanium thiết kế để đạt được độ cứng tương đương sườn thép thì độ bền khung titanium sẽ cao hơn vì strength của titanium cao hơn và dùng nhiều thể tích vật liệu hơn. Hẳn nhiên là khung vẫn nhẹ hơn rồi vì mặc định của khách hàng là thế rồi. Nặng hơn ai mà mua sườn Titan làm gì.

• Sườn titanium thường nhẹ hơn sườn thép khoảng 500-600 g, thêm cái fork carbon nhẹ hơn fork thép chừng 500g nữa nên nguyên bộ frameset giảm tầm được 1kg. Đã chơi titan thường ráng sắm thêm cái cốt yên, stem, baga, gọng yên… bằng titan nữa nên cả xe chắc giảm được 1,5 kg tới 2 kg. Ah, mà trong xe đạp, giảm 1 kg đầu tiên là tốn 1k$, kí thứ 2 là 2k$, kí thứ 3 là 4k$, quy luật hàm mũ chứ không tuyến tính nhé.

• Mấy anh chơi titanium, trong đó có mình, thường cố gắng chở càng ít càng tốt, vì chở nhiều thì tốn thêm một mớ tiền để mua titanium làm gì khi chỉ tiết kiệm được có 1 kg mà chất lên đó cả chục kí hành lí. Vì đèo ít đồ, nên khi vào đèo thì leo vèo vèo nhưng thật ra là đạp yếu hơn các anh, các Bác chơi sườn thép. Chỗ này nói chơi thôi, các anh chơi titanium đừng chửi em nhé.

• Nhôm thì nhẹ hơn nữa nhưng cơ tính của nó cũng thấp hơn thép và titanium rất nhiều. Điều này có nghĩa là để đảm bảo được cả độ cứng và độ bền thì làm sườn nhôm phải tốn nhiều thể tích vật liệu hơn và ống sườn cũng phải làm to hơn.

• Carbon thì em không đề cập ở đây vì nó không phải là kim loại nên cơ chế bền và phá hủy của nó khác. Carbon là Composite nên tính chất của nó phụ thuộc nhiều vào tính chất các thành phần cấu thành, tỉ lệ cốt/nền, phương pháp gia công và đặc biệt là cách bố trí hướng của pha sợi carbon tối ưu theo phương chịu lực trong khối vật liệu. Mà cái này thì mỗi hãng mỗi khác nên rất khó so sánh, đánh giá.

•  Mỗi loại vật liệu đều có ưu và khuyết. Lựa chọn là sở thích cá nhân. Quan trọng là phù hợp với nhu cầu của mình.

---

Phần 2: Tác giả Trần Việt Toàn – Update

Độ cứng của sườn xe đạp.

Nhân chuyện một người anh đạp xe xuyên Việt sử dụng sườn titan nhưng giữa chừng phải thay qua sườn thép vì thồ hàng nặng sườn titan bị lắc quá nên mình viết vài suy nghĩ về độ cứng của khung sườn dưới gốc nhìn của cá nhân.

Tại sao xe bị lắc khi chở nặng?

• Trước hết, xe bị lắc là do khi ta đạp, lực tác dụng lên khung bị lệch tâm, nhấn chân phải thì lực dồn qua bên phải sườn và ngược lại nên làm khung, đặc biệt là phần đuôi xe bị chuyển vị theo phương ngang. Bạn sẽ thấy rõ điều này khi đứng lên đạp. Chở càng nặng, xếp đồ lệch tâm không cân đối, trọng lực và lực quán tính càng lớn thì khung càng dễ bị dịch chuyển. Nên trong trường hợp này, chúng ta có thể xem khả năng chống lại chuyển vị ngang của xe là độ cứng khung. Ngoài ra, khung có độ cứng thấp, khi vào cua, lực ly tâm cũng làm khung bị chuyển vị ngang, gây khó điều khiển và thiếu an toàn.

Độ cứng của khung phụ thuộc vào các yếu tố chính nào?

1. Thiết kế và kết cấu của khung. Ví dụ: sườn size nhỏ thường cứng vững hơn sơn size lớn.
2.  Kích thước, tiết diện và hình dạng mặt cắt ngang của ống sườn. Ống sườn lớn, dù mỏng hơn vẫn tạo ra độ cứng cho khung lớn hơn so với ống sườn nhỏ nhưng dày hơn khi sử dụng cùng một lượng vật liệu. Nhiều sườn tạo hình ống sườn có mặt cắt ngang khác với hình tròn thường thấy ở sườn thép để tăng độ cứng chung của sườn. Cái này thường thấy ở sườn carbon, nhôm hoặc titan. Tuy nhiên, ống sườn lớn và mỏng và có mặt cắt ngang đặc biệt thì khó gia công hơn.
3. Young’s Modulus của vật liệu. Cái này đặc trưng cho độ biến dạng đàn hồi của vật liệu dưới tác động của ngoại lực. Modulus càng thấp, vật liệu càng dễ bị biến dạng. Ví dụ như vật liệu polymer và cao su. Modulus đóng góp vào độ cứng của khung sườn
4. Cần phân biệt giữ độ bền- strength- của vật liệu với Modulus. Strength liên quan đến phá hủy, đứt, gãy của vật liệu khi bị lực tác động. Strength không đóng góp nhiều vào độ cứng của khung sườn. Strength đóng góp vào độ bền của khung sườn.

Vật liệu nào tốt hơn để làm khung sườn? Thép, Nhôm, Hợp kim Titan và Carbon?

Chúng ta tham khảo 2 hình dưới đây, chú ý phần đóng khung hình chữ nhật màu đỏ là vùng của 4 loại

Vật liệu: Thép- steel; Nhôm- Al; Hợp kim Titan- Ti alloys và Carbon- CFRP.

Xét về Young’s Modulus:

• Trên đồ thị Young’s Modulus vs Density- khối lượng riêng của vật liệu, chúng ta thấy dù thép có nhiều loại khác nhau, nhưng modulus vùng phân bố là một điểm rất hẹp quanh 200 GPa. Nhôm thì tầm 70-80 GPa, Titan:100 – 105 GPa, Carbon:90-110. Các giá trị này thể hiện rõ ràng là, nếu chỉ riêng về tính chất vật liệu thì sườn làm bằng thép sẽ cho khung có độ cứng cao nhất. Tuy nhiên, các loại vật liệu khác như Carbon, Nhôm hay titan vì có khối lượng riêng nhẹ hơn thép rất nhiều nên chúng ta có thể tăng chiều dày, tăng kích thước, tạo mặt cắt đặt biệt để gia tăng độ cứng của khung sườn mà vẫn đảm bảo khối lượng của toàn bộ sườn nhẹ hơn. Sườn Carbon là một ví dụ tiêu biểu của trường hợp này.

Xét về Strength- độ bền của vật liệu:

• Tham khảo đồ thị Strength vs Density. Nếu như Young’s Modulus phân bố khá hẹp đối với nhiều mã khác nhau trong cùng loại vật liệu thì strength phân bộ rất rộng. Ví dụ các loại thép tốt, cao cấp có độ bền gấp vài lần thép bình thường nhưng Young’s Modulus cũng chỉ ngang ngang với thép bình thường. Dựa vào đồ thì này ta thấy Thép, hợp kim titan và Carbon có độ bền ngang ngang nhau. Vì độ bền đứt gãy của khung phụ thuộc vào tiết diện chịu lực, và Carbon và Titan nhẹ hơn thép nhiều nên cho phép dùng lượng vật liệu nhiều hơn nhưng vẫn nhẹ hơn khung thép. Thành thử ra, khung titan và carbon vẫn có độ bền đứt gãy cao hơn.
• Ở đây, cần phân biệt strength của vật liệu với độ bền va đập của vật liệu, impact strength. Carbon có cái này thấp nên thường bị phá hủy bởi va đập hơn. Cái này lại là một câu chuyện khác rồi nên không trình bày ở đây.

• Độ cứng khung có ảnh hưởng đến hiệu quả đạp không?

Có. Khung càng yếu, lực đạp thay vì truyền xuống bộ phận truyền động thì năng lượng ấy lại bị chia sẻ một phần để làm rung lắc khung nên hiệu quả đạp không cao. Cái này cũng tương tự trong trường hợp đi tour dùng MTB với phuột nhún, khi đó, lực đạp một phần được chuyển sang làm biến dạng lò xoTóm lại: Để sườn đạt được độ cứng mong muốn, ngoài tính chất vật liệu thì thiết kế khung, ống sườn cũng có đóng góp rất quan trọng. Mỗi sườn làm ra đều có mục đích sử dụng, việc của chúng ta là cứ dùng đúng mục đích đó là được.

Vài dòng suy nghĩ của cá nhân nên chắc có sai sót. Mong mọi người lượng thứ.

T.V.T