Maastopyörän rungon massan optimointi

Abstract

Tässä kandidaatintyössä tutkittiin rakenteellisia ratkaisuja, joilla maastopyörän runkoa voidaan keventää jäykkyyden ja kestävyyden heikentymättä. Koska maastopyörä liikkuu ajajan rajallisella lihasvoimalla, pyörän keventäminen tekee siitä herkemmin poljettavan. Työn tarjoajana oli suomalainen maastopyöriä valmistava Pole Bicycle Company Oy.

Ensimmäinen tutkimuskohde oli selvittää rungon emäputken ja ohjaustangon korkeuksien suhteen vaikutusta massaan. Nykyisessä mallissa valmistaja käyttää keskimääräistä korkeampaa rungon emäputkea ja matalanousuista ohjaustankoa. Vertailuun tehtiin malli, jossa oli 35 mm lyhyempi emäputki ja 40 mm korkeampi ohjaustanko. Tulokseksi saatiin lyhyemmän emäputken ja korkeamman ohjaustangon yhdistelmällä 70 gramman massan säästö. Korkea ohjaustanko voi aiheuttaa kuitenkin hankaluuksia, kuten heikko tuotteiden valikoima ja mahdollinen jäykkyyden heikentyminen verrattuna suoraan tankoon.

Toinen tutkimuskohde oli tutkia maastopyörän rungon etukolmion valmistamista muovatuista ohutlevyistä. Työssä pohdittiin ohutlevyjen muovausmenetelmien ja ohentamismahdollisuuksien soveltumista tähän tarkoitukseen. Kirjallisuuskatsauksen perusteella muovaustekniikoista parhaimmat olivat hydromuovaus ja Tailor Welded Blanks -tekniikka. Ohutlevyn hydromuovaus mahdollistaa tarvittavien monimutkaisten muotojen sekä levyn ohentamisen tekemisen. Tailor Welded Blanks -menetelmässä taas ohutlevy aihio valmistetaan yhteen hitsatuista eri paksuista levyistä, jonka jälkeen se voidaan muovata yksinkertaisimmilla menetelmillä.

Jotta rungosta voitaisiin tehdä mahdollisimman optimaalinen massan ja jäykkyyden suhteen, materiaalia pitää olla oikeissa paikoissa. Suurelle rasitukselle kohdistuvat emäputken, vaakaputken ja alaputken liitoskohta. Putkien keskikohtiin ei taas kohdistu suuria jännityksiä, joten niistä pystytään ohentamaan.

This Bachelor’s thesis investigates structural ways to reduce mass in mountain bike frame without losing stiffness or strength. Because mountain bike moves only with drivers limited muscular power, reducing weight of the bike makes it easier to pedal. The thesis was done to Finnish mountain bike manufacturer Pole Bicycle Company Oy.

First subject was find out how relation of frame headtube and handlebar height affects to total mass. The manufacturer uses higher than average headtube and relative flat handlebar. That was compared to model that uses 35 mm shorter headtube and 40 mm higher handlebar. Result was that combination of shorter headtube and higher handlebar saves 70 grams. However high rise handlebar might cause problems like small selection of products and possible weaker stiffness compared to flat bar.

Second subject was to study manufacturing frame front triangle from formed sheet metals. The thesis investigates how to form and thin down sheet metal so it would be suitable to for this application. By literature review, the best forming methods was hydroforming and tailor welded blanks method. Sheet metal hydroforming enables making complex shapes and reducing thickness. In tailor welded blanks method different thicknesses sheets are welded to one preform. After that it can be formed with more simple methods.

When optimizing frame mass and stiffness, it is important to place material in right places. Joint of headtube, top tube and down tube are high stress areas that needs a lot of material. Middle of pipes are conversely lower stress areas and reduce of thickness can be done.