Alpo Puuronen Fillari-lehti 2/2002

Polkupyörän kiekon rakentaminen osa 1

- osa 2

Kiekon rakentaminen on mielenkiintoinen ja palkitseva harrastus. Siihen sisältyy useita vaiheita. Taito ei tule pelkästään lukemalla. Kuten kaikki käsityötaidot, sekin vaatii paljon harjoittelua. On erilaisia mielipiteitä kuinka kiekko tulee rakentaa. Laitetaanko nippeleihin ruuvilukitetta? Kiristetäänkö puolat kuskin painon mukaan? Jos kiekko kestää onko sillä väliä? Paljon kiekkoja rakentavalle kehittyy oma tyyli ja "näppituntuma" asiaan. Ei ole oikeaa tai väärää tapaa rakentaa kiekkoa. On vain tapoja rakentaa kestäviä kiekkoja tai sitten ei niin kestäviä kiekkoja. Tämä artikkeli lähtee edellä mainitusta periaatteesta eikä tämän tarkoitus ole aiheuttaa loputonta väittelyä kuinka se pitää tehdä. Toivomukseni on, että tämä kaksiosainen artikkeli antaa joitakin uusia ajatuksia kokeneille rakentajille ja rohkaisee toisaalta ensimmäisten kiekkojen rakentamiseen. Kaikki eivät pohdi taustalla olevia fysiikan lainalaisuuksia eikä siihen ole tarvettakaan. Seuraavassa on yksi toimivaksi todettu malli ja hieman teoriaa sen pohjaksi.

Teorian vaikeimmin ymmärrettävä kohta

Seisooko pyörä puolien päällä vai roikkuuko se niiden varassa? Maailmassa on monta asiaa, jotka tosiasiassa ovat juuri päinvastoin kuin järki aluksi antaa ymmärtää. Kun moukari pyörii vaijerin päässä, helposti mieltää vaikuttavan voiman keskipakoisvoimaksi. Asia on kuitenkin juuri päinvastoin. Moukari pysyy ympyräradalla keskihakuvoiman ansiosta, jonka vaijeri siihen kohdistaa. Moukari itse haluaisi jatkaa suoraa rataansa jonka se tekisi, jos vaijeri ei pakottaisi sitä ympyräradalle. Vaijerista irti päästettäessä sen keskihakuvoima lakkaa ja moukari karkaa omille teilleen. Kun pyörän päälle istuu kuski tapahtuu jotain puolien jännitykselle. Maata vasten olevan vanteen osa menee hieman sisäänpäin ja loppuosa hieman pullistuu. Sisäänpäin menevän osuuden kohdalla puolien jännitys pienenee ja muiden puolien jännitys hieman kasvaa. Jännityksen kasvu muissa puolissa on kuitenkin vain noin neljä prosenttia. Tämä pieni jännityksen nousu jakaantuu kaikille puolille ympäri vannetta lukuunottamatta muutamaa maata kohti menevää puolaa, eikä siitä muodostu yhteenlaskettua voimaa joka aiheuttaisi roikkumisilmiötä. Vastakkaissuuntaiset voimathan kumoavat toisensa.

Voit todeta ilmiön soittamalla puolia. Alapuolella olevien puolien nuotti muuttuu matalammaksi. Se tarkoittaa sitä, että niiden jännitys pienenee. Tehdäänpä seuraava ajatuskoe. Puupuolaisen kiekon tapauksessa on selvää, että painoa kannattelevat alimmaiset puolat. Niissä tapahtuu jännityksen pieneneminen. Lähtötilanteessa puupuolien jännitys on nolla ja kuormituksen alla alimpien puupuolien jännitys menee ikään kuin pakkasen puolella puristuneena hieman kasaan. Polkupyörän kiekossa lähtöjännitys on nollaa suurempi, koska sen puolat ovat kiristetyt. Jännitetyt polkupyörän puolat eivät taitu. Alimpien puolien jännitys ei tosin laske esijännityksen takia pakkasen puolelle mutta laskee kuitenkin. Etkö vieläkään usko? Kuvitellaan, että polkupyörän puola on tehty yhtä paksusta materiaalista kuin hevoskärryn puupuola, vaikkapa paksusta köydestä. Ilman jännitystä voit kääriä sen kerälle. Kun se on jännitetty kiekkoon ja sinulta on sidottu silmät, et voi kokeilemalla sanoa onko kyseessä puupuola vai köydestä tehty puola. Molemmat ovat jäykkiä ja alimmat puolat hieman puristuvat kasaan painon alla. Pyörän paino seisoo puolien päällä, vaikka ne olisi tehty kevlar-narusta!

Joskus seisomista vastaan väitetään sillä, että jos ylimmäiset puolat poistetaan ei kiekko voi seisoa puolien päällä. Ei se silloin voikaan, sillä kiekosta on poistettu esijännitys ja puolat eivät ole tarpeeksi jäykkiä ilman jännitystä. Tottahan on, että ei letkun päällä voi seisoa. Totta on myöskin se, että ei ole väliä mikä puolasta tekee jäykän. Sitten kun se on jäykkä sen päällä voi seisoa. Puupuola on itsessään jäykkä. Sekin tulee entistä jäykemmäksi jos se kiristetään vanteeseen ja puupuolaisestakin saataisiin kestävämpi kiekko esikiristyksellä.

Miksi kireä puolaus on löysää parempi?

Olkoon tapauksemme löysä kiekko sellainen, jossa puolat on kiristetty jännitykseen, joka vastaa 50 kg:n punnusta roikkumassa puolassa. Käytännössä neljä alinta puolaa ottaa vastaan tukemisessa tarvittavan voiman. Kantokykyä löytyy siis noin 4x50=200 kg:n verran. Toisaalta suhteellisen kireän kiekon puolien kireys olkoon 100 kg:n punnuksen tasolla. Silloin kiekko kestää kaksi kertaa suuremman painon eli noin 400 kg. Ero on melkoinen. Edellä on koko ajan epätäsmällisesti puhuttu voimasta kg:n punnusta vastaavilla yksiköillä. Voiman yksikkö on Newton (N), mutta ei nyt saivarrella. Tarkoituksena on saada idea tajuttavaksi ja siunatkoon se tarkoituksen. Oikeastihan töyssyssä vanteeseen kohdistuu sekunnin murto-osan ajan pyöräilijän ja pyörän massan hitaudesta johtuva voima, joka on massa kertaa kiihtyvyys (tai hidastuvuus) ja yksikkö siis Newton. Töyssyn jyrkkyys, pyörän ja pyöräilijän massapiste vaikuttavat voiman suuntaan ja vanteeseen kohdistuvan voiman suuruuteen. Mikäli voiman hetkellinen suuruus ylittää puolien aikaan saaman voiman, katoaa vanteesta jännitys ja kiekko on vaarassa muljahtaa luokille.

Toinen kiekkoon vaikuttava voima on sivusuunnasta tuleva vääntö. Normaalissa polkemistilanteessa sivuvoimat ovat korkeintaan kymmenesosa pystysuunnasta tulevasta voimasta ja oikein rakennettu kiekko kestää sen hyvin. Polkemisesta aiheutuvat pyörittävät voimat takakiekkoon harvoin ylittävät viittä prosenttia pystyvoimasta, joten sekään ei kiekkoa riko. Maastoajossa tms. (freestyle, trial) kiekot joutuvat huomattavasti kovempaan käyttöön kuin maantieajossa. Varsinkin sivuttaisväännöt ovat toista luokkaa ja kuuluvat lajin luonteeseen. Ajovirhe voi aiheuttaa painon siirtymisen vinottain olevan kiekon päälle ja hyvinkini rakennettu kiekko kohtaa matkansa pään.

Miksi puola joskus omia aikojaan menee poikki? Kun taivuttelet rautalankaa edestakaisin riittävän monta kertaa se katkeaa. Saman syyn takia puolakin menee mutkasta poikki. Kun sitä tarpeeksi monta kertaa taivuttaa niin poikki se metallin väsymisen vuoksi menee. Eräs seuraus on, että ohennetuista puolista rakennettu kiekko on vahvempi kuin tasapaksuista puolista tehty. Ei tasapaksu eikä ohennettu joudu lähellekään katkeamispistettä jännityksen vuoksi, mutta ohennettu on hieman elastisempi ja puolan mutkaan kohdistuu siksi vähemmän väsytystaktiikkaa. Erheellisesti luullaan joskus polkemisesta aiheutuvan voiman katkaisevan puolan. Tällöin kuitenkin puola on jo väsynyt lähelle murtumispistettään ja se viimeinen nytkäytys on sille vain liikaa. Jos puola menee keskeltä poikki (sekin joskus tapahtuu), on se luultavasti saanut jossakin elämänsä vaiheessa terävän iskun taikka siihen on jäänyt sisäisiä jännitteitä, joita ei olla rakentamisen aikana saatu siitä poistettua.

Miten rakennetaan kestävä kiekko?

Edellä esiteltyjen ilmiöiden perusteella vastaus on yksinkertainen. Puolataan kiekko riittävän kireäksi, jotta se kestää kuormaa. Kiristetään kaikki puolat yhtä kireälle, jotta ne kuormittuvat tasaisesti eivätkä pääse yllättämään väsymiskatkeamisella. Lisäksi "kiekkoa leipomalla" poistetaan puolista sisäiset jännitteet. Tästä lisää hieman myöhemmin. Takakiekossa oikea ja vasen puoli ovat eri kireydellä, koska hammasrattaiden takia kiekko ei ole symmetrinen. Sama koskee myös levyjarrullisia etukiekkoja. Saman puolen puolat ovat kuitenkin keskenään yhtä kireällä. Kiekon ollessa rakennettu siten, että kunkin puolan jännitys vastaa noin 100 kg punnusta siinä roikkumassa (takakiekossa vasen puoli jää löysemmälle), kestää se käytännössä siihen asti kunnes vanteen sivu on jarrutettu puhki, kapula on mennyt puolien väliin tai on ajettu kunnon mälli.

Navan, kiekon ja puolaustavan mukaan täytyy valita oikean mittaiset puolat. Yleensä myyjä osaa kertoa oikeat pituudet, sillä ne on taulukoitu. Puolien pituuden voi laskea myös netistä löytyvillä laskureilla.

Yleisin on ns. kolme yli puolaus. Se tarkoittaa sitä, että kukin puola matkallaan navasta vanteeseen ylittää kolme muuta puolaa. Radiaalisessa puolauksessa näitä ylityksiä ei ole lainkaan. Josku näkee etukiekossa käytettävän tätä tapaa. Se toimii, koska etukiekolla ei välitetä navan kautta vanteeseen vetäviä tai jarruttavia voimia. Poikkeuksen tekee tietysti levy- tai napajarru. Jos silloinkin käytettäisiin radiaalista puolausta, olisi kiekko kovin lyhytikäinen. Kolme yli puolauksessa yhdistyvät eri tapojen hyvät puolet. Kukin puola ylittää muut puolat paitsi viimeisen samalta puolen. Viimeisen puolan ylitys tapahtuu siten, että ylitys taivuttaa puolia navan laippoja vasten vahvistaen näin rakennetta. Lisäksi toisen yli menevä puola kiristää alaspäin menevää puolaa jonkin verran. Kuvitellaan tapaus, jossa radiaalisessa puolauksessa alaspäin menevä puola menettää jännityksen dropista alas ajettaessa. Puola on sillä hetkellä yksin ilman tukea ja ilman tukeahan sortuminen on aina vaarana. Mikäli vastaavassa tilanteessa olisikin klassinen kolme yli puolaus, risteävä puola olisi edelleen kireänä ja hieman vetäisi alaspäin osoittavaa puolaa kiristäen sitä jonkin verran. Syyt valita joku muu tapa on useinmiten kosmeettinen tai teoriassa saavutettu pienempi ilmanvastus. Radiaalisessa on tietysti lyhyemmät puolat ja siten kiekosta tulee hieman kevyempi. Jos kolme yli puolauksessa joudutaan käyttämään 265 mm pitkiä puolia, on radiaalisessa puolauksessa puolien pituus 254 mm eli vain neljä prosenttia lyhyempi. Koska kiekon painosta vain murto-osa koostuu itse puolista, niissä neljän prosentin painosäästö on vähintäänkin kyseenalaista muiden hyvien ominaisuuksien menettämisen vastapainoksi. Muutettuna suoraan grammoiksi 32-puolainen paksuudeltaan 2.0 mm puolista rakennetun kiekon puolat painavat 265 mm pitkinä noin 223 g. Vastaavasti 254 mm pitkinä painoa puolille kertyy noin 213 g eli 10 g vähemmän. Messinkiset nippelit (32 kappaletta) painavat noin 31 g ja vastaavasti alumiiniset 11 g. Niissä painon säästöä voi kerätä kokonaiset 20 g. Vaihtamalla siis messinkinippeleillä kasatun kolme yli kiekon radiaalisesti puolattuun alumiininippelisiin kiekkoon säästää painossa noin 30 g. Painon lähteenä on käytetty DT-puolien ilmoitettuja painoja, joista löytyy tietoja www.dtswiss.com -sivuilta.

Reikiin pujottelua

Puolien asettaminen navan reijistä vanteen reikiin on rakentamisen mekaaninen ja helpoin osuus. Venttiilin reikä asetetaan siten, että sen molemmilta puolin lähtevät puolat suuntautuvat eri suuntiin. Näin saadaan mahdollisimman hyvä tila pumpulle. Vanteessa olevat reiät ovat vuoron perään hieman eri puolilla keskikohtaa. Navan vasemman puoleisesta laipasta lähtevät puolat pujotetaan vanteen vasemman puoleisiin reikiin ja vastaavasti tehdään oikean puoleisille puolille. Pujotusjärjestys on siinä mielessä tärkeä, että viimeisen kierroksen puolat pitää pujottaa navan laipan sisäpuolelta. Näin ne saadaan mahdollisimman helposti taivutettua muiden jo kiekossa olevien puolien ohi omiin reikiinsä. Ensimmäisiä kiekkoja tehdessä on kasaa ja pura melko yleinen ilmiö ennen kuin yrityksen ja erehdyksen kautta oikea tapa iskostuu selkärankaan. Artikkelin toisessa osassa käydään läpi eräs tapa pujottaa puolat kolme yli puolaustavassa.

Puolien pujottamisessa takakiekkoon kannattaa huomioida seuraava yksityiskohta: Kiekkoa katsottaessa sivusta joka toinen puola suuntautuu navasta etuviistoon ja joka toinen takaviistoon. Oikealta puolalta katsottuna (hammasrattaan puoli) tulisi takaviistoon suuntautuvan puolan lähteä navan laipan sisäpuolelta. Silloin takaviistoon lähtevä puola ylittää viimeisen kohtaamansa puolen ulkopuolelta ja poljettaessa voimavaikutukset ainakin teoriassa vetävät puolia näin poispäin takavaihteensiirtäjästä, joka isoimmalla rattaalla ollessaan on hyvinkin lähellä puolia. Tämä pätee siis vannejarrullisiin takakiekkoihin. Levyjarrujen tapauksessa myös jarruttaminen aiheuttaa rasituksia puoliin, joten puolauksen voi tästä syystä tehdä toisinkin päin. Varsinkin lukkojarrutetun kiekon törmäyksessä esteeseen kiekko joutuu koville. Agressiivinen ajotyyli kaiken kaikkiaan rasittaa niin keikkoja kuin muutakin kalustoa luonnollisesti enemmän kuin pehmeä ajotyyli.

Kiekon rakentaminen alkaa vasta em. pujotteluvaiheen jälkeen. Puolat on saatava oikeaan kireyteen, kiekko suoraksi ja pyöreäksi. Jotta nipat kiristyisivät helposti eivätkä samalla vääntäisi puolia ropelille, laitetaan hieman öljyä puolien kierteisiin ja vanteen reikiin ennen pujotteluvaiheen alkamista. Kiekko asetetaan rihtauspukkiin tai pyörän haarukkaan ja kiristetään vähä vähältä kohti lopullista jännitystä. Samalla poistetaan puolista niihin valmistusvaiheessa jääneet sisäiset jännitykset ja nippojen kiristämisvaiheessa syntynyt ropelivaikutus. Oikea jännitys voidaan päätellä puolan äänen korkeudesta sitä soitettaessa. Esim. kahden mm paksuisen, 262 mm pituisen puolan jännitys on riittävän lähellä oikeaa sen soidessa 440 Hz:n taajuudella. Musiikkikaupasta saatava äänirauta antaa juuri 440 Hz:n äänen. Puolat saadaan keskenään tasajännitykseen vertaamalla niiden antamaa ääntä. Kaikkien puolien ollessa lähellä samaa jännitystä, koko kiekko alkaa soida resonansissa yhtä puolaa näpäyttämällä. Soitettaessa puolaa ääntä sotkee risteävä puola. Jos risteävät puolat ovat eri jännityksessä, on äänestä vaikea saada selvää. Niiden toisaalta ollessa lähellä toisiaan on äänen korkeus vertailtavissa.

Etukiekko tulee em. toimien avulla automaattisesti keskitettyä. Takakiekossa asia on hieman mutkallisempi, koska se ei ole symmetrinen. On käytettävä keskittämistyökalua, jolla voidaan tarkistaa vanteen sijoittuminen ajatellulle keskiviivalle takahaarukassa. Mikäli ko. työkalua ei ole, voi kiekon laittaa ensin toisinpäin ja sitten toisinpäin haarukkaan ja katsoa asettuuko se samaan paikkaan molemmilla kerroilla.

Lujuuteen vaikuttavia tekijöitä

Mitä ovat edellä mainitut sisäiset jännitykset puolassa? Katsotaanpa hieman metallin ominaisuuksia. Kun puolaa venytetään se venyy. Kun venytys lopetetaan palautuu puolan pituus ennalleen. Tyypillisesti kiekon puolat ovat noin 0.5 mm - 0.7 mm venyneenä kasatussa ja kiristetyssä kiekossa. Puolan palautuessa alkuperäiseen pituuteen venytys lopetettaessa se ei ole vielä ylittänyt elastisuutensa rajaa. Jos venytysvoima kasvaa ylitetään piste jossa puola venyy eikä enää palaudukaan takaisin. Elastisuuden raja on ylittynyt. Voimaa vielä tästäkin lisättäessä puola lopulta katkeaa eli murtumisraja ylitetään. Suoria puolia lukuunottamatta puola on toisesta päästä taivutettu mutkalle. Koska puola pysyy mutkalla eikä oikene, on taivutuksen kohdalla ulkopuoli mennyt yli elastisuuden rajan (ei kuitenkaan yli murtumisrajaa) ja sisäpuoli puolestaan on puristuneena pyrkien oikaisemaan mutkaa. Tästä aiheutuu sisäistä jännitettä mutkaan, joka heikentää sen väsymiskestävyyttä. Siksi kiekon kasauksen aikana puristamalla, vääntämällä jne. hetkellisesti ylikiristetään puolia. Se pakottaa mutkan mahdollisimman suuren osuuden menemään yli elastisuuden rajan ja kestävyys väsymistä vastaan paranee. Samainen hetkellinen ylikiristäminen (puhutaan myös kiekon leipomisesta) pakottaa myös mutkan asettumaan paremmin laipan sivua vasten mikä myöskin parantaa kestävyyttä. Samalla poistuu ilmiö, jonka mukaan puola venyisi ensimmäisten ajolenkkien aikana ja kiekko pitäisi rihdata uudestaan. Puola ei veny itsestään. Todellinen venyminen saadaan aikaan vaan jännitystä lisäämällä eikä pyörällä ajaminen puolia kiristä, ei todellakaan. Se mikä tapahtuu on puolien asettuminen navan laippoja vasten paremmin. Mutka voi hieman suoristua sen seurauksena. Siksi puola löystyy ja pahimmassa tapauksessa vannekin menee kieroksi. Oikein "leivottuna" tämä tapahtuu jo kiekon kasausvaiheessa eikä rihtaamista ensimmäisten ajolenkkien jälkeen silloin tarvita. Eräs uuden kiekon alkutaipaleella tapahtuva ilmiö on naksumisen kuuluminen puolista. Se tulee siitä, kun puola on kiristämisen vuoksi mennyt kiristämisen suuntaan ropelille ja tämä ropeli purkaantuu. Tämä ropeli kuuluu poistaa kiristämisen viimeisessä vaiheessa löysyttämällä nippeliä noin neljännes kierroksen verran. Silloin se ei enää tapahdu ensimmäisten ajokilometrien aikana ja samalla löysää puolien jännitystä.

Kahden millimetrin paksuinen puola kestää vetoa, joka vastaa noin 300 kg:n painoa roikkumassa siitä. Lopullinen kireys kiekossa vastaa kireyttä, jossa puolan päässä roikkuu noin 100 kg:n punnus. Napa ja vanne kestävät tämän vielä hyvin. Ohennettu puolakaan ei joudu lähelle elastisuuspistettä, joka tulee vastaan noin 230 kg:n painon roikkuessa siitä. Itse vanteeseen sen suuntaisesti kohdistuu noin 500 kg:n painoa vastaava puristusvoima. Siis puolen tonnin kuorma! Mikäli sahaisit vanteen varovasti poikki, levittäisit sitä ja työntäisit sormen väliin tietäisit miltä 500 kg kynnen päällä tuntuisi. Holkitetun vanteen tapauksessa puolan kireyden voi asettaa jopa 120 kg vastaavalle tasolle. Sitä suuremmat kireydet voivat jo olla vanteelle tai navan laipoille liikaa. Ajon aikana puolan jännitys ei nouse vaan noin neljän alimmaisen puolan jännitys pienenee niiden kannatellessa painoa. Muista siis, että pyörä seisoo puolien päällä.

Alpo Puuronen

LÄHTEET:

Jobst Brandt, The Bicycle Wheel (ISBN 0-9607236-6-8)

http://www.sheldonbrown.com/