COM È FATTA UNA RUOTA?

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1 GUIDA

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3 COM È FATTA UNA RUOTA? Ciao sono Giovanni del reparto tecnico di PMP Bike. Con questa guida cercheremo di analizzare i principali elementi che compongono una ruota da bicicletta e come essa viene realizzata. Nessuna pretesa di toccare al 100% tutti gli argomenti. Vi sono libri e libri con centinaia di pagine che analizzano la tensostruttura chiamata RUOTA. Potrete scoprire il perché di alcune scelte costruttive o valutare come sono realizzate le vostre ruote per essere un pochino più consapevoli di come è fatta una ruota. Basandosi sul principio che le ruote sono il collegamento tra atleta-telaio e il terreno, è necessario che si deformino il meno possibile per trasmettere efficacemente la potenza della pedalata, ma allo stesso modo devono deformarsi per assorbire asperità ed urti e non per ultimo devono essere leggere per limitare il più possibile il momento di inerzia. Ognuna di queste condizioni é in antitesi con le altre; pertanto ogni ruota è frutto di un compromesso che dovrebbe essere il migliore per ciascuno di voi. Gli elementi che costituiscono una ruota sono: Il cerchio, i nipples, i raggi, il mozzo, i cuscinetti, le tecniche di montaggio.

4 IL CERCHIO Il cerchio, insieme al mozzo e al montaggio, è uno degli elementi chiave della struttura ruota. Per la fisica, più il cerchio è pesante e più aumenterà l inerzia della ruota. Cosa vuol dire? Vuol dire che più il cerchio è pesante e più si farà fatica a farlo accelerare. In termini pratici di guida sarà più faticoso rilanciare l andatura ed eseguire cambi di velocità. Inoltre, anche in salita, oltre al peso generale, sarà più faticoso gestire i cambi di pendenza e di velocità. In tutte le situazioni dove vi sono cambi di velocità il peso del cerchio gioca un ruolo fondamentale. Entrano in gioco poi altri aspetti. "Il cerchio, insieme al mozzo e al montaggio, è uno degli elementi chiave della struttura ruota." comfort della ruota peggiora. Pertanto, una ruota con profilo generoso, risulta essere più stancante e faticosa. In ambito MTB la dimensione dell altezza del cerchio è normalmente compresa tra 16mm e 30mm, in quanto non è richiesta una rigidità cosi elevata perché andrebbe a discapito della performance in ambito off road. Larghezza canale interno: negli ultimi anni ha subito un aumento considerevole, in generale sia nel Road che nell Off-Road. Essa influenza il volume d aria che si genera tra cerchio e gomma, offrendo una più facile redistribuzione delle sollecitazioni derivanti dal percorso della ruota. Un maggior volume d aria permette un miglior grip, comfort e capacità di superamento degli ostacoli, che siano i vostri sentieri preferiti o le superfici irregolari delle nostre strade. Offset: asimmetria della zona di ancoraggio dei nipples, consente di migliorare l angolo di campanatura della ruota, ottimizzando la naturale differenza di tensionatura dei raggi, in funzione della diversa inclinazione, necessaria alla presenza della flangia disco anteriore e della ruota libera al posteriore. L asimmetria sarà maggiore a sinistra nella ruota anteriore lato disco e posteriore lato trasmissione. Materiale: i cerchi da bicicletta sono quasi nella totalità o in alluminio o carbonio (inteso come materiale composito). Si differenziano per le caratteristiche meccaniche, che sono a favore del carbonio, e per la rigidità della ruota offerta da questo materiale. Di contro il carbonio ha costi di realizzazione maggiori. Altezza: l altezza del cerchio influenza principalmente la risposta della ruota offrendo grande rigidità se vi è una altezza generosa (vedi ruote da strada con profilo da 80 mm). Di contro, il peso aumenta e il

5 NIPPLES I Nipples sono quel piccolo componente che lega il cerchio ai raggi. È un elemento strutturale che, seppur non di grande fama, ha un ruolo fondamentale per il montaggio di una ruota; garantisce tensione, centraggio e campanatura del tempo. I nipples possono essere sostanzialmente di 2 materiali, i quali influenzano molto il peso e la durata di una ruota. ERGAL: si tratta di alluminio leggero e dalle ottime caratteristiche meccaniche e permette di limare il peso; infatti 32 nipples in ergal pesano circa 11/12 grammi. Questo tipo di nipples ha le sue debolezze nel suo stesso materiale poiché più soggetto a corrosione (lattice e agenti atmosferici) e a deformazioni e rotture in fase di manutenzione della ruota. OTTONE: questi nipples hanno un peso ben diverso rispetto a quelli in ergal: 32 nipples in ottone pesano circa 42 grammi. A fronte di un peso superiore offrono affidabilità nel montaggio e nel tempo ed un ottima resistenza a corrosione. I nipples esistono di diverse lunghezze e dimensioni. Possono includere sistemi antisvitamento di resistenza alla rotazione sul raggio per evitare che le sollecitazioni durante l uso causino inaspettati svitamenti.

6 I RAGGI I raggi collegano il cerchio al suo sistema di rotazione, il mozzo, per dar vita alla ruota. I raggi hanno il compito di: - Sorreggere il carico dell atleta e della bicicletta. - Assorbire le asperità e gli urti. - Trasferire la potenza della pedalata e della frenata dalla bici al terreno. Il materiale con cui sono realizzati i raggi sono principalmente: ACCIAIO INOSSIDABILE è sostanzialmente il più usato sia nell ambito ROAD che in OFF-ROAD ed offre grande resistenza, elasticità e fruibilità. ALLUMINIO si tratta di raggi particolari usati solo da alcuni produttori in particolari modelli STRAIGHT PULL ed offrono una grande rigidezza a fronte di caratteristiche meccaniche differenti rispetto all acciaio; di contro sono di difficile reperibilità e dai costi superiori. I raggi in acciaio inossidabile possono essere: PIEGATI o J-BEND presentano una curvatura di 90 ad un estremità per l ancoraggio al mozzo; TESTA DRITTA o STRAIGHT PULL sono completamente rettilinei e hanno un estremità allargata in testa per l ancoraggio al mozzo. I due sistemi permettono sostanzialmente entrambi un ottima costruzione della ruota. Il raggio a testa dritta si può considerare più ottimizzato in termini meccanici in quanto non vi sono pieghe che innescano sollecitazioni meccaniche differenti alla trazione o compressione assiale. La zona piegata del raggio è la zona più sensibile a rotture da stress (fenomeni di fatica dei materiali).

7 I raggi, infine, possono avere sezioni differenti. Si identificano come sfinati cioè con sezioni differenziate, per diminuirne il peso e modificarne la risposta elastica. I raggi generalmente usati sono: 2mm il raggio ha la stessa sezione in ogni suo punto, è molto rigido ma anche più pesante ha spessore 1.8mm nella zona centrale, mentre nella testa e nella filettatura torna a 2mm nella zona centrale lo spessore è di 1.5 mm. Questo raggio offre ottima resistenza ed elasticità Piatti La famiglia dei raggi PIATTI, sia piegati che a testa dritta, offrono una bassissima resistenza aerodinamica. A fronte di un aumento di costi e difficoltà di montaggio, possono essere di diverso spessore e larghezza e di forte impatto estetico e qualitativo nel mondo off-road; trovano però la loro naturale connotazione nell ambito ROAD. Esistono raggi con testa filettata da 1.8mm per limare il peso. Ritengo che questo tipo di soluzione sia da evitare in quanto poco efficace e soggetta a problematiche di affidabilità del sistema nipples-raggio evidenti con nipples in ergal.

8 IL MOZZO Il mozzo è il cuore della rotazione e della trasmissione delle forze. Il suo corpo può essere realizzato in alluminio di differenti leghe, titanio o carbonio. Esso ha il compito di far ruotare le ruota sul telaio, trasmettere la potenza attraverso la ruota libera al mozzo stesso che grazie ai raggi la trasmette al cerchio, quindi al copertone e infine alla strada. Procedimento all incirca inverso per la frenata con freno a pattino, per freno a disco la forza frenante è applicata direttamente al mozzo e poi va trasferita dai raggi al cerchio e copertone per attuare con l attrito della gomma la frenata. "Il mozzo è il cuore della rotazione e della trasmissione delle forze." Il mozzo quindi può essere di 2 tipologie: DISCO NO DISC Può utilizzare i seguenti standard di raggi: A TESTA DRITTA o STRAIGHT PULL lavorazione più costosa realizzata con frese CNC. A TESTA PIEGATA o J-BEND più diffuso in ambito off road, può essere realizzato da frese o torni CNC. Può avere un numero variabile di fori per i raggi. 18/20 FORI: generalmente uso road anteriore. 24 FORI: ROAD posteriore / ROAD DISC o MTB anteriore. 28 FORI: MTB e ROAD DISCO. 32 FORI: MTB per usi più gravosi. 36 FORI: MTB Touring, scopriremo che più raggi ha una ruota più è capace di sopportare carichi. Tutte queste combinazioni definiscono l unicità di un tipo di mozzo. Non è possibile trasformare un mozzo DISCO in NON DISC e viceversa, come non è possibile aumentare o diminuire il numero dei fori sul mozzo e la tipologia. Il meccanismo di trasmissione della potenza della pedalata ovvero il corpetto ruota libera, differisce a seconda del tipo e del produttore della trasmissione / pacco pignoni. Nel mozzo troviamo le sedi per i cuscinetti, gli assi atti alla rotazione e il sistema di trasmissione della potenza della pedalata: la ruota libera. Nel mozzo sono presenti le due flange per l ancoraggio dei raggi: maggiore è il diametro delle flange, più corti saranno i raggi e più rigida sarà la ruota. Per freni a disco è presente la flangia di fissaggio del freno a disco che può essere a 6 viti o Center lock ( un disco 6 fori può essere installato su mozzo center lock mediante adattatore apposito, ma non viceversa).

9 Ad oggi i più usati sono in ambito: MTB SRAM XD: per cassette SRAM X-DOME è lo standard per le trasmissioni a velocità di Sram (escluso gruppo NX) STANDARD SHIMANO HG: Il corpetto ruota libera per trasmissioni 9/10/11 velocità di Shimano. MICRO SPLINE: il corpetto ruota libera per trasmissione Shimano 12V. ROAD SHIMANO 11 VELOCITÀ: compatibile con 10 e 9 velocità con utilizzo di spessori ad hoc. SRAM XD: per gruppi SRAM strada 11V e 12V (in arrivo). CAMPAGNOLO: corpetto ruota libera dedicata a trasmissioni e pacco pignoni Campagnolo. Alcuni mozzi per freno a disco, tra cui i nostri mozzi PMP, possono essere invece convertiti per ospitare standard differenti di battuta mozzo per la ruota posteriore e diametro perno in funzione dello standard del telaio e della forcella. Lo standard dei mozzi ROAD Con freno a pattino e sgancio rapido della ruota è : ANTERIORE larghezza battuta mozzo 100mm con asse per Quick Release. POSTERIORE larghezza battuta mozzo 130mm con asse per Quick Release. ROAD DISCO (generalmente convertibili nei diversi standard): ANTERIORE larghezza battuta mozzo 100mm con asse Quick Release / 100x12mm / 100x15mm. POSTERIORE larghezza battuta mozzo 135mm con asse per Quick Release / 135x12 / 142x12. MOUNTAIN BIKE DISCO (generalmente convertibili nei diversi standard): ANTERIORE larghezza battuta mozzo 100mm con asse Quick Release / 100x12mm / 100x15mm / 110x20. POSTERIORE larghezza battuta mozzo 135mm con asse per Quick Release / 135x12 / 142x12 / 150/157x12 (specifico per il downhill). Il nuovo standard MOUNTAIN BIKE DISCO BOOST: ANTERIORE larghezza battuta mozzo 110 con asse 15mm (110x20 uso Downhill). POSTERIORE larghezza battuta mozzo 148 con asse 15mm. Inserisco qui il neo nato SUPERBOOST 157x12. posteriore Il mozzo BOOST nasce con la necessità di migliorare la stabilità delle ruote MTB da 29 ed introdurre un nuovo livello di riferimento. Per ottenere un significativo aumento di rigidezza e stabilità della ruota (fino + 25%) si sono aumentate le battute del mozzo (intese come lunghezza totale), sia anteriore che posteriore, con lo scopo di incrementare la distanza tra le flange dei raggi. I mozzi boost hanno quindi battuta 110 mm all anteriore e 148mm al posteriore, rispetto ai 100 mm e 142mm delle versioni standard. Una raggiatura con angolo più aperto risulta più stabile, più efficace e più longeva.

10 I CUSCINETTI I cuscinetti sono sostanzialmente la base su cui ruota l insieme di elementi che costituiscono la ruota. Da diverso tempo nei mozzi ad alte prestazioni si utilizza un sistema a cuscinetti a doppia schermatura sigillati che ha soppiantato il sistema a coni e sfere con registrazione del precarico, un sistema tendenzialmente più pesante, con necessità di interventi di manutenzione più ravvicinati. I cuscinetti sono il cuore della rotazione e vanno accoppiati con la loro sede nel mozzo e sull asse di rotazione. Si evince chiaramente, quindi, che le tolleranze di lavorazione sono fondamentali per un perfetto funzionamento. Le dimensioni del cuscinetto e il numero di sfere al suo interno, ne caratterizzano il carico radiale, la vita utile e la scorrevolezza. Carico radiale e vita utile, vanno in una direzione, in antitesi con la scorrevolezza. I cuscinetti di piccole dimensioni hanno basso carico radiale e buona scorrevolezza. Ecco perché in ambito road generalmente si utilizzano cuscinetti di dimensioni inferiori mentre in ambito off-road, in funzione di carichi maggiori e condizioni di utilizzo più gravose, come fango, sabbia ecc., si preferiscono cuscinetti di dimensioni maggiori. Trovare il giusto compromesso tra scorrevolezza e resistenza ai carichi in funzione della durata "Alcuni cuscinetti hanno schermature differenziate per offrire meno attrito al rotolamento" nel tempo delle performance è un segreto che ogni produttore tiene per sé. Alcuni cuscinetti hanno schermature differenziate per offrire meno attrito al rotolamento, sfruttando il fatto che un lato del cuscinetto è protetto dal corpo mozzo e quindi meno soggetto a contaminazioni quali sporco, sabbia e acqua. Esistono 2 tipi di cuscinetti utilizzati per l utilizzo in un mozzo per bicicletta: CUSCINETTI IN ACCIAIO INOX: sono i più usati ed offrono un ottimo compromesso tra durata e performance. Sfere e piste di scorrimento sono in acciaio.

11 CUSCINETTI IN CERAMICA: nello specifico le sfere sono in materiale ceramico, mentre le piste e distanziali rimangono in acciaio. Questo tipo di cuscinetto grazie alle caratteristiche meccaniche offerte dai materiali ceramici, offre ottima resistenza a carichi radiali e straordinaria scorrevolezza. Hanno costi molto elevati che possono arrivare ad essere anche 5/6 volte superiori di quelli in acciaio. La scelta del tipo di materiale del cuscinetto va fatta in funzione del tipo di utilizzo e dal gradi di performance ricercata. I cuscinetti ceramici, pertanto, ritengo possano essere montati su ruote di media alta gamma in alluminio/carbonio o da coloro che vogliono il massimo dai loro prodotti. La durata del cuscinetto, cioè il periodo di utilizzo nel quale il cuscinetto non presenti giochi o elevata resistenza alla rotazione, è in funzione di: - Qualità costruttiva del cuscinetto. - Tipologia di schermatura (schermature più efficaci disuniscono scorrevolezza a favore della durata) - Corretto dimensionamento per i carichi che dovrà affrontare. - Condizioni di utilizzo, agenti atmosferici, lavaggio, manutenzione. RAGGIATURA E MONTAGGIO Il montaggio non va inteso come il semplice assemblaggio dei vari componenti. In realtà ritengo che sia il punto conclusivo nella realizzazione di una ruota, frutto del processo decisionale dei singoli componenti che la compongono. Il numero di raggi di una ruota è generalmente un multiplo di 4 partendo da 12 arrivando a 36 raggi. Maggiore è il numero di raggi, maggiore è la capacità di carico e rigidità, anche se tipologia di componenti e montaggio possono rivalutare fortemente "Il montaggio e la raggiatura hanno lo scopo di rendere solidali i componenti della ruota." questa assunzione. Una ruota è tanto più elastica quanto minore è il numero dei raggi, ma questa caratteristica non trova corrispondenza nella realtà, specie con i cerchi a profilo maggiorato che aumentano la rigidità della ruota più di quanto il basso numero dei raggi la renda elastica. Sostanzialmente è possibile quindi progettare una ruota in funzione del comportamento che si desidera ottenere. Risparmiare grammi su raggi, nipples e tipologia di incrocio permette di poter spendere i grammi risparmiati per ottenere un cerchio molto rigido; questo è il caso delle ruote da strada ad alto profilo in carbonio: pochi raggi, montaggio radiale o in 2, ma elevatissima rigidità. Trasmissione della potenza, carico statico e dinamico, carico indotto dalla frenata, effetti dinamici della pedalata, fanno si che vi siano raggi sottoposti a trazione e raggi che vengono compressi. Il montaggio e la raggiatura hanno lo scopo di rendere solidali i componenti della ruota, trasferire i carichi e equilibrare la tensione dei raggi affinché trazione e compressione

12 siano equilibrati nel range di utilizzo in modo tale che questa non perda la sua centratura e la sua capacità di trasferire i carichi. Spessore e tipo di incrocio determinano quindi l elasticità della ruota: i raggi di spessore maggiore hanno meno capacità di allungarsi a parità di sollecitazione, offrendo quindi una risposta più rigidità. La capacità di un raggio di allungarsi a parità di sollecitazione è in funzione della sua lunghezza: raggi più lunghi si allungano di più. Ecco che entra in gioco il tipo di raggiatura eseguita in montaggio di una ruota: la lunghezza dei raggi è in funzione, oltre che alla geometria del cerchio e delle flange mozzo, anche del tipo di raggiatura: radiale, tangenziale in 2a / 3a / 4a. Tipologie di raggiatura: RADIALE I raggi escono dalla flangia del mozzo senza incrociare nessun altro raggio. Questo tipo di raggiatura non è in grado di assorbire carichi torsionali dovuti a freno a disco o trasmissione della potenza, pertanto è utilizzata principalmente su ruote road anteriori e posteriori NON DRIVE. Questa raggiatura è molto rigida e pesa meno, poiché in essa i raggi sono più corti possibile. Si ha una limitata capacità di assorbimento delle asperità e ogni sollecitazione è trasferita direttamente alla flangia mozzo; di contro si ha una resa estetica superiore. TANGENZIALE I raggi escono tangenzialmente alla flangia del mozzo e si incrociano tra di loro. Il numero di raggi incrociati lungo il percorso dal mozzo al cerchio determina il comportamento della ruota e codifica la denominazione della raggiatura tangenziale. La raggiatura può essere eseguita in 1a/2a/3a/4a identificando il numero di incroci che effettua un raggio per arrivare al cerchio: più vi sono incroci, più i raggi sono lunghi, e quindi più elastici. Vi è un limite alla tipologia di raggiatura in funzione del numero di raggi, sostanzialmente ruote a 36 raggi possono essere raggiate in 4a o 3a, ruote a 32 raggi possono essere raggiate in 3a o in 2a, mentre generalmente ruote a 28 fori si raggiano in 2a, questo perché incroci troppo angolati potrebbero far interferire i raggi con la flangia del mozzo. Ruote a 24 raggi possono essere raggiate in 2a o 1a; al di sotto di 24 fori solo in 1a o radiale. Per finire, avendo definito la ruota una tensostruttura, avremo raggi tesi e compressi. La disposizione di questi in termini pratici, per intenderci montati in modo simmetrico o asimmetrico, non ha sostanziali effetti sulle caratteristiche del montaggio, che come abbiamo visto è influenzato principalmente da altri fattori. Fondamentale è la tensionatura, il processo di allineamento dei raggi e lo scarico di tensioni residue: sono processi e abilità che fanno la differenza nella realizzazione di una ruota. Questo processo è ancora un aspetto artigianale che è frutto di prove, ricerca e sviluppo per ottenere la miglior risultato. Se avete ritenuto che questa piccolo excursus sul mondo delle ruote per la vostra bicicletta vi sia stata utile, sappiate che ogni nostra conoscenza, ricerca o sviluppo è finalizzata alla realizzazione di prodotti PMP sempre migliori.

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