Cykelns obesjungna hjältar, vi tycker att det är på tiden att ekrar får den respekt som förfaller
De här tunna trådarna utför ett obevekligt tufft jobb, de sträcks och komprimeras upprepade gånger för varje varv på våra hjul. De bär också accelerationskrafterna från att trampa från nav till hjulfälg och överför även bromskrafter. Deras roll i själva det faktum att vi överhuvudtaget kan cykla är nästan magisk – så tunna trådar som bär upp så enorma laster. Så vi kände att det var hög tid att den ödmjuka talaren tog lite åt sig äran, där en hel belastning är på väg.
'Det geniala med ekerhjulet är att det kan överföra de ofta mycket stora krafter som skapas av föraren, cykeln och olika vägytor till dessa smala stavar, som var och en systematiskt komprimeras när hjulet svänger och belastningen överförs från en talade med en annan, och så fortsätter det, säger professor Mark Miodownik, chef för Institute of Making vid University College London, författare till Stuff Matters, TV-presentatör och entusiastisk cyklist. Han fortsätter: "Det är ett vackert sätt att optimera ett hjuls vikt, kostnad och prestanda."
Ekrar, när de väl är spänningar, spänner i huvudsak fälgen med navet som mittankare. I ett perfekt världsscenario drar varje eker med samma spänning för att fördela belastningen jämnt över hjulet samtidigt som den håller fälgen rätt och cirkulär. Ekrarna måste stödja hjulet mot lateral böjning och deformation av fälgen och även motstå att hjulet effektivt kläms av vertikal belastning (radiell kompression). Ingen liten uppgift. Det är inte konstigt att mycket få andra lösningar har utforskats sedan hjulets tillkomst.
Ekerspänning
Nu börjar det bli tekniskt och du kommer inte att vara ensam om det som följer är lite förvirrande och kontraintuitivt. Det råder stor oenighet om huruvida en cykel i själva verket hänger från de övre ekrarna (de ovanför navet när du ser cykeln från sidan) eller snarare stöds av de nedre och fungerar som små pelare."Den senare uppfattningen, hur märklig det än verkar, är definitivt fallet", säger Jim Papadopoulos från Northeastern University's College of Engineering i Boston, USA, och medförfattaren till Bicycling Science.
Även om det är lätt att tro att en cykeleker helt enkelt skulle kollapsa under tyngden av cykeln och föraren, fortsätter han med att förklara att spänningen som skapas i en eker under hjulbyggnadsprocessen (kallad 'förspänning') är vad som gör att de nedre ekrarna kan bära belastningen utan att bucklas, som de skulle göra om det inte fanns någon förspänning. "Varje eker på det olastade hjulet har en spänning i storleksordningen 100lb [445N]. När axeln pressas mot marken med en kraft på 100lb är den enda signifikanta effekten på ekerspänningen att minska de direkt under navet – vanligtvis minskar man till cirka 50lb och ekrarna på varje sida av den minskar till cirka 75lb. Det här är precis vad man skulle se med massiva träekrar som ett gamm alt vagnshjul – den nedre skulle bära 50 pund och de på vardera sidan om den skulle bära 25 pund. Skillnaden med trådekrade hjul är att en trådekr inte kan bära en kompressionsbelastning – den kommer att kollapsa. Så alla ekrar är genialiskt förspända. En tråd kan inte bära en kompressionsbelastning på 50lb, förutom när den redan har en spänningsbelastning som överstiger det.
‘Självklart kommer ett cykelhjul att kollapsa om de övre eller horisontella ekrarna tas bort, tillägger Papadopoulos. Men det beror huvudsakligen på att den förändrade strukturen har en helt annan belastningsbana och dessutom inte kan leverera den nödvändiga förspänningen. Vi kan inte använda den kollapsen för att dra slutsatsen att det typiska hjulet bär last genom de övre ekrarna.’ Om det får huvudet att snurra är du inte ensam. Så låt oss gå vidare till det mer enkla området med ekermaterial.
Stålekrar
Ekrar är till övervägande del gjorda av stål, ett materialval som, som Miodownik säger till oss, i grund och botten handlar om förmågan att ha en pålitlig gänga. Ståltråd är jättebra eftersom även med en väldigt liten fästyta, som där nippeln håller ekern vid fälgen, kan du sätta ganska mycket spänning på dem utan att ta av tråden. Rostfritt stål är det idealiska materialet eftersom det har rätt blandning av hög hållfasthet och låg vikt, samtidigt som det är prisvärt.’
Rostfritt stål har varit den valda metallen för ekrar sedan slutet av 1800-talet på grund av dess höga draghållfasthet, vilket gör att ekrarna förblir relativt tunna och lätta samtidigt som de klarar de krafter som utsätts för dem. "Erar i mjukt stål skulle behöva vara dubbelt så tunga och tjocka", säger Chris Hornzee-Jones, chef för konstruktionsingenjörerna Aerotrope. Han designade den banbrytande Lotus-terrängcykeln i kolfiber och arbetade på ett av de största spännings-ekrade hjulen som någonsin tillverkats – strukturen med en diameter på 60 m upphängd under taket på Millennium Dome, som användes som en plattform för luftartister. "Genom att tillsätta krom och molybden i järn och kol i mjukt stål är den resulterande legeringen av rostfritt stål mycket mer motståndskraftig mot utmattning.’
Trötthet är en ekers nemesis. Om du tror att dina fyrhjulingar utsätts för påfrestningar vid upprepade tillfällen av att du upprepar dina pedalslag, tycka synd om dina ekrar, som blir slagna med varje hjulvarv. Varje eker i hjulet utsätts för tryckbelastning endast under den bråkdel av en sekund som den är direkt under navet, och för det ögonblicket komprimeras den innan trycket lossnar och den kan återgå till sin normala längd. Det är en obeveklig cykel som bokstavligen kan innebära att ett dåligt byggt hjul lösgörs.
'Ett hjul är som ett utmattande löpband för ekrar, vilket görs desto svårare för dem genom att ha lagt till en tråd i ena änden och [i de flesta fall] en böj och/eller huvud i den andra,' säger Hornzee-Jones. "Tråden är en koncentrator av stress och belastningsöverföringen sker mestadels genom de första gängorna. Dessutom är bröstvårtan jämförelsevis styv och, eftersom den försöker sitta vinkelrätt mot fälgen, är den sällan perfekt i linje med vinkeln som ekern kommer till, vilket kan vara orsaken till ytterligare koncentrerad stress. I andra änden böjs J-böjen minutiöst och efter hundratusentals normala hjulrotationer kan eventuella små ytfel, endast mikrometer djupa och helt omärkliga för det mänskliga ögat, börja öppna sig. Det är en långsam process till en början men kommer så småningom att leda till ekerbrott.’
Aluminium ekrar
Stål är dock inte det enda materialet som används för ekrar. Mavic och Campagnolo (liksom Campagnolos systerbolag Fulcrum) har länge varit förespråkare för aluminiumekrar. Aluminium har en tredjedel av stålets densitet men ungefär en tredjedel av styvheten också, så ekrarna måste vara tjockare, vilket innebär att de är potentiellt mindre aerodynamiska, kräver större nipplar och, därefter, större hål i fälgarna, vilket kan minska fälgstyrka och styvhet. Aluminiumekrar tenderar också att använda en design med rakt drag eftersom en J-böj i aluminium med stor sannolikhet skulle gå sönder under stress.
En annan begränsning är att aluminium inte håller en tråd lika lätt. Mavics lösning är att trä nipplarna direkt i fälgen istället för på ekern. Campagnolo föreslår att man väljer aluminiumekrar som väger samma som stålversioner, men som jämförelse förbättrar körkänslan på sina hjul, men detta är en till stor del subjektiv fråga där ekrarna bara spelar en roll, med däck, fälgar och nav som också är viktiga aktörer, än mindre resten av cykeln.
Med tanke på de olika påfrestningar som ekrar utsätts för kanske kolfiber inte alls verkar vara ett troligt val, men Mavic, tillsammans med flera andra high-end hjulmärken, som Lightweight och Reynolds för att nämna två, har hittat sätt för att utnyttja dess draghållfasthet i ekrar, med uppenbara viktbesparingar på gång. Mavics R-Sys SLR, till exempel, använder ihåliga kolrör för att ge styvhet under spänning och motstånd mot kompression."Ekersträckningen är mycket lägre än stål eller legering eftersom kol är styvare", säger Mavics Michel Lethenet. "Som rör, motstår de kompression, vilket hjälper till att bibehålla hjulets styvhet, även om vissa metalldelar krävs, som är bundna i varje ände för att göra fästena vid fälgen och navet." En alternativ metod används i Mavic's Cosmic Carbone Ultimate, där klingade kolekrar går från ena sidan av hjulet till den andra, ansluter till navflänsen och korsar andra ekrar på vägen.
Truth from spin
Det finns några andra bitar av mottagen cykelvisdom som rör ekrar som Peter Marchment, materialvetare och chef för Hunt Bike Wheels, gärna skingra. "Ett hjul som använder en djupare fälg med kortare ekrar ses ofta som "starkare", men det beror vanligtvis på den inneboende extra styvheten i fälgen, säger han."Dessutom tror många att en högre ekerspänning innebär att du får ett styvare hjul, men så är inte fallet. Hjulens styvhet påverkas av många saker förutom bara spänningen, inklusive ekerantal, stagvinkel och fälgdjup.
Faktiskt kommer en eker att förlängas lika mycket när den är belastad, oavsett vilken förspänning som appliceras, vilket innebär att en ökning av ekerspänningen inte gör hjulet styvare.' Marchment fortsätter: 'Att sätta ekrarna under rätt spänning är avgörande. Vid extremt höga spänningar är fälgen och ekrarna mer benägna att skadas eftersom de effektivt förbelastas med en hög kraft. Men låga ekerspänningar är också ett problem eftersom bröstvårtan är mer benägen att lossna [varva ner] när den blir avstressad genom stötar eller vägvibrationer, vilket gör att hjulet blir fel.’
Oavsett spänning och mönster, det finns ett stort utbud av ekrar att välja mellan, för att inte tala om många variationer i kvaliteten på tråden som de är gjorda av. Sapim, en av de ledande ekertillverkarna, producerar 300 miljoner ekrar om året och shoppar runt för att upprätthålla kvaliteten och förbli konkurrenskraftig i hela sitt produktsortiment. "Sextio till 70 procent av priset för en vanlig eker kan finnas i materialet, så det är viktigt att få det rätt, men det viktigaste för alla våra ekrar är vajerns prestanda", säger Sapims försäljningschef, Klaus Grüter. "Vi letar efter en tråd som är ljus och glänsande och som har en draghållfasthet på 1 000 till 1 050N/mm2 med bra utmattningsdata och, viktigare, utmärkt korrosionsbeständighet."
Grüter berättar att proverna är labbtestade för draghållfasthet, böjnings- och vridmotstånd. När den har accepterats, rätas tråden från spolarna ut med maskin och skärs. Vanlig tråd kan också göras till stämplade ekrar (där den centrala delen görs smalare) genom att dra tråden genom en dyna. När den väl har stötts smids ekerhuvudet och J-böjen och tråden i andra änden rullas (inte kapad). Färdiga ekrar inspekteras både av maskinseendesystem och av mänskligt öga och hand. En maskin klarar av att tillverka 20 000 ekrar om dagen, vilket förklarar varför olika arbetskostnader har liten inverkan på priset på en färdig eker och varför tillverkare över hela världen kan sälja till liknande priser.
Men varför stöta på en eker ändå? Jonathan Day från Strada Wheels förklarar: "Buttade ekrar är bättre på att hantera vridmoment än vanligt spår." De är bredare i hjulets plan, vilket är riktningen för vridkraften, så det finns mer material för att motstå det. Dessutom böjer de sig lite mer i det vinkelräta planet, så de är bättre på att fördela kompressionsbelastningen över hjulet.’
Ekermönster
Det traditionella ekermönstret för ett cykelhjul bestod av 32 (eller ibland 36) ekrar, korsade tre gånger. Det sammanvävda mönstret av ekrarna i ett traditionellt snört hjul, långt ifrån bara ett ganska kalejdoskopiskt arrangemang, är faktiskt en funktionell del av hjuldesignen.
När det gäller styvhet i sidled gör punkterna där ekrarna skär varandra så att var och en kan stödja sig mot varandra när den ställs under spänning, samt stödja den när den komprimeras. Den viktigaste rollen för det trekorsade snörningsmönstret är i ett bakhjul, där ekrarna måste överföra trampkraft från navet. I detta fall belastas ekrarna med mycket större torsionsbelastningar tack vare vridkraften från drivlinan. Ekrar på kassettsidan, som lämnar navet tangentiellt, överför en roterande kraft (vridmoment) från navet till fälgen. Radiella ekrar (som följer en bana från centrum av navet direkt till fälgen, utan att korsa en annan) klarar mycket sämre den här typen av belastning och är mer benägna att misslyckas.
När vridmomentet inte är ett problem, till exempel på ett framhjul med fälgbromsar, är det meningsfullt att använda radiella ekrar. Detta sparar vikt, eftersom ekrarna kan vara kortare och färre behövs för att skapa ett i sidled styvt hjul. Det ser bra ut också. Skivbromsar orsakar dock betydande vridbelastning, vilket gör radiella eker nästan omöjliga. "Att få till det rätta snörningsmönstret är nyckeln eftersom ekrarna delar kompressionsbelastningen genom att klämma mot grannarna de korsar, så ekrarna bör snöras för att vara ledare eller släpvagnar", säger Day. "Du måste se till att en ledande eker tar belastningen först på drivsidan. På ett 32-ekrat hjul vill du ha 16 ledande ekrar för att dela på lasten. Om du får fel snörning får du bara åtta som gör jobbet.’
Anmärkningsvärt nog har ekermönster förblivit en av de minst utmanade aspekterna av hjuldesign, trots några enorma steg framåt i material och tillverkningsteknik under de senaste decennierna. Det är en verkligt beprövad metod och som man säger, om den inte gick sönder…
