Велосипедная передача — это аспект трансмиссии велосипеда , который определяет соотношение между частотой вращения педалей , скоростью вращения педалей велосипедиста и скоростью вращения ведущего колеса .
На некоторых велосипедах есть только одна передача, и, следовательно, передаточное отношение фиксировано , но большинство современных велосипедов имеют несколько передач и, следовательно, несколько передаточных отношений. Механизм переключения позволяет выбирать соответствующее передаточное отношение для эффективности или комфорта в преобладающих обстоятельствах: например, может быть удобно использовать высокую передачу при езде на велосипеде под гору, среднюю передачу при езде на велосипеде по ровной дороге и низкую передачу при езде на велосипеде в гору. Различные передаточные отношения и диапазоны передач подходят для разных людей и стилей езды на велосипеде.
Ноги велосипедиста вырабатывают мощность оптимально в узком диапазоне скоростей педалирования, или каденции. Передаточное отношение может быть оптимизировано для максимально эффективного использования этого узкого диапазона. Как и в других типах трансмиссий , передаточное отношение тесно связано с механическим преимуществом трансмиссии велосипеда. На односкоростных велосипедах и многоскоростных велосипедах, использующих переключатели передач , передаточное отношение зависит от отношения количества зубьев на кривошипной системе к количеству зубьев на задней звездочке ( зубчатой передаче ). Для велосипедов, оснащенных шестернями втулки , передаточное отношение также зависит от внутренних планетарных передач внутри втулки. Для велосипеда с приводом от вала передаточное отношение зависит от конических шестерен, используемых на каждом конце вала.
Чтобы велосипед ехал с той же скоростью, использование более низкой передачи (большее механическое преимущество) требует от велосипедиста более быстрого каденса, но с меньшим усилием. И наоборот, более высокая передача (меньшее механическое преимущество) обеспечивает более высокую скорость для данного каденса, но требует от велосипедиста приложения большего усилия или стояния во время педалирования. Разные велосипедисты могут иметь разные предпочтения в отношении каденса, положения при езде и силы педалирования. Длительное приложение слишком большого усилия на слишком высокой передаче при слишком низком каденсе может увеличить вероятность повреждения колена; [1] каденс выше 100 об/мин становится менее эффективным после коротких рывков, как во время спринта. [1]
Существует по крайней мере четыре различных метода [2] для измерения передаточных чисел: дюймы передач , метры разработки (выката), коэффициент усиления и указание количества зубьев на передней и задней звездочках соответственно. Первые три метода приводят к тому, что каждое возможное передаточное число представлено одним числом, что позволяет сравнивать передачи любых велосипедов независимо от диаметра ведущего колеса; числа, полученные разными методами, несопоставимы, но для каждого метода чем больше число, тем выше передача. Третий метод, коэффициент усиления, также учитывает длину шатуна, которая может различаться от велосипеда к велосипеду. Четвертый метод использует два числа и полезен только при сравнении велосипедов с одинаковым диаметром ведущего колеса. В случае шоссейных велосипедов это обычно около 670 мм. «Стандартное» колесо 700c имеет диаметр обода 622 мм. Окончательный диаметр колеса зависит от конкретной шины, но будет примерно 622 мм плюс удвоенная ширина шины.
Измерение переднего/заднего колеса учитывает только размеры передней и задней звездочек. Дюймы и метры развития передач также учитывают размер заднего колеса. Коэффициент усиления идет дальше и также учитывает длину шатуна педали.
Дюймы зубчатых передач и метры развития тесно связаны: чтобы перевести дюймы зубчатых передач в метры развития, умножьте на 0,08 (точнее: 0,0798, или ровно: 0,0254 · π).
Методы расчета, которые следуют далее, предполагают, что любая шестерня ступицы находится в прямом приводе. Умножение на дополнительный коэффициент необходимо для учета любого другого выбранного передаточного отношения ступицы [3] (многие онлайн-калькуляторы передач имеют эти коэффициенты, встроенные для различных популярных шестерен ступицы).
В следующей таблице приведено некоторое сравнение различных методов измерения передач (конкретные числа указаны для велосипедов с шатунами 170 мм, колесами 700C и шинами 25 мм). Также приведены скорости для нескольких каденций в оборотах в минуту. В каждой строке относительные значения для дюймов передач, метров развития, коэффициента усиления и скорости более или менее верны, в то время как значения для передних/задних колес являются ближайшим приближением, которое можно получить с использованием типичных размеров передней звезды и зубчатых передач. Обратите внимание, что велосипеды, предназначенные для гонок, могут иметь самую низкую передачу около 45 дюймов передач (3,6 метра) или 35 дюймов передач (2,8 метра), если они оснащены компактной системой шатунов.
Односкоростной велосипед — это тип велосипеда с одним передаточным числом и механизмом свободного хода. Эти велосипеды не имеют переключателя передач, планетарной передачи или других методов изменения передаточного числа велосипеда. Односкоростные велосипеды для взрослых обычно имеют передаточное число от 55 до 75 дюймов в зависимости от велосипедиста и предполагаемого использования.
Существует множество типов современных односкоростных велосипедов: велосипеды BMX , некоторые велосипеды, предназначенные для (маленьких) детей, велосипеды круизерного типа , классические городские велосипеды , моноциклы и велосипеды, предназначенные для гонок на треке .
Велосипеды с фиксированной передачей и горные велосипеды с фиксированной передачей также обычно являются односкоростными, поскольку у них обычно нет регулировки передаточного числа. Однако велосипеды с фиксированной передачей не имеют механизма свободного хода , позволяющего двигаться накатом.
Передачи, поставляемые производителем на новый велосипед, выбираются так, чтобы быть полезными для большинства людей. Некоторые велосипедисты предпочитают настраивать передачи, чтобы они лучше соответствовали их силе, уровню физической подготовки и ожидаемому использованию. При покупке в специализированных веломагазинах может быть дешевле изменить передачи до доставки, чем делать это позже. Современные передние звезды шатунов можно менять, как и зубчатые передачи .
Хотя длинные крутые холмы и/или тяжелые грузы могут указывать на необходимость пониженной передачи, это может привести к очень низкой скорости. Балансировка велосипеда становится сложнее на низких скоростях. Например, нижняя передача около 16 дюймов дает эффективную скорость около 3 миль/час (5 км/час) или меньше, в этом случае быстрее будет идти пешком (если позволяют велотуфли).
Что касается ног велосипедиста, то при переключении передач относительная разница между двумя передачами важнее абсолютной разницы между передачами. [4] Это относительное изменение, от низшей передачи к высшей, обычно выражается в процентах и не зависит от того, какая система используется для измерения передач. Езда на велосипеде, как правило, ощущается более комфортно, если почти все переключения передач имеют более или менее одинаковую процентную разницу. [5] Например, смена 13-зубчатой звездочки на 15-зубчатую (15,4%) ощущается очень похожей на смену 20-зубчатой звездочки на 23-зубчатую (15%), хотя последняя имеет большую абсолютную разницу.
Для достижения таких постоянных относительных различий абсолютные передаточные числа должны находиться в логарифмической прогрессии; большинство стандартных зубчатых передач делают это с небольшими абсолютными различиями между меньшими звездочками и все большими абсолютными различиями по мере увеличения звездочек. Поскольку звездочки должны иметь (относительно небольшое) целое число зубьев, невозможно достичь идеальной прогрессии; например, семь звездочек переключателя передач 14-16-18-21-24-28-32 имеют средний размер шага около 15%, но с фактическими шагами, варьирующимися от 12,5% до 16,7%. Эпициклические шестерни, используемые в шестернях ступицы, имеют больше возможностей для изменения количества зубьев, чем звездочки переключателя передач, поэтому можно значительно приблизиться к идеалу постоянных относительных различий, например, Rohloff Speedhub предлагает 14 скоростей со средней относительной разницей 13,6% и индивидуальными вариациями около 0,1%.
У гонщиков часто есть передачи с небольшой относительной разницей около 7% - 10%; это позволяет точно регулировать передаточные числа в соответствии с условиями и поддерживать постоянную скорость педалирования. Горные велосипеды и гибридные велосипеды часто имеют передачи с умеренной относительной разницей около 15%; это позволяет использовать гораздо больший диапазон передач, имея при этом приемлемый шаг между передачами. 3-скоростные втулки передач могут иметь относительную разницу около 33% - 37%; [5] такие большие шаги требуют очень существенного изменения скорости педалирования и часто кажутся чрезмерными. [6] Шаг в 7% соответствует изменению на 1 зуб с 14-зубчатой звездочки на 15-зубчатую звездочку, в то время как шаг в 15% соответствует изменению на 2 зуба с 13-зубчатой звездочки на 15-зубчатую звездочку.
Напротив, автомобильные двигатели развивают мощность в гораздо большем диапазоне скоростей, чем ноги велосипедиста, поэтому для автомобильных коробок передач характерны относительные различия в 30% и более.
На велосипеде только с одним механизмом переключения передач (например, только задняя втулка или только задний переключатель) количество возможных передаточных чисел совпадает с количеством используемых передаточных чисел , которое также совпадает с количеством различных передаточных чисел .
На велосипеде с более чем одним механизмом переключения передач (например, передний и задний переключатель) эти три числа могут существенно различаться в зависимости от относительных шагов переключения передач различных механизмов. Количество передач для велосипеда с таким переключателем передач часто указывается упрощенно, особенно в рекламе, и это может ввести в заблуждение.
Рассмотрим велосипед, оборудованный переключателем передач с 3 ведущими звездами и 8-звездочной системой:
Комбинация из 3 передних звезд и 8-звездочного набора не дает 24 используемых передаточных чисел. Вместо этого она обеспечивает 3 перекрывающихся диапазона с передаточными числами 7, 8 и 7. Внешние диапазоны имеют только 7 передаточных чисел, а не 8, поскольку крайние комбинации (самая большая передняя звезда к самой большой задней звездочке, самая маленькая передняя звезда к самой маленькой задней звездочке) приводят к очень диагональному выравниванию цепи, что неэффективно и вызывает чрезмерный износ цепи. [7] Из-за перекрытия обычно будут некоторые дубликаты или почти дубликаты, так что может быть только 16 или 18 различных передаточных чисел. В любом случае может быть нецелесообразно использовать эти различные передаточные числа в строгой последовательности «низкая-высокая» из-за задействованных сложных схем переключения (например, одновременное двойное или тройное переключение на заднем переключателе и одиночное переключение на переднем переключателе). В худшем случае может быть только 10 различных передаточных чисел, если процентный шаг между цепными звездами такой же, как процентный шаг между звездочками. Однако, если самое популярное передаточное число дублируется, то может быть целесообразно продлить срок службы набора шестерен, используя различные версии этого популярного передаточного числа.
Диапазон передач показывает разницу между нижней и верхней передачей и дает некоторую меру диапазона условий (высокая скорость против крутых холмов), с которыми могут справиться передачи; сила, опыт и уровень физической подготовки велосипедиста также имеют значение. Диапазон 300% или 3:1 означает, что при той же скорости вращения педалей велосипедист может ехать в 3 раза быстрее на верхней передаче, чем на нижней (при условии достаточной силы и т. д.). И наоборот, при том же усилии вращения педалей велосипедист может подняться на гораздо более крутой холм на нижней передаче, чем на верхней.
Перекрывающиеся диапазоны с переключателями передач означают, что 24- или 27-скоростные переключатели передач могут иметь только тот же общий диапазон передач, что и (гораздо более дорогая) 14-скоростная втулка Rohloff. Велосипеды с внутренними втулками передач обычно имеют более ограниченный диапазон передач, чем сопоставимые велосипеды с переключателями передач, и имеют меньшее количество передаточных чисел в этом диапазоне.
Приведенные ниже примерные диапазоны передач являются лишь ориентировочными для типичных настроек передач и могут несколько отличаться от велосипеда к велосипеду.
Диапазоны передач почти 700% могут быть достигнуты при настройке переключателей, хотя это может привести к некоторым довольно большим шагам между передачами или некоторым неудобным переключениям передач. Однако, благодаря тщательному выбору звездочек и задних шестерен, например, 3 звездочки 48-34-20 и 10-скоростной кассеты 11–32, можно достичь чрезвычайно широкого диапазона передач, которые по-прежнему хорошо разнесены. Такой тип настройки оказался полезным на множестве велосипедов, таких как грузовые велосипеды, туристические велосипеды и тандемы. Еще более высокие диапазоны передач могут быть достигнуты при использовании 2-скоростной кареточной втулки в сочетании с подходящими переключателями.
Существует два основных типа механизмов переключения передач, известных как переключатели и шестерни-втулки. Обе системы имеют свои преимущества и недостатки , и какая из них предпочтительнее, зависит от конкретных обстоятельств. Существует несколько других относительно редких типов механизмов переключения передач, которые кратко упомянуты в конце этого раздела. Механизмы переключения передач могут использоваться только с цепными передачами, поэтому велосипеды с ременным или карданным приводом должны быть либо односкоростными, либо использовать шестерни-втулки.
Внешняя передача так называется, потому что все задействованные звездочки легко видны. К шатунам и педалям может быть прикреплено до 4 передних звездочек [10] , а к заднему колесу обычно прикреплено от 5 до 12 звездочек. Современные передние и задние переключатели передач обычно состоят из подвижной направляющей цепи, которая управляется дистанционно тросом Боудена, прикрепленным к переключателю , установленному на нижней трубе, выносе руля или руле. Переключатель передач может быть одинарным рычагом, парой рычагов или поворотной ручкой ; некоторые переключатели передач могут быть объединены с тормозными рычагами в единое целое. Когда гонщик управляет переключателем передач во время вращения педалей , изменение натяжения троса перемещает направляющую цепи из стороны в сторону, «сбрасывая» цепь на разные звездочки. Задний переключатель передач также имеет подпружиненные опорные ролики, которые устраняют провисание цепи.
Большинство гибридных, туристических, горных и гоночных велосипедов оснащены как передними, так и задними переключателями. Есть несколько передаточных чисел, которые имеют прямую траекторию цепи, но большинство передаточных чисел будут иметь цепь, идущую под углом. Использование двух переключателей обычно приводит к некоторым дублирующим или почти дублирующим передаточным числам, так что число различных передаточных чисел обычно составляет около двух третей от числа заявленных передаточных чисел. Более распространенные конфигурации имеют особые названия [11] , которые обычно связаны с относительными размерами шагов между передними звездами и задними звездочками.
Этот стиль обычно встречается на горных, гибридных и туристических велосипедах с тремя передними звездами. Относительный шаг на передних звездах (скажем, 25% - 35%) обычно примерно в два раза больше относительного шага на звездочках (скажем, 15%), например, передние звезды 28-38-48 и звездочки 12-14-16-18-21-24-28.
Преимущества такого решения включают в себя:
Одним из недостатков является то, что перекрывающиеся диапазоны передач приводят к дублированию или почти дублированию передаточных чисел.
Этот стиль обычно встречается на гоночных велосипедах с двумя передними звездами. Относительный шаг на передних звездах (скажем, 35%) обычно примерно в три или четыре раза больше относительного шага на звездочках (скажем, 8% или 10%), например, передние звезды 39-53 и близкорасположенные звездочки 12-13-14-15-16-17-19-21 или 12-13-15-17-19-21-23-25. Такое расположение обеспечивает гораздо больше возможностей для регулировки передаточного числа для поддержания постоянной скорости педалирования , но любая смена передней звезды должна сопровождаться одновременной сменой 3 или 4 звездочек на звездочках, если целью является переключение на следующее более высокое или более низкое передаточное число.
Этот термин не имеет общепринятого значения. Первоначально он относился к механизму передачи, который имел одну особенно низкую передачу (для подъема на альпийские перевалы); эта низкая передача часто имела больший, чем обычно, скачок на следующую низшую передачу. В 1960-х годах этот термин использовался продавцами для обозначения современных 10-скоростных велосипедов (2 передние звезды, 5-звездочный комплект), без какого-либо учета его первоначального значения. Ближайший современный эквивалент первоначальному значению можно найти в комплектах звезд Shimano Megarange, где большинство звездочек имеют относительную разницу примерно в 15%, за исключением самой большой звездочки, которая имеет разницу примерно в 30%; это обеспечивает гораздо более низкую передачу, чем обычно, за счет большого скачка передачи.
Есть две передние звезды, относительная разница которых (скажем, 10%) составляет примерно половину относительного шага на зубчатой передаче (скажем, 20%). Это использовалось в середине 20-го века, когда передние переключатели могли обрабатывать только небольшой шаг между передними звездами, а задние зубчатые передачи имели только небольшое количество звездочек, например, передние звезды 44-48 и зубчатая передача 14-17-20-24-28. Эффект заключается в том, чтобы обеспечить два переплетенных диапазона передач без какого-либо дублирования. Однако для последовательного перехода по передаточным числам требуется одновременное переднее и заднее переключение при каждом втором переключении передач.
Есть три передние звезды с разницей в полшага между двумя большими и разницей в несколько диапазонов между двумя меньшими, например, передние звезды 24-42-46 и звездочки 12-14-16-18-21-24-28-32-36. [12] Эта общая компоновка подходит для туризма, при этом большинство переключений передач выполняется с помощью заднего переключателя, а периодическая тонкая настройка выполняется с помощью двух больших передних звезд. [11] Маленькая передняя звезда (бабушкина передача) является спасением для преодоления более крутых холмов, но для ее эффективного использования требуется некоторая предусмотрительность.
Внутреннее зацепление так называется, потому что все задействованные шестерни скрыты внутри ступицы колеса. Втулочные шестерни работают с использованием внутреннего планетарного или эпициклического зацепления, которое изменяет скорость корпуса втулки и колеса относительно скорости ведущей звездочки. У них всего одна передняя звезда и одна задняя звездочка, почти всегда с прямой цепной дорожкой между ними. Втулочные шестерни доступны с количеством скоростей от 2 до 14; вес и цена, как правило, увеличиваются с количеством передач. Все заявленные скорости доступны в виде отдельных передаточных чисел, контролируемых одним переключателем (за исключением некоторых ранних 5-скоростных моделей, которые использовали два переключателя). Втулочные шестерни часто используются для велосипедов, предназначенных для езды по городу и на работу.
Современные системы имеют шестерни, встроенные в кривошипную систему или каретку . Патенты на такие системы появились еще в 1890 году. [13] Schlumpf Mountain Drive и Speed Drive доступны с 2001 года. [14] Некоторые системы предлагают прямой привод плюс один из трех вариантов (уменьшение 1:2,5, увеличение 1,65:1 и увеличение 2,5:1). Переключение передач осуществляется нажатием ноги на кнопку, выступающую с каждой стороны оси каретки . Эффект такой, как будто у вас велосипед с двумя передними звездами с огромной разницей в размерах. Pinion GmbH представила в 2010 году модель коробки передач с 18 скоростями, предлагающую равномерно распределенный диапазон 636%. Эта коробка передач приводится в действие традиционным поворотным переключателем и использует два троса для переключения передач. Система Pinion хорошо подходит для горных велосипедов из-за своего широкого диапазона и низкого центра тяжести, подходящего для велосипедов с полной подвеской, но она все еще несколько тяжелее трансмиссии на основе переключателя передач. [15]
Иногда возможно объединить шестерню ступицы с шестернями переключателя. Существует несколько коммерчески доступных возможностей:
Существовали и существуют различные методы выбора передаточного числа:
Цифры в этом разделе относятся к эффективности трансмиссии, включая средства трансмиссии и любую систему передач. В этом контексте эффективность связана с тем, сколько мощности передается на колесо по сравнению с тем, сколько мощности подается на педали. Для хорошо обслуживаемой системы трансмиссии эффективность обычно составляет от 86% до 99%, как подробно описано ниже.
Помимо передаточного числа, на производительность влияют такие факторы , как сопротивление качению и сопротивление воздуха:
Человеческий фактор также может иметь значение. Рохлофф утверждает [19] , что в некоторых случаях общая эффективность может быть улучшена за счет использования немного менее эффективного передаточного числа, когда это приводит к большей эффективности человека (преобразования пищи в мощность педалей), поскольку используется более эффективная скорость вращения педалей.
Энциклопедический обзор можно найти в главе 9 "Bicycle Science" [20] , которая охватывает как теорию, так и экспериментальные результаты. Некоторые детали, извлеченные из этих и других экспериментов, приведены в следующем подразделе со ссылками на оригинальные отчеты.
Факторы, которые, как было показано, влияют на эффективность трансмиссии, включают тип системы трансмиссии (цепь, вал, ремень), тип системы передач (фиксированная, переключатель, втулка, бесступенчатая регулировка), размер используемых звездочек, величину входной мощности, скорость вращения педалей и степень ржавости цепи. Для конкретной системы передач различные передаточные числа, как правило, имеют различную эффективность.
В некоторых экспериментах для привода вала, к которому прикреплены педали, использовался электродвигатель, в то время как в других использовались средние значения для ряда реальных велосипедистов. Неясно, как постоянная мощность, выдаваемая двигателем, сравнивается с циклической мощностью, выдаваемой педалями. Рохлофф утверждает [19] , что постоянная мощность двигателя должна соответствовать пиковой мощности педалей, а не средней (которая составляет половину пиковой).
Независимая информация об эффективности ременных приводов и бесступенчатых зубчатых передач практически отсутствует; даже производители/поставщики, по-видимому, неохотно предоставляют какие-либо цифры.
Механизмы типа переключателя передач типичного продукта среднего класса (того типа, который используют серьезные любители) достигают от 88% до 99% механической эффективности при 100 Вт. В механизмах переключателя передач наивысшая эффективность достигается за счет больших звездочек. Эффективность обычно снижается с уменьшением размеров звездочек и передних звездочек. [21] Эффективность переключателя передач также снижается при перекрестном зацеплении или при использовании большой звезды на большую звездочку или малой звезды на малую звездочку. Такое перекрестное зацепление также приводит к повышенному износу из-за бокового прогиба цепи.
Честер Кайл и Фрэнк Берто сообщили в «Human Power» 52 (лето 2001 г.) [22] , что тестирование трех систем переключения передач (от 4 до 27 передач) и восьми трансмиссий с планетарной втулкой (от 3 до 14 передач), проведенное с входной мощностью 80 Вт, 150 Вт, 200 Вт, дало следующие результаты:
Тестирование эффективности систем передач велосипеда осложняется рядом факторов – в частности, все системы, как правило, работают лучше при более высоких уровнях мощности. 200 Вт будут разгонять типичный велосипед со скоростью 20 миль в час (32 км/ч), в то время как спортсмены могут достичь 400 Вт, при этом эффективность, как утверждается, «приближается к 98%». [23]
При типичной мощности в 150 Вт планетарные шестерни, как правило, примерно на 2% менее эффективны, чем система переключения передач, при условии, что обе системы хорошо обслуживаются. [24]
Множество велосипедистов получили тяжелые травмы из-за слишком высокой передачи... преимущества вращения педалей начинают исчезать при скорости вращения свыше 100 об/мин.
шатунов: Sugino Aero Mighty Tour Forged Alloy Triple 28-45-50. Трещотка: Atom Helicomatic 6-скоростная 13-28 (13/14/17/20/24/28)