Учебники по популярным профессиям
на asv0825.ru

Современный велосипед

       

Втулки

Втулка - весьма серьезный узел, без которого велосипед невозможен, как класс. Если колесо — это рычаг, то втулка - это та самая опора, или шарнир, вокруг которой вращается весь велосипедный мир.

Втулки прошли длинный путь развития: от втулок на подшипниках скольжения до втулок с высокоточными промышленными подшипниками.

И, естественно, существует устойчивые мифы, связанные с втулками.

МИФ № 1. От втулок зависят потери энергии

Очень распространенное заблуждение. Вращение втулок практически не влияет на потери энергии (мощности) во время движения велосипеда. Неоднократно ставились различные эксперименты и проводились оценки, но результат был один: втулка с шарикоподшипниками - настолько совершенный узел, что потерями энергии можно практически пренебречь. В качестве примера приведем данные из книги Успенского «Теория велосипеда» (см. рис.). Потери во втулках заднего и переднего колес дорожного велосипеда на скорости 25 км/ч в сумме равны 0,47%! При этом потери энергии в кареточном узле с цепью - 4,5%, в переднем колесе - 7,4%, а в заднем - 18% от общих потерь. Потери в каретке с цепью и во втулках отличается в 10 раз, как минимум.

Рис. Суммарные потери мощности велосипеда («Теория велосипеда» И.А.Успенский)

Вывод простой: от втулок ничего не зависит.

МИФ № 2. Новые втулки крутятся легче, чем бывшие в работе

Не менее широко распространенное заблуждение. Есть такая наука трибология, которая объясняет, что такое износ, и как с ним бороться. И есть не менее известная «кривая износа» (см. рис.), которая показывает, что в начале работы правильно собранная втулка имеет минимальные зазоры и сравнительно тугое вращение.

Рис. Кривая износа

Затем начинается период приработки, длящийся иногда десятки часов, после чего узел (втулка) готов к нормальной работе и крутится уже легче, чем вначале. Это легко проверяется по вращению колеса: до приработки колесо после толчка сделает меньше оборотов и быстрее остановится, чем колесо, втулка которого находится в области постоянного износа (области 2 на рисунке). Дольше и легче всего крутится колесо с сильно «езженной» втулкой. Если дальше изучать кривую износа, заметим, что около точки 3 начинается область катастрофического износа узла с последующими гигантскими люфтами, хлябанием и выходом втулки из строя.

Дорогие втулки самых верхних групп, например, XTR, имеют, как правило, качественную сталь подшипников, тщательную закалку и обработку поверхностей и жесткие допуски и посадки. Но все равно, период приработки, пусть и чуть более короткий, остается. Вращение дорогих втулок несколько плавнее, чем дешевых, но кривая износа остается в силе. Разница же в легкости качения, по сравнению со втулками нижних групп, если и есть, то совершенно ничтожна, отличается на сотые и тысячные доли процента, и по мере износа быстро сходит на нет.

МИФ № 3. Конусные или промышленные

Главный узел втулки - подшипник. Существуют и конкурируют два типа подшипников: конусные (насыпные) и промышленные (радиальные, радиально-упорные, игольчатые). Много дискуссий было устроено, много копий сломано, много чая, кофе, пива, кваса, пепси... (ненужное подчеркнуть) выпито разгоряченными участниками, но воз и ныне там. Каждый остается при своем, как тупоконечники с остроконечниками из книги Свифта. В общем-то, существенной разницы между этими типами узлов по весу, габаритам, ресурсу, легкости вращения (само собой!) и т.д. - нет. Есть некоторые особенности каждой конструкции, не более. Нагрузка в конусных подшипниках направлена более удобно, и конструкторам втулок под промышленные подшипники приходиться изощряться, дабы получить простой и технологичный узел. Нередко им это удается.

Втулки с конусными подшипниками встречаются гораздо чаще, пример - все втулки фирмы Shimano. Их особенности: с одной стороны, ремонтопригодность и регулировка по мере износа, а с другой стороны — их сложнее собирать и точно настраивать.

Втулки с промышленными подшипниками от CRISS KING, CANE CREEK, DT Swiss и т.д в последнее время постепенно догоняют по массовости конусные. Из их особенностей отметим простоту сборки/разборки, они не нуждаются в регулировке, торцевое и радиальное биение стандартных промышленных подшипников меньше; недавно появились и регулируемые промоподшипники, но регулировать зазоры радиальных подшипников по мере износа затруднительно, к тому же они плохо переносят осевые нагрузки. Такие подшипники легко заменить, но в отечественных условиях их бывает сложно найти.

Резьбовая трещотка или шлицевой барабан

Традиционные задние втулки имеют справа стандартную резьбу, на которую навинчена трещотка Freewheels с блоком звездочек. Храповой механизм (свободного хода) с собачками расположен внутри трещотки. Важным достоинством конструкции является полная стандартизация и взаимозаменяемость трещоток и втулок. Но недостатков у нее было гораздо больше:

  • избыточный вес по сравнению с кассетными втулками;
  • недостаточная прочность и жесткость узла (из-за габаритов трещотки расстояние между подшипниками было уменьшено, и оси колес часто гнулись и ломались);
  • трещотка изнашивалась значительно дольше, чем звездочки, а заменять их было не всегда просто;
  • возникали лишние потери энергии при вращении подшипников большого диаметра в трещотке;
  • существовала неприятная возможность сорвать резьбу, особенно если корпус втулки сделан из алюминиевого сплава.

Много лет назад втулки нового стандарта Freehub Shimano в значительной степени заменили традиционные резьбовые. Их особенности и преимущества по сравнению с трещотками:

  • меньшии вес;
  • шлицевое крепление блока звездочек (кассеты);
  • храповой механизм уменьшен и спрятан внутрь шлицевого барабана (ореха);
  • уменьшились потери на вращение в подшипниках храпового механизма;
  • расстояние между подшипниками возросло, а значит, втулка стала прочнее и жестче, нагрузки на подшипники уравнялись;
  • сорвать кассету со шлицов практически нереально;
  • заменять кассету,тасовать звезды стало проще и дешевле.

Рис. Втулка резьбовая под трещотку
1 - контргайка, 2 - стопорная шайба, 3 - левый регулировочный конус, 4- ось, 5 - левый пыльник, б - шарики левого насыпного подшипника, 7 - левая чашка подшипника, 8 - корпус втулки, 9 - правая чашка подшипника, 10 - шарики правого насыпного подшипника, 11 - правый конус, 12 - пыльник, 13 - стопорная шайба, 14 - внутренняя гайка, 15 - проставочная шайба, 16 - контргайка

Втулки раньше делали из стали, а сейчас основной материал их изготовления - алюминиевые сплавы. Изредка, как экзотику, используют титан. В любом случае стальными остаются сами подшипники (конусные или промышленные) и механизм свободного хода. Сталь всем хороша, но имеет большой удельный вес. Возможно, в будущем и стали найдут достойную замену.

Шлицевые барабаны обычно делают из стали. Но для гонок и ради уменьшения веса бывают барабаны из алюминия или титана (Shimano XTR). Дабы жизнь наша не казалось медом, в пику Shimano фирма COMP AGNOLO создала свой стандарт шлицевого барабана (ореха). В результате кассеты и барабаны Shimano и COMP AGNOLO не взаимозаменяемы.

Движущая часть задней втулки - храповой механизм (механизм свободного хода). Устройство этого механизма у трещоток и кассетных втулок, в принципе, одинаково, отличаются только размеры. Две, три или четыре (у втулок American Classic - шесть) подпружиненные собачки цепляются за зубцы храповика и раскручивают заднее колесо. Во время холостого (свободного) хода цепь не движется, собачки прижаты, а храповик свободно вращается. Такова начинка массовых задних втулок. Работают они достаточно надежно, но их слабое место - собачки и пружинки, которые сильно нагружены и, бывает выходят из строя.

Производятся и более продвинутые задние втулки, не имеющие таких недостатков, в них просто нечему ломаться. Это, например, CRISS KING, DT SWISS и некоторые другие, они имеют на оси два стальных зубчатых кольца и слшмающую их пружину. На холостом ходу кольца свободно крутятся рядом. А при нажатии на педали благодаря пружине сближаются, сцепляются и передают усилия на колесо.

Кроме того, существуют втулки с роллерным механизмом свободного хода. Можно сказать, что роллерная втулка - это роллерный тормоз наоборот. Эти втулки, несмотря на свои достоинства - большой ресурс, отсутствие собачек и зубчатых венцов, не заменили все остальные и занимают относительно скромную нишу на рынке.

Диаметры фланцев - отверстий во втулке, куда крепятся спицы, весьма важны для «крутильной» и боковой жесткости колеса. Большие фланцы дают больше жесткость и прочность колеса. Но при увеличении размера фланцев возрастают вес и вредный момент инерции колеса. Новые бесфланцевые втулки, с прорезями, а не круглыми отверстиями под спицы в теле втулки, «не пошли», несмотря на то, что замена спиц с ними заметно упростилась.

Втулки могут иметь устройства для торможения: дисковые, роллерные, барабанные или быть оснащены внутренним ножным тормозом типа «Торпедо» (у Shimano таким является ножной тормоз NEXUS). У втулок под дисковые тормоза слева имеется узел для установки ротора. Есть два стандарта таких узлов: более распространенный 6-болтовый (ротор крепится болтами к левому фланцу втулки) и разработанный фирмой Shimano шлицевой Center Lock. У последнего на цилиндр со шлицами устанавливается ротор и зажимается контргайкой. Тормоза роллерные и типа «Торпедо» чаще всего применяются на городских (ситибайках) и комфортных велосипедах. Барабанные тормоза - раритет, их почти 100 лет назад разработала и до сих пор использует для своих велосипедов фирма Sturmey-Archer.

Втулки обычно имеют защиту от осадков, пыли, песка и грязи. Это могут быть простые резиновые пыльники или более сложные уплотнения (контактные, лабиринтные). С одной стороны это благо - ресурс, срок службы значительно возрастает, а с другой стороны несколько возрастают потери. Увеличенный ресурс перевешивает. К сожалению, никакие, даже весьма изощренные конструкции пыльников и уплотнений велосипедной втулки не защищают ее полностью. Ежели пришлось окунуть велосипед в воду или пересечь на ходу глубокий (выше ступицы) брод, особенно если вода соленая, то выход один - переборка и смазка втулок, во избежание!

Крепление колеса (осевые стандарты)

Втулки выполняют еще одну важную задачу, помогают крепить колеса к дропаутам вилок и задних перьев рамы. Основой для этого является силовой элемент втулки - ось. Оси втулок бывают стальными, алюминиевыми и, изредка, из титана. Стандартов осей много: 17, 15, 12, 10,9 мм. Для экстремальных дисциплин достаточно давно стандартом стали передние втулки с осями 20 мм.

Ось втулки вставляется в вырез дропаута, и на дешевых или детских велосипедах зажимается с помощью гаек. При этом такие оси бывают обычно сплошными. Большинство велосипедов сейчас имеют втулки с полыми осями и комплектуются эксцентриками типа Quick Release. Тяга эксцентрика вставляется внутрь оси втулки, а с обратной стороны тяги навинчивается специальная гайка. После чего поворотом рычага втулка с колесом прочно прижимается к дропаутам.

При развитии байков для экстремальных дисциплин выяснилось, что обычным втулкам не хватает прочности и жесткости. И появились втулки со стальными осями диаметром 20 мм (QR20). При этом требовалась намертво зажимать стягивающую гайку эксцентрика с помощью ключей. Прочности им было не занимать. Но не радовал и вес и необходимость носить с собой инструмент для установки и снятия колеса. И в 2005 году модельный ряд вилок Rock Shox был создан для использования с новым типом эксцентрика «MAXLE» фирмы Sram. Идея новинки состоит в отсутствии стягивающей гайки на противоположном конце эксцентрика. Резьба, которая держит ось, нарезана внутри одного из дропаутов вилки, и эксцентрик также имеет соответствующую резьбу.

Сначала ось эксцентрика вдевается в один из дропаутов, а затем ввинчивается в дропаут с внутренней резьбой, и при повороте рычага в закрытое положение, рассеченная на четыре лепестка трубка-корпус раскрывается и крепко блокируется внутри дропаутов.

Втулка с такой экстремальной 20 мм осью (Thru Axle) может быть использована только с дисковыми тормозами. Эксцентрик аналогичной системы разраоотан и для заднего колеса. В 2008 Г. появился новый, облегченный почти на 40% и предназначенный для кросс-кантри и марафонов вариант «Maxle Lite». Вес снижен за счет более тонкой стенки алюминиевой трубки-корпуса, облегчения всей конструкции эксцентрика с заменой некоторых деталей на алюминиевый сплав. Первая ХС вилка RockShox линейки Reba с креплением «Maxle Lite» выйдет уже в 2009 году.

Почти одновременно с «Maxle Lite» появился очередной стандарт крепления переднего колеса E-thru, сконструированный совместно фирмами Shimano и Fox. При диаметре оси в 15 мм им удалось сделать более легкий и весьма прочный аналог известным 20 мм осям. Длина втулки OLD - 100 мм, и предназначена она для All-Mountain, кросскантри и марафонских гонок. Пока применяется только в группах XTR и DEORE XT, но, вероятно, список скоро будет расширен. Новый стандарт под названием 100x15, или, как написано в мануале Fox, 15QR, будет открыт для производителей втулок, вилок и колес.

Рис. Дисковая втулка FRM с промышленными подшипниками Rear Hub for МТВ FL-M TEAM DISC - Modified
1 - ось (135 мм), 2 - колпачок оси, 3 - регулировочная гайка, 4-пыльник, 5-шлицевой барабан храпового механизма в сборе, 6 - контргайка, 7 - шайба, 8 - левый подшипник втулки, 9 - фланец тормозного диска на б болтов, 10 - контргайка фланца, 5а - правый подшипник втулки, 5Ь - шайба, 5с, 5i -подшипники храпового механизма, 5d - шлицевой барабан, 5е - пыльник храпового механизма, 5f - пружинное кольцо, удерживающее собачки, 5h - две собачки, 5д - болт-фиксатор храпового механизма

Существует еще один стандарт крепления заднего колеса, достаточно давно представленный группой SAINT фирмы Shimano. Задняя втулка имеет вставную ось с головкой под шестигранный ключ (слева), а справа стягивается фиксирующей (зажимной) гайкой, которая встроена в задний переключатель на место монтажного болта. То есть переключатель «висит» на оси задней втулки, хотя обычно его устанавливают ниже - на «петухе». Более высокая подвеска переключателя дает много плюсов с точки зрения надежности, прочности и уменьшения вероятности повреждений во время гонок. Втулки имеют два типоразмера: классический размер (OLD) 135 мм и быстро развивающийся - 150 мм с 12 мм осью.

Динамо-втулки

Для питания электрических цепей велосипеда используются три типа источников энергии: поворотные динамо-машинки, батарейки и динамо-втулки. Главная беда поворотных динамо-машинок - плохой, ненадежный контакт между ротором и велошиной. Батарейки достаточно дорого стоят и быстро расходуются. В последние годы заметна экспансия динамо-втулок. Сейчас они стали стандартной опцией множества велосипедов. Второму рождению, точнее сказать, возрождению динамо-втулок помогли два момента. Первый - это необходимость, как сказал поэт, «светить всегда, светить везде», например, во время 24-часовых гонок или в длительном автономном походе, когда вес запасных батарей вырастает до небес. А тут всегда под ногой безотказный источник электроэнергии, вес коего известен и не слишком велик. Второй момент - закон, который всегда есть закон. Особенно в странах ЕС, где законодательно постановили, что всякий велосипед, как средство передвижения повышенной опасности, должен иметь фонари и габариты. А лучший вариант бортовой электростанции - это динамо-втулка. Весьма удобна она также для городских и дорожных байков, где комфорт и минимум обслуживания - главное. Сел и поехал! А свежие батарейки, заряженные аккумуляторы — только лишние хлопоты, от коих мирный велосипедист должен быть избавлен напрочь. Не забыты и спортсмены, любители и профи. Для них разработаны суперлегкоходные динамо-втулки с подшипниками высокого уровня ULTEGRA/XT фирмы SHIMANO и значительно уменьшенными паразитными магнитными потерями на холостом ходу. К сожалению, от магнитных потерь никуда не деться, это, кстати, единственный минус динамо-втулок по сравнению с поворотными динамками. Данный минус устранить вряд ли возможно, но можно его уменьшить. Спортивные суперлегкоходные динамо-втулки DH-3D71, DH-3N71 имеют паразитные потери на холостом ходу гораздо меньше, чем массовые динамо-втулки для комфортного катания групп NEXUS, HB-NX22/32. Но и тут намечаются улучшения, согласно принципу, что достижения верхних групп постепенно приходят и в нижние группы.

Кроме паразитных потерь к главным недостаткам динамо-втулок следует отнести зависимость яркости фонаря от скорости движения велосипеда и отсутствие света во время стоянки. Обе задачи пока в процессе решения. Динамо-втулки генерируют мощность 2,4-3 Вт при напряжении 6 В. Этого вполне достаточно для сильной фары, пары хороших габаритов, бортового компьютера и системы управления переключением передач и амортизацией Cyber NEXUS Di2 SHIMANO.

И последнее. Получая 3 Вт электроэнергии, мы тратим на это собственные силы и энергию. Как оценить, много ли это? Профи высокого уровня в часовой гонке развивает мощность порядка 450-480 Вт. Так что дополнительные затраты составят всего порядка 0,6%. При обычных поездках по дорогам с твердым покрытием длительная мощность велосипедиста составляет 100-200 Вт. И потери, соответственно, составят от 3% до 1,5%, что совсем немного.

Втулки с амортизацией

Есть и такие. Фирма Pantour suspension Hub решила удивить мир, предложив передние и задние втулки с внутренним амортизирующим элементом. Самую малость покрутив шарики в голове, легко сообразить, что пресловутый элемент не может быть стальной или даже титановой пружиной. На таких малых ходах, как 1/2 -1 дюйма, подобрать жесткость пружины не просто. Или она будет слишком «дубовой», или, что вероятнее, начнет пробивать при больших скоростях и на плохих дорогах. Эластомерный «ластик» к недостаткам пружины прибавит свою сильную зависимость от температуры, на холоде он просто затвердеет.

Кроме того, «нежные» эластомеры через пару-другую часов сильной нагрузки бывают подвержены «усушке и утруске», и требуется несколько часов для их «релаксации» - 3 восстановления размеров и упругих свойств. Остается только пневматика, что и было осуществлено. Цилиндрическая резиновая камера вставляется внутрь втулки и накачивается воздухом через клапан Шредера. Передняя втулка весит от 160 до 260 гр, задняя - около 490 гр. Идея, конечно, интересная, но вряд ли перспективная. Такие втулки с малыми ходами не много пользы дадут на плохой, «убитой» грунтовке. Они приспособлены для города, асфальта, парков и прочей цивилизации. Но тогда их легко можно заменить шинами-баллонами больших габаритов, и получить аналогичную амортизацию за смешные деньги без лишних проблем.

Рис. Втулка с внутренней амортизацией
1 - направляющая скоба, 3 - фланец втулки,4 - упругий элемент, 5 - конус, 6 - внутренний барабан, 7 - перо вилки, v - ход амортизации, до 24 мм, h - горизонтальное смещение оси втулки, менее 5 мм. В - направление движения.

О планетарных втулках читайте в главе «Коробки передач, вариаторы, планетарные втулки».

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru