Учебники по популярным профессиям
на asv0825.ru

Современный велосипед

       

Коробки передач, вариаторы

Идея сделать коробку передач появилась достаточно давно — в XIX-m веке. Но практическая реализация появилась между двумя войнами века ХХ-го. С одной стороны, примером послужили КПП мотоциклов, а с другой стороны - планетарные втулки стоили достаточно дорого: в 1915 г. трехскоростную втулку Sturmey-Archer продавали за три английских фунта - по тем временам немалые деньги, и весили они не слабо, более 3 кг. Внешние системы переключения передач, которыми в наше время достигли невиданного расцвета, в современном паралеллограммном виде появились только в конце 40-х годов. А до того велосипедисты пробавлялись мало удачными поводковыми, рамочными и другими экзотическими механизмами. Во временной период между двумя войнами появился зазор, экономическая ниша для коробок передач, аккуратно примостившихся около каретки. И понеслось...

Плюсы просматривались сразу:

  • много места для конструкции, не как внутри планетарной втулки;
  • развесовка велосипеда получалась (и сейчас получается) идеальная;
  • настройка и обслуживание коробки не вызывало проблем;
  • защита от грязи и воды облегчалась удачным местоположением (известно, что самое грязное место велосипеда находится в районе заднего колеса);
  • КПП крайне удачно совмещается с карданным валом, а в те времена велосипеды с такими приводами выпускались массово;
  • изначально рассчитывался большой ресурс службы.

К минусам можно отнести:

  • вес;
  • сложность и стоимость изготовления шестеренок, особенно конических;
  • достаточно высокий уровень потерь мощности, поэтому планетарки и КПП не привились на гоночных и шоссейных велосипедах. А время кросскантри еще не пришло.

В 1935 г. немецкая фирма Adler начала выпуск 3-скоростной коробки передач в кареточном узле. По конструкции она напоминала КПП очень легкого мотоцикла. Рычаг переключения передач располагался на нижней наклонной трубе рамы рядом с рулевой трубой. В те же годы фирмы Wanderer, Brennabor, Bismark и Rappa и другие делали велосипеды с двухскоростными КПП, также расположенными в кареточном узле. К сожалению, начавшаяся вскоре война остановила эти разработки.

Интерес к КПП пробудился в 90-х годах. Причиной тому стали скоростной спуск и прочие экстремальные дисциплины. В таких, прямо можно сказать, нечеловеческих условиях задний переключатель оказался не на месте, он отчаянно бился, обо все, что было рядом, и каждую секунду норовил оторваться и улететь. Кроме того, при переключении передач возникали проблемы с настройкой задней подвески. Желательно было перенести механизм переключения подальше от задней оси. Заодно уменьшалась неподрессоренная масса на заднем колесе, она переносилась в центр масс, и поэтому байк лучше управлялся.

Рис. Велосипедная коробка передач фирмы ADLER 1935 г. Было предложено и реализовано несколько конструктивных решений. Вкратце представим три из них.

Немецкая компания Nicolai пошла прямым путем, изготовив КПП G-Boxx (открытый стандарт) на основе планетарной втулки Rohloff. У привода две цепи, закрытая кожухом внутренняя короткая цепь передает усилие от шатунов к входному валу планетарки, а внешняя вращает заднюю звездочку.

Японская корпорация HONDA со своим даунхильным байком RN01 пошла другим путем. Коробка передач сделана на основе компонентов привода фирмы SHIMANO. Короткая цепь с помощью модифицированного заднего переключателя переводится по звездам кассеты и изменяет передаточное отношение. А другая, внешняя цепь раскручивает заднее колесо. Байк весит около 18 кг и имеет 7 передач.

Наиболее радикально прошла путь до своей коробки передач V-ВОХХ фирма SR SUNTUR. Конструкция весьма сильно напоминает обычную автомобильную КПП. Ее характеристики: 9 передач, вес 4,5 кг, Q-фактор - 180 мм, длина шатуна 170/175 мм, ведущая и ведомая (на задней втулке) алюминиевые звезды - 22 Т.

Пока эти коробки передач подходят только байкам для фрирайда и скоростного спуска и изготовляются небольшими сериями или под заказ. Но если дело пойдет, вес и цена узла кардинально снизится, а производство расширится, и, возможно, мы увидим их и на «цивильных» велосипедах.

Планетарная каретка

Запихать в район кареточного узла планетарную втулку возможно, и попыток было немало. Например, компания Nicolai продемонстрировала это своей коробкой G-Boxx, начиненной планетаркой Rohloff. Но использовать чужую продукцию не всегда удобно, причем по разным соображениям. Например, по маркетинговым. Надо покупать чужие детали, адаптировать под свои задачи, делиться славой и прибылью в случае успеха. Нередко выгоднее бывает делать свое, родное и оригинальное. При этом полезно, чтобы вес, габариты, цена, количество частей и запчастей нового продукта было минимальным, и рама байка оставалась стандартной. В 2008 г. появились сразу две схожие разработки двухступенчатых планетарных кареток. В отличие от коробок передач, это отчасти компромиссное решение: передний переключатель убирается, зато задний остается на месте.

Рис. Коробка передач

Две компании из Германии - Universal Transmissions KNicolai и велосипедная фирма Bionicon показали свою разработку, названную В-Вохх. По названию похоже на родственную коробку передач G-Boxx, но имеет ряд отличий. На устройстве установлена ведущая звезда в 25 зубьев, есть прямая передача и планетарный механизм с повышающим коэффициентом 1,65, что соответствует передаточному числу 25/41. Стандарт крепления шатунов - ISCG. А «фишка» Nikolai представлена магнитным приводом переключения передач. Вес комплекта с шатунами - 1200 гр.

Фирма Truvativ представила HammerSchmidt. Это устройство с максимально упрощенной и интегрированной в кареточный узел внутренней планетарной втулкой на две передачи. Для крепления требуются наличие монтажных отверстий стандарта ISCG. Каретка стандартная, длиной в 68, 73 или 83 мм, что делает трансмиссию совместимой со старыми хардкордными рамами. Внутри расположены ведущая звезда на 22 или 24 зуба и планетарный механизм с коэффициентом 1,6. Таким образом получаются два варианта передаточных чисел: 22/36 и 24/38. Вес узла -1623 гр с шатунами Truvativ Stylo, и 1785 гр для фрирайдной версии с шатунами Truvativ Holzfeller.

Кроме понятных минусов (не всякая рама имеет крепление под стандарт ISCG), есть и несколько веских плюсов. Малый перекос цепи при прямой передаче дает слабый износ цепи и кассеты. Короткая цепь позволяет устанавливать задний переключатель с короткой лапкой, который сложнее оторвать или повредить. Из-за небольшого диаметра ведущей звезды ее труднее погнуть. Планетарная каретка не требует вращения педалей или снижения нагрузки при переключении передач.

Планетарные втулки

После того, как в 1898 году французом Жозефом де Менье была изобретена задняя втулка со свободным ходом, немецкая фирма Fichtel&Sachs наладила выпуск втулок со встроенным тормозным механизмом, приводимым в действие обратным вращением педалей. Эти втулки типа «Торпедо» хорошо известны и сейчас. Затем встал вопрос о количестве передач на велосипеде, и многие конструкторы достаточно удачно экспериментировали с задними втулками. А так как это было время «бури и натиска», то свежие идеи появлялись очень быстро и почти одновременно. Например, известный конструктор Dursley Pedersen, работавший в Англии, в 1903 г. предложил два варианта удачных задних втулок с 2-мя и 3-мя передачами. Втулка имела набор шестеренок и слегка напоминала миниатюрную коробку передач с внешним дополнительным валом. Эта втулка несколько лет выпускалась серийно. В начале ХХ-го века существовало множество подобных более-менее удачных конструкций. Но наиболее прогрессивный планетарный механизм использовала в своих двух- и трехскоростных втулках английская фирма Sturmey-Archer в 1902 г. Всего на пару лет отстала со своими многоскоростными «Торпедо» фирма Fichtel&Sachs, которая позднее называлась Sachs Bicycle Component, а в 1997 года вошла в состав корпорации SRAM. Планетарные втулки быстро доказали свое преимущество, вытеснив с рынка все другие устройства внутреннего переключения передач.

Какой выбор имеется сейчас, через сто с лишним лет? Само собой, корпорация SRAM-SACHS выпускает 3-, 5- и 7-скоростные «планетарки» как с внутренним тормозом, так и без него, под ободные или роллерные тормоза. Недавно появилась планетарка SRAM i-MOTION 9, имеющая, как понятно из названия, 9 передач. Диапазон передаточных чисел у нее - 340%. Несколько лет назад корпорация освоила втулки типа Dual-Drive -7x3, 8x3 и 9x3. Это комбинация 3-скоростной планетарной втулки и размещенной на ее оси кассеты на 7/8/9 передач с классическим параллелограммным внешним переключателем. Такая комбинация дает 21,24 или 27 сочетаний передач. Фирма SHIMANO также имеет подобную систему, NEXAVE С530 INTEGO 3x8-speed с диапазоном передаточных чисел, как у горного велосипеда. Стандартный диапазон у горного велосипеда с системой 42-32-22 и кассетой 11-30 (8 звезд) - 520%.

Максимальное количество в 14 внутренних переключаемых передач достигнуто во втулках фирмы Rohlof f, при этом общий диапазон передаточных чисел составляет около 600%.

Широко распространены также Inter-3, Inter-7 и Inter-8, это 3-, 7- и 8-скоростные планетарные втулки фирмы SHIMANO, выпускаемые в вариантах под роллерный тормоз, под внутренний тормоз и без оного.

Преимуществом планетарных втулок являются:

  • достаточно большой диапазон передаточных чисел: 307% у втулки Inter-8, 244% у Inter-7 и 184%у Inter-З. Причем есть передачи как повышенные, так и пониженные, что позволяет легко разгоняться по ровной дороге и забираться в достаточно крутые горки. Если система имеет 2 или 3 передние звездочки и передний переключатель передач, то диапазон передаточных чисел резко возрастает. Напомним, что стандартный диапазон у горного велосипеда с системой 42-22 и кассетой 11-30 (8 звезд) - 520%;
  • быстрое и точное переключение передач с легкой и четкой фиксацией ручки переключателя. Возможность переключения передач, стоя на месте;
  • работа цепи «напрямую», без перекосов резко, в разы увеличивает ресурс цепи, а также ведущей (передней) и ведомой звездочек. Удешевляется замена цепи и звездочек, можно использовать простую и прочную цепь для односкоростных велосипедов;
  • минимум обслуживания втулки при весьма большом ресурсе ее работы. Обычно планетарные втулки работают без проблем многие годы. Они хорошо защищены от воды и грязи, хотя категорически не рекомендуется погружать их в воду, переходя реку вброд, или мыть сильной струей воды из шланга;
  • простота установки, настройки и регулировки планетарной втулки;
  • возможность использования большого набора передач совместно с привычным для многих велосипедистов ножным тормозом.

К недостаткам же подобных узлов можно отнести:

  • сравнительно большой вес планетарной втулки, особенно со встроенным тормозным механизмом;
  • сравнительно большие потери на качение, по сравнению с обычными втулками;
  • имея высокий ресурс, планетарные втулки всеже не предназначены для работы в экстремальных условиях;
  • они мало пригодны для ремонта в домашних, тем более, в полевых условиях.

Все это причины того, что планетарные втулки не используют для спорта, экстрима и тяжелых автономных походов. Их предназначение -прогулочное катание, поездки по городу, парку, проселку, не слишком сложный поход, цивилизованный туризм.

Карманный привод

В начале ХХ-го века кардан достаточно уверенно конкурировал с цепью. Велосипеды с карданным валом строились в значительных количествах. Только ближе к середине века цепь победила окончательно, но не бесповоротно. Особенности кардана схожи с особенностями КПП:

  • практически полная защита от внешних воздействий (дождя, пыли, грязи);
  • большой ресурс до ремонта (кстати, у велосипедов с одной скоростью ресурс цепи тоже был не маленький, но кардан работал дольше);
  • полная защита одежды и обуви от острых зубьев звездочки, грязи и смазки;
  • простота обслуживания;
  • КПД кардана почти не зависит от внешних условий, кроме низкой температуры - на морозе смазка может загустеть, а КПД грязной цепи, проходящей через заедающие ролики многоскоростных байков с внешним приводом, может быть существенно ниже, и лежать в пределах от 78%, если цепь и переключатели грязные, до 97%, если они блещут идеальной чистотой.

Но, с другой стороны:

  • карданный привод весил больше;
  • стоил несколько дороже;
  • был сложен в ремонте;
  • давал больше потерь мощности, не подходил для гонок;
  • с ним невозможно было менять передаточное отношение (у велосипедов с одной скоростью), в отличие от цепного привода.
  • снятие заднего колеса занимало больше времени, чем обычно.

В конце ХХ-го века вновь появились велосипеды с карданным приводом на основе современных материалов - легких алюминиевых сплавов и имеющих низкое трение пластиков и специальных покрытий. Кроме того, с установкой планетарной втулки стало возможным легко изменять передаточные соотношения в зависимости от рельефа местности. Появились велосипеды с карданом и планетарной втулкой, причем успехом пользуются комфортные двухподвесы для города, парков и велотуризма.

Вариаторы

Это устройства, широко применяемые в авто- и мотостроении. Достаточно вспомнить клиноременные вариаторы на 50-кубовых скуте-рах-«табуретках». Схема простейшего фрикционного вариатора крайне проста. Меняя положения вторичного диска, мы изменяем на выходе его угловую скорость и крутящий момент. Положительными моментами таких агрегатов являются простота конструкции, плавное (бесступенчатое) изменение передаточных отношений, большой диапазон передач. Но в минусе будут паразитное скольжение, повышенный износ и пониженный КПД, за простоту приходится платить. Клиноременные вариаторы прекрасно работают, если их раскручивает мотор, на велосипедах они, к сожалению, «не пошли». Множество велосипедных вариаторов было предложено и быстро отвергнуто по причинам их сложности и нетех-нологичности конструкции, высокой цены, большого веса, чрезмерных потерь мощности и ненадежности в реальных условиях больших нагрузок, низких температур, воздействия песка, грязи, воды.

Недавно появилась вариаторная велосипедная втулка CVT, разработанная фирмой NuVinci, которая, возможно, имеет некоторый шанс на успех. Она устроена по известному дифференциально-вариаторному типу, только не клиноременному, а шаровому. Втулка имеет два диска, левый ведущий и правый ведомый, а между ними расположено от 3-х до 12-ти шариков, каждый из которых вращается на своей подвижной оси. Оси поворачиваются с помощью параллельных рычагов (серег), управляемых подвижной муфтой. Если оси наклонены, то шарики касаются дисков на разной высоте, и на ведомом диске изменяется момент и скорость вращения. Если оси наклонены вправо, то уменьшается момент, но увеличивается скорость вращения выходного вала, а если влево, то все получается наоборот. Когда оси шариков параллельны оси втулки, получается прямая передача, и передаточное число i равно единице (i =1).

Втулка CVT сейчас весит около 4 кг, и ее уже ставят на новый круизер фирмы Ellsworth. Вес вариаторной втулки поначалу пугает. Но можно вспомнить, что планетарки сто лет назад весили около 3,5 кг, но, постоянно совершенствуясь, стали существенно легче. Втулка выпускается в разных версиях: под ободные, роллерные и дисковые тормоза и под разное - 32 или 36 штук - количество спиц. В комплект узла входит «круиз-контроллер» - манетка, помогающая менять передаточные числа втулки и отображающая их на небольшом экране. Изюминкой круизера Ellsworth, кроме самого вариатора, является зубчатый ремень, передающий вращение от шатунов к оси втулки.

Кстати, о ремнях.

Ременный привод

Ремень вместо цепи и кардана пытались применять давным-давно, еще в Х1Х-м веке. Но как его решительно ставили на велосипеды, так решительно и снимали, а после Первой мировой войны, можно сказать, совсем забыли. Клиноременные вариаторы мотороллеров и современные материалы опять заинтересовали конструкторов, но, кроме опытных образцов и выставочных конструктов и концептов, ничего реального не получилось. Но дело, кажется, сдвинулось с мертвой точки.

Недавно миру был явлен проект фирмы Carbon Drive Systems вместе с образцами велосипедов на базе комплектов ремней и шкивов компании Gates. Gates много лет занимается ременным приводом в разных его ипостасях. Их ремни работают в мотороллерах, снегоходах и Бог весть, где еще.

Что же дает новый привод?

Ресурс ремня, как заявляют разработчики, в разы больше ресурса стальной цепи, и он практически не требует обслуживания. Основа конструкции ремня - гибкие углеродные нити, вплавленные в полиуретановую основу. Зубцы его покрыты нейлоном. Особенности такого ремня - прочность, малый износ, высокая жесткость и хорошая гибкость, низкий вес и большой КПД. И само собой, ремень не требует смазки, не ржавеет, не боится грязи, воды, прямого солнечного света, служит при температурах от -50 до +85 С°.

Обычные звезды и кассета заменяются двумя шкивами. Посадочное место ведущего шкива совместимо с шатунами (стандарта 4- и 5-лапки), а ведомого - с задней втулкой на 9 шлицов. Диаметры шкивов и количество зубьев разные, и в небольших пределах можно менять передаточные числа трансмиссии. Шкивы должны быть установлены в одной плоскости, а ремень натянут с определенным усилием. В номенклатуру входят шкивы для планетарных втулок Rohloff, SRAM и вариаторной втулки NuVinci.

К недостаткам следует отнести вот что: ремень целиковый, выжимки нет и быть не может, значит, нужна рама с размыкаемыми перьями. Ремни имеют стандартные длины, укорачивать ремень нельзя. Обычные передний и задний переключатели для ремня не годятся.

И, естественно, будут временные проблемы с запасными частями.

Для работы с ременным приводом в настоящее время на передний план выходят планетарные втулки, такие, например, как новая SRAM i-MOTION 9 и планетарные каретки В-Вохх и HammerSchmidt.

Рис. Ременная передача

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru