Великі зірки на педалях, краще більше

1. Може бути, дуже вже великі зірки на педалях і не потрібні?
2. 1. Чому краще не використовувати малі зірки касети.
3. 2. Великі зірки і «вламування» в гірку.
4. 3. Великі зірки і ривки ланцюгової передачі.

Багато хто прагне крутити на великих зірках системи. Я теж прийшов до правилу: «Якщо можеш крутити велику зірку, значить так і треба». Але наскільки це обґрунтовано? Треба сказати, що в розвитку велосипедної трансмісії простежується тенденція зменшення кількості зірок на педалях. Кілька років тому нормою було три, тепер дві, іноді одна. Зменшується і сумарний діапазон великих зірок. Наприклад, на бюджетному байці раніше ставили систему (зірки спереду) 42/32 / 22Т з касетою (зірочки ззаду) 11-32Т, тепер на велосипеді такого ж класу система 38 / 24Т з касетою 11-36Т. Збільшення малої зірки спереду цілком компенсується збільшенням великої зірки в касеті (була мінімальна передача 22/32 = 0.69, стала навіть більш тяговитая 24/36 = 0.67). А от зменшення великої зірки спереду не можна компенсувати зірочкам в касеті, оскільки зірок менше 11 зубів в касетах, можна сказати, не буває.

Може бути, дуже вже великі зірки на педалях і не потрібні?

Якщо поставити запитання Інтернету, чому так, то перший відповідь полягає в тому, що дуже вже великі зірки в системі і не потрібні, оскільки необхідність проявляється тільки на таких розрахункових максимальних швидкостях, до яких конкретний байк і не розігнати. Наприклад, при каденс (кількість обертів педалей в хвилину) 80, на байці з діаметром коліс 27.5 дюймів максимальна передача 42/11 дає розрахункову швидкість 41 км / год, а 38/11 - 37 км / год, при тому, що хороша крейсерська швидкість для байка становить 30 км / год. А на більш низьких передачах діапазону вистачає. Тобто, якщо їхати 28-29 км / ч при каденс 80 то все одно, що на передачу 42/16 або 38/14. Тому великий зірки 42Т зовсім не потрібно, цілком достатньо 38т або навіть менше, особливо якщо вона всього одна 🙂

З мого досвіду не можу з цим погодитися. На моєму конкретному байці навіть в лісі використовую передачу 42/11 дуже часто, на спусках. Загалом, є й інші випадки, крім виходу на гіпотетичну максимальну швидкість на ідеальному покритті. Але головне, зовсім не можу погодитися з тим, що все одно на якій зірці підтримувати швидкість. На великий зірці спереду крутити краще. Тобто, якщо потрібно, наприклад, їхати в гору зі швидкістю 14-15 км / год, то це можна робити на будь-який з трьох передніх зірок, відповідні співвідношення 42/24, 32/18, 22/12. І ось тут, на практиці, дуже помітно, що всі ці передачі різні. А найефективніша робота ланцюгової передачі (по відчуттях) якраз на великий зірці, 42/24. На цій передачі набагато вище «еластичність» - компенсація невеликих змін швидкості в залежності від зовнішніх умов, взагалі плавніше крутити і легше прискоритися при необхідності. Зрозуміло, що більша частина цих відчуттів може бути просто в голові. Копання інтернету показало, що не тільки у мене в голові. Народна велосипедна мудрість сповнена приказок типу «big ring is king», «на малій зірці можна їхати дуже швидко, але якщо перекинути на велику і вломитися, то поїдеш швидше» і т.п. Жодної приказки про те, що всі зірки однакові, на очі не попалося 🙂

Загалом, потрібно розібратися. Спроби такі в інтернеті були, бачив радісне обговорення з посиланням на наукову роботу 1998 року, яка ніколи, що на великих зірках ККД велосипедної передачі на 0.6% більше. І це єдине підтвердження численних спостережень з практики. Не думаю, що я б відчув ці 0.6%, тому результат дослідження показує, що якщо копати, то не там 🙂

Далі буде багато нудних цифр і графіків, але в цілому позитивний результат є, його навіть можна помацати в цифрах 🙂

1. Чому краще не використовувати малі зірки касети.

У цьому розділі буде показано, що зірки 11, 12, 13 принципово гірше інших. Тому, якщо використання бОльшей зірки спереду дозволяє не працювати на зірках 11,12,13 ззаду, це дає помітний результат.

Рис.1. Касета з ланцюгом на зірці 11Т

Ланцюгові передачі зводяться до обертання багатокутників, чим більше зубів, тим багатокутник ближче до окружності. На рис. 1 для наочності червоний кольором показаний багатокутник, який утворює ланцюг на зірці 11 зубів. Шарніри ланцюга складають вершини багатокутника. Знято момент, коли робоче ланка ланцюга (на ті важелі, за яке ланцюг обертає касету) паралельно ланцюга. При повороті на «половину зуба», коли шарнір буде в жовтій точці, ланцюг підніметься. При повороті ще на підлогу зуба, знову опуститься, ситуація знову буде як на фото. Таким чином, при роботі відбувається биття ланцюга. Це особливість обертових багатокутників, з цим нічого не поробиш 🙂 Чим більша зірка (за кількістю зубів), тим менше амплітуда биття ланцюга. До речі, в інженерних розрахунках ланцюга не рекомендують брати кількість зубів менше 13. У велосипедах ситуація гірша, оскільки зуби «підпиляні», щоб ланцюг могла переходити із зірки на зірку. Для цього шарниру ланцюга потрібно піднятися всього на 0.4 мм. І нижній розріз в велосипедної зірці роблять приблизно на 0.4 мм глибше, ніж може опуститися багатокутник ланцюга. Загалом, амплітуду биття ланцюга потрібно порівнювати з максимально можливим переміщенням ролика ланцюга до сходу з зубця. Якщо биття більше, то при роботі передачі ланцюг може погано чіплятися за зуби. Ось графік амплітуди биття із зазначеною такої кордоном.

Мал. 2. Амплітуда биття ланцюга на різних зірках касети

Видно, що на зірках касети 11, 12, 13Т зачеплення ненадійний. 14Т теж краще не використовувати. Якщо зуби НЕ підпиляні (велосипеди з однією передачею), то можна нормально використовувати і 11Т і навіть менше. Але в велосипедах зі швидкостями не так. Тому якщо більша зірка спереду дає можливість при інших рівних зміститися хоча б на одну зірку касети в діапазоні 11-14Т це дасть помітну перевагу в м'якості зачеплення шарнірів ланцюга за зуби зірки.

2. Великі зірки і «вламування» в гірку.

Інженерні розрахунки ланцюга дають залежність сили натягу робочого ділянки ланцюга від діаметра зірки. Чим більше діаметр (тобто кількість зубів), тим менше натяг. Оскільки зі згаданої вище статті 1998 року особливої ​​різниці у виборі зірок немає, то значить натяг робочого ділянки кола не призводить до змін ККД при рівномірному обертанні педалей. Але ж людина не мотор, людина не обертає педалі рівномірно. Більш того, по відчуттях переваги у великій зірці спереду саме при потужному педалюванні в гору. Це ще більш помітно при «вламування» в МТБ-шний «торчок», коли про якомусь сталому обертанні педалей говорити не доводиться. Тобто, потрібно зрозуміти, як натяг робочого ділянки ланцюга пов'язане з прискореннями - зміною швидкості обертання. Найближче - це момент зрушення з місця, коли швидкості майже немає, а прискорення є. Тобто, докладаємо силу до педалей, і дивимося коли зрушиться велосипед. Далі порівнюємо отримане зусилля на близьких передачах, але отриманих різним співвідношенням зірок. Відповідних інженерних розрахунків сил при запуску ланцюгової передачі я не знайшов. На щастя, такий експеримент простіше провести, ніж заглиблюватися в теорію.

Мал. 3. Вимірювання сили страгивания при частково загальмованому колесі

На малюнку вимір сили, прикладеної до педалі для прокручування пріторможенного заднього колеса. Ланцюг на зірці системи 50Т. Для страгивания колеса потрібно докласти зусилля 3.5 кг, коли ланцюг на зірці касети 28т і, відповідно 9 кг, коли ланцюг на зірці касети 11Т. Проведена серія з трьох вимірів. Дані краще представити у вигляді залежності сили страгивания від передачі.

Мал. 4. Перетворені дані з Рис. 3 з лінійною апроксимацією

Таким чином, для зірки 50Т отримана лінійна залежність сили страгивания від передачі (відносини передніх і задніх зірок). Тепер потрібно порівняти такі прямі для всіх трьох передніх зірок і подивитися різницю в силі страгивания на однакових передачах. Якщо на великий зірці «вламуються» простіше, то пряма «50Т» буде нижче «39т», а пряма «30Т» повинна бути найвищої.

Мал. 5. Зусилля страгивания при різних передачах на всіх зірках

На жаль, дива не сталося. Дані трьох зірок показують в сумі лінійну, прямо-таки ідеальну «коробку передач». Абсолютно все одно, на якому співвідношенні зірок страгивает велосипед, або те ж саме - «вламуються» в «торчок» на наднизькому каденс. Таким чином, при силовому педалюванні велика зірка не дає переваг у передачі сили на колесо.

3. Великі зірки і ривки ланцюгової передачі.

Так вийшло, що саме закінчивши вимірювання поставив на систему шосейного велосипеда нову зірку 53т замість 50Т, оскільки в останньому бревете використовував на касеті занадто часто найменші зірки. І поїхали кататися на нашу стандартним маршрутом цього сезону на 83 км. Чудес не чекав, але до відчуттів прислухався. Педалювати все-таки явно легше. Але якщо справа не в зусиллях, то в чому? Педалювати явно плавніше. Причому на середніх зірках в касеті, тобто незалежно від розгляду биття ланцюга в першому розділі замітки. Ланцюгова передача, так як побудована на обертових багатокутниках, передає обертання ривками. Ось з цим і розберемося в цьому розділі 🙂

Повернемося до Рис. 1. Ланцюг знята в точці, коли сила з якою шарнір тягне зубець зірочки спрямована не по дотичній до окружності обертання. Тому що розкручує зірочку сила менше, ніж сила, з якою ланцюг тягне за шарнір. А в жовтій точці ланцюг збігається з дотичною до кола, тому сила ланцюга повністю передається в обертання зірочки. Це і призводить до ривків обертання зірочки і, отже, обертання колеса. Це і повинно відчуватися на педалях як «Не плавність». Такі ж ривки є і на провідних зірках.

Рис 6. Амплітуда ривків передачі зусиль на різних зірках

Амплітуда ривків на зірці 11Т складає 4% від сили, на зірці 30Т - 0.5%. Навряд чи можна відчути ногами таке коливання на один зубець. Швидше буде відчуватися кількість ривків, скажімо, за один оборот педалей. Тобто прокрутив оборот, отримав кількість ривків, як від провідної зірки, так і від відомою. Для простоти вважаємо, що інерції немає, тому чутливість до ривків максимальна, тобто ривки сприймаються як нерівномірність руху велосипеда. Перша прикидка відразу дає хороший графік, який відповідає відчуттям.

Мал. 7. Сума амплітуд ривків за один оборот педалей на різних передачах і різних провідних зірках

Плавність передачі на більших передніх зірках вище. Тобто, там, де передачу можна вибрати різними поєднанням зірок, на малій зірці спереду хід буде самий «рваний». Іншими словами, при одному обороті педалей при ланцюга на зірці системи 50Т ми можемо відчути ногами 50 невеликих ривків від провідної зірки і 50 ривків сильніше від відомою зірки. Якщо те ж співвідношення вибрати при зірці спереду 39т, то ми отримаємо за оборот педалей 39 ривків від провідної зірки, трохи більше, ніж від 50Т і 39 ривків від задньої зірки, меншою, ніж в попередньому випадку, і ривки від неї будуть значно більше. Твір кількості ривків на їх амплітуду в другому випадку буде помітно вище, наприклад для передачі 2.5 на 30% (значення Y на графіку 1.0 проти 0.75). Як взагалі влаштовані ці ривки?

Мал. 8. Сила розкручування веденої зірочки в залежності від повороту

Розглянемо обертання на «один зубець» зірочки 11Т і для порівняння на такий же кут зірочки 28т. Почнемо з точки максимальної передачі тягне сили ланцюга (жовта точка на рис. 1). Сила обертання дорівнює тягне сили ланцюга, множник передачі = 1. Потім ця сила плавно зменшується. Коли робоче ланка ланцюга на зірочці стає паралельно лінії ланцюга (як на фото), відбувається зміна тягне шарніра. Попередній шарнір відривається від зірочки, починає працювати наступний. На графіку цього куту повороту зірочки відповідає різкий злам зміни крутного зусилля. Після цього відбувається плавне наростання сили обертання. Думаю, що ривки якраз відчуваються на цьому зламі. Якщо порівняти графіки для зірок 11Т і 28т, то видно, що крім бОльшей амплітуди ривка у зірки 11Т цей ривок ще і більш «різкий». Якщо ввести в систему інерційність, як це має місце на реальному велосипеді, то «злами» графіка кілька згладяться. При цьому невеликі злами взагалі «підуть», а великі все одно залишаться, тобто різниця від різкості зламів буде ще більше. Тому в розгляд потрібно ще ввести і ступінь «зламу». Це все теж добре вважається і підсумкова залежність ривків на один оборот педалей від обраної передачі виходить ще більш красива (навіть без урахування інерційності, тобто тільки «гола» геометрія).

Мал. 9. Сума ривків (з урахуванням амплітуд і різкості) за один оборот педалей на різних передачах і різних провідних зірках

Видно, що, наприклад для передачі 2.5 плавність передачі зусиль від ніг до колеса при великій зірці 50 або 53т в два рази краще, ніж на 39т, а 39т майже в два рази краще, ніж 30Т. Більш того, дійсно помітна різниця між 53т і 50Т на середніх зірках касети. Вона становить 10-15%.

Ефект ривків зусиль, по всій видимості більш помітний на низьких оборотах, на високих набагато сильніше почне працювати інерційність всієї всіх обертових елементів, яка повинна згладжувати ривки. Тобто, якраз на силовому педалюванні з низьким каденсом.

Підводячи підсумок трьох розділів потрібно сформулювати наступне.

1. Потрібно уникати по можливості роботи на малих зірках (11-13Т) касети, особливо на великих оборотах. Ланцюг буде молотити по зубах аж до проскакування.

2. При рушанні з місця і на початку розгону зовсім не важливо, як саме вибрано передавальне число, на яких зірках. У цьому випадку перевагу для кращого розгону на малих зірках спереду або на великих, виключно в голові.

3. При низьких і середніх швидкостях краще вибирати велику зірку спереду (і відповідно більші зірки ззаду). Це позначається на плавності педалювання. Тут ще треба відзначити часто згадуваний перекіс ланцюга, якого нібито потрібно уникати. З мого досвіду і по проведеним вимірам перекіс ланцюга ні на що не впливає 🙂

4. При збільшенні інерційності крутящіся елементів (наприклад, більш важкі колеса, або збільшення швидкості обертання) залежність від вибору провідних зірок стає менше.

Вадим Нікітін

на початок сторінки