Dołącz do czytelników
Brak wyników

Temat

2 marca 2020

NR 38 (Marzec 2020)

Sprzęgło – najważniejszy element tylnej piasty

271

Świat z ostrym kołem jest jasny, prosty i potwornie niewygodny. Ludzie lubią toczyć się na rowerze bez pedałowania, bo tylko w ten sposób możemy do przyśpieszania używać nie tylko mięśni, ale także grawitacji – a to jest potężna siła. Do tego niezbędne jest jednak sprzęgło umożliwiające wolny bieg. 

Dlatego w piastach znajdują się mechanizmy pozwalające kasecie swobodnie kręcić się względem obracającego się do przodu koła. Skonstruowane są tak, że kiedy tylko kolarz naciśnie na korby, następuje zasprzęglenie i kaseta zblokowana z kołem umożliwia napędzanie roweru. Najpopularniejszym rodzajem sprzęgła wolnobiegu jest system, w którym wewnątrz umieszczonej w bębenku zębatki znajdują się ruchome zapadki, nazywane czasem „pieskami”. Liczba takich zapadek jest różna, najczęściej montowane są trzy, w tanich modelach bywają dwie, a najbardziej ambitni producenci ładują do środka cztery, jak Hope, albo nawet pięć – jak najnowsza piasta I9 o nazwie Hydra. Są też patenty, które pełniąc funkcję zapadek, wyglądają zdecydowanie inaczej, np. Revolver hiszpańskiej firmy Rotor. Różni się od klasycznego sprzęgła zapadkowego tym, że zamiast „piesków” użyto „tłoków” podpartych zwijanymi sprężynkami. Zębatka tego sprzęgła ma koncentryczne wgłębienia umieszczone skośnie wobec osi symetrii. Wszystko to robi się w celu, żeby wolny bieg był lekki, a zasprzęglenie jak najszybsze i najpewniejsze. Zanim o kolejnym rodzaju sprzęgła. jeszcze króciutki wywód teoretyczny.

 

W najnowszym sprzęgle DT czyli EXP (na zdjęciu bliżej) uproszczono schemat sprzęgła kłowego, żeby bardziej przypominał szkolny wzorzec. Stalowa zębatka wkręcona jest na amen w korpus piasty i nie rusza się na boki. Wolny bieg uzyskiwany jest wyłącznie dzięki jednej pływającej na wielowpuście korpusu bębenka zębatce. Do rewersu dociska ją tylko jedna sprężyna.

 

 

Teoria sprzęgła


Wolnobieg oprócz możliwości wolnego biegu musi zapewnić jak najlepszy transfer energii, co łączy się dodatkowo z tempem zasprzęglania. Można wyrazić to przez określenie kąta niezbędnego do przejścia od stanu wolnobieżnego do zasprzęglonego. Producenci prześcigają się w zmniejszaniu tego kąta, bo im szybszy proces, tym mniejszy obrót korbami niezbędny jest do ruszenia do przodu. W poniższym tekście podajemy wartości zmierzone na bębenku. Jednak trzeba pamiętać, że jałowy ruch korbą zależy od użytego przełożenia, a nawet długości jego ramienia. Dlatego, choć różnica między dziesięcioma, czterema a czternastoma stopniami wydaje się nieistotna, w kolarstwie górskim, zwłaszcza na technicznie trudnych podjazdach, robi to różnicę. To dlatego, że korbami trzeba omijać przeszkody, pojawiają się momenty, w których trzeba odpuścić pedałowanie, żeby natychmiastowym obrotem korb wywoływać energiczny ruch do przodu. Korzystając z mocnych przełożeń, jeden obrót koła wymaga, powiedzmy, dwóch obrotów korbami, nawet minimalnie szybsze zazębienie sprzęgła wolnobiegu jest na wagę pokonania skalnych progów bądź pchania, bo jało wy ruch korby może wynosić kilka lub kilkanaście centymetrów w dół. Jednak mnożenie ząbków w zapadce zwiększa trudność produkcji w tempie geometrycznym, a powodem jest to, że im większa liczba zębów, tym muszą być one mniejsze. Im są mniejsze, z tym twardszego muszą być wycięte materiału. A jak twardszy materiał, to droższy, bo wymaga specjalnej obróbki cieplno-chemicznej, do obróbki potrzebne są twardsze narzędzia, twardy to jest diament, a diamenty kosztują i wcale nie są wieczne. Co więcej, taka piasta musi mieć też „absolutne uszczelnienie”, żeby byle paproch nie uniemożliwił właściwego zazębienia się „pieska”. Bo jeśli jedna zapadka nie „chwyci”, pozostałe mogą nie utrzymać sił napędzających. Słowem: cały ten łańcuch przyczynowo-skutkowy podbija cenę astronomicznie. We wspomnianym modelu Hydra zębatka ma niewiarygodnie dużą liczbę zębów – 115, podczas gdy w bardzo zaawansowanym technologicznie Hope jest ich 44, a w tańszych piastach ząbków bywa znacznie mniej. Ale liczba ząbków powodująca częstsze zatrybienie to tylko jeden z zabiegów stosowanych przez producentów. W celu lepszego przekazania energii i pewniejszego zazębienia zwiększa się liczbę zapadek, żeby równocześnie rosła liczba POE (punktów blokujących obrót napędzanego bębenka). Im więcej, tym lepiej, bo siły rozkładają się na większą liczbę punktów, co chroni mechanizm i zwiększa pewność działania. Konstruktorzy niekiedy stosują też „pieski”, w których nacięto więcej niż jedną krawędź natarcia, co ma prowadzić do „wielofazowego” zasprzęglenia. Wszystkie te zabiegi czynią mechanizm zapadkowy szalenie skomplikowanym produkcyjnie i technologicznie, co zwiększa koszt i może mieć wpływ na jego trwałość oraz odporność na uszkodzenia. 

 

RingDrive składa się z dwóch zębatek oraz pierścienia z helikalnie zakręconym wielowpustem. Wszystkie te części nawleczone są na oś i łożysko. W odróżnieniu od rozwiązania DT, w którym samo sprzęgło znajduje się w korpusie bębenka, RingDrive wsunięty jest daleko w głąb korpusu piasty. Dzięki temu może mieć znacznie większą średnicę. Stąd bierze się też duży wymiar zewnętrzny korpusu piasty. Jak widać szosowa wersja (pierwsza od góry) ma mniejsze rozmiary ze względu na mniejszą liczbę ząbków. 

 

Po co komu sprzęgło kłowe?


Z odsieczą idzie ten nieskomplikowany mechanizm. Ma on umożliwić ruch przekładni w jedną stronę. W mechanice spotyka się go dość często, zwłaszcza w agronomii, siewnikach, glebogryzarkach itp. Sprzęgła kłowe stosowane są także w piastach rowerowych. Składają się z dwóch zębatek o przeciwnie ustawionym kącie natarcia ząbków. Przynajmniej jedna umieszczona jest w wielowpuście, mając możliwość przesuwania się na boki. Dzięki temu wzajemny ruch obrotowy w jedną stronę zazębia je automatycznie, uniemożliwiając przesuwanie się kół zębatych względem siebie. Jednocześnie obrót w przeciwną stronę jest możliwy, ponieważ ukształtowane pod większym kątem zęby trybów przeskakują. Dzieje się tak, gdyż „pływającą” w wielowpuście zębatkę dociska do drugiej sprężyna. Poza tym, sprzęgła kłowe od systemów zapadkowych różnią się tym, że liczba ząbków jest jednoznaczna z liczbą punktów zasprzęglenia – POE. W tym mechanizmie mniejsza ich liczba pozwala łatwiej (czytaj też: taniej) osiągnąć większą trwałość i niezawodność mechanizmu. Z kolei większa liczba zębów przekładni zmniejsza kąt zasprzęglenia i liczbę POE. W sprzęgłach kłowych zazębiają się wszystkie ząbki trybów, w sprzęgle zapadkowym tylko te wsparte zapadką. Skuteczność wydaje się czytelna. Ale nie ma róży bez kolców, trzeba pamiętać, że im więcej POE, tym większy opór w czasie biegu jałowego. Stąd w kolarstwie szosowym o dużej liczbie POE mówi się i rzadziej, i z mniejszym przejęciem. 

Hügi


William Hügi w archaicznych czasach opatentował rozwiązanie sprzęgła do rowerowej piasty. Umieszczono w nim naprzeciw siebie dwie zębatki z zębami o różnych kątach natarcia. W przeciwieństwie do klasycznego sprzęgła kłowego jedna z zębatek „pływała” w wielowpuście wkręcanym w korpus piasty, a druga analogicznie „pływała” na wielopuście, ale wyfrezowanym w bębenku. Oba człony sprzęgła dociskane były do siebie za pomocą osobnych sprężyn. Wolny bieg powodował rozłączenie zębatek, które dzięki sprężynom właśnie oddalały się od siebie. W pierwotnym rozwiązaniu Hügi zębatki miały 18 zębów. Gwarantowało to moc i wytrzymałość, z którą dotychczasowe bębenki na „pieskach” nie mogły się równać. Skutkiem ubocznym było grube, metaliczne terkotanie na jałowym biegu. Po zmianach strukturalnych jeszcze w 1995 r. DT doceniło wartość tego rozwiązania i rozszerzając linię produktów, użyło sprzęgła Hügi w swoich topowych piastach. Jak mówi Stefan Spahr, szef wydziału kół w DT, w 1998 r. poddano je modyfikacjom, ulepszając jednak wyłącznie uszczelnienia i łożyskowanie. Zasada działania i patent pozostał jednak taki sam. Stąd przez lata na odpowiednich piastach znajdował się dopisek „By Hügi”. Dość długo DT oferowało kilka wersji legendarnego sprzęgła. W jednym z nich było 18 zębów, co dawało zasprzęglenie co 20°. W innym zębów było 36, co pozwalało zasprzęglić co 10°. Było też takie z 54 zębami i z zasprzęgleniem co 6°. Zębatki wymienionych sprzęgieł DT różnią się wyłącznie liczbą ząbków i mikroskopijnie masą (np. 18 zębów waży 15 g, a 36 zębów – 23 g). Same zębatki można było stosować wymiennie, bo reszta mechanizmu miała identyczne wymiary. Wiemy też, że o ile „osiemnastka” wydaje przyjemnie basowy i zrównoważony odgłos, „trzydziestka szóstka” jest wyraźnie głośniejsza, o tyle dźwięk „pięćdziesiątki czwórki” zbliża się do częstotliwości „dentystycznych”, co, przynajmniej dla mnie, przestaje być ekscytujące i zaczyna denerwować. Po wygaśnięciu patentu Hügi DT zdecydowało się na kolejne udoskonalenia. W najnowszym sprzęgle EXP wyeliminowano wkręcaną w korpus prowadnicę z wielowpustem dla stalowej zębatki i cały układ uproszczono, żeby bardziej przypominał szkolny wzorzec sprzęgła kłowego. Stalowa zębatka wkręcona jest na amen w korpus piasty i nie rusza się na boki. Wolny bieg uzyskiwany jest wyłącznie dzięki jednej zębatce pływającej na wielowpuście wyfrezowanym w korpusie bębenka. Do rewersu dociska ją tylko jedna sprężyna. Eliminując dwie ruchome części oraz odsuwając na zewnątrz łożysko piasty o 7 mm, udoskonalono wiekowy patent Hügi. DT twierdzi, że oprócz lekkości zyskano w ten sposób 15% sztywności połączenia między bębenkiem a osią koła, co ma wpływać na zwiększenie trwałości łożyska i większą precyzję działania sprzęgła. Konstrukcja sprzęgła ograniczona jest średnicą zewnętrzną bębenka piasty, zwanego orzechem, więc jest stosunkowo nieduża. Obecnie DT zrezygnowało z seryjnej produkcji piast ze sprzęgłem z 54 zębami, choć oferuje takie zębatki jako część zamienną. Konkurenci Szwajcarów twierdzą, że to ze względu na średnicę sprzęgła właśnie. Zwiększając liczbę ząbków na zębatce o zadanej średnicy, trzeba zmniejszyć ich wielkość. Można by wnioskować, że w związku z tym maleje ich odporność mechaniczna, ale ze swojej strony dodajmy, że to chyba nie do końca tak, bo zwiększa się także liczba punktów oparcia, co, przynajmniej teoretycznie, zmniejsza nacisk punktowy, a więc i odporność na wyłamanie...

Dalsza część jest dostępna dla użytkowników z wykupionym planem

Przypisy