Передаточные числа велосипеда: связь между каденсом и скоростью вращения колеса

Введение

Передаточное отношение велосипеда – это аспект велосипедной трансмиссии, определяющий взаимосвязь между частотой вращения педалей (каденсом) и скоростью вращения колеса. На некоторых велосипедах имеется только одна передача, и, следовательно, передаточное число фиксировано, но большинство современных велосипедов оснащены несколькими передачами и, соответственно, несколькими передаточными числами. Механизм переключения передач позволяет выбирать подходящее передаточное число для эффективности или комфорта в текущих условиях: например, удобно использовать высокую передачу при спуске, среднюю – на ровной дороге и низкую – при подъеме. Различные передаточные числа и диапазоны передач подходят для разных людей и стилей катания. Ноги велосипедиста оптимально развивают мощность в узком диапазоне скорости педалирования, или каденсе. Передаточное отношение можно оптимизировать для максимально эффективного использования этого узкого диапазона. Как и в других типах трансмиссий, передаточное число тесно связано с механическим преимуществом велосипедной трансмиссии. На односкоростных велосипедах и многоскоростных велосипедах с переключателями передач передаточное число зависит от соотношения количества зубьев на ведущей звезде (передней) к количеству зубьев на задней звезде (кассете). Для велосипедов с планетарной втулкой передаточное число также зависит от внутренних планетарных передач внутри втулки. Для велосипеда с вальным приводом передаточное число зависит от конических шестерен, используемых на каждом конце вала. Чтобы велосипед двигался с одинаковой скоростью, использование более низкой передачи (большего механического преимущества) требует от велосипедиста педалировать с более высокой частотой, но с меньшим усилием. И наоборот, более высокая передача (меньшее механическое преимущество) обеспечивает более высокую скорость при заданной частоте вращения педалей, но требует от велосипедиста приложить большее усилие или встать при педалировании. Разные велосипедисты могут иметь разные предпочтения в отношении частоты вращения педалей, посадки и усилия педалирования. Длительное приложение чрезмерного усилия на слишком высокой передаче при слишком низкой частоте вращения педалей может повысить риск травмы колена; частота вращения педалей выше 100 об/мин становится менее эффективной после кратковременных усилий, например, во время спринта. Для измерения передаточных чисел используются: дюймы передачи, метр развития (выбега), коэффициент усиления, а также указание количества зубьев на передней и задней звездах соответственно. Первые три метода приводят к тому, что каждое возможное передаточное число представляется одним числом, что позволяет сравнивать передачи любых велосипедов независимо от диаметра колеса; числа, полученные разными методами, не сопоставимы, но для каждого метода чем больше число, тем выше передача. Третий метод, коэффициент усиления, также учитывает длину шатуна, которая может варьироваться от велосипеда к велосипеду. Четвертый метод использует два числа и полезен только для сравнения велосипедов с одинаковым диаметром 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 составлять примерно 622 мм плюс удвоенная ширина шины. Измерения передней/задней звезд рассматривают только размеры передней звезды и задней звезды. Размер колеса также учитывается при расчете дюймов передачи и метра развития. Коэффициент усиления идет дальше и также учитывает длину шатуна. Дюймы передачи и метр развития тесно связаны: для преобразования из дюймов передачи в метры развития умножьте на 0,08 (точнее: 0,0798, или точно: 0,0254 · π). Следующие методы расчета предполагают, что планетарная втулка находится в прямом приводе. Умножение на дополнительный коэффициент необходимо для учета любого другого выбранного передаточного числа втулки (многие онлайн-калькуляторы передач имеют эти коэффициенты встроенными для различных популярных втулок). Дюймы передачи = Диаметр колеса в дюймах × (количество зубьев на передней звезде / количество зубьев на задней звезде). Обычно округляется до ближайшего целого числа. Метр развития = Окружность колеса в метрах × (количество зубьев на передней звезде / количество зубьев на задней звезде). Коэффициент усиления = (Радиус колеса / длина шатуна) × (количество зубьев на передней звезде / количество зубьев на задней звезде). Измеряйте радиус и длину в одних и тех же единицах. Метр развития и коэффициент усиления обычно округляются до одного десятичного знака. Дюймы передачи соответствуют диаметру (в дюймах) колеса старинного велосипеда "пенни-фартинг" с эквивалентным передаточным отношением. Метр развития соответствует расстоянию (в метрах), которое проезжает велосипед за один оборот педалей. Коэффициент усиления – это отношение между расстоянием, пройденным велосипедом, и расстоянием, пройденным педалью, и является безразмерной величиной, не зависящей от единиц измерения. Измерение передней/задней звезд использует два числа (например, 53/19), где первое – количество зубьев на передней звезде, а второе – количество зубьев на задней звезде. Без выполнения каких-либо вычислений не очевидно, что 53/19 и 39/14 представляют собой практически одинаковое передаточное число.

Bicycle drivetrain aspect which relates cadence to wheel speed

Bicycle gearing is the aspect of a bicycle drivetrain that determines the relation between the cadence, the rate at which the rider pedals, and the rate at which the drive wheel turns. On some bicycles there is only one gear and, therefore, the gear ratio is fixed, but most modern bicycles have multiple gears and thus multiple gear ratios. A shifting mechanism allows selection of the appropriate gear ratio for efficiency or comfort under the prevailing circumstances: for example, it may be comfortable to use a high gear when cycling downhill, a medium gear when cycling on a flat road, and a low gear when cycling uphill. Different gear ratios and gear ranges are appropriate for different people and styles of cycling. A cyclist's legs produce power optimally within a narrow pedalling speed range, or cadence. Gearing can be optimized to use this narrow range as efficiently as possible. As in other types of transmissions, the gear ratio is closely related to the mechanical advantage of the drivetrain of the bicycle. On single speed bicycles and multi speed bicycles using derailleur gears, the gear ratio depends on the ratio of the number of teeth on the crankset to the number of teeth on the rear sprocket (cogset). For bicycles equipped with hub gears, the gear ratio also depends on the internal planetary gears within the hub. For a shaft driven bicycle the gear ratio depends on the bevel gears used at each end of the shaft. For a bicycle to travel at the same speed, using a lower gear (larger mechanical advantage) requires the rider to pedal at a faster cadence, but with less force. Conversely, a higher gear (smaller mechanical advantage) provides a higher speed for a given cadence, but requires the rider to exert greater force or stand while pedalling. Different cyclists may have different preferences for cadence, riding position, and pedalling force. Prolonged exertion of too much force in too high a gear at too low a cadence can increase the chance of knee damage; cadence above 100 rpm becomes less effective after short bursts, as during a sprint. for measuring gear ratios: gear inches, metres of development (roll out), gain ratio, and quoting the number of teeth on the front and rear sprockets respectively. The first three methods result in each possible gear ratio being represented by a single number which allows the gearing of any bicycles to be compared regardless of drive wheel diameter; the numbers produced by different methods are not comparable, but for each method the larger the number the higher the gear. The third method, gain ratio, also takes the length of the crankarm into account, which can vary from bike to bike. The fourth method uses two numbers and is only useful in comparing bicycles with the same drive wheel diameter. In the case of road bikes, this is usually around 670 mm. A 700c "standard" wheel has a 622 mm rim diameter. The final wheel diameter depends on the specific tire but will be approximately 622 mm plus twice the tire width. Front/rear measurement only considers the sizes of a chainring and a rear sprocket. Gear inches and metres of development also take the size of the rear wheel into account. Gain ratio goes further and also takes the length of a pedal crankarm into account. Gear inches and metres of development are closely related: to convert from gear inches to metres of development, multiply by 0.08 (more precisely: 0.0798, or exactly: 0.0254 · π). The methods of calculation which follow assume that any hub gear is in direct drive. Multiplication by a further factor is needed to allow for any other selected hub gear ratio (many online gear calculators have these factors built in for various popular hub gears). Gear inches = Diameter of drive wheel in inches × (number of teeth in front chainring / number of teeth in rear sprocket). Normally rounded to nearest whole number. Metres of development = Circumference of drive wheel in metres × (number of teeth in front chainring / number of teeth in rear sprocket). Gain ratio = (Radius of drive wheel / length of pedal crank) × (number of teeth in front chainring / number of teeth in rear sprocket). Measure radius and length in same units. Both metres of development and gain ratios are normally rounded to one decimal place. Gear inches corresponds to the diameter (in inches) of the main wheel of an old fashioned penny farthing bicycle with equivalent gearing. Metres of development corresponds to the distance (in metres) traveled by the bicycle for one rotation of the pedals. Gain ratio is the ratio between the distance travelled by the bicycle and the distance travelled by a pedal, and is a pure number, independent of any units of measurement. Front/rear gear measurement uses two numbers (e. g. 53/19) where the first is the number of teeth in the front chainring and the second is the number of teeth in the rear sprocket. Without doing some arithmetic, it is not immediately obvious that 53/19 and 39/14 represent effectively the same gear ratio.

Примеры

В следующей таблице приведено сравнение различных способов измерения передаточного числа (приведенные значения относятся к велосипедам с шатунами 170 мм, колесами 700C и покрышками 25 мм). Также указаны скорости для различных частот вращения педалей (каденсов) в оборотах в минуту. Для каждой строки относительные значения передаточного числа в дюймах, метра развития, передаточного отношения и скорости приблизительно верны, а значения передней/задней звезды – наиболее близкое приближение, которое можно получить, используя типичные размеры передних звезд и кассет. Следует отметить, что велосипеды, предназначенные для гонок, могут иметь минимальное передаточное число около 45 дюймов (3,6 метра) или 35 дюймов (2,8 метра) при использовании компактной системы шатунов.

Передача Дюймы Метр развития Передаточное отношение Передняя/задняя 60 об/мин 80 об/мин 100 об/мин 120 об/мин мили/ч км/ч мили/ч км/ч мили/ч км/ч мили/ч км/ч
Очень высокая 125 10.0 9.4 53/11 22.3 36 29.7 47.8 37.1 59.7 44.5 72
Высокая 100 8.0 7.5 53/14 18 29 24 38.6 30 48.3 36 57.9
Средняя 70 5.6 5.2 53/19 или 39/14 12.5 20 16.6 26.7 21 33.6 25 40
Низкая 40 3.2 3.0 34/23 7.2 11.6 9.6 15.4 11.9 19.2 14.3 23
Очень низкая 20 1.6 1.5 32/42 3.5 5.6 4.7 7.6 5.9 9.5 7.1 11.4

Велосипеды с одной скоростью

Велосипед с одной скоростью – это тип велосипеда с единственным передаточным числом. Эти велосипеды не оснащены переключателями передач, планетарными втулками или другими способами изменения передаточного отношения велосипеда. Взрослые односкоростные велосипеды обычно имеют передаточное отношение от 55 до 75 дюймов-передач, в зависимости от велосипедиста и предполагаемого использования. Существует множество типов современных односкоростных велосипедов: велосипеды BMX, некоторые велосипеды, предназначенные для (младших) детей, крейсерские велосипеды, классические городские велосипеды, одноколесные велосипеды, велосипеды для трековых гонок, шоссейные велосипеды с фиксированной передачей и горные велосипеды с фиксированной передачей. Велосипед с фиксированной передачей является самым простым типом велосипеда. Велосипед с фиксированной передачей не имеет механизма свободного хода, позволяющего ехать накатом.

Общие соображения

Передаточное отношение, поставляемое производителем на новом велосипеде, подбирается таким образом, чтобы быть полезным большинству людей. Некоторые велосипедисты предпочитают точно настроить передачу, чтобы она лучше соответствовала их силе, уровню физической подготовки и предполагаемому использованию. При покупке в специализированных велосипедных магазинах может оказаться дешевле изменить передачу до доставки, чем позже. Современные звёзды системы шатунов можно заменить, как и кассеты задних звёзд. Хотя длинные крутые подъёмы и/или тяжёлые грузы могут указывать на необходимость более низкой передачи, это может привести к очень низкой скорости. Балансировать на велосипеде становится сложнее на низких скоростях. Например, самая низкая передача около 16 дюймов обеспечивает эффективную скорость, возможно, 3 мили в час (5 км/ч) или меньше, при которой может оказаться быстрее идти пешком (если позволяет обувь).

Относительная передача

Что касается ног велосипедиста, то при переключении передач относительная разница между двумя передачами важнее абсолютной. Это относительное изменение, при переходе с более низкой передачи на более высокую, обычно выражается в процентах и не зависит от используемой системы измерения передач. Переключение передач на велосипеде обычно ощущается комфортнее, если почти все переключения имеют более или менее одинаковую процентную разницу. Например, переход с 13-зубной звезды на 15-зубную (15,4%) ощущается очень похоже на переход с 20-зубной звезды на 23-зубную (15%), хотя во втором случае абсолютная разница больше. Для достижения такой стабильной относительной разницы, абсолютные передаточные числа должны изменяться в логарифмической прогрессии; большинство серийных кассет делают это, с небольшими абсолютными различиями между меньшими звездами и все возрастающими абсолютными различиями по мере увеличения размера звезд. Поскольку звезды должны иметь (относительно небольшое) целое число зубьев, достичь идеальной прогрессии невозможно; например, семь звезд переключателя скоростей 14, 16, 18, 21, 24, 28, 32 имеют средний шаг около 15%, но фактические шаги варьируются от 12,5% до 16,7%. Планетарные передачи, используемые в планетарных втулках, имеют больше возможностей для изменения числа зубьев, чем звезды переключателя скоростей, поэтому можно приблизиться к идеалу стабильных относительных различий, например, Rohloff Speedhub предлагает 14 скоростей со средней относительной разницей в 13,6% и индивидуальными отклонениями около 0,1%. Гоночные велосипедисты часто используют передачи с небольшой относительной разницей, около 7%–10%; это позволяет точно настраивать передаточные числа в соответствии с условиями и поддерживать постоянную частоту вращения педалей. Горные и гибридные велосипеды часто оснащаются передачами с умеренной относительной разницей, около 15%; это обеспечивает более широкий диапазон передач при приемлемом шаге между ними. 3-скоростные планетарные втулки могут иметь относительную разницу в 33%–37%; шаг в 7% соответствует изменению на 1 зуб с 14-зубной звезды на 15-зубную, а шаг в 15% – изменению на 2 зуба с 13-зубной звезды на 15-зубную. В отличие от этого, автомобильные двигатели развивают мощность в гораздо более широком диапазоне скоростей, чем ноги велосипедиста, поэтому для автомобильных коробок передач распространены относительные различия в 30% и более.

As far as a cyclist's legs are concerned, when changing gears, the relative difference between two gears is more important than the absolute difference between gears. This relative change, from a lower gear to a higher gear, is normally expressed as a percentage, and is independent of what system is used to measure the gears. Cycling tends to feel more comfortable if nearly all gear changes have more or less the same percentage difference. For example, a change from a 13 tooth sprocket to a 15 tooth sprocket (15.4%) feels very similar to a change from a 20 tooth sprocket to a 23 tooth sprocket (15%), even though the latter has a larger absolute difference. To achieve such consistent relative differences the absolute gear ratios should be in logarithmic progression; most off the shelf cogsets do this with small absolute differences between the smaller sprockets and increasingly larger absolute differences as the sprockets get larger. Because sprockets must have a (relatively small) whole number of teeth it is impossible to achieve a perfect progression; for example the seven derailleur sprockets 14 16 18 21 24 28 32 have an average step size of around 15% but with actual steps varying between 12.5% and 16.7%. The epicyclic gears used within hub gears have more scope for varying the number of teeth than do derailleur sprockets, so it may be possible to get much closer to the ideal of consistent relative differences, e. g. the Rohloff Speedhub offers 14 speeds with an average relative difference of 13.6% and individual variations of around 0.1%. Racing cyclists often have gears with a small relative difference of around 7% to 10%; this allows fine adjustment of gear ratios to suit the conditions and maintain a consistent pedalling speed. Mountain bikes and hybrid bikes often have gears with a moderate relative difference of around 15%; this allows for a much larger gear range while having an acceptable step between gears. 3 speed hub gears may have a relative difference of some 33% to 37%; A step of 7% corresponds to a 1 tooth change from a 14 tooth sprocket to a 15 tooth sprocket, while a step of 15% corresponds to a 2 tooth change from a 13 tooth sprocket to a 15 tooth sprocket. By contrast, car engines deliver power over a much larger range of speeds than cyclists' legs do, so relative differences of 30% or more are common for car gearboxes.

Типы механизмов переключения передач

Существует два основных типа механизмов переключения передач, известных как переключатели скоростей (дерайлеры) и планетарные передачи (втулочные передачи). Обе системы имеют свои преимущества и недостатки, и выбор предпочтительной зависит от конкретных условий. В конце этого раздела также кратко упоминаются несколько других, относительно редких типов механизмов переключения передач. Переключатели скоростей могут использоваться только с цепными передачами, поэтому велосипеды с ременными или карданными передачами должны быть либо односкоростными, либо оснащены планетарными передачами.

Внешний (дерельефный)

Внешние зубчатые передачи получили свое название из-за того, что все звездочки легко видны. К системе шатунов и педалей может быть прикреплено до 4 цепных звезд, а задний кассет обычно состоит из 5–12 зубчатых шестерен, закрепленных на заднем колесе. Современные передние и задние переключатели обычно состоят из подвижного направляющего ролика цепи, который дистанционно управляется тросом в рубашке (Боуденом), прикрепленным к манетке, установленной на нижней трубе, выносе руля или руле. Манетка может быть одинарным рычагом, парой рычагов или поворотной рукояткой; некоторые манетки могут быть объединены с тормозными рычагами в единый блок. Когда велосипедист управляет манеткой во время педалирования, изменение натяжения троса перемещает направляющий ролик цепи из стороны в сторону, "сбрасывая" цепь на разные звездочки. Задний переключатель также оснащен пружинными роликами, которые поглощают провисание цепи. Большинство гибридных, туристических, горных и шоссейных велосипедов оснащены как передним, так и задним переключателями. Существуют некоторые передаточные числа, при которых цепь идет по прямой линии, но в большинстве случаев цепь работает под углом. Использование двух переключателей обычно приводит к дублированию или почти дублированию некоторых передаточных чисел, поэтому количество уникальных передач обычно составляет около двух третей от заявленного общего числа передач. Наиболее распространенные конфигурации имеют собственные названия, которые обычно связаны с относительным шагом между передними звездами и задним кассетом.

Передатчик с большим диапазоном действия

Этот стиль обычно встречается на гоночных велосипедах с двумя звёздами системы шатунов. Относительный перепад зубьев между звёздами системы шатунов (например, 35%) обычно примерно в три или четыре раза больше относительного перепада зубьев на кассете (например, 8% или 10%), например, звёзды системы шатунов 39/53 и кассеты с близким диапазоном 12-13-14-15-16-17-19-21 или 12-13-15-17-19-21-23-25. Такая конфигурация предоставляет значительно больше возможностей для регулировки передаточного числа с целью поддержания постоянной частоты вращения педалей, однако при переключении между звёздами системы шатунов необходимо одновременно переключать на 3 или 4 зубчика на кассете, если требуется перейти на следующую более высокую или низкую передачу.

Альпийские шестерни

Этот термин не имеет общепринятого значения. Изначально он относился к передаточному механизму, имевшему одну особенно низкую передачу (для подъема по альпийским перевалам); эта низкая передача часто имела больший, чем обычно, разрыв до следующей по величине передачи. В 1960-х годах продавцы стали использовать этот термин для обозначения современных 10-скоростных велосипедов (с двумя звёздами системы и кассетой из пяти звёздочек), не обращая внимания на его первоначальное значение. Наиболее близкий современный аналог первоначального значения можно найти в кассетах Shimano Megarange, где большинство звёздочек имеют примерно 15% относительную разницу между собой, за исключением самой большой звёздочки, разница у которой составляет около 30%; это обеспечивает значительно более низкую передачу, чем обычно, но ценой большого скачка в передаточном отношении.

Половинный шаг передач

Существует две звезды системы шатунов, относительная разница между которыми (например, 10%) составляет примерно половину относительного шага на кассете (например, 20%). Это применялось в середине 20-го века, когда передние переключатели могли справляться лишь с небольшим перепадом между звёздами, а задние кассеты имели небольшое количество звёздочек, например, звёзды системы 44 и 48 и кассета 14, 17, 20, 24, 28. Это позволяет получить два взаимосвязанных диапазона передач без дублирования. Однако для последовательного изменения передаточного числа требуется одновременное переключение переднего и заднего переключателей при каждой второй смене передачи.

Половина шага плюс бабушкины передачи

Существует три звезды системы шатунов с полушаговым различием между двумя большими и многошаговым различием между двумя меньшими, например, звезды 24, 42 и 46, и кассета 12, 14, 16, 18, 21, 24, 28, 32, 36. Такая общая компоновка подходит для велотуризма, при этом большинство переключений передач осуществляется задним переключателем, а два больших звезды используются для тонкой настройки. Приводы Schlumpf Mountain Drive и Speed Drive доступны с 2001 года. Некоторые системы предлагают прямой привод плюс один из трех вариантов (понижение 1:2.5, повышение 1.65:1 и повышение 2.5:1). Переключение передач осуществляется нажатием ногой на кнопку, выступающую с каждой стороны оси каретки. Эффект достигается как будто у велосипеда двойная система звезд с огромной разницей в размерах. В 2010 году компания Pinion GmbH представила 18-скоростную коробку передач с равномерно распределенным диапазоном в 636%. Эта коробка передач приводится в действие традиционным поворотным переключателем и использует два троса для переключения передач. Система Pinion хорошо подходит для горных велосипедов благодаря широкому диапазону и низкому центру тяжести, подходящему для велосипедов с полной подвеской, но она все еще несколько тяжелее трансмиссии на основе переключателей.

Комбинированные внутренние и внешние

Иногда возможно комбинировать планетарную передачу с переключателями скоростей. Существует несколько коммерчески доступных вариантов: один из стандартных вариантов для складного велосипеда Brompton – использовать 3-скоростную планетарную передачу (примерно 30% разница между передаточными числами) в комбинации с 2-скоростным переключателем (примерно 15% разница), чтобы получить 6 различных передач; это пример полушаговой передачи. Некоторые поставщики Brompton предлагают также 2-скоростную систему звёзд "Mountain Drive", что даёт 12 различных передач с диапазоном, превышающим 5:1; в этом случае переход с 6-й на 7-ю передачу включает одновременное переключение всех трёх комплектов передач. Система SRAM DualDrive использует стандартную 8- или 9-скоростную кассету, установленную на трёхскоростном планетарном узле, предлагая аналогичный диапазон передач велосипеду с кассетой и тройной системой звёзд. Менее распространено использование двойной или тройной системы звёзд в сочетании с планетарной передачей, расширяя диапазон передач без необходимости устанавливать несколько звёзд на планетарный узел. Однако это требует использования натяжителя цепи, что нивелирует некоторые преимущества планетарных передач. На противоположном конце от односкоростного велосипеда, планетарные передачи могут быть объединены как с передним, так и с задним переключателями, обеспечивая очень широкий диапазон трансмиссии за счёт увеличения веса и сложности управления – в общей сложности используется три комплекта передач. Этот подход может быть подходящим для трициклов-реклайнеров, где очень низкие передачи можно использовать без проблем с балансом, а аэродинамическая посадка позволяет использовать более высокие передачи, чем обычно.