Внутренние передачи велосипедных втулок: история и развитие

Введение

Устройство для изменения передаточного числа на велосипедах

Внутренний редуктор, планетарный редуктор или просто редуктор в ступице – это система изменения передаточного числа, широко используемая на велосипедах, которая реализована с помощью планетарных или эпициклических передач. Передачи и смазочные материалы герметично заключены в корпус редуктора, в отличие от переключателей передач, где передачи и механизм подвергаются воздействию окружающей среды. Изменение передаточного числа традиционно осуществлялось с помощью рычага переключения, соединенного с редуктором тросом Боудена, а переключатели поворотного типа стали распространенными. Системы редукторов в ступице обычно имеют долгий срок службы и практически не требуют обслуживания, хотя некоторые из них не подходят для использования в условиях высоких нагрузок на соревнованиях или на холмистой, пересеченной местности. Многие городские и пригородные велосипеды, такие как европейские городские велосипеды, теперь обычно оснащаются 7-скоростными редукторами, а 8-скоростные системы становятся все более доступными. Более старые или недорогие утилитарные велосипеды часто используют 3-скоростные редукторы, например, в системах проката велосипедов. Многие складные велосипеды используют 3-скоростные редукторы. Современные разработки предлагают системы с количеством передач до 18.

История

До того, как эпициклические передачи стали использоваться во втулках велосипедов, их применяли на трехколесных велосипедах. Патенты на эпициклические втулки датируются серединой 1880-х годов. Первый патент на компактную эпициклическую передачу был выдан в 1895 году американскому слесарю Сьюарду Томасу Джонсону из Ноблсвилля, штат Индиана, США. Это была 2-скоростная передача, но она не имела коммерческого успеха. В 1896 году Уильям Райли из Солфорда, Англия, запатентовал 2-скоростную втулку, которая поступила в производство в 1898 году под названием 'The Hub'. Она имела большой успех и оставалась в производстве в течение десятилетия. Это быстро подтвердило практичность компактных эпициклических передач. К 1902 году Райли разработал 3-скоростную передачу. Он прекратил сотрудничество с производителем 'The Hub', но передал им интеллектуальные права на свои будущие разработки. Чтобы обойти эту проблему, патенты на 3-скоростную передачу Райли были оформлены на имя его коллеги Джеймса Арчера. Тем временем известный английский журналист и изобретатель Генри Стерми также изобрел 3-скоростную втулку. В 1903 году Фрэнк Боуден, глава компании Raleigh Bicycle Company, создал The Three Speed Gear Syndicate, получив права на 3-скоростные передачи Reilly/Archer и Sturmey. Втулка Райли поступила в производство как первая 3-скоростная Sturmey Archer. В 1902 году Микаэль Педерсен (который также производил велосипед Dursley Pedersen) запатентовал 3-скоростную передачу, которая была выпущена в 1903 году. Утверждалось, что она основана на принципе "контрвала", но, вероятно, представляла собой необычную эпициклическую передачу, в которой вместо кольцевой шестерни использовалась вторая солнечная шестерня. В 1904 году компания Fichtel & Sachs (Германия, Швайнфурт) начала производство передач во втулке по лицензии Wanderer, а к 1909 году на британском рынке было представлено 14 различных 3-скоростных передач во втулке. К 1930-м годам передачи во втулке использовались на велосипедах по всему миру. Они были особенно популярны в Великобритании, Нидерландах, странах немецкоговорящего региона и Скандинавии. С 1970-х годов они стали гораздо менее распространены в англоязычных странах, но во многих частях Северной Европы, где велосипеды регулярно используются в качестве ежедневного транспорта, а не только для спорта или отдыха, передачи во втулке по-прежнему широко используются. Начинают появляться более дешевые и прочные (но менее надежные) системы переключения передач, предлагающие более широкий диапазон передач. К 1987 году Sturmey Archer производил только 3- и 5-скоростные втулки, а Fichtel & Sachs и Shimano – только 2- и 3-скоростные втулки. В том же году была опубликована первая за 80 лет книга (за исключением руководств по эксплуатации), посвященная исключительно эпициклическим велосипедным передачам. С тех пор наблюдается медленный, но устойчивый рост интереса к передачам во втулке, что отражается в более широком ассортименте доступных продуктов. В 1995 году Sachs представила Elan, первую передачу во втулке с 12 скоростями и общим диапазоном 339%. Три года спустя Rohloff выпустила Speedhub 500/14, втулку с 14 скоростями и диапазоном 526%, сопоставимым с 27-скоростной системой переключения передач, а также достаточно прочную и легкую для горных велосипедов. В 2007 году NuVinci начала производство бесступенчатых трансмиссий (с плавно изменяемым передаточным числом) ∞-скоростных втулок для городских велосипедов, с диапазоном, увеличившимся до примерно 380% (2016). По состоянию на 2008 год Sturmey Archer производит 3-, 5- и 8-скоростные втулки, SRAM (правопреемник Fichtel & Sachs) – 3-, 5-, 7- и 9-скоростные, а Shimano – 3-, 7- и 8-скоростные втулки. В феврале 2010 года Shimano объявила о выпуске Shimano Alfine 700, 11-скоростной модели. Хотя большинство систем передач во втулке используют одну заднюю звездочку, система Dual Drive от SRAM сочетает в себе эпициклическую втулку с многоскоростной системой переключения передач для обеспечения широкого диапазона передач, сосредоточенного на заднем колесе. В 2010 году Canyon представила концепцию 1.442, гибридную втулку, использующую аналогичную комбинацию эпициклической передачи и переключателя. Brompton Bicycle имеет собственную конструкцию, с двухскоростным переключателем, соединенным со специальной трехскоростной втулкой Sturmey Archer с широким диапазоном, "BWR" (Brompton Wide Ratio). Эта система полезна для складных велосипедов (где несколько передних звезд могут мешать механизму складывания велосипеда), лежачих велосипедов и грузовых велосипедов (где небольшие колеса и/или увеличенный вес требуют более широкого диапазона передач с меньшими шагами). В прошлом передачи во втулке также использовались на мотоциклах, хотя сейчас это встречается редко.

Before epicyclic gears were used in bicycle hubs, they were used on tricycles. Patents for epicyclic hubs date from the mid 1880s. The first patent for a compact epicyclic hub gear was granted in 1895 to the American machinist Seward Thomas Johnson of Noblesville, Indiana, U. S. A. This was a 2 speed but was not commercially successful. In 1896, William Reilly of Salford, England patented a 2 speed hub which went into production in 1898 as 'The Hub'. It was a great success, remaining in production for a decade. It rapidly established the practicality of compact epicyclic hub gears. By 1902, Reilly had designed a 3 speed hub gear. He parted company with the manufacturer of 'The Hub' but had signed away to them the intellectual rights to his future gear designs. To circumvent this problem, the patents for Reilly's 3 speed were obtained in the name of his colleague, James Archer. Meanwhile, well known English journalist and inventor Henry Sturmey had also invented a 3 speed hub. In 1903, Frank Bowden, head of the Raleigh Bicycle Company, formed The Three Speed Gear Syndicate, having obtained the rights to both the Reilly/Archer and Sturmey 3 speeds. Reilly's hub went into production as the first Sturmey Archer 3 speed. In 1902, Mikael Pedersen (who also produced the Dursley Pedersen bicycle) patented a 3 speed hub gear and this was produced in 1903. This was said to be based on the "counter shaft" principle but was arguably an unusual epicyclic gear, in which a second sun was used in place of a ring gear. In 1904 the Fichtel & Sachs company (Germany, Schweinfurt) produced a hub gear under license to Wanderer, and by 1909, there were 14 different 3 speed hub gears on the British market. By the 1930s, hub gears were used on bicycles all over the world. They were particularly popular in the UK, the Netherlands, the German speaking countries and Scandinavia. Since the 1970s, they have become much less common in English speaking countries, but in many parts of northern Europe, where bicycles are regularly used as daily transport rather than merely for sport or leisure, hub gears are still widely used. The cheaper and stronger (but less reliable) derailleur systems, which offer a wider gear range, have now started to appear. By 1987, Sturmey Archer made only 3 and 5 speed hubs, and Fichtel & Sachs and Shimano made only 2 and 3 speed hubs. In that year, the first book (apart from service manuals) for some 80 years dealing solely with epicyclic bicycle gears was published. Since then, there has been a slow but steady increase in interest in hub gears, reflected in the wider range of products now available. In 1995, Sachs introduced the Elan, the first hub gear with 12 speeds, and an overall range of 339%. Three years later, Rohloff came out with the Speedhub 500/14, a gear hub with 14 speeds and a range of 526%, comparable to that of a 27 speed derailleur gear system, and also sufficiently robust and lightweight for mountain biking. In 2007, NuVinci started manufacturing continuously variable transmission ("stepless") ∞ speed hubs for commuter bicycles, with an increasing range of about 380% (2016). As of 2008, Sturmey Archer makes 3 , 5 and 8 speed hubs, SRAM (successor to Fichtel & Sachs) make 3 , 5 , 7 and 9 speeds and Shimano make 3 , 7 and 8 speeds. In February 2010, Shimano announced the introduction of the Shimano Alfine 700, an 11 speed model. Though most hub gear systems use one rear sprocket, SRAM's Dual Drive system combines an epicyclic hub with a multi speed rear derailleur system to provide a wide ranging drivetrain concentrated at the rear wheel. In 2010, Canyon presented the 1.442 concept, a hybrid hub which uses a similar epicyclical/derailleur combination. Brompton Bicycle have their own design, with a two speed derailleur coupled to a special three speed wide ratio Sturmey Archer hub, the "BWR" (Brompton Wide Ratio). The system is useful for folding bicycles (where a multiple front chainset could foul the bike's folding mechanism), in recumbent bicycles, and cargo bikes (where small wheels and/or increased weight require a wider range of gears with smaller steps). Hub gears have in the past also been used on motorcycles, although this is now rare.

Принцип действия

Самые простые 3-скоростные втулки используют один планетарный эпициклический редуктор. Солнечная шестерня (желтого цвета) жестко закреплена на оси и, таким образом, неподвижна относительно рамы велосипеда. На низкой передаче звездочка вращает ведомое кольцо (красного цвета), а планетарный водило (зеленого цвета) вращает втулку, обеспечивая понижение передачи. На средней передаче звездочка вращает втулку напрямую. На высокой передаче звездочка вращает планетарное водило (зеленого цвета), а ведомое кольцо (красного цвета) вращает втулку, что приводит к увеличению передачи. Ось втулки планетарной передачи (в отличие от системы переключателей) передает крутящий момент на всех передачах, кроме прямой, и поэтому должна быть надежно зафиксирована от вращения. Хотя антиротационные шайбы между дропаутом и гайкой оси часто оказывались достаточными, более современные системы с широким диапазоном используют реактивную тягу, прикрепленную к перьям рамы. Задние колеса с барабанными тормозами (характерная особенность некоторых городских велосипедов) в любом случае требуют реактивной тяги. Большинство планетарных втулок управляются аналогичным образом – одним поворотом, триггером или переключателем на ручке. Исключением является более старая конструкция 5-скоростной втулки Sturmey Archer, которая использовала второй тросик переключения для переключения между близкими и широкими солнечными шестернями, фактически предоставляя две 3-скоростные втулки в одном корпусе. Средняя передача в обоих диапазонах была прямой, поэтому было пять различных передач. Ими можно было управлять либо специальным 5-скоростным переключателем, который управлял обоими тросиками, либо обычным 3-скоростным переключателем и переключателем трения.

Преимущества

Внутренние передачи запечатаны внутри втулки, что защищает их от воды, грязи и ударов. Таким образом, планетарные передачи обычно требуют меньше обслуживания и могут быть более надежными со временем, чем сопоставимые внешние системы переключения передач, которые могут потребовать больше регулировок и замены деталей (передние звезды, задние шестерни, узкая цепь переключения). Планетарные передачи полностью исключают опасность столкновения со спицами и разрушения колеса, которым подвержены системы с переключателями. Планетарные передачи могут переключать передаточные числа, когда заднее колесо не вращается. Это может быть полезно для городских велосипедов с частыми остановками и для горных велосипедов на пересеченной местности. Планетарные передачи могут быть проще в использовании для неопытных велосипедистов, поскольку обычно используется только один переключатель и отсутствуют перекрывающиеся передаточные числа. Напротив, современные системы переключения часто имеют два переключателя и требуют некоторой предусмотрительности, чтобы избежать проблемных комбинаций передач. Планетарные передачи могут быть изготовлены с интегрированным ножным тормозом (хотя не все планетарные передачи доступны с ножным тормозом). Это невозможно в системах с переключателями, поскольку цепь не может передавать обратное усилие. Планетарные передачи обеспечивают возможность переключения передач на трансмиссиях, несовместимых с внешними переключателями, таких как ременные и карданные приводы. Одна линия цепи позволяет установить полный защитный кожух цепи, защищая цепь от воды и грязи, а одежду – от контакта со смазанной цепью. Одна линия цепи не требует изгиба или скручивания цепи. В результате цепь может быть изготовлена по-другому, с параллельными штифтами вместо бочкообразных. Линейный контакт между поверхностями подшипников, в отличие от точечного контакта цепи переключателя, значительно продлевает срок службы всех компонентов. На велосипедах с фиксированной линией цепи не требуется натяжитель цепи, что устраняет деталь, которая в противном случае могла бы быть повреждена на пересеченной местности – преимущество для внедорожных велосипедистов. Если требуется натяжитель, обычно достаточно короткой рамки, чтобы компенсировать провисание цепи. Одна внешняя звездочка означает, что колесо может иметь втулку с большим расстоянием между фланцами и быть построено без или с гораздо меньшим смещением, что делает его более жестким по бокам, чем аналогичное колесо с более узким расстоянием между фланцами и большим смещением для размещения нескольких звездочек. Корпус втулки планетарной передачи также часто имеет больший диаметр, чем у втулки с переключателями, что означает, что спицы на таких колесах могут быть короче. (Примечание: некоторые маркетинговые материалы из тестов, проведенных производителями, указывают на цифру в 2%, но это не только неверно, но и невозможно. В нескольких тестах сравнивали новую планетарную втулку со старой и плохо обслуживаемой системой переключения или не оказывали нагрузки на ось и не создавали нагрузку на систему. Реальные цифры отличаются – эффективность/потери ближе к эффективности всех планетарных передач.) Планетарные передачи, как правило, тяжелее систем переключения с эквивалентными передаточным числам, и дополнительный вес сосредоточен на заднем колесе. По этой причине они не являются основным выбором для велосипедов с задней подвеской в спортивном использовании, поскольку дополнительный неподрессоренный вес может негативно повлиять на сцепление и торможение. Планетарные передачи, как правило, несовместимы с механизмами быстрого выпуска/проходными осями, между которыми велосипедист может переключаться с помощью заднего переключателя. Тщательный выбор звездочек может позволить доступным передаточным числам при использовании одной звездочки находиться посередине между доступными при использовании второй звездочки, обеспечивая полушаговое переключение, как на 6-скоростном складном велосипеде Brompton. Эта концепция используется и расширяется в системе SRAM Dual Drive, где обычная многоскоростная кассета устанавливается на 3-скоростную втулку. Аналогичная версия популярной втулки AW производится компанией Sturmey Archer. Эта система может быть полезна на велосипедах, которые не могут принять передний переключатель. Немецкая компания Canyon представила 1442 в 2010 году, гибридную втулку, которая использует аналогичную комбинацию эпициклической/переключающей передачи. Когда передние и задние переключатели используются с планетарной втулкой, результатом является очень широкий диапазон передач за счет увеличения веса и сложности. Особенное применение систем Dual Drive – на велосипедах-реклайнерах, где старт с места или после резкого торможения затруднен при включенной высокой передаче. На обычном велосипеде, если включена высокая передача, велосипедист может использовать одну ногу, чтобы набрать минимальный импульс, встать на педали и использовать верхнюю часть тела, чтобы сбалансировать велосипед; это невозможно на двухколесном велосипеде-реклайнере. Здесь система Dual Drive позволяет переключать передачи на месте или на низких скоростях, что невозможно с переключателями передач.

Hub gears are sealed within the hub, which protects them from water, grit, and impacts. Thus hub gears usually require less maintenance and can be more reliable over time than comparable external derailleur gear systems, which may require more adjustments and replacement of parts (front chainrings, rear sprockets, narrow derailleur chain). Hub gears completely avoid the danger of collision with the spokes and wheel collapse that derailleur systems can suffer. Hub gears can change gear ratios when the rear wheel is not rotating. This can be useful for commuter cycling with frequent stops and for mountain biking in rough terrain. Hub gears can be simpler to use for inexperienced riders, because there is generally only a single shifter to operate and there are no overlapping gear ratios. By contrast, modern derailleur systems often have two shifters, and require some forethought to avoid problematic gear combinations. Hub gears can be manufactured to include a coaster brake (though not all hub gears are available with coaster brakes). This is not possible with derailleur systems, because the chain cannot transmit a backwards pull. Hub gears provide a means for shifting gear ratios on drivetrains incompatible with external derailleurs such as belt drives and shaft drives. The single chainline allows for a full chain enclosure chain guard, so the chain can be protected from water and grit, and clothing can be protected from contact with the lubricated chain. The single chainline does not require the chain to bend or twist. As a result, the chain can be constructed differently, with parallel pins instead of barrel shaped ones. Line contact between the bearing surfaces, instead of the point contact of a derailleur chain, greatly extends the working life of all components. On bicycles with fixed chain lines, no chain tensioner is required, eliminating a part that could otherwise become damaged in rough terrain an advantage for off road cyclists. Where a tensioner is required, a short cage is usually sufficient to take up the chain slack. The single external sprocket means that the wheel can have a hub with more distance between its flanges and be built with no or much less dish, making it laterally stronger than a similar wheel with narrower flange spacing and more dish to accommodate multiple sprockets. The hub shell of gear hubs is also often of a larger diameter than that of derailleur hubs, meaning the spokes on such wheels may be shorter. (note: some marketing material from tests performed by the manufacturers has the number at 2%, but that is not only false, but impossible. Several tests compared a new internal gear hub with an old and badly maintained derailleur system, or did not apply any weight on the axle and load into the system. The real numbers are different the efficiency/losses are closer to that of all planetary gear transmissions.) Hub gears tend to be heavier than derailleur systems with equivalent gearing characteristics, and the additional weight is concentrated at the back wheel. For this reason, they are not a primary choice for rear suspension bicycles in sporting use as the extra unsprung weight may adversely affect traction and braking. Hub gears are generally incompatible with quick release mechanisms/skewer axles. between which the rider can switch with a rear derailleur. Careful sprocket selection can allow the available gear ratios when using one sprocket to fall half way between those available when using the second sprocket, providing half step gearing, as on the Brompton 6 speed folding bicycle. This concept is used and extended in the SRAM Dual Drive system, where a conventional multi speed cassette is mounted to a 3 speed hub. A similar version of the ever popular AW hub is manufactured by Sturmey Archer. This system may be useful on bicycles which cannot accept a front derailleur. The German company Canyon introduced the 1442 in 2010, a hybrid hub which uses a similar epicyclical/derailleur combination. When both front and rear derailleurs are used with a geared hub, the result is a very wide ranging drivetrain, at the expense of increased weight and complexity. A particular use of the dualdrive systems is on recumbent bicycles where starting off from a standstill, or after braking hard, is very difficult if a high gear is engaged. On an upright bicycle, if a high gear is engaged, the rider may use one leg to gain minimal momentum and stand on the pedals and use her/his upper body to balance the bike; this is not possible on a 2 wheeled recumbent bicycle. Here the dualdrive setup allows shifting at a standstill or at low speeds, which is not possible with derailleur gears alone.

Усовершенствованные редукторы

Усовершенствованные планетарные передачи предлагают большее количество передач за счет использования нескольких эпициклических шестерен, работающих в связке друг с другом. Их передаточные числа подобраны для более равномерного распределения передач и большего общего диапазона. Принцип работы таких узлов аналогичен менее продвинутым системам, с использованием триггерного или поворотного переключателя с последовательным переключением. 12-скоростная Sachs Elan стала первой планетарной передачей с 10 и более скоростями, представленной на рынке (1995–1999). Она считалась тяжелой и имела проблемы с качеством, из-за чего была снята с производства через несколько лет. 14-скоростная планетарная передача Rohloff Speedhub, представленная в 1998 году, имеет диапазон, превышающий 5:1, и, таким образом, сопоставима по диапазону с 24-, 27- и 30-скоростными системами переключения скоростей (с 3×8, 3×9 и 3×10 звездочками спереди и сзади), поскольку последние имеют три перекрывающихся диапазона, часто с использованием всего около 14 различных передач. Поскольку в Speedhub нет перекрытия диапазонов, у планетарной передачи есть только два направления переключения (вверх и вниз), в отличие от переднего и заднего переключателей, где для переключения всех передач требуются два переключателя с двумя направлениями переключения. 11-скоростная планетарная передача Shimano Alfine 700, представленная в 2010 году, имеет диапазон передач, превышающий 4:1, сопоставимый с 20-скоростными трансмиссиями переключения скоростей, а ее внутренние компоненты работают в масляной ванне для повышения механической эффективности.