Ступица шестерни

Втулка , ^[1] втулка с внутренним зацеплением , ^[2] втулка с внутренним зацеплением [ ^3] или просто втулка ^[4] — это система изменения передаточного числа , обычно используемая на велосипедах , которая реализована с планетарными или эпициклическими передачами . Шестерни и смазочные материалы запечатаны внутри оболочки втулки, в отличие от передач переключателя передач , где шестерни и механизм подвергаются воздействию элементов. Изменение передаточного числа традиционно осуществлялось рычагом переключения передач, соединенным со втулкой тросом Боудена , и стали обычным явлением переключатели с поворотной рукояткой .

Системы передач втулок обычно имеют длительный и в значительной степени не требующий обслуживания срок службы, хотя некоторые из них не подходят для использования в условиях высоких нагрузок на соревнованиях или в холмистых условиях бездорожья. Многие городские велосипеды или велосипеды для поездок на работу в город, такие как европейские городские велосипеды , теперь обычно оснащены 7-скоростными втулками передач, а 8-скоростные системы становятся все более доступными. Старые или менее дорогие утилитарные велосипеды часто используют 3-скоростные втулки передач, например, в системах совместного использования велосипедов . Многие складные велосипеды используют 3-скоростные втулки передач. Доступны современные разработки с передаточными отношениями до 18.

До того, как планетарные передачи стали использоваться в велосипедных втулках, они использовались на трехколесных велосипедах. Патенты на планетарные втулки датируются серединой 1880-х годов. ^{[5] [6]} Первый патент на компактную планетарную втулку был выдан в 1895 году американскому машинисту Сьюарду Томасу Джонсону из Ноблсвилля, штат Индиана, США ^[7] Это была двухскоростная передача, но она не имела коммерческого успеха.

В 1896 году Уильям Рейли из Солфорда, Англия, запатентовал двухскоростную втулку, которая пошла в производство в 1898 году под названием «The Hub». ^[8] Она имела большой успех и оставалась в производстве в течение десятилетия. Она быстро доказала практичность компактных планетарных втулок.

К 1902 году Рейли спроектировал 3-скоростную втулку. Он расстался с производителем «The Hub», но передал им интеллектуальные права на свои будущие конструкции передач. Чтобы обойти эту проблему, патенты на 3-скоростную втулку Рейли были получены на имя его коллеги Джеймса Арчера. ^[9] Тем временем известный английский журналист и изобретатель Генри Стерми также изобрел 3-скоростную втулку. ^[10] В 1903 году Фрэнк Боуден , глава Raleigh Bicycle Company , основал The Three-Speed ​​Gear Syndicate, получив права как на Reilly/Archer, так и на 3-скоростные втулки Sturmey. Втулка Рейли пошла в производство как первая 3-скоростная Sturmey Archer . ^[11]

В 1902 году Микаэль Педерсен (который также изготовил велосипед Dursley Pedersen ) запатентовал 3-скоростную планетарную передачу, и она была произведена в 1903 году. Говорили, что она основана на принципе «встречного вала» ^[12], но, возможно, это была необычная планетарная передача, в которой вместо зубчатого венца использовалось второе солнце. ^[13] В 1904 году компания Fichtel & Sachs (Германия, Швайнфурт ) произвела планетарную передачу по лицензии Wanderer , и к 1909 году на британском рынке было 14 различных 3-скоростных планетарных передач. ^[14]

К 1930-м годам планетарные шестерни использовались на велосипедах по всему миру. Они были особенно популярны в Великобритании, Нидерландах, немецкоязычных странах 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 повседневного транспорта, а не только для спорта или отдыха, планетарные шестерни по-прежнему широко используются. Сейчас начали появляться более дешевые и прочные (но менее надежные) системы переключения передач , которые предлагают более широкий диапазон передач.

К 1987 году Sturmey-Archer производила только 3- и 5-скоростные втулки, а Fichtel & Sachs и Shimano — только 2- и 3-скоростные. В том же году была опубликована первая книга (помимо руководств по обслуживанию) за 80 лет, посвященная исключительно планетарным велосипедным передачам. ^[15] С тех пор наблюдается медленный, но устойчивый рост интереса к планетарным передачам, что отражается в более широком ассортименте продукции, доступной в настоящее время.

В 1995 году Sachs представила Elan , первую втулку с 12 скоростями и общим диапазоном 339%. Три года спустя Rohloff выпустила Speedhub 500/14 , втулку с 14 скоростями и диапазоном 526%, сопоставимую с 27-скоростной системой переключения передач, а также достаточно прочную и легкую для горного велосипеда . В 2007 году NuVinci начала производство бесступенчатых ∞ - скоростных втулок для пригородных велосипедов с диапазоном увеличения примерно 380% ^[16] (2016).

По состоянию на 2008 год Sturmey-Archer выпускает 3-, 5- и 8-скоростные втулки, SRAM (преемник Fichtel & Sachs) выпускает 3-, 5-, 7- и 9-скоростные, а Shimano выпускает 3-, 7- и 8-скоростные. В феврале 2010 года Shimano объявила о выпуске Shimano Alfine 700 , 11-скоростной модели. ^[17]

Хотя большинство систем ступичных передач используют одну заднюю звездочку , система Dual Drive от SRAM объединяет планетарную втулку с многоскоростной системой заднего переключателя передач, чтобы обеспечить широкополосную трансмиссию, сосредоточенную на заднем колесе. В 2010 году Canyon представила концепцию 1.44 ² -гибридную втулку, которая использует похожую комбинацию планетарной/переключателя передач. ^[18]

У Brompton Bicycle есть собственная конструкция с двухскоростным переключателем передач, соединенным со специальной трехскоростной широкодиапазонной втулкой Sturmey-Archer, «BWR» (Brompton Wide Ratio). Система полезна для складных велосипедов (где несколько передних цепей могут испортить механизм складывания велосипеда), для лежачих велосипедов и грузовых велосипедов (где маленькие колеса и/или увеличенный вес требуют более широкого диапазона передач с меньшим шагом). Втулочные передачи в прошлом также использовались на мотоциклах , хотя сейчас это редкость.

Простейшие 3-скоростные втулки используют одну планетарную планетарную передачу. Солнечная шестерня (желтая) жестко закреплена на оси и, таким образом, зафиксирована относительно рамы велосипеда.

• На низкой передаче звездочка приводит в движение кольцевую передачу (красного цвета), а водило планетарной передачи (зеленого цвета) приводит в движение ступицу, обеспечивая понижение передачи.
• На средней передаче звездочка приводит в движение ступицу напрямую.
• На высокой передаче звездочка приводит в движение водило планетарной передачи (зеленого цвета), а коронная шестерня (красного цвета) приводит в движение ступицу, что приводит к повышению передачи.

Ось втулки шестерни втулки (в отличие от оси переключателя передач) будет передавать крутящий момент на всех передачах, кроме прямой передачи, и поэтому должна быть надежно закреплена от вращения. Хотя противовращательные шайбы между дропаутом и гайкой оси часто оказывались достаточными, более широкие современные системы используют реактивный рычаг, прикрепленный к перу цепи. Задние колеса с барабанными тормозами (функция некоторых городских велосипедов) в любом случае требуют реактивного рычага.

Большинство ступичных передач работают схожим образом, одним поворотом, триггером или переключателем под большой палец. Исключением является старый стиль Sturmey-Archer 5-speed, который использовал второй трос переключения для переключения между солнечными шестернями с близким и широким диапазоном, фактически давая две 3-скоростные втулки в одном блоке. Средняя передача в обоих диапазонах была прямой, поэтому было пять различных передач. Ими можно было управлять либо с помощью специального 5-скоростного переключателя, который управлял обоими кабелями, либо с помощью обычного 3-скоростного переключателя и фрикционного переключателя.

• Шестерни втулки запечатаны внутри втулки, что защищает их от воды, песка и ударов. Таким образом, шестерни втулки обычно требуют меньшего обслуживания и могут быть более надежными с течением времени, чем сопоставимые внешние системы переключения передач, которые могут потребовать больше регулировок и замены деталей (передние звезды, задние звездочки, узкая цепь переключателя).
• Втулочные шестерни полностью исключают опасность столкновения со спицами и разрушения колеса, которая может возникнуть в системах переключения передач.
• Шестерни ступицы могут изменять передаточное отношение, когда заднее колесо не вращается. Это может быть полезно для езды на велосипеде по городу с частыми остановками и для езды на горном велосипеде по неровной местности.
• Втулочные передачи могут быть проще в использовании для неопытных гонщиков, поскольку обычно требуется только один переключатель и нет перекрывающихся передаточных чисел. Напротив, современные системы переключения передач часто имеют два переключателя и требуют некоторой предусмотрительности, чтобы избежать проблемных комбинаций передач.
• Втулочные шестерни могут быть изготовлены с ножным тормозом (хотя не все втулки доступны с ножным тормозом). Это невозможно с системами переключения передач, поскольку цепь не может передавать обратную тягу.
• Втулочные шестерни обеспечивают возможность переключения передаточных чисел в трансмиссиях, несовместимых с внешними переключателями, такими как ременные и карданные передачи .
• Одинарная цепь обеспечивает полную защиту цепи , благодаря чему цепь может быть защищена от воды и песка, а одежда может быть защищена от контакта со смазанной цепью.
• Одинарная цепь не требует, чтобы цепь изгибалась или скручивалась. В результате цепь может быть сконструирована по-другому, с параллельными штифтами вместо бочкообразных. ^[19] Линейный контакт между поверхностями подшипников, вместо точечного контакта цепи переключателя передач, значительно продлевает срок службы всех компонентов. ^{[ необходима цитата ]}
• На велосипедах с фиксированными цепными линиями натяжитель цепи не требуется, что исключает часть, которая в противном случае могла бы быть повреждена на неровной местности — преимущество для велосипедистов, едущих по бездорожью. Там, где требуется натяжитель, обычно достаточно короткой клетки, чтобы выбрать слабину цепи.
• Одна внешняя звездочка означает, что колесо может иметь ступицу с большим расстоянием между фланцами и быть изготовлено без или с гораздо меньшим углублением , что делает его прочнее в поперечном направлении, чем аналогичное колесо с более узким расстоянием между фланцами и большим углублением для размещения нескольких звездочек. ^[20] Корпус ступицы втулок передач также часто имеет больший диаметр, чем у втулок переключателя передач, что означает, что спицы на таких колесах могут быть короче. ^[20]

• Может быть сложно или невозможно переключиться на другую передачу во время вращения педалей, поскольку в этом случае для переключения требуется сброс давления.
• Заднее колесо невозможно полностью отсоединить от велосипеда с планетарной передачей, не отсоединив при этом трос переключения передач (и любой зажим ножного тормоза), что усложняет процесс замены камеры (конечно, камеру можно залатать, не снимая колеса).
• Ступичная шестерня является неотъемлемой частью колеса, и заменить колесо, не заменив также ступичную шестерню, невозможно.
• Втулочные шестерни более сложны и обычно труднее поддаются ремонту водителем, что практически невозможно на обочине дороги. ^[4]
• Системы планетарных передач обычно дороже систем переключателей (примечание: это зависит от того, с чем вы их сравниваете).
• При уровне мощности для поездок на работу/отдыха текущие планетарные шестерни обычно примерно на 10% менее эффективны, чем разумно обслуживаемые переключатели передач. ^{[21] [22]} (примечание: в некоторых маркетинговых материалах по результатам испытаний, проведенных производителями, указана цифра 2%, но это не только ложно, но и невозможно. В нескольких испытаниях сравнивали новую внутреннюю шестерню со старой и плохо обслуживаемой системой переключения передач или не применяли никакого веса к оси и нагрузке в системе. Реальные цифры отличаются — эффективность/потери ближе к показателям всех планетарных передач.)
• Втулочные шестерни, как правило, тяжелее, чем системы переключателей с эквивалентными характеристиками передач, 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 отрицательно повлиять на сцепление и торможение.
• Втулочные шестерни, как правило, несовместимы с быстросъемными механизмами/осями-шайбами. ^[2]
• Иногда при переключении передач с плохо отрегулированным тросом переключения передач можно не включить передачу, что приводит к полной потере привода. ^{[ необходима цитата ]}

Традиционные ступичные шестерни индексируются на переключателе, что делает работу зависимой от правильного натяжения троса (и его смазки). На практике перескакивание передач и последующее внутреннее повреждение нетипичны, за исключением агрегатов с большим пробегом. Современные ступичные редукторы включают индексацию внутри агрегата и, следовательно, не подвержены неисправностям переключения, вызванным таким образом.

Большинство систем Sturmey-Archer и Fichtel & Sachs "Torpedo" по умолчанию переключаются на высшую передачу при провисании троса, что может сделать велосипед пригодным для дальних поездок по ровной местности, даже если в механизме переключения возникнет неисправность. Это скорее похоже на систему переключения передач, которую можно вручную установить на высшую передачу в случае аналогичной неисправности. Однако самые ранние втулки Sturmey-Archer по умолчанию переключались на низшую передачу. Некоторые современные системы втулок, например, 7-скоростная Shimano, также переключаются на низшую передачу и, таким образом, больше зависят от натяжения троса.

Некоторые системы объединяют втулки с внутренними передачами с внешними переключателями. Втулка свободного хода со звездочкой, подходящей для узкой цепи, может быть объединена с двойной или тройной системой шатунов и передним переключателем, чтобы обеспечить более широкий диапазон и более близкий интервал передаточных чисел. Для устранения провисания цепи необходим натяжитель цепи или задний переключатель, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы не перетянуть втулку, используя слишком маленькое передаточное число передней звезды/звездочки.

В качестве альтернативы некоторые втулки могут принимать две тарельчатые ведущие звездочки, ^[23] между которыми гонщик может переключаться с помощью заднего переключателя. Тщательный выбор звездочек может позволить доступным передаточным числам при использовании одной звездочки попадать на полпути между доступными при использовании второй звездочки, обеспечивая полушаговое переключение передач , как на 6-скоростном складном велосипеде Brompton . Эта концепция используется и расширена в системе SRAM Dual Drive, где обычная многоскоростная кассета устанавливается на 3-скоростную втулку. Подобная версия всегда популярной втулки AW производится Sturmey Archer. Эта система может быть полезна на велосипедах, которые не могут принять передний переключатель. Немецкая компания Canyon представила 144 ² в 2010 году, гибридную втулку, которая использует похожую комбинацию эпициклической/переключающей.

При использовании как переднего, так и заднего переключателей передач с редукторной втулкой получается трансмиссия с очень широким диапазоном возможностей, но за счет увеличения веса и сложности.

Особое применение системы двойного привода находит на лежачих велосипедах, где трогание с места или после резкого торможения очень затруднено, если включена высокая передача. На вертикальном велосипеде, если включена высокая передача, велосипедист может использовать одну ногу, чтобы получить минимальный импульс, и встать на педали, используя верхнюю часть тела для удержания равновесия на велосипеде; это невозможно на двухколесном лежачем велосипеде. Здесь установка двойного привода позволяет переключаться на месте или на низких скоростях, что невозможно с одними только переключателями передач.

Усовершенствованные ступичные шестерни предлагают большее количество передач за счет использования нескольких планетарных шестерен, приводимых в движение друг другом. Их передаточные числа подобраны так, чтобы обеспечить более равномерное расположение передач и больший общий диапазон передач. Принцип работы таких устройств такой же, как и у менее продвинутых систем, с триггерным или поворотным переключателем с последовательным переключением.

• 12-скоростная Sachs Elan была первой втулкой с 10 или более скоростями на рынке (1995–1999). Она считалась тяжелой и страдала от проблем с качеством, и была снята с производства через несколько лет.
• 14-скоростная планетарная передача Rohloff Speedhub , представленная в 1998 году, имеет диапазон, превышающий 5 к 1, и, таким образом, сопоставима по диапазону с 24-, 27- и 30-скоростными системами переключения передач (с 3×8, 3×9 и 3×10 зубьями спереди и сзади), поскольку последние имеют три перекрывающихся диапазона, часто всего с 14 различными передачами. Поскольку перекрытия со Speedhub нет, планетарная передача имеет только два направления переключения (вверх и вниз), по сравнению с передними и задними переключателями передач, где для переключения всех передач требуются два оператора переключения с двумя направлениями переключения.
• 11-скоростная планетарная втулка Shimano Alfine 700 , представленная в 2010 году, имеет диапазон передач, превышающий 4 к 1, что сопоставимо с 20-скоростными трансмиссиями с переключателями передач, а внутренние детали работают в масляной ванне для большей механической эффективности.

• 
  Механизм планетарной передачи велосипедной втулки Sturmey-Archer AM со снятым зубчатым венцом, чтобы показать составные (ступенчатые) планетарные передачи.
• 
  Этот ременной привод на Trek Soho также оснащен звездочкой. ^[24]
• 
  Традиционный 3-скоростной переключатель скоростей с большим пальцем. Это переключатель Sturmey Archer, выпускавшийся с 1967 по 1975 год. На нем отсутствует прозрачная пластиковая накладка, на которой отображается выбранная передача и фирменный стиль производителя.
• 
  Современный семискоростной индексный переключатель передач SRAM Spectro S7 с поворотным механизмом использует тот же трос Боудена, что и старый рычаг.
• 
  Комбинированные переключатели передач и втулки SRAM Dual Drive
• 
  Схема 14-скоростной ступицы в разрезе
• 
  Задняя втулка Rohloff 14-скоростная с внутренним переключением передач
• 
  Схема двухскоростной ступицы.
• 
  Двухскоростная автоматическая коробка передач Fichtel & Sachs.
• 
  Поперечный разрез двухскоростной ступицы с ножным тормозом Eadie.
• 
  Разобранная шестерня/тормозная втулка трикостер. Солнечная шестерня прикреплена к середине оси, которая проходит через верхний центр, четыре планетарные шестерни расположены в квадрате справа от центра, а коронная шестерня находится вверху справа от них.
• 
  Разобранный вид трехскоростной ступицы Sturmey Archer.
• 
  Трехскоростная втулка Shimano.
• 
  14-ступенчатая планетарная коробка передач Rohloff.

На Викискладе есть медиафайлы по теме Велосипедные втулки .

• Флэш-анимация ступицы передач
• Обзор передаточных чисел и диапазонов для существующих внутренних зубчатых втулок Шелдона Брауна
• Страницы истории и технических характеристик велосипедного снаряжения Тони Хэдланда