Большие звезды на педалях, лучше больше

Многие стараются крутить на больших звездах системы. Я тоже пришел к правилу: «Если можешь крутить большую звезду, значит так и нужно». Но насколько это обоснованно? Надо сказать, что в развитии велосипедной трансмиссии прослеживается тенденция уменьшения количества звезд на педалях. Несколько лет назад нормой было три, теперь две, иногда одна. Chain_setsУменьшается и суммарный диапазон больших звезд. Например, на бюджетном байке раньше ставили систему (звезды спереди)  42/32/22Т с кассетой (звездочки сзади) 11-32Т, теперь на велосипеде такого же класса система 38/24Т с кассетой 11-36Т. CasseteУвеличение малой звезды спереди вполне компенсируется увеличением большой звезды в кассете (была минимальная передача 22/32= 0.69, стала даже более тяговитая 24/36= 0.67). А вот уменьшение большой звезды спереди нельзя скомпенсировать звездочкам в кассете, поскольку звезд меньше 11 зубьев в кассетах, можно сказать, не бывает.

Может быть, очень уж большие звезды на педалях и не нужны?

Если задать вопрос Интернету, почему так, то первый ответ состоит в том, что очень уж большие звезды в системе и не нужны, поскольку необходимость проявляется только на таких расчетных максимальных скоростях, до которых конкретный байк и не разогнать. Например, при каденсе (кол-во оборотов педалей в минуту) 80, на байке с диаметром колес 27.5 дюймов максимальная передача 42/11 дает расчетную скорость  41 км/ч  , а 38/11 — 37 км/ч, при том, что хорошая крейсерская скорость для байка составляет  30 км/ч. А на более низких передачах диапазона хватает. То есть, если ехать 28-29 км/ч при каденсе 80 то все равно, что на передаче 42/16 или 38/14. Поэтому большой звезды 42Т совсем не нужно, вполне достаточно 38Т или даже меньше, особенно если она всего одна 🙂

По моему опыту не могу с этим согласиться. На моем конкретном байке даже в лесу использую передачу 42/11 очень часто, на спусках. В общем, есть и другие случаи, помимо выхода на гипотетическую максимальную скорость на идеальном покрытии. Но главное, совсем не могу согласиться с тем, что все равно на какой звезде поддерживать скорость. На большой звезде спереди крутить лучше. То есть, если нужно, например, ехать в горку со скоростью 14-15 км/ч, то это можно делать на любой из трех передних звезд, соответствующие соотношения 42/24, 32/18, 22/12. И вот тут, на практике, очень заметно, что все эти передачи разные. А самая эффективная работа цепной передачи (по ощущениям) как раз на большой звезде, 42/24. На этой передаче намного выше «эластичность» — компенсация небольших изменений скорости в зависимости от внешних условий, вообще плавнее крутить и легче ускориться при необходимости. Понятно, что большая часть этих ощущений может быть просто в голове. Копание интернета показало, что не только у меня в голове. Народная велосипедная мудрость полна поговорок типа «big ring is king», «на малой звезде можно ехать очень быстро, но если перекинуть на большую и вломить, то поедешь быстрее» и т.п. Ни одной поговорки о том, что все звезды одинаковые, на глаза не попалось 🙂

В общем, нужно разобраться. Попытки такие в интернете были, видел радостное обсуждение со ссылкой на научную работу 1998 года, показывающую, что на больших звездах КПД велосипедной передачи на 0.6% больше. И это единственное подтверждение многочисленных наблюдений из практики. Не думаю, что я бы почувствовал эти 0.6%, поэтому результат исследования показывает, что если копать, то не там 🙂

Далее будет много нудных цифр и графиков, но в целом положительный результат есть, его даже можно пощупать в цифрах 🙂





1. Почему лучше не использовать малые звезды кассеты.

В этом разделе будет показано, что звезды 11, 12, 13 принципиально хуже остальных. Поэтому, если использование бОльшей звезды спереди позволяет не работать на звездах 11,12,13 сзади, это дает заметный результат.

Chain_vibration
Рис.1. Кассета с цепью на звезде 11Т

Цепные передачи сводятся к вращению многоугольников, чем больше зубьев, тем многоугольник ближе к окружности. На рис. 1 для наглядности красный цветом показан многоугольник, который образует цепь на звезде 11 зубьев. Шарниры цепи составляют вершины многоугольника. Заснят момент, когда рабочее звено цепи (то звено, за которое цепь вращает кассету) параллельно цепи. При повороте на «половину зуба», когда шарнир будет в желтой точке, цепь поднимется. При повороте еще на пол зуба, снова опустится, ситуация снова будет как на фото. Таким образом, при работе происходит биение цепи. Это особенность вращающихся многоугольников, с этим ничего не поделать 🙂 Чем больше звезда (по кол-ву зубьев), тем меньше амплитуда биения цепи. Кстати, в инженерных расчетах цепи не рекомендуют  брать кол-во зубьев меньше 13. В велосипедах ситуация хуже, поскольку зубья «подпилены», чтобы цепь могла переходить со звезды на звезду. Для этого шарниру цепи нужно подняться всего на 0.4 мм. И нижний пропил в велосипедной звезде делают примерно на 0.4 мм глубже, чем может опуститься многоугольник цепи. В общем, амплитуду биения цепи нужно сравнивать с максимально возможным перемещением ролика цепи до схода с зубца. Если биение больше, то при работе передачи цепь может плохо цепляться за зубья. Вот график амплитуды биений с отмеченной такой границей.

Delta_h_small
Рис. 2. Амплитуда биений цепи на разных звездах кассеты

Видно, что на звездах кассеты 11, 12, 13Т зацепление не надежное. 14Т тоже лучше не использовать. Если зубья не подпилены (велосипеды с одной передачей), то можно нормально использовать и 11Т и даже меньше. Но в велосипедах со скоростями не так. Поэтому если бОльшая звезда спереди дает возможность при прочих равных сместиться хотя бы на одну звезду кассеты в диапазоне 11-14Т это даст заметное преимущество в мягкости зацепления шарниров цепи за зубья звезды.




 2. Большие звезды и «вламывание» в горку.

Инженерные расчеты цепи дают зависимость силы натяжения рабочего участка цепи от диаметра звезды. Чем больше диаметр (т.е. кол-во зубьев), тем меньше натяжение. Поскольку из упомянутой выше статьи 1998 года особой разницы в выборе звезд нет, то значит натяжение рабочего участка цепи не приводит к изменениям КПД при равномерном вращении педалей. Но ведь человек не мотор, человек не вращает педали равномерно. Более того, по ощущениям преимущества в большой звезде спереди именно при мощном педалировании в гору. Это еще более заметно при «вламывании» в МТБ-шный «торчок», когда о каком-то установившемся вращении педалей говорить не приходится. То есть, нужно понять, как натяжение рабочего участка цепи связано с ускорениями — изменением скорости вращения. Самое близкое — это момент трогания с места, когда скорости почти нет, а ускорение есть. То есть, прикладываем силу к педалям, и смотрим когда сдвинется велосипед.  Далее сравниваем полученное усилие на близких передачах, но полученных разным соотношением звезд. Соответствующих инженерных расчетов сил при запуске цепной передачи я не нашел. К счастью, такой эксперимент проще провести, чем углубляться в теорию.

 

Measure_50T
Рис. 3. Измерения силы страгивания при частично заторможенном колесе

На рисунке измерение силы, приложенной к педали для прокручивания приторможенного заднего колеса. Цепь на звезде системы 50Т. Для страгивания колеса нужно приложить усилие 3.5 кг, когда цепь на звезде кассеты 28Т и, соответственно 9 кг, когда цепь на звезде кассеты 11Т. Проведена серия из трех измерений. Данные лучше представить в виде зависимости  силы страгивания от передачи.

Measure_dev_50T
Рис. 4. Преобразованные данные с Рис. 3 с линейной аппроксимацией

Таким образом, для звезды 50Т получена линейная зависимость силы страгивания от передачи (отношения передних и задних звезд). Теперь нужно сравнить такие прямые для всех трех передних звезд и посмотреть разницу в силе страгивания на одинаковых передачах. Если на большой звезде «вламывать» проще, то прямая «50Т» будет ниже «39Т», а  прямая «30Т» должна быть самой верхней.

Measured_Gears
Рис. 5. Усилие страгивания при различных передачах на всех звездах

Увы, чуда не произошло. Данные трех звезд показывают в сумме линейную, прямо-таки идеальную «коробку передач». Совершенно все равно, на каком соотношении звезд страгивать велосипед, или то же самое — «вламывать» в «торчок» на сверхнизком каденсе. Таким образом, при силовом педалировании большая звезда не дает преимуществ в передаче силы на колесо.




3. Большие звезды и рывки цепной передачи.

Так получилось, что как раз закончив измерения поставил на систему шоссейного велосипеда новую звезду 53Т вместо 50Т, поскольку в последнем бревете использовал на кассете слишком часто самые малые звезды. И поехали кататься по нашему стандартному маршруту этого сезона на 83 км. Чудес не ждал, но к ощущениям прислушивался. Педалировать все-таки явно легче. Но если дело не в усилиях, то в чем? Педалировать явно плавнее. Причем на средних звездах в кассете, т.е. независимо от рассмотрения биения цепи в первом разделе заметки. Цепная передача, так как построена на  вращающихся многоугольниках, передает вращение рывками. Вот с этим и разберемся в этом разделе 🙂

Вернемся к Рис. 1. Цепь заснята в точке, когда сила с которой шарнир тянет зубец звездочки направлена не по касательной к окружности вращения. Поэтому раскручивающая звездочку сила меньше, чем сила, с которой цепь тянет за шарнир. А в желтой точке цепь совпадает с  касательной к окружности, поэтому сила цепи полностью передается во вращение звездочки. Это и приводит к рывкам вращения звездочки и, следовательно, вращения колеса. Это и должно чувствоваться на педалях как «не плавность». Такие же рывки есть и на ведущих звездах.

 

delta_f_vs_z
Рис 6. Амплитуда рывков передачи усилий на разных звездах

Амплитуда рывков на звезде 11Т составляет 4% от силы, на звезде 30Т — 0.5%. Вряд ли можно прочувствовать ногами такое колебание на один зубец. Скорее будет ощущаться количество рывков, скажем, за один оборот педалей. То есть прокрутил оборот, получил количество рывков, как от ведущей звезды, так и от ведомой. Для простоты считаем, что инерции нет, поэтому чувствительность к рывкам максимальная, то есть рывки воспринимаются как неравномерность движения велосипеда. Первая прикидка сразу дает хороший график, который соответствует ощущениям.

 

Sum_delta_f
Рис. 7. Сумма амплитуд рывков за один оборот педалей на разных передачах и разных ведущих звездах

Плавность передачи на бОльших передних звездах выше. То есть, там, где передачу можно выбрать разным сочетанием звезд, на малой звезде спереди ход будет самый «рваный». Иными словами, при одном обороте педалей при цепи на звезде системы 50Т мы можем ощутить ногами 50 небольших рывков от ведущей звезды и 50 рывков посильнее от ведомой звезды. Если то же соотношение выбрать при звезде спереди 39Т, то мы получим за оборот педалей 39 рывков от ведущей звезды,  чуть больше, чем от 50Т и 39 рывков от задней звезды, меньшей, чем в прошлом случае, и рывки от нее будут значительно больше. Произведение количества рывков на их амплитуду во втором случае будет заметно выше, например для передачи 2.5 на 30% (значение Y на графике 1.0 против 0.75 ). Как вообще устроены эти рывки?

f_vs_angle
Рис. 8. Сила раскручивания ведомой звездочки в зависимости от поворота

Рассмотрим вращение на «один зубец» звездочки 11Т и для сравнения на такой же угол звездочки 28Т. Начнем из точки максимальной передачи тянущей силы цепи (желтая точка на рис. 1). Сила вращения равна тянущей силы цепи, множитель передачи = 1. Затем эта сила плавно уменьшается. Когда рабочее звено цепи на звездочке становится параллельно линии цепи (как на фото), происходит смена тянущего шарнира. Предыдущий шарнир отрывается от звездочки, начинает работать следующий. На графике этому углу поворота звездочки соответствует резкий излом изменения вращающего усилия. После этого происходит плавное нарастание силы вращения. Думаю, что рывки как раз ощущаются на этом изломе. Если сравнить графики для звезд 11Т и 28Т, то видно, что помимо бОльшей амплитуды рывка у звезды 11Т этот рывок еще и более «резкий». Если ввести в систему инерционность, как это имеет место на реальном велосипеде, то «изломы» графика несколько сгладятся. При этом небольшие изломы вообще «уйдут», а большие все равно останутся, то есть разница от резкости изломов будет еще больше. Поэтому в рассмотрение нужно еще ввести и степень «излома». Это все тоже хорошо считается и итоговая зависимость рывков на один оборот педалей от выбранной передачи получается еще более красивая  (даже без учета инерционности, то есть только «голая» геометрия).

Sum_delta_f_corr
Рис. 9. Сумма рывков (с учетом амплитуд и резкости) за один оборот педалей на разных передачах и разных ведущих звездах

Видно, что, например для передачи 2.5 плавность передачи усилий от ног до колеса при большой звезде 50 или 53Т в два раза лучше, чем на 39Т, а 39Т почти в два раза лучше, чем 30Т. Более того, действительно заметна разница между 53Т и 50Т на средних звездах кассеты. Она составляет 10-15%.

Эффект рывков усилий, по всей видимости более заметен на низких оборотах, на высоких гораздо сильнее начнет работать инерционность всей всех крутящихся элементов, которая должна сглаживать рывки. То есть, как раз на силовом педалировании с низким каденсом.


HandПодводя итог трех разделов нужно сформулировать следующее.

1. Нужно избегать по возможности работы на малых звездах (11-13Т) кассеты, особенно на больших оборотах. Цепь будет молотить по зубьям вплоть до проскакиваний.

2. При трогании с места и в начале разгона совсем не важно, как именно выбрано передаточное число, на каких звездах. В этом случае предпочтение для лучшего разгона на малых звездах спереди или на больших, исключительно в голове.

3. При низких и средних скоростях лучше выбирать большую звезду спереди (и соответственно бОльшие звезды сзади). Это сказывается на плавности педалирования. Здесь еще нужно отметить часто упоминаемый перекос цепи, которого якобы нужно избегать. По моему опыту и по проведенным измерениям перекос цепи ни на что не влияет 🙂

4. При увеличении инерционности крутящися элементов (например, более тяжелые колеса, или увеличения скорости вращения) зависимость от выбора ведущих звезд становится меньше.





VadimN-150x150Вадим Никитин

 

 

 

на начало страницы

Большие звезды на педалях, лучше больше: 18 комментариев

  1. Про передачу 42/24 для подъёма в горку может и плавнее чем 38/24 но при большей звезде на 42 возможен перекос цепи что нежелательно. При перекосе цепь изнашивается больше и быстрее чем при рывках на меньшей 38 звезде. При покорении затяжных подъёмов тоже лучше переходить на меньшую 38 звезду. Есть затяжной подъём по которому езжу каждый год пытался весь пройти на 48/24 доехал до середины и есть ощущение что нет тяги перешёл на 38/24 нормально. Теперь в самом начале подъёма перехожу с 48/21 на 38/24. Велосипед спереди 48/38/28 сзади трещётка 28/24/21/17/14 покрышки 622х32 мм.

    1. Игорь, я не профессионал, поэтому могу говорить только о любительских ощущениях. Но все-таки скажу пару соображений. Первое, при езде в гору лучше большие звезды не переключать, они не слишком предназначены для переключения под нагрузкой, у меня иногда соскакивает цепь. Второе, думаю, про повышенный износ из-за перекоса цепи можно не думать. Сейчас, когда идет прессинг на использование вообще одной звезды спереди, об этом как-то стараются забыть даже на «официальном» уровне. В остальном, конечно, на ваше усмотрение, я просто имел в виду плавность хода трансмиссии.

      1. Заметьте, что уменьшение количества звезд спереди идет вместе с увеличением звезд сзади и уменьшением толщины цепи. Цепи на 10ск много более гибкие, нежели цепи на 8ск.
        Но в МТБ толщина цепи дошла до какого-то минимума. Если сделать еще тоньше, то она начинает отвратительно работать в грязи. Не зря, на 11ск трансмиссии на дождевые гонки люди ставят 10ск цепи.

        Так что перекос вызывает и повышенный износ цепей, и лишние нагрузки на сгибание цепи на верхнем диапазоне в противоположных направлениях.

        1. Андрей, конечно крутить с перекосом хуже, чем без перекоса. Вопрос в том насколько это действительно сказывается на КПД и на износе цепи. Я пока таких данных не видел :). Далее дело «веры». Я вот, например, убежден, что износ цепи определяется количеством прошедшего через пины абразива гораздо больше, чем перекосом. И насчет КПД — в измерениях влияния перекоса не «схватил». Но … кому-как 🙂

  2. Стал чаще использовать среднюю звезду при передней системе 48/38/28 для езды в тягуны после следующего менял вал на каретке и ездил некоторое время на другом «Туристе» где спереди стояла только она большая звезда на 52 зуба выставил передачу 52/24 стал забираться на тягун который раньше преодолевал на 38/24 и 48/24 ощущение было передача намного тяжелее. После этого в затяжные подъёмы езжу на 38/24.Хотя вал менял в разгар лета и велосипедного сезона когда хорошо раскатался.

  3. Главная причина отказа от больших звезд в КК велосипедах — экономия передних переключений, которые нельзя делать под нагрузкой. В гонках возможность переключиться в любую сторону в любой момент ценится выше, нежели сглаживание усилий, передаваемых многогранниками.
    Плюс современных трансмиссий в том, что человек может подобрать себе трансмиссию на свой вкус. Туристическую на 48, универсальную на 42, внеасфальтовую на 36-38, гоночную на 30-32-34+их овальные вариации с выбором ведущей звезды непосредственно перед гонкой.

    1. Андрей, спасибо за комментарий. Сам я в КК-соревнованиях (пока) не участвовал, но с интересом слежу за отзывами знакомых мне участников. Когда впереди одна звезда (это да, скорее уже норма), то в зависимости от рельефа трассы ее ставят (если есть возможность) как можно больше. Особенно на КК-марафонах (XCM). Вряд ли здесь дело в «рывках», но у меня складывается впечатление, что это правило, в котором не сомневаются 🙂

  4. Доброй ночи. Ответьте пожалуйста на мой простой, по сравнению с вашим постом вопрос. Передняя звезда 40, задняя 28. и Передняя звезда 48, задняя 28. На какой из них, будет легче крутить педали в гору.

    Езжу на бюджетном дорожном вело, 28 колеса 7 скоростей, но кол-во скоростей сейчас не суть вопроса, вопрос выше.

    1. Сергей, доброй ночи 🙂 Наверное, я не понял вопрос. Передача 40/28 = 1.43 передает на колесо конечно гораздо большее усилие, чем 48/28 = 1.71, поэтому на ней крутить будет гораздо легче.

      При звезде системы 40, передача 1.71 соответствует звезде кассеты 23. Поэтому если сравнивать, то соотношения 48/28 и 40/23. По моим наблюдениям, изложенным в заметке, первый вариант легче.

  5. В сфере горных велосипедов особенно в профессиональных гонках кросс-кантри уже все райдеры перешли на систему без переднего переключателя вместо трёх спереди — оставили одну на 34-40 зубцов сзади кассеты на 10-12 шестерёнок. Для продвинутых любителей тоже предлагается линейка велосипедов с одной звездой спереди. Главное преимущество такой системы цепь не слетает и не закусываеться при переключении как бывает когда спереди стоит 2-3 звезды. Минус такой системы дорогвизна.

  6. Ещё такой вопрос хочу на своём гибриде на базе Старт-Шоссе поменять трещётку -пятерик на семерик. Многие советуют оставить пятерик. Хотя у меня есть ощущение что не хватает передач особенно когда езжу на средней звезде. Параметры покрышки 622х35 спереди система 48/38/28 сзади тайваньский пятерик 28/24/21/17/14. Осенью и весной особенно вначале когда раскатываюсь после зимнего перерыва даже по ровной местности езжу спереди на средней 38 зубой звезде так получается что самая оптимальная передача по каденсу скорость только она 38/17 что на мой взгляд не очнь оптимально. Если поставлю сзади семерик диапазон будет больше. Вроде семерик максимальная трещётка с каким колесо можно вставить в перья рамки ХВЗ не разгибая их.

    1. Думаю, что если хочется заменить и есть такая возможность, то почему бы и не заменить? 🙂

  7. Прочитал форум Крковод https://krokovod.org/forum/viewforum.php?id=3 высказана мысль что для плавной работы и уменьшения износа число шестерён в кассете должно быть нечётным 11, 13, 15, 17,19, 21, 23, 25, 29- очень был удивлён. Никогда сильно так не задумывался хотя да в кассетах трещётках велосипедов Старт-Шоссе, Чемпион, Спецзаказ применялись шестерни с нечётным числом зубцов. На туристических Турист, Спутник с чётным 28,24,22,20,18,16,14.

    1. Всем привет. Автор, Вы не указали еще один большой плюс большой звезды.

      При покупке стояла тройная система, самая большая звезда 44 зуба. Фактически на задних звездах при езде не использовал пять самых больших из десяти. Для поддержания скорости 30 км/ч, приходилось вращать педали очень быстро, что приводило к быстрой усталости мышц.

      Установил двойную систему от шоссейного велосипеда 52/36. Итог: стал использовать все десять звезд на заднем колесе, соответственно увеличился ресурс задней кассеты. Нагрузка на ноги при 30 км/ч, существенно снизилась, это почувствовал и без всяких расчетов. Максимальная скорость по ровной поверхности возросла с 42 км/ч до 51 км/ч.

      Для передвижения по горным дорогам выбираешь в системе звезду на 36 и наслаждайся.

      Итог: для универсального велосипеда требуется тройная система с ведущей звездой минимум 50 зуба. Непонятно зачем производители впаривают))) нам 34/36/44. Можете проверить это утверждение посоревновавшись на ровной дороге с велосипедами на 44 зуба или другое количество. Устанут мослать))) педалями. Правильно выбранная передача на той или иной трассе — залог удовольствия от вело прогулок. Печально, что производители не оставляют нам выбора.

      Всем удачи и здоровья. Автору тоже.

  8. Подскажите пожалуйста. Есть велосипед cube acid 2013 с тремя звездами (передний переключатель) хочу купить acid 2018 но 2018 год . а на нем только 2 звезды : ( почему на всех более мнение нормальных моделях идея одна или максимум 2 звезды ? не будет ли мне в городе мало скоростей? и можно ли переставить (поменять) и поставить 3 звезды ? спасибо заранее.

    1. Cube Acid это МТБ. Для МТБ про большие звезды спереди не заморачиваются, основное внимание уделяется езде в горку. С 2013 по 2018 должна измениться кассета (звездочки) сзади, самая большая звезда у велосипеда 2018 должна быть больше, чем у 2013. Для того, чтобы узнать, насколько изменятся ощущение при езде в гору нужно поделить кол-во зубцов у самой малой звезды спереди на кол-во зубцов у самой большой звезды сзади. Эти цифры выгравированы на звездах. Это соотношение нужно сравнить для модели 2013 и 2018. По идее должно быть примерно одинаковым, несмотря на то, что у 2018 спереди две звезды.

      Переставить звезды спереди не очень просто, поскольку нужно будет менять и переключатель (и тот, который на руле и тот, который у педалей) и, наверное, весь «педальный блок». У меня такого опыта самостоятельно замены нет, посоветовать не могу 🙁

  9. Насчёт звёзд на 13 12 и 11 зубцов. На всех сайтах про выбор велосипеда пишут что звёзды с такими зубцами ставят на кассеты и это хорошо. Звёзды сзади с зубцами до 14 это трещётки- их ставят на очень бюджетные велосипеды. Трещётка это зло кассета это супер. Есть исключение начальные 7 скоростные кассеты Шимано и SRAM там самая маленькая звезда на 14 зубцов. На кассетах на 8 и более скоростей самые малые звёзды идут от 13 и до 11 зубцов. Из данного поста можно сделать вывод что лучше использовать трещётки.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *