Что такое передаточное число и почему это важно?
За последние десять лет количество передач на дорожных велосипедах неуклонно растет. Текущая трансмиссия велосипеда обеспечивает вплоть до 22 различных передаточных комбинаций благодаря 2 передним и 11 задним звездам. Этого зачастую достаточно для езды по любой местности, но потребности у всех разные, кто-то сильнее, кто-то слабее, а потому каждый должен индивидуально подобрать для себя различные соотношения между звездами для максимальной эффективности.
Перед появлением цепного привода, тогдашние велосипедисты не без оснований считали, что размер колеса имеет огромное влияние на возможность развивать определенную скорость. Пенни-фартинги не были спроектированы с таким большим колесом исходя из каких-то эстетических соображений или чудаковатости создателя. Массивная окружность позволяла развивать большую скорость и велосипедист должен был быть достаточно сильным, чтобы провернуть такое колесо.
Изобретение цепного привода улучшило эффективность работы велосипеда, потому что появилась возможность использовать разные передачи. Соединяя между собой большую звезду на шатунах с маленькой сзади, один оборот педалей производит несколько оборотов заднего колеса. В чем-то это стало похожим на пенни-фартинг с той лишь разницей, что несколько оборотов делает заднее колесо, а не переднее.
Подсчет количества оборотов колеса производимого за счет определенной передачи (соотношения передней и задней звезд) велосипеда происходит достаточно просто. Предположим, что передняя звезда на 53 зубьев (53Т) работает в паре с задней 12Т, то есть имеем соотношение 53:12 или 4,42. Это значит, что заднее колесо делает 4,42 оборота за счет одного оборота педалей. В отличие от этого, на передаче 39х25Т колесо сделает всего 1,56 оборотов.
1. Сравнение соотношения передач
Дорожная трансмиссия может предложить большое количество разных соотношений: от 1,21 до 4,81 с шагом 0,15-0,40. Вместо того, чтобы понимать значение передач буквально, они могут трактоваться более значимо одним из двух способов.
Суть первого метода состоит в том, чтобы связать передаточное число с размером колеса путем их умножения между собой (график 1А). В случае с колесом дорожного велосипеда, его размер в 27 дюймов может быть использовано для упрощения, хотя истинный диаметр колеса с ободом 700с и 23мм покрышкой будет равняться 26,3 дюймам. Полученное значение, назовем его «передача-дюймы», является эквивалентом диаметра колеса прямого привода – такого, как переднее колесо у Пенни-фартинга.
Иными словами, «передача-дюймы» равняется значению диаметра колеса, которое имеет окружность равную тому расстоянию, что преодолеет любое другое колесо посредством одного оборота педалей с использованием определенной передачи. Поэтому, езда на высокой передаче вроде 53х12Т – это то же самое, что проворачивать колесо диаметром в 119 дюймов. А передача 39х25Т – эквивалент 42-дюймовому колесу. Занятно, не так ли?
Второй метод. Пройденная дистанция рассчитывается путем умножения передаточного числа на длину окружности колеса, которая измеряется в метрах. Это значение показывает дистанцию, которую пройдет велосипед с одним оборотом педалей. Таким образом, система 53х12Т дает 9,28 пройденных метров, а 39х25Т – 3,28 метров.
Значение, полученное одним из методов, может быть представлено на графике, где наглядно будет видно суть разных передач велосипеда. Подобным графиком, что интересно, часто пользуются в соревнованиях по BMX. Райдерам нужно точно подобрать трансмиссию, чтобы получить необходимый эффект на определенных площадках при определенных погодных условиях. То же самое делают трековые гонщики, меняя передние звезды и/или задние, дабы увеличить или уменьшить передаточное число по мере необходимости.
Важно отметить, что даже незначительные различия в соотношении (например, 1 передача-дюйм) влияет на то, как легко велосипед может быть разогнан или какую максимальную скорость получиться развить.
На практике, велосипедисты обычно не обращают достаточно внимания на передаточное число ввиду обилия доступных выборов. Тем не менее, есть значительная ценность в том, чтобы сделать тонкую настройку трансмиссии велосипеда для максимизации эффективности езды.
Некоторые станут настаивать на 11-зубчастой звезде, хотя используют они ее очень редко и только на долгих крутых спусках. Такой подход также способствует дебатам касательно стандартной системы (53/39Т) против компактной (50/34Т), хотя обе предлагают сравнительное соотношение. Ведь действительно, соединяя кассету 11-23Т с компактной системой, получаются почти идентичные соотношения со стандартной системой в паре с кассетой 12-25Т.
Однако, существует тонкое различие между стандартной и компактной системами. Динамика, с которой растет передаточное число, больше у стандартной системы. К примеру, соотношение у системы из задних звезд 11-15Т и передней 53Т растет в среднем со скоростью 7,0 передача-дюймов/Т, а у системы с передней звездой 50Т – 6,6 передача-дюймов/Т. Эта разница определяет истинное различие между двумя системами, генерируя отличные друг от друга ощущения при переключении передач.
Выбирать ту или иную систему сложно и неправильно без опыта использования каждой. Но в целом, меньшее пройденное расстояние благодаря одному вращению педалей, которое характерно для компактной системы, больше подойдет новичкам и любителям, в то время как гонщикам и спортсменам понадобится дополнительный запас мощности стандартной системы.
Существует и еще одно мнение. Каждое сочетание передних и задних звезд страдает от того, что некоторые передачи, по сути, совпадают между собой, а потому отдельное количество передач на стандартной системе с 11-скоростной кассетой 11-25Т равняется всего 15, а не 22, если бы умножить 11х2. А вот в компактной системе будет уже 16 отдельных передач. Это отличие зависит от конкретных комбинаций, а не размера передних звезд, потому как те же 16 передач можно получить и с кассетой 11-28Т.
Хорошие передаточные числа
Так что же делает переключение идеальным? Думаю, вы хотите такую трансмиссию, где каждое повышение или понижение передачи идеально подходит под ваши физические возможности. Райдеры, которые любят ездить на высоком каденсе, предпочитают небольшой шаг между передачами. Зато мощные велосипедисты, которые впрочем недостаточно заботятся о своих коленях и ездят с более низким каденсом, захотят больших изменений при переключении передач.
А потому первые будут наслаждаться компактной системой и/или кассетой, где у звездочек количество зубьев меняется с единичным шагом. В то время как большие звезды и/или более значительный шаг изменения зубьев в кассете подойдут последним. Но стоит иметь в виду, что степень того, как вам подходит трансмиссия, зависит от физической формы и характера местности.
В конечном счете, выбор типа системы – это личный выбор и каждый велосипедист вправе самостоятельно решать, что лучше подходит ему, и здесь не обойтись без некоторых экспериментов. К счастью, производители трансмиссии предлагают много вариантов выбора 11-скоростной кассеты и компактных/полукомпактных/стандартных звезд.
Бесполезно судить о ценности комбинации конкретной звезды и кассеты на основе единого соотношения. Звезда 53Т всегда будет предлагать большее передаточное число, чем компактная 50Т, и обе имеют разное влияние на количество оборотов колеса, что в конечном итоге определяет то, как будут переключаться скорости в диапазоне всей кассеты. В то же время, если посвятить немного своего времени на выбор оптимальной разницы в количестве зубьев между двумя передними звездами, можно расширить универсальность трансмиссии.
Наверняка, совсем скоро велокомпьютеры в паре с электронными переключателями будут собирать данные о том, как часто используется определенная передача. Есть также перспектива последовательного одновременного переключения передних и задних звезд на основе заранее запрограммированных переключателей. Возможно, эти и другие инновации создадут новую эру в умном переключении передач.
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. 

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



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.

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. 


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. 

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.

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.

Увы, чуда не произошло. 
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. 
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.

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.

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?

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).

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.

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, поэтому если трансмиссия позволяет, то, доводя до абсурда, лучше крутить на большой звезде спереди и на большой звезде сзади. Более того, в заметке Велосипедная цепь и жидкий парафин рассмотрел, что велосипедная цепь принципиально отличается от «классической» тем, что добавлена «гибкость» на перекос за счет снижения ресурса. Ничего странного в этом на самом деле нет, поскольку гибкость к перекосу принципиально необходима для того, чтобы цепь переходила со звезды на звезду при переключении передач 🙂
4. При увеличении инерционности крутящихся элементов (например, более тяжелые колеса, или увеличения скорости вращения) зависимость от выбора ведущих звезд становится меньше.

Личный блог — Выбор звезды и кассеты. Передаточное отношение.
В этом посте объясню, как правильно выбрать подходящую звезду и размер кассеты.
Когда мы начинали кататься на байках, то мало думали о передачах, и только узнавали их количество. Так же было и у меня. После покупки UMF Freddy с двумя звездами спереди впервые столкнулся с проблемой выбора передней звезды и успокоителя. Тогда мне все советовали 38 зубов. Другие не признавались вообще — не для ДХ и фрирайда это. Но после первой покатушки и нагрузки на ноги я офигел ))) Значительно позже решил разобраться с звездами и выбраться уже подходящий лично мне диапазон.
Приступаем к выбору ))
Изначально возьмем всеми любимый набор 38T и кассета 11-32.
Лично мне совершенно были бессмысленны первые две передачи (далее под первыми всегда подразумеваются самые большие звезды в кассете), а так же девятая передача. Для первых не было таких горок, куда хотелось заехать на байке, девятую не где было выкрутить в Москве. Так же не нравилось изменение усилия между передачами. При переключении с 4 на 5 был резкий скачок по усилию. Скачок еще есть между 7 и 8, но он не принципиален.
Решено — кассету не 11-32, а 11-28 (Shimano Saint HG80 11-28). А так же замена звезды 38 на 36
На графиках по горизонтали максимальная скорость. По вертикали примерная максимальная скорость при каденсе 120 об/мин. Это активное вкручивание если по-простому.
Как видно из сравнения графиков, изменения в диапазоне минимальны. Приятно появление диапазон 3-6 передачи, где разброс передаточных отношений уменьшился. Скачков по усилию с данной кассетой больше не будет.
Дальше рассмотрю вариант с ДХ байками и их использованием в Москве. В стоке чаще всего сейчас ставят звезду 38 и кассету Sram 970DH с диапазоном 11-26. Для гор 38 звезда конечно благо, но в Москве она не нужна. Соотношение 38 на 26 мне нравится — по плоскачу по городу вполне можно расслаблено ехать, да и в горки спокойно вкручивается.
Замена соотношения 38 на 11-26 на 34 11-23 (Ultegra 6500) 
Получилось отлично. Первые передачи остались «на месте» последние же не такие скоростные.
Часто спрашивают — стоит ли переходить на шоссейную кассету. Для многих кажется, что будет сложно крутить, ведь самая большая звезда всего 21 зуб. Переходить на нее без изменения передней звезды рискованно. Но если вы не выкручиваете 8 и 9 передачи, то есть смысл попробовать.
Сравнение 38t 11-32, 36t 11-28 (Shimano Saint HG80), 32t 11-21 (Shimano Ultegra 6500) 
Относительно версии 38 11-32 мы теряем первые две передачи, и почти 10км/ч максимальной скорости. Относительно 36 11-28 потеря несколько меньше.
Можно рассмотреть и менее экстримальный вариант — сравнить с 34 11-23 
Максимальная скорость поднялась, первые передачи приблизились к 36-11-28.
Звезда 32 и 11-32 отличный вариант для легкого хадтейла, 34 11-23 больше подойдет для подвеса.
Думаю, что наглядности достаточно. Можно и объеснить как определиться.
Лучше всего будет выкатиться несколько раз и просто не использовать какие либо передачи. Попробуйте проехать скоростной участок не на 9 передаче, а на 7. Если не почувствуете каких-то проблем, то переднюю звезду можно ставить на неколько зубов меньше.
В среднем уменьшение передней звезды на 2 зуба уменьшает максимальную скорость на 2 км/ч.
Замена кассеты на меньшую оказывает влияние только на первые передачи и разброс передаточных отношений между ними.
Думаю, что вопрос раскрыт достаточно подробно, но если будут вопросы, то с удовольствием отвечу. Также при необходимости пишите диапазоны кассет для сравнения.
Все графики в чуть большем разрешении можно посмотреть здесь:
photofile.ru/users/angler13/96525859/
P.s доп информация — звезды к кассетах Shimano Ultegra 6500 







