Sprzęgła Piast

(16.10.2014)

Całkiem ( kaszlnięcie ) niedawno opisałem główne schematy budowy tylnej piasty. Pomyślałem zatem ( albo raczej, pomyślano za mnie ), że dobrze byłoby opisać także konkretne rodzaje sprzęgieł tejże piaście. Wiecie, chodzi o ten element który odpowiada za tykanie podczas jazdy luzem.

Konstrukcji sprzęgła tylnej piasty może być wiele, ale można je podzielić na następujące rodzaje.

• brak
• zapadkowe
• wałeczkowe
• tarczowe

Poza sprzęgłem „brak” wszystkie są sprzęgłami jednokierunkowymi, co oczywiście umożliwia jazdę luzem. Najpopularniejszym rodzajem sprzęgła jest oczywiście sprzęgło... wałeczkowe. Zacznijmy więc od niego.

Sprzęgło wałeczkowe jest najczęściej stosowanym sprzęgłem w rowerach, gdyż jest ono sercem torpeda czy kontry, jak zwał tak zwał. Dla młodszych czytelników, kontra to taka tylna piasta, gdzie jest zwykle tylko jeden bieg, a w piastę wbudowany jest hamulec który uruchamiamy pedałując do tyłu. Co ciekawe, oba kierunki są obsługiwane przez dwa wałeczkowe sprzęgła, tylko inaczej skonfigurowane.

W każdym razie, sprzęgła wałeczkowe mają następującą budowę:

Żółte: Wał pędny ( zwykle driver do którego przymocowana jest zębatka )

Czerwone: Wał napędzany ( zwykle korpus piasty )

Zielone: Sprężynka dociskająca wałek

Niebieskie: Wałek

Trzymając się rysunku.

Gdy wał kręci się zgodnie ze strzałką, sprężynka dociska wałek do wału napędzanego. To powoduje, że wałek klinuje się pomiędzy wałami ze względu na nachylenie dna kieszeni w której umieszczony. To powoduje sprzężenie się obu wałów. Sprzężenie utrzymuje się dzięki dodatniemu sprzężeniu zwrotnemu. Im większy moment obrotowy występuje na wale napędowym, tym większa siła tarcia pomiędzy wałeczkiem a wałami i tym mocniej te są zakleszczane.

Jeżeli wał napędzany zacznie kręcić się szybciej niż pędny, to zakleszczenie automatycznie ustępuje i mamy wolny bieg.

Odpowiednio dobierając nachylenie ścianki kieszeni w której spoczywa wałek można również stworzyć np. hamulec rolkowy, czyli taki jak w torpedzie.

Poza popularnymi piastami z kontrą sprzęgło wałeczkowe stosowane jest w niektórych piastach kasetowych, np. drzewiej dostępna piasta „silent clutch” Shimano oparta była dokładnie na takim sprzęgle.

Pierwszą cechą piasty ze sprzęgłem wałeczkowym na którą zwraca się uwagę jest jej cisza. Sprzęgło jest praktycznie bezgłośne. Dla jednych to wada, dla innych (np. dla mnie) zaleta. Drugą, istotną, cechą jest fakt, że zaprzęglenie jest praktycznie błyskawiczne.

Główną wadą jest jego stosunkowo duża waga, gdyż ze względu na dociskanie wałka do wału napędowego, aby przenosić momenty obrotowe typowe dla roweru sprzęgło tego typu musi być stosunkowo duże. Drugą istotną wadą sprzęgła wałeczkowego jest fakt, że są one dostępne jako gotowe moduły „maszynowe” jak łożyska, więc producent piasty nie może marketingować klienta w nieskończoność :)

Drugim, prawdopodobnie równie popularnym rodzajem sprzęgła w rowerach jest sprzęgło zapadkowe. Którego schemat jest mniej więcej taki:

lub taki:

Czerwone: Wał napędzany ( zwykle korpus piasty )

Żółte: Wał pędny ( zwykle bębenek )

Niebieskie: Zapadka

Zielone: Sprężyna dociskająca zapadkę

Istotnym elementem sprzęgła jest tzw „wieniec”, czyli metalowy ząbkowany pierścień najczęściej nakręcony na jeden z wałów. Na drugim wale osadzone są zapadki. Z rysunków wynika, że ustawienia wieńca względem wału są dwa. Najczęściej wieniec jest zewnętrzny, a zapadki są wewnątrz, jednak niektóre piasty posiadają układ odwrotny. Trudno mi wykazać konkretną przewagę jednego rozwiązania nad drugim, ale serce podpowiada, że wieniec zewnętrzny jest jakby lepszą opcją, gdyż newralgiczny punkt styku zapadki i wieńca jest możliwie najdalej od osi wału pędnego, więc i nacisk tejże zapadki na wieniec jest mniejszy.

W każdym razie.

Jeżeli wał pędny kręci się szybciej niż napędzany, to w końcu zapadka oprze się na zębie wieńca blokując sprzęgło. Jeżeli wał napędzany kręci się szybciej od pędnego, to sprzęgło się rozłącza, zaś za każdym razem kiedy zapadka zeskakuje z ząbka wieńca, sprzęgło wydaje charakterystyczny dźwięk tyknięcia.

Sprzęgło zapadkowe jest najpopularniejszym rodzajem sprzęgła w rowerach z zewnętrznymi przerzutkami. Do tego stopnia, że tykający dźwięk podczas jazdy jest praktycznie od razu kojarzony z rowerem wielobiegowym.

Ze względu na swoją popularność w rowerach „butikowych” sprzęgła zapadkowe posiadają kilka mutacji ze względu na swoją konstrukcję, w zależności od ilości punktów zaczepienia, ilości zapadek, rodzaju sprężynek i determinacji producenta w przekonywaniu nas o lepszości jego rozwiązania itd.

Zapadka, aby wróciła do pozycji, nazwijmy to, atakującej, musi zostać w jakiś sposób do niej dociśnięta. Najczęściej stosuje się w tym celu po prostu sprężynki. W tańszych piastach wszystkie zapadki są spięte sprężystym pierścieniem typu „kółko od kluczy” który sprężynuje zapadki poprzez zmianę swojej średnicy. Ten sposób sprężynowania zapadek stosuje np. Domyślny Producent OEM, czyli JoyTech, czyli Novatec.

W niektórych piastach z wyższych półek, np. Hope, każda zapadka posiada swoją osobną sprężynkę. Główną zaletą takiego rozwiązania jest fakt, iż awaria pojedynczej sprężyny nie spowoduje końca jazdy. Druga sprawa jest taka, że pojedyncze sprężynki są zwykle mocniejsze niż pierścień, więc piasta jest, teoretycznie, bardziej odporna na zabrudzenie, oraz po prostu głośniej tyka ;)

Zdolność sprzęgła do przenoszenia obciążenia jest bezpośrednio związana z ilością, wielkością zapadek i konstrukcją wieńca.

Teoretycznie wystarczy jedna zapadka, aby sprzęgło pracowało zgodnie z swoim założeniem. Jednakże powoduje to niesymetryczne obciążenie obu sprzęganych wałów i zbędne obciążenie łożyskowania tychże, co skraca okres eksploatacji sprzęgła. Identyczna sytuacja wystąpi, jeżeli zapadki są ustawione w sposób nie zapewniający symetrycznego rozłożenia punktów zaczepienia zapadek. ( Prawda, FH-RM475 Shimano? Prawda? PRAWDA? A ty się Specialized Roval nie ciesz tak, my wiemy co tam się w bębenku dzieje! #ŻENUA #RZALIBUL #SPISEKSIŁWIADOMYCH).

W każdym razie, każde sensowne sprzęgło zapadkowe posiada zapadki rozłożone w sposób zapewniający symetryczne rozłożenie obciążenia. Najczęściej są to dwie, trzy lub cztery zapadki ( aczkolwiek historia zna i sześcio-zapadkowe sprzęgła ). W takim przypadku każda zapadka jest obciążona proporcjonalną częścią przenoszonego momentu obrotowego – tzn w przypadku trój-zapadkowego sprzęgła każda zapadka przenosi trzecią część tegoż momentu.

Poniekąd dla zdrowia sprzęgła warto pilnować aby wszystkie zapadki swobodnie sprzęgały się z wieńcem.

Drugim parametrem mającym wpływ na możliwość przenoszenia momentu obrotowego jest powierzchnia którą zapadka opiera się o wieniec. W skrócie chodzi o to, aby wokół krawędzi zapadki nacisk powierzchniowy o wieniec był poniżej wartości krytycznej, która może spowodować zniszczenie wieńca lub, zwłaszcza, stosunkowo małej zapadki. Co więcej, konstruktor musi przewidzieć, że 103 kilowy uzurpator wciąga swojego 15 kilowego klona, 20 kilo roweru i 50kg bagażu pod przełęcz Krowiarki ;)

W każdym razie, zwiększając powierzchnię styku zapadki z wieńcem zmniejsza się jednostkowy nacisk na każdą jednostkę powierzchni roboczej tejże zapadki. Jest to lekcja którą musiało odrobić Shimano z pierwszą generacją piast XT z wewnętrzną osią 14mm, gdzie zbyt małe zapadki pękały na potęgę i niszczyły piastę. W dzisiejszych piastach Shimano zapadki mają dobre 1.5cm szerokości :) Jest również lekcja którą musi odrobić Chosen... :)

Marketingowo ważnym, parametrem zapadkowego sprzęgła jest ilość punktów zaczepienia, lub mówiąc bardziej technicznie, zamortyzowany kąt obrotu jałowego sprzęgła.

Załóżmy, że jeździmy na cyrkowym rowerze z przełożeniem 1:1. W wolnobiegu naszego roweru siedzi sobie sprzęgło z 18 punktami zaczepienia. Jaki kąt trzeba zakreślić, średnio, korbami zanim sprzęgło się, cóż, zaprzęgli.

Odpowiedź – ( 360 / 18 ) * ( 1 / 1 ) / 2 = 10.

Dlaczego?

Otóż – pomiędzy kolejnymi stanami zaprzęglenia wolnobieg potrzebuje się obrócić o 20 stopni ( 360 / 18 – ilość stopni w okręgu podzielona przez ilość punktów zaczepienia ). Nie wiedząc w jakiej wzajemnej pozycji są oba wały, średnio wychodzi, że trzeba obrócić je o 10 stopni aby się zaprzęgliły. Jako, że przełożenie wynosi 1/1 toteż trzeba, średnio, przekręcić korby o 10 stopni aby zaprzęglić wolnobieg.

Jakie to ma znaczenie?

Ano różne, zależnie od tego kogo zapytać. Podczas normalnej jazdy do przodu, na szosie, czy po innych leśnych ścieżkach, można o sprawie zapomnieć. Sytuacja jednak zmienia się, kiedy wjeżdżamy w teren i do tego planujemy jeździć powoli i technicznie na niskich biegach. W skrócie – techniczny podjazd.

Załóżmy roboczo, że zamiast roweru cyrkowego suniemy pod górę na przełożeniu 22/36, piasta zostaje ta sama, tzn 20 stopni pomiędzy punktami zaczepu. Przełożenie 22/36 implikuje, że potrzeba obrotu korbą aż o ok 33 stopni aby 'tyknąć' raz sprzęgłem.

Jeżeli nagle nasz teren wymaga, aby wycofać korby do nowej pozycji, to aby móc z niej kontynuować jazdę. Musimy zatem przekręcić korby o 33 stopnie i znaleźć nową pozycję w której piasta się zaprzęgli. Po pierwsze, to wymaga czasu, po drugie zaś może wtrącić z rytmu. Gdybyśmy mieli piastę o 120 punktach zaczepu, to w tym syntetycznym przykładzie obracając korby o 33 stopnie znajdziemy 6 pozycji korb z których można kontynuować jazdę.

Wpływ ilości punktów zaczepu na jazdę, zwłaszcza techniczną, jest tym mniejszy, im wyższe jest przełożenie. To jeden z powodów dla którego w rowerze szosowym jest to parametr całkowicie nieistotny.

No i nie demonizujmy także – w praktycznym użytkowaniu piasta z 48 i 120 punktami zaczepu jest nierozróżnialna. Problemy zaczynają się dopiero kiedy zejdziemy do poziomu 18 czy nawet 12 zaczepnych piast.

W każdym razie, ilość zazębień na obrót jest swego rodzajem punktem honoru dla niektórych producentów i możemy kupić piasty z: 12, 16, 18, 24, 30, 36, 48, 56, 60, 72, 120 i 208 punktami zaczepu.

Dążenie do coraz gęściej rozłożonych punktów zaczepienia wymusiło stosowanie coraz bardziej wymyślnych konstrukcji sprzęgła.

Najprostszą metodą jest proste zwiększenie ilości ząbków na wieńcu. Metoda ta jednak jest trudna do stosowania powyżej 30 punktów zaczepu. Wynika to głównie z faktu sposobu w jaki zapadka nachodzi na ząbek wieńca. Im gęściej wytniemy ząbki, tym płytsze muszą one być, co ogranicza powierzchnię styku zapadki z wieńcem. Wynika to z fizycznych ograniczeń rozmiaru sprzęgła. Głównie chodzi tutaj o opór jaki stawia sprzęgło podczas jazdy luzem. Im gęściej i im głębsze są ząbki na wieńcu, tym bardziej na sztorc trzeba ustawić zapadkę. Im bardziej na sztorc ustawiona jest zębatka, tym większy opór będzie stawiać względem wału napędzanego i w efekcie podczas jazdy luzem kaseta będzie się obracać o niewielki kąt, ciągnąc łańcuch. Efekt zwłaszcza widoczny na wysokich biegach.

Nie mając innej możliwości trzeba kombinować inaczej. W praktyce mamy dwa wyjścia.

1) dalej nacinać wieniec, a każdej zapadce dodawać dodatkowe krawędzie zazębiające.

2) Zastosować dwa zestawy zapadek, przesunięte w fazie

Pierwsze rozwiązanie, doprowadzone do absurdu, zastosował Chosen, i WIEMY JAK TO SIĘ SKOŃCZYŁO. Rozwiązanie to stosuje także np. Industry Nine, czy chociażby Dartmoor. Nowe piasty I9 posiadają dwie krawędzie styku zapadki z wieńcem, zaś sam wieniec posiada 60 ząbków.

Drugie rozwiązanie jest już bardziej popularne, i polega na trywialnej koncepcji. Mianowicie, wsadzamy w piastę dwie grupy zapadek. Dajmy na to każda po 3 zapadki. Za każdym razem gdy jedna grupa jest zazębiona, druga jest luzem i obie grupy zazębiają się na przemian. W ten sposób z wieńca z np. 30 ząbkami wyciągamy 60 punktów zaczepu. Główną wadą tego rozwiązania jest spory stopień skomplikowania sprzęgła, gdyż chociażby wymusza stosowanie indywidualnej sprężynki dla każdej zapadki.

Trzecim, nieco mniej popularnym rodzajem sprzęgła, jest sprzęgło tarczowe. Aczkolwiek, nie jest to pasująca nazwa, gdyż typowe sprzęgło tarczowe ( takie jak w np. samochodzie ) opiera się na zjawisku tarcia, podczas gdy sprzęgła tarczowe w rowerowych piastach posiadają raczej pierścienie zębate.

W każdym razie, sprzęgło tego typu wygląda, mniej więcej, tak:

Zielone: wał napędowy

Czerwone: wał napędzany

Błękitne i żółte: tarcze sprzęgła

Nie ujęte na obrazku są sprężyny które opierają się o wały i dociskają tarcze sprzęgła stronami ząbków do siebie.

Obie tarcze mają luz boczny względem swoich wałów, i jednocześnie osiowo są z tymi wałami sprzężone. Albo po ludzku, tarcze sprzęgła chodzą na boki na swoim wale, ale kręcą się razem z nim. Jest to osiągane najczęściej poprzez osadzenie tarcz na wielowpuście który pozwala na boczny luz. „Sprężynki” dociskają tarcze sprzęgła do siebie.

W swojej eksploatacyjnej powierzchowności nie ma słyszalnej różnicy pomiędzy sprzęgłem tego typu a sprzęgłem zapadkowym. Główna różnica polega zaś na tym, że sprzęgło tego typu posiada dużo większą możliwość przenoszenia momentu obrotowego.

Druga istotna zaleta to stosunkowo prosta budowa, gdyż w piaście jest mniej ruchomych elementów. Głównym problemem projektu takiego sprzęgła jest produkcja samych tarcz sprzęgła, gdyż jest to po prostu bardziej skomplikowane niż w przypadku zapadek.

Trzeba także wspomnieć o fakcie, iż najczęstsza konstrukcja tego rodzaju sprzęgła, np. w piastach DT, posiada pewną, nazwijmy to, wadę. Otóż siła z jaką dociskane są tarcze sprzęgła jest zależna tylko od siły sprężynek. Podczas gdy w sprzęgłach zapadkowych i wałeczkowych im większy jest przenoszony moment obrotowy, tym większa siła dociska elementy sprzęgła do siebie. Teoretycznie jest to problem. W praktyce, setki tysięcy takich sprzęgieł pracuje latami bez problemu.

Jak napisałem wyżej, częścią konstrukcji takie sprzęgła są „sprężynki”. Jest to pół prawdy. O ile część konstrukcji takich sprzęgieł rzeczywiście korzysta z sprężynek ( np. DT, czy Chris King ), to istnieją także konstrukcje w których za dociskanie tarcz do siebie odpowiadają silne magnesy neodymowe. Rozwiązanie to stosowane jest np. piastach Tune, czy chociażby w rodzimych piastach Soul Kozak.

Ilość punktów zaczepienia w sprzęgle tego typu zależy od liczby ząbków na pierścieniach.

Rozpatrując sprzęgła w różnych piastach ostatecznie padnie zasadnicze pytanie.

Które rozwiązanie jest najlepsze?

Ano prawidłowa odpowiedź brzmi: Każde sensownie sprzęgło, tzn takie w projekcie któregoś maczał palce inżynier mający pojęcie o temacie, spełni swoją rolę w każdej prawie sytuacji. Awarie sprzęgieł zdarzają się rzadko, i zwykle są efektem zmęczenia materiału, a nie cechą konstrukcji piasty.

Jeżeli jednak miałbym wybrać, moim zdaniem, wzorcowym sprzęgłem jest mechanizm w piastach Chris King. Czyli sprzęgło tarczowe.

Po pierwsze, jest ono w naturalny sposób wszyte w konstrukcję piasty, i to bez czynienia jej Wypasionym Wolnobiegiem. Po drugie, piasty CK, w przeciwieństwie do reszty piast ze sprzęgłem tarczowym, posiadają interesującą cechę. Jedna z tarcz sprzęgła jest osadzona sztywno na bębenku. Druga tarcza zaś jest ruchoma i osadzona na spiralnym wieloklinie. Dzięki tej spiralności tarcze sprzęgła są do siebie przyciskane tym silniej, im większy moment obrotowy przenosi piasta. Dodajmy do tego fakt, że tarcze tego sprzęgła są, w stosunku innych piast, bardzo duże, więc i możliwość przenoszenia momentu obrotowego jest równie duża.

Ale oczywistym jest, że miliony innych piast działających latami dobitnie sugeruje, że nie jest to aż tak istotne, jak można by podejrzewać.