Эффективна ли планетарная втулка? Этот вопрос чрезвычайно важен для их спортивного применения. К сожалению планетарные втулки в целом уступают по своей эффективности классическим системам переключения передач. Но необходимо задать и другой вопрос — настолько ли низкий коэффициент полезного действия планетарной втулки, что это может повлиять на выбор обычного велолюбителя. К счастью ходовые качества велосипедов с планетарной втулкой весьма незначительно отличаются от ходовых качеств велосипедов с дерайлерами.
Механизм планетарной втулки велосипеда.
Высокая эффективность велосипедной трансмиссии очень важна. Давайте обсудим факторы, влияющие на эффективность простой планетарной системы, и рассмотрим в качестве примера широко распространённую 3-скоростную втулку Sturmey-Archer с солнечной и планетарными шестернями на 20 зубьев и зубчатым колесом на 60 зубьев.
Для других планетарных втулок КПД можно оценить аналогичным образом. Рассмотрим один оборот задней звёздочки на верхней передаче, приводящий к 1 1/3 оборотов корпуса втулки.
Звёздочка подсоединяется к планетарной обойме. За один оборот звёздочки каждая планетарная шестерня делает два оборота, так как она обходит вокруг неподвижную солнечную шестерню, но только один оборот на её оси — из-за того что ось вращается вперёд с планетарной обоймой; и также только один оборот относительно солнечной шестерёнки— из-за того что она обходит по кругу солнечную шестерню в том же направлении, что и направление вращения.
Таким образом планетарные шестерёнки своими 20 зубьями продвигают вперёд 60-зубьевое зубчатое колесо.
В общем на каждый оборот ведущего элемента планетарная передача вызывает контактные потери в зубьях шестерёнок из-за:
- одного оборота одинаковых планетарных шестерёнок относительно солнечной шестерни;
- 1/3 оборота зубчатого колеса, когда одинаковые планетарные шестерёнки сцепляются и расцепляются с солнечной шестерёнкой и зубчатым колесом. Процесс сцепления и расцепления с зубчатым колесом происходит медленней, из-за того что зубчатое колесо представляет собой вывернутую наизнанку шестерню.
Кроме того возникают потери на подшипниках:
- Планетарные шестерёнки вращаются вокруг своей оси и испытывают нагрузку от тангенциальной силы вращающего момента. Другие силы более или менее взаимно компенсируются, так как каждая планетарная шестерня контактирует с солнечной шестернёй и зубчатым колесом в двух противоположных точках.
- Разъёмный радиально-упорный шарикоподшипник, расположенный с левой стороны между осью и оболочкой втулки, подвергается нагрузке равной половине нагрузки на заднем колесе и небольшой части усилия тяги цепи. Оболочка втулки вращается со скоростью 1 1/3 от скорости ведущего элемента.
- Правый маленький (внешний) разъёмный радиально-упорный шарикоподшипник вращается со скоростью ведущего элемента и подвергается нагрузке равной половине нагрузки на заднем колесе и почти всей тяги ведущей звезды.
- Правый большой (внутренний) разъёмный радиально-упорный шарикоподшипник, расположенный между ведущим элементом и оболочкой втулки, движется со скоростью 1/3 от скорости ведущего элемента. Так как у него диаметр больше, то и линейная скорость между обоймами пропорционально выше. Этот подшипник подвергается нагрузке, равной половине нагрузки на заднем колесе и изгибающей нагрузке из-за веса и тяги цепи. В нём по сравнению с осевыми подшипниками используются маленькие шарики: 3/16 дюйма вместо 1/4 дюйма.
Конечно, если сравнивать с односкоростной системой, то шестерёнки и подшипники приводят к дополнительным потерям на трение. Но с другой стороны в планетарной втулке отсутствует трение при прохождение цепи над роликом заднего дерайлера или трение, вызванное отклонением цепи от прямой линии. Проведённые исследования показали, что планетарные втулки лишь немного менее эффективные за классические переключатели, но они выигрывают при езде по городу из-за лёгкого и быстрого переключения. На велосипеде с планетарной втулкой у вас чаще будет подобрана оптимальная передача, так как многие на обычных велосипедах стараются лишний раз не переключаться. Прямая передача планетарной втулки теоретически должна быть самой эффективной, так как энергия от звёздочки передаётся прямо на колесо. На самом деле на практике прямая передача всего немного эффективней за остальные и причины этого мне неизвестны.
В старых планетарных втулках, а также Rohloff и 11-скоростной Shimano, для смазки используется лёгкое машинной масло, позволяющее значительно уменьшить трение. Во многих современных втулках может иметься несколько передаточных каскадов и использоваться густая смазка, снижающая эффективность втулки.
Наиболее полное изучение эффективности планетарных втулок было проведено Честером Кайлом и Френком Берто. Они показали, что эффективность планетарной втулки по сравнению с дерайлером возрастает с ростом натяжения цепи или прилагаемой мощности. Кайл и Берто измерили эффективность и она оказалась гораздо ниже, чем заявляют производители. Хотя КПД втулки Rohloff выглядит всё же впечатляюще. В классических переключателях скоростей эффективность ниже на маленьких звёздочках, но эта разница крайне незначительна.