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    【空想科學實驗室】加大導輪誰對誰錯?(上)

    扭力提昇 張力增加 阻力降低

    協力報導:CHC財團法人自行車暨健康科技工業研究發展中心
    SRAM
    頂成 Ceramicspeed

     

    我們說創新的研發以及設計,都要先有一個目標,就拿最近又重新搬上檯面火熱的話題「加大導輪」來說,到底這項產品的設計開發首要的目的是什麼?

     

    增加鏈條的穩定度?增加鏈條的收納與拘束?減少能量的耗損?改善傳動系統的順暢等?除了變速器廠商的設計之外,為何其他零組件廠商又會推出改裝品來使用,這些問題驅使我們進行這次的報導,加大導輪對於騎乘的效率影響為何。

     


    11t-15t加大導輪 ©Fouriers

     

    約莫幾年前,台灣市場也曾出現過類似的產品,將導輪從原本的11t加大到12t、13t、15t等等,但是改裝話題過後似乎就鮮少看到車友們開始討論起這個話題,也就是說改裝加大導輪並不是現在才有的產品,在2015年的EURO BIKE當中陶瓷培林廠商Ceramicspeed推出了兩顆17t的加大導輪改裝部品,運用他們原本高精度、高順暢度的陶瓷培林應用在導輪上面,演示過程中的順暢度簡直是順暢無比。現在這項產品也開始銷售,到底加大導輪可以帶給我們什麼好處,又或者會影響什麼,讓我們繼續看下去。

     


    加大導輪 ©ceramicspeed

     

    齒輪大小

     

    齒輪玩具相信很多人都玩過,或者就拿自行車傳動的齒輪比來看好了,當飛輪齒數越來越大從11t換檔到28t所得到的感覺是什麼?就是驅動力量越來越輕,使用小小的力量即可推動飛輪,相信這是很容易理解的。

     

    換個方式說,當齒輪加大,也就是齒輪中心到齒的距離r加大,又假設鏈條張力固定。

     

    扭力=張力 X 距離r

     



     

    這裡也可以看得出來當齒輪加大時,所得到的扭力就越大,驅動不受力的導輪就相對的輕易許多;用槓桿的說法就是力距變長、扭力變大,但相對的力距行程也會變長。

     

    角度減少

     

    鏈條從飛輪、變速導輪、張力導輪的角度來看,鏈條的方向以及進入加大導輪的外角就越小,齒輪越大、外角越接近90度,角度越是垂直所獲得的扭力也就越大,當然效率就越高。以自行車界最明顯的例子就是迴轉踩踏,當你踩到三點鐘方向時,最有效率的踩踏方向就是垂直向下,對於圓周運動來說最有效率的運動方向就是跟向心力方向垂直。

     



     

    另一個關於鏈條的角度就是鏈條被曲折的量變少,相對的摩擦的面積也會變少、阻力變小。並且我們還是可以從長腿後變速器裡面看到,鏈條進入導輪的外角較度也會比較小。

     

    滾動減少

     

    好,前面說到了齒輪加大,代表著齒輪的週長也變長了,在等距離的條件下,小齒輪需要轉比較多圈、大齒輪轉比較少圈,這也意味著滾動時的能量損耗也比較少。

     

    鏈條張力

     

    最後談到鏈條張力的問題,導輪齒數增加,原有的鏈條長度如果不增加的話,勢必鏈條所受到的張力就會變高,意思就是在同樣齒數與鏈條長度的變速行程當中增加了齒數,鏈條所受的張力勢必就會增加,為了要平衡這個鏈條長度,後變速器導輪片的彈簧就會相對拉伸。

     

    所以改裝加大導輪勢必就會增加鏈條的長度,並且在後變速器導輪片彈簧的張力設定也會等比例的降低。這麼做有什麼好處?就是使用更低張力的導輪護片即可將鏈條張力固定在一定的位置上,這也是改裝加大導輪產品中會做到的設計。

     

    假設在鏈條長度不更改、彈簧力量不更改的情況下,鏈條張力也會持續對飛輪、變速導輪、張力導輪、大齒盤施加相對的張力力量,同時也增加了這些元件的轉軸部位的摩擦力,如同你把一個橡皮筋鬆弛的放在手指上,可以輕易的轉動它,一旦你拉撐橡皮筋之後就不再容易轉動了,當然,自行車這些元件上面都有培林,並不會因為張力增加而轉不動,這就是微妙差異的地方了。

     

    以上四點,我們都看到了加大了導輪對於傳動系統中的好處,但這中間讀者們發現了什麼問題還沒有提到嗎?是的,就是每一個滾動的環節「BB」、「棘輪座」、「變速導輪」、「張力導輪」、「鏈條」等,在整個傳動系統當中,林林總總有這麼多東西存在,對於每個滾動的部位的摩擦力來說,單就改裝「一顆」17t導輪會有什麼大影響?

     

    而且整個自然騎乘的過程,還是有很多需要去考量的因素,接下來單車時代「空想科學實驗室-加大導輪誰對誰錯?」專題,繼續為各位讀者帶來原廠設計以及改裝設計的看法,又或者像是文章開頭我們說到的「目的」為何。自然騎乘過程以及產品泛用性來說,為什麼SRAM在1x系統中要開發出X-Sync以及Cage Lock技術以因應未來的騎乘趨勢。而公路車以及登山越野車的需求又不太一樣,這些改裝產品都能夠適用嗎?一起探討原廠設計中為什麼不採用改裝品的設計。

     


    延伸閱讀

     

    friction-facts實驗室數據

     

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