Wydajność łańcucha napędowego - duży kontra mały

Czy większe kombinacje kół łańcuchowych i zębatek są szybsze niż mniejsze kombinacje kół łańcuchowych i zębatek - biorąc pod uwagę, że każda kombinacja ma taki sam (lub prawie taki sam) stosunek?

Istnieje kilka czynników, które należy rozważyć. W jaki sposób tarcie ogniw łańcucha, dodatkowy ciężar większej liczby ogniw, zwiększona masa, rozciągnięcie łańcucha i zużycie łańcucha napędowego przyczyniają się do zwiększenia wydajności łańcucha napędowego?

Od mojej podróży jako jeźdźca, poprzez projektowanie nowych produktów do jazdy po torach, wielokrotnie przychodziło mi na myśl, jak możemy uzyskać najwięcej energii poprzez nasz łańcuch napędowy. To kilka z tych pomysłów, które uważam za warte omówienia.

Łańcuch napędowy
Zacznę od porównania dwóch podobnych kombinacji biegów, które tworzą porządne 95,4 calowe koło zębate (+/- 0,1 cala). 46x13 to mała tarcza łańcuchowa z małą zębatką. A 60x17 to duża tarcza łańcuchowa z dużą zębatką. 

Waga

Waga może być kluczowa dla niektórych, jeśli chodzi o jazdę na rowerze. Im cięższa jest masa użytkownika i roweru, tym więcej energii potrzeba do przyspieszenia lub spowolnienia. Chociaż waga nie ma wpływu na stałą prędkość zawodnika, jeśli zużyjesz całą swoją energię na wzniesienie się do prędkości, możesz mieć mniej energii na dalsze włączanie zasilania.

Łańcuchy są najcięższą częścią układu napędu łańcuchowego, więc dodanie większej ilości ogniw może mieć negatywny wpływ, jeśli waga jest dla Ciebie ważna. Większa kombinacja biegów 60x17 wymaga o 9,95% większej długości łańcucha niż mała kombinacja 46x13. Chociaż nie brzmi to zbyt dobrze, sam ten dodatkowy ciężar może przeważyć nad zaletami większych kombinacji biegów. Chętnie zobaczyłbym te liczby skruszone.

Aby zwiększyć wagę łańcucha, 60 zębowy pierścień łańcuchowy typu talerz obiadowy ma o 91,9% większą wagę niż 46 zębowy pierścień łańcuchowy (o takim samym wzorze talerza obiadowego). Większy pierścień łańcuchowy ma prawie dwukrotnie większą wagę. Dodatkowa waga może nie być tak zauważalna w przypadku lekkich karbonowych kółek łańcuchowych, ale w przypadku aluminium, może to zwiększyć masę roweru o kolejne 200 gramów.

Jeśli chodzi o zębatkę, waga kilku dodanych zębów może być uznana za znikomą, ale to wszystko się sumuje.

Gdy energia jest przepuszczana przez łańcuch napędowy, część z niej wchłania się do niego pod wpływem napięcia. Im większa jest odległość pomiędzy stycznymi tarczy i koła łańcuchowego, tym więcej ogniw pochłania energię, która jest przez nie przekazywana.

Wydajność łańcucha napędowego

Myślałem, że w większym zestawie kół zębatych 60x17 jest większa odległość między tarczą łańcuchową a kołem zębatym niż 46x13. Po ich zmierzeniu odkryłem, że tak nie było. Jak pokazano na powyższym rysunku, odległość pomiędzy stycznymi na większej kombinacji 60x17 jest o 1% mniejsza niż 46x13. 

Porównując obie konfiguracje przy tej samej mocy wyjściowej, sekcja ta jest poddawana tej samej sile, ale rozłożona na nieco mniejszą odległość. Każde ogniwo musi przyjąć nieco więcej energii, ale ogólny rozciąg jest zredukowany. 

Świetnym przykładem wizualizacji tego odcinka jest porównanie łańcucha do pary sprężyn. Jedna sprężyna ma długość 100mm, a druga 200mm. Jeśli obie sprężyny mają być rozciągnięte do 400mm, to energia potrzebna do rozciągnięcia krótszej sprężyny jest podwójna. Nieco krótsza długość łańcucha pomiędzy zębatką i pierścieniem łańcuchowym będzie się mniej rozciągać i pochłaniać mniej energii niż dłuższa długość łańcucha w konfiguracji 46x13. 

Teoria ta zakłada, że pozycja tylnego koła w miejscu zrzutu pozostaje niezmieniona pomiędzy małymi i dużymi konfiguracjami biegów. Aby uzyskać najlepsze osiągi, należy przesunąć tylne koło jak najdalej do przodu w rzucie, aby zmniejszyć długość łańcucha pod napięciem. 

Kąty gięcia i tarcie ogniw łańcucha

Smar do łańcuchów pomaga zmniejszyć tarcie powstające między łańcuchem a zębatką/koła łańcuchową. Pomaga również zmniejszyć tarcie powstające podczas obracania się ogniw łańcucha podczas przechodzenia przez pierścień i koło łańcuchowe. Im większa średnica tarczy i koła łańcuchowego - tym mniej musi się obracać każde ogniwo łańcucha. Najcieńsze ogniwa łańcucha zaginają się wokół tylnej zębatki, więc wykorzystam to do porównania różnicy między konfiguracjami 46x13 i 60x17.

Wydajność łańcucha napędowego
Większa 17-tonowa zębatka ma o 4,3% mniejszą rotację ogniw łańcucha niż 13-tonowa, co zmniejsza ilość generowanego tarcia. 

Zużycie łańcuchów napędowych

Z mojego doświadczenia wynika, że łańcuchowe wyposażenie do jazdy na rowerze gąsienicowym trwa bardzo długo. Konfiguracja łańcuchów o pojedynczej prędkości nie wytrzymuje łańcuchów poprzecznych i zmiany biegów, których doświadcza się w rowerze szosowym. Zużyty łańcuch napędowy nie jest idealny. Nachylenie, gadanie, luz, wszystko to pochłania ułamek mocy przechodzącej przez system. 

W przypadku większego zestawu łańcuchów napędowych 60x17 zmniejsza się udział łańcucha pod napięciem w stosunku do limbo - co oznacza, że każde ogniwo łańcucha rzadziej doświadcza dużych sił. Jak wspomniano powyżej, każde ogniwo poddawane jest działaniu nieznacznie większej siły, ale częstotliwość jej występowania dla każdego ogniwa jest zredukowana. 

Kolejną rzeczą, którą należy zwrócić uwagę, jest to, że im więcej zębów na kole łańcuchowym i zębatce, tym bardziej siły rozciągające są rozłożone na większą liczbę zębów. Zmniejsza to obciążenie punktowe zębów i ogniw łańcucha.

Podsumowanie

Jako kolarz torowy, a także w rozwoju produktów, mam pasję do myślenia o tym, jak możemy ulepszyć sport, który kochamy. Oczywiście nie wiem wszystkiego, ale pomyślałem, że podzielę się kilkoma uwagami dotyczącymi wydajności łańcucha napędowego, które przeszły mi przez głowę. Zachęcam do dyskusji nad pomysłami, dzielenia się wiedzą i kwestionowania moich przemyśleń na ten temat.