Лыжи и легкая атлетика: Максимова 10
+7 (495) 648 6666
Велоспорт и триатлон: Маршала Новикова 7
+7 (495) 648 6666
  • Россия
  • Россия
  • Москва
  • Пермь

Все о велосипедных колесах (часть 2): спицы и втулки

В статье “Всё о велосипедных колесах (часть 1)” мы рассказали о размерностях колес и о разновидностях ободов. Впереди нас ждут спицовки и втулки.

Спицовка велосипедного колеса

Первые в мире колеса на спицах появились давно, очень давно. Конструкция подразумевала наличие жестких спиц, которые принимали на себя нагрузку в нижней полусфере колеса, втулка направляла нагрузку сверху вниз. То есть, спицы работали на сжатие. В качестве примера можно вспомнить колеса карет и телег. Современный пример – колеса локомотивов, автомобилей, мототехники – они тоже частенько бывают на спицах. На локомотивах или паровозах, например, спицы на колесах позволяли не вес снизить, а получить возможность снять вибрационную нагрузку на двигательные узлы, то есть они относительно упруги. В автомобилях основную роль играет уже вес. На мотоциклах важно получить и низкий вес, и отсутствие вибраций в раме.

Коротко о спицах
Спицованное велосипедное колесо работает в верхней полусфере, втулка подвешена на спицах и тянет их сверху вниз, если очень грубо. Работать на сжатие они не могут, так как проволока не выдержит такой нагрузки и просто согнется. Да-да, именно проволока, если называть вещи своими именами.
Разумеется, исключения есть в виде дисковых и лопастных колес. Оба варианта созданы для обеспечения необходимого уровня аэродинамики. В этом случае нагрузка приходится на нижнюю полусферу. Так происходит, если диск является несущим, а не присутствует в виде накладки. С лопастями без вариантов, втулка опирается на спицы.

В качестве экзотики некоторые производители спицуют свои колеса с помощью ниток. Да, подбираются особо прочные материалы (кевлар), способные справляться с расчетными нагрузками. Как такие колеса себя ведут на практике у меня знаний нет, зато точно знаю, что выглядят они сногсшибательно.
И карбон, куда ж без него? Карбоновые спицы на колесах встречаются. В первых моделях спицы приклеивались к втулке и ободу, дальнейшая подстройка была невозможна. Современные модели делаются с “поправкой на ветер”, у них есть ниппеля и резьбы, что позволяет точнее производить подгонку под райдера и следить за соблюдением геометрии.

Классикой жанра принято считать спицы из обычной стали и нержавеющей. Также делаются варианты из титана и алюминия. Последние обеспечивают колесу невероятную жесткость, за которую приходится платить невероятной жесткостью. Простите за тавтологию.

Радиальная спицовка

На мой взгляд такая спицовка является одной из самых красивых и привлекательных, так как спицы не пересекаются друг с другом. Она используется в основном на шоссейных велосипедах с ободным тормозом. Радиальное размещение спиц позволяет добиться снижения веса колеса и повышения жесткости. Это из плюсов.

К минусам такой спицовки относится повышенная нагрузка на фланец втулки. Проблема в том, что спица от фланца уходит под углом 90 градусов, то есть фланец как бы оттягивается от тела втулки строго вверх. Собственно, отрыв фланца и является наиболее частой проблемой при такой спицовке.
Второй минус относится к невозможности использовать дисковый тормоз. Дело всё в том же угле в 90 градусов. Когда тормоз размещается на втулке, то тормозное усилие приходится передавать с ротора на втулку, со втулки на фланец, с него на спицы, потом на обод и только потом на покрышку. В момент торможения втулка останавливается, а покрышка с ободом под воздействием инерции райдера будет продолжать вращение. В результате происходит проворачивание обода относительно зафиксированной втулки, что влечет за собой растягивание спиц. В общем, спицы полопаются, а фланец оторвется при первом же серьезном торможении.
При использовании ободного тормоза втулка колеса остается ненагруженной тормозным моментом. Скручивания спиц не происходит, что и позволяет применять радиальную спицовку.

Тангенциальная (в два-, три-, четыре креста)

Тангенциальная спицовка, несмотря на свое специфическое название, является самой распространенной на сегодняшний день. Практически любой велосипед спицуется по этой схеме, разница состоит только в количестве крестов. Чем их больше, тем колесо прочнее и, вместе с тем, тяжелее. В действительности самая распространенная спицовка происходит в три креста, где каждая спица пересекается другой в трех точках, одна из них контактная (спицы буквально трутся друг об друга).

Кресты образуются потому, что соседние спицы тянутся в разные стороны под некоторым углом относительно фланца. То есть, одна спица уходит влево, другая вправо. Распределение нагрузки по касательной относительно фланца позволяет сильнее его нагружать, он уже не оторвется. Теперь рваться будут спицы.
Преимущество данной спицовки заключается в том, что колесо можно нагрузить тормозным или крутящим моментом в любом направлении, ведь спицы в равной степени натянуты в обе стороны. Другими словами, дисковые тормоза и приводные втулки колес работают только в паре с тангенциальной спицовкой, если говорить о проволочных или матерчатых спицах.
При рассмотрении шоссейного велосипеда обратите внимание, что радиальная спицовка присутствует в полном объеме только на переднем колесе. Заднее колесо всегда выполняется тангенциально, так как там уже работает сила скручивания при давлении на педали. Однако для обеспечения достаточной устойчивости крутящему моменту в некоторых моделях колес тангенциально спицуется только приводная часть колеса. Другая спицуется радиально, что позволяет снизить вес.

По такой схеме выполняются даже колеса для МТБ, что-то подобное есть у компании Mavic в топовых вариантах. Важно также отметить, что смешанная спицовка позволяет размещать дисковый тормоз на радиальной стороне колеса. В этом случае тормозная мощность будет передаваться по втулке на тангенциальную сторону.

Экзотика в тангенциальной спицовке встречается в виде разного количества спиц на разных сторонах колеса. Более нагруженная сторона спицуется большим количеством спиц. Так поступает компания Fulcrum, на нагруженной стороне 16 спиц, на другой всего 8.
Кроме того, есть варианты, где спицы располагаются не равномерно по всему ободу, а группами по две-три штуки. Здесь наиболее яркий представитель Campagnolo.

И как же не сказать про колеса Crank Brothers, где МТБ катки сделаны с крестами, но с попарным размещением спиц на ободе. Две спицы приходят в одну точку обода с разных сторон втулки. Красиво до безобразия. И страшно. Впрочем, по такой схеме выполняются и некоторые модели шоссейных колес.

Дисковые и лопастные колеса, наверное, самые эффектные среди прочих велосипедных. Разместить их уместно именно в разделе, посвященном спицовкам, хотя момент этот спорный. Дело в том, что лопастные колеса выполняются единым целым с ободом. Получается, что лопасти рассматривать в отрыве от обода невозможно, зато целесообразно рассматривать, как цельный комплекс.

Дисковые колеса цельными выполняются не всегда. Иногда диск выполнен в виде накладки. Оба варианта, как ни странно, довольно тяжелые, так как содержат в себе много материала. Вес им прощается, ведь основная их задача – снизить аэродинамическое сопротивление. Именно оно является злейшим врагом велосипедиста на треке или ТТ заезде.
Речь сейчас идет о шоссейных колесах высокого уровня. На улицах города в повседневном режиме их увидеть крайне сложно. Причин три: зачастую они ездят на трубках, что накладно; они боятся бокового ветра из-за большой парусности; они дорого стоят.

Последний пункт особенно важен. Хорошие лопасти не являются массовым продуктом, если сравнивать с обычным спицованным колесом. Не каждый производитель способен такой продукт осилить по технологическим соображениям. То есть, это сугубо гоночная продукция, которая по определению стоит хороших денег.

Современные МТБ велосипеды начального уровня, порой, поставляются с лопастными колесами. Издалека выглядят они симпатично. Но бывалые райдеры прекрасно знают, что: на такие велосипеды ставят дешевые лопасти из сплавов алюминия или магния; кажется прочно, но на деле поставленная восьмерка исправлению не подлежит, она останется там навсегда и будет только увеличиваться пока не треснет обод; весят они 3-4 кг, что по современным меркам слишком много, разогнать такой велосипед очень сложно; если из строя выходит втулка, то замене подлежит всё колесо, расспицевать его, как понимаете, невозможно. Другими словами, такие лопасти только на витрине будут долго служить. Примечательно также, что перечисленные недостатки во многом имеют отношение и к профессиональным карбоновым лопастям. Восьмерка не исправится, с втулками проблемы. В общем, не покупайте дешевые лопасти. А покупая дорогие, понимайте зачем они вам нужны.
И, да, на МТБ велосипедах, кроме указанного исключения, лопасти и дисковые колеса не применяются. Собственно, перечисленные недостатки этому мешают.

Втулки

Втулки велосипедных колес сложно разделить по какому-то конкретному признаку, если только не сказать, что они бывают передние и задние. Если же серьезно, то в настоящее время втулки принято разделять по принципу реализации подшипников: насыпные и промышленные.

Втулки на насыпных подшипниках встречаются наиболее часто, так как технология считается очень доступной. На велосипедах начального уровня в подавляющем большинстве именно такие и используются. Качество деталей, разумеется, оставляет желать лучшего, поэтому многие велосипедисты спят и видят свой скорейший переход на промышленные подшипники.

Однако небольшое углубление в тему показывает, что компания Shimano, например, не спешит отказываться от насыпных подшипников даже в топовых моделях своих колес. Дело в том, что такие подшипники по своей сути являются радиально-упорными. Для понимания этого термина представьте, что велосипед едет ровно – в этом случае на подшипник действует радиальная сила. То есть, нагрузка распределяется вдоль радиуса подшипника/колеса или, если еще проще – сверху вниз. Теперь представьте, что велосипед входит в поворот – кроме радиальных сил на подшипник начинают действовать упорные силы. Они направлены вдоль оси вращения колеса. Другими словами, колесо стремиться сместиться влево или вправо на своей оси вращения – упирается.
Радиально-упорная схема подшипника позволяет обеспечить хороший накат колеса в любых дорожных условиях обеспечивая длительный срок эксплуатации. Конечно, качество материалов здесь играет определяющую роль и, поверьте, хорошая насыпь служит долго и катит очень легко.

Втулки на промышленных подшипниках в настоящее набирают популярность. Суть популярности сводится к отсутствию необходимости частого и грязного обслуживания.

Их конструкция зачастую не подразумевает необходимости следить за люфтами и постоянно подтягивать конусы, как на насыпи. К тому же, появляется возможность установки керамических промышленных подшипников, а они обладают очень низким сопротивлением качению, что благотворно влияет на накат колес.

Многие производители (наверное, все, кроме Shimano) весь свой модельный ряд переводят на промы, полностью отказываясь от насыпи. Накат у них хороший, воды боятся меньше, обслуживания практически не требуют. Однако выполняются они по радиальной схеме. То есть, боковые нагрузки им противопоказаны, но на велосипеде без них никуда. В общем-то, наличие таких нагрузок является основной причиной выхода из строя этих подшипников на велосипедных колесах. Теперь понятно, почему Shimano сохраняет верность традиции, радиально-упорная насыпь при хорошем качестве способна ходить намного дольше.
Применять радиально-упорные промы во втулках как-то никто особо не спешит. Народные умельцы, конечно, приходят к использования игольчатых и роликовых вариантов, но радиально-упорные видеть не приходилось.

 

Динамо-втулки к подшипникам отношения не имеют, так как реализуются на любых перечисленных здесь вариантах. Суть их в том, что они умеют вырабатывать электроэнергию с минимальными потерями скорости/наката. Правда, тут все зависит еще от мощности, чем ее больше, тем сложнее прокрутить колесо.

 

Устанавливаются они зачастую для того, чтобы происходила запитка головного и заднего света на велосипеде, если говорить о городских моделях. Реже такие втулки используются туристами, так как появляется возможность заряжать портативную технику. Установка такого девайса на переднее и заднее колёса расширяет возможности по зарядке, но крутить педали становится сложнее. Еще сложнее крутить педали, когда втулки работают на полную мощность заряжая, например, PowerBank. Такое вот преимущество на грани с недостатком.
К недостаткам таких втулок относится еще и большой вес, а на затяжных подъемах питание приходится отключать, чтобы колеса было легче прокрутить. Хотя даже с отключенным питанием свободный ход у таких втулок практически отсутствует.

Втулки со встроенным мотором являются антиподом динамо-втулкам, хотя в весе при этом меньше не становятся. За помощь мышцам приходится платить не только весом втулок, но и весом дополнительного оборудования – аккумуляторы тяжелые. Область применения – электровелосипеды.

Планетарные втулки (на фото вверху посередине и справа) тоже относятся к разряду тяжелых. Тем не менее, их большой вес оправдывается возможностью переключать передачи прямо внутри втулки. Количество передач варьируется от модели к модели, а свое применение такие втулки находят на туристических и городских велосипедах.

Втулки со встроенным тормозом имеют непосредственное отношение к заднему колесу. Допускаю, что не все читатели могут об этом помнить, но были такие велосипеды, где тормозов на руле не было. Для остановки необходимо было начать крутить педали назад. Полностью назад они не прокручивались, разумеется, а практически сразу находили упор. Сильнее давишь, быстрее останавливаешься. Выпускаются такие втулки и по сей день, свое применение находят на городских тихоходных велосипедах. Говорить об эффективности такой тормозной системы не приходится, она далека от спортивных идеалов и не претендует на призовые места. Со своей задачей справляется, а большего и не требуется.

BMX втулки здесь тоже хочется упомянуть, так как обладают они рядом особенностей и интересностей. Во-первых, металла и больших подшипников для таких втулок не жалеют, ведь колеса на них призваны справляться с большими ударными нагрузками.
Во-вторых, конструкции BMX втулок предусматривают передачу со свободным ходом (классический храповик) и фрикостер. Последняя позволяет крутиться колесу назад не увлекая при этом за собой педали.

Непонятно? Попробуйте покрутить колесо вперед на своем скоростном велосипеде. Вы услышите треск собачек храпового механизма, когда педали будут стоять на месте. Теперь попробуйте покрутить колесо назад и вы увидите, как вслед за ним начнут вращаться педали. Втулка фрикостер лишена этого недостатка для выполнения трюков. Более того, едет она абсолютно бесшумно, ведь внутри нет привычного механизма зацепления.

Фикс втулки имеют глухую передачу. Другими словами, пока крутится колесо, будут крутиться и педали. То есть, никаких механизмов сцепления внутри нет, ось соединена с телом втулки. Применяются они на велосипедах , которые так и называются – фиксы. Мы рассказывали о них, когда говорили о шоссейных велосипедах. Еще одна вариация на тему фиксов становится втулка со звездами с двух сторон. Слева, например, глухая передача, а справа со свободным ходом.

Втулки с классическим храповым механизмом на “собачках”применяются на большинстве видов велосипедов. В зависимости от схемы реализации механизма их можно поделить на тихие и громкие. Последние облюбовали любители экстремальных МТБ дисциплин и шоссеры. Тихие втулки зачастую относятся к бюджетным моделям.
Громкость достигается сильными пружинами и особой схемой строения. В тихих втулках ступенчатое кольцо, за которое собачки цепляются, находятся на теле барабана. В громких втулках кольцо со ступеньками расположено в теле втулки, а она действует, как дека гитары усиливая звук. Конечно, производители руководствовались совершенно не звуковыми соображениями при проектировании, но такая вот особенность есть. И, да, как вы понимаете, условное разделение на тихие и громкие втулки подразумевает разделение их по конструкции.
Суть работы очень проста, опишем её для варианта с собачками на барабане.

В теле втулки расположено кольцо со ступеньками, на барабане располагаются собачки. Об этом уже говорили. Оставляем педали в покое и вращаем колесо, слышен цокот. Происходит он потому, что собачки прижимаются этими самыми ступеньками к барабану, пружины сжимаются. Ступеньки имеют определенный градиент подъема, после окончания которого следует обрыв и начало нового подъема на новую ступеньку. Срыв собачки с обрыва под воздействием пружины заставляет ее произвести громкий стук, который мы слышим, как цокот. Останавливаем колесо. Теперь пробуем его раскрутить педалями. Движение собачек по ступенькам теперь будет происходить в обратном направлении. Однако наличие высокой стенки ступеньки заставляет собачку упереться и совершить работу по раскручиванию колеса. Всё очень просто.
Компания Mavic свои колеса для МТБ и шоссе делает, к слову, на промышленных подшипниках. Более того, особенность втулок Mavic заключается в том, что собачки очень широкие и, каждая оборудована индивидуальной пружиной, почти как на картинках.

 

Важной характеристикой для таких втулок является количество собачек и количество ступенек на кольце сцепления. Чем больше собачек, тем большая мощность переварится втулкой. Чем больше ступенек, тем меньший угол поворота шатунов потребуется для поиска “упора”. Данная характеристика актуальна для МТБ дисциплин, где важно иметь минимальный свободный ход педалей. Шоссейные велосипеды менее требовательны в этом смысле, отчего в ходу частота цокота собачек значительно ниже, чем у МТБ. То есть, педали придется прокрутить на больший угол, чтобы поймать момент сцепления.

Втулки с кольцевым храповым механизмом сейчас набирают популярность, но стоят пока еще дороже своих массовых собратьев. Суть конструкции здесь еще проще.

В основе лежит два кольца со ступенькам и две мощные пружины. Одно кольцо расположено в теле втулки, а второе находится в барабане. Оба имеют свободное продольное перемещение относительно оси колеса. При этом, вокруг своей оси кольца провернуться не могут, шлицевое соединение не дает этому происходить. Кольца постоянно выталкиваются пружинами навстречу друг другу, так зацепление и происходит. Учитывая, что на обоих кольцах есть ступеньки, то схема такая же, как и с собачками. В одном направлении вращения свободное кольцо будет подниматься по наклонным поверхностям и “падать” вниз, а в противоположном вращении свободное кольцо будет входит в зацепление с “прямыми стенками”. Такая схема также учитывает минимальный угол поворота шатунов, что зависит от количества и размеров ступенек на кольцах. Втулки с таким зацеплением способны переваривать намного больший крутящий момент, так как площадь зацепления многократно повышается. Встречаются конструкции, где подвижным остается только одно кольцо – в барабане, кольцо внутри втулки неподвижно.

Собственно, вот и вся основная информация о колесах. Подчеркиваю, что основная. Разумеется, можно уходить в частности, описывать решения, которые не находят популярности, рассматривать исторические конструкции… мы же ставили перед собой цель познакомить вас с наиболее популярными решениями в деле велосипедных колес.