自行车花鼓上的技术要点这么多你竟然只关心有多响?

在我们过去的视频和文章里,曾经详细的介绍过自行车花鼓塔基里的离合机构的工作原理。在今天的内容中,我们将一边简单回顾一下当时的内容,然后再深入的了解一下这些离合结构的优缺点以及相关的一些专有名词的含义。其中包括了塔基响应角度,踩踏反应角度和传动比。以及这两个数据在公路车和山地车上的作用以及影响。最近,我们还对花鼓离合机构的阻力以及影响花鼓的价格的因素做了分析。当然,如果你喜欢,你也可以直接滑到你感兴趣的位置进行阅读。

上个世纪的80,90年代,飞轮中的离合机构开始逐渐被放置在塔基内部的离合机构所取代。Shimano的塔基是由一颗大螺丝直接固定在花鼓壳体上的,理论上来说,这个塔基内的离合机构无需保养,shimano的建议是坏了直接更换,拆装也都比较方便(当然,想保养也是可以的)。但是更多的品牌则是通过把离合机构直接放置在花鼓壳体内来解决问题,这也是我们今天最常见到的塔基离合结构。

Shimano一直以来都是使用的这种由一颗螺丝,通过花键让花鼓和塔基离合固定在一起的方式制造花鼓。他们的建议是,一旦塔基损坏或者磨损,就可以直接更换。

这也是目前很多品牌都在使用的结构,离合机构被放置在了花鼓壳体内,可以更方便的进行拆卸和维修。

棘爪通过弹簧被固定在塔基的中心边缘,通过咬合壳体内的棘齿进行结合。上图是一个Fulcrum的三爪结构,通过一个O型钢丝簧进行固定。

Extralite一直以来都是轻量化的代表,为了减重,内部仅有两个棘爪由一个O型弹簧固定。

Rotor的Rvolver的结构比较特殊,但是原理是相同的,这里的棘爪实际上是圆柱型的。

当塔基和花鼓向着相反的方向旋转时,内部的棘齿和棘爪就不会咬合,因此塔基就可以自由旋转。棘齿每次敲击在棘爪上的声音,就是我们平时在花鼓上听到的“哒哒”声。

这些“哒哒”声的频率主要取决于两点:一是车轮转动的速度;第二就是棘齿环上的齿数。更多的齿数总是会有频率更高的“哒哒”声。

而棘爪敲击棘齿的力度和音量,则和棘爪的数量,固定棘爪的弹簧刚度,材料以及内部的润滑脂的使用量有关系。不过,需要注意的是,刚刚上边提到的这些特性,都是天生的,是无法通过后期去改变声音类型或者咬合角度的,虽然添加或者减少一些润滑脂可以让敲击的声音更明亮或者更暗淡一些,但是这从根本上来说是没有改变的。

90年代早期,WilliamHugi发明了另外一种棘轮离合机构,他放弃了棘爪结构,转而使用由两个弹簧提供动力的棘轮环结构。两个棘轮环以轴向旋转的形式对向放置。当车轮被驱动时,两个棘轮环上的每一个齿都会咬合,结合面积更大,结合点更多。

1995年,DT SWISS首次使用Hugi的行星齿轮系统,不久之后两家公司就进行了合并。也就是从那个时候开始,行星齿轮一直都是DT高端花鼓的代表性设计。其他公司包括Bontrager,Giant和Roval也被授权使用该技术。

关于行星齿轮的叫法上的歧义,就不多解释了,自行车上的这个行星齿轮,不是很多人理解上的行星齿轮,知道的自然懂是怎么回事儿,就不要在文章底部秀:这就不是行星齿轮,等等这样的留言了。

DT的行星齿轮系统一半在塔基内部,一半在花鼓内部,无需工具即可进行拆卸。

当然也有其他,比如36齿(上图)和54齿,这些棘轮环可以直接安装在原有花鼓内。

Zipp Cognition花鼓内部的离合机构看起来很不同寻常,但是实质上还是一种棘轮环结构,其中的弹簧被磁铁所代替。

离合机构的关键部分是两个钢制的棘轮环,但是只有一个具有斜齿(右侧),另个棘轮环为扁平的,并带有开口,可以和斜齿结合在一起。

Shimano的Scylence系统的分解图,注意弹簧加载的黄色棘轮环和由螺旋花键连接的绿色棘轮环。本质也是行星棘轮结构。

就像上边图片所展示的,DT并不是目前市场上唯一使用该设计的品牌。ChrisKing在1996年也获得了这一离合结构的专利,并添加了一个螺旋花键来锁紧棘轮环。还有Mavic 的Instant Drive 360,Zipp的Axial Clutch以及shimano的Scylence,不过shimano的顶级XTR上的设计是完全静音的,而在更低级别上做了少许的改动,有细微的敲击声。

在这种结构的花鼓,响声和响数取决于棘轮环上的齿数,并且在大多数的情况下,它们是不能被调整的。当然也有例外,比如DT的棘轮环售后市场就提供了18-32-54等规格,可以通过更换不同齿数改变声音和咬合角度。(后边就会讲到)

正如标题所示,并不是所有的花鼓都是围绕着棘轮而设计。在一些花鼓上,它们通过滚子离合机构来实现离合驱动轮组。这种设计可以带来非常快速的响应和完全静音的滑行,但是由于本身结构的原因,这种花鼓的重量要比棘轮结构的花鼓重的多,这也限制了它的普及。

由于滚子离合机构中并没有棘轮结构,所以滑行时是静音的。一圈滚子围绕着驱动轴,每个驱动轴都像是滚子下面的轴承座,当两者结合时,滚子就会被压在花鼓壳体上完成驱动。滚子通过弹簧加载,可以在滑行时自行缩回,但是必须在整个机构中使用硬化钢,不然就会有在重载下被卡住的风险。

楔形离合机构有着和滚子离合机构相同的原理。最大的不同就是使用了不对称的“楔形块”,这种楔形块可以通过“晃动”和驱动轴结合,而不是像滚子那样在驱动轴上滑动。当塔基转动驱动轮组时,楔形块移动,并锁定住塔基上的驱动轴,花鼓和塔基完成结合。当负载消失后,楔形块就会通过弹簧松开解锁。

20世纪初,自行车行业一直都在试验滚子离合机构。这是Cane Creek在90年代出售的滚子离合花鼓,不过几年就停产了。

但是,在Onyx花鼓的内部没有棘轮结构。内部的两排银色金属块就是上边提到的楔形块,可以完成瞬间结合并且滑行时完全静音。

Onyx花鼓的驱动轴是完全光滑的,因此楔形块可以在任何一个位置上结合,和棘轮结构相比,这大大的降低了响应角度。注意看内部的不对称结构的楔形块。

对于滚子和楔形离合结构的花鼓来说,除了静音滑行和接近瞬间的响应速度以外,在滑行时的阻力也是要小于棘轮结构的。这除了可以提高滑行速度以外,在某些情况下,还可以减少在大飞轮上时的踏板反击。

尽管它有着种种的优点和吸引力,但是在当前的市场上,这种机构的花鼓并不多见。90年代,shimano制造了一些滚子结构的山地车花鼓(被称为“Silent Clutch”),但是早已停产,如今shimano在售的滚子结构,只有Alfine和Nexus内变速花鼓。而其他的品牌还有True Precision Components制造的山地车和BMX花鼓,以及Onyx制造的楔形离合花鼓。如今关于这类离合结构的可靠性问题基本已经消除,所以目前唯一的缺点恐怕就是重量了。

在花鼓上,除了大家最关心的响声和响数,其实还有更多值得关心的问题。每个花鼓都有一个固定的响应角度,也就是完成每一次咬合,塔基需要旋转多远的问题。

对于棘轮结构的花鼓来说,这个角度主要取决于棘齿环的齿数。如下图所示,左侧的结构具有 18个棘齿,每完成一次离合需要旋转20°。而右侧的结构具有36个棘齿,数量增加了一倍,所以离合角度也响应的减少了一半,仅需10°即可完成咬合。

显然,在棘轮离合的机构中,增加棘齿的数量可以减小咬合角度,但是这个数量是有限制的。当达到一定程度的时候,棘齿会过于细小,而无法承受踩踏时的扭矩。

不过,也有在不改变棘齿数量的情况下,增加结合密度的方法。也就是通过增加额外的一组棘爪,并和之前的一组棘爪形成一定的偏移角度的方法来实现。这也就是Industry Nine(I9)可以通过60个棘齿达到120个结合点的方法,而Kappius和Profile则通过采用三组或者四组偏移角度的棘爪进一步创造出了200个结合点的花鼓。

I9的花鼓有两组共六个棘爪组成,通过偏移角度,可以在60齿的棘齿环上行程120个结合点,使响应角度达到了3°。

滚子和楔形离合机构的花鼓,可以在任何位置完成离合,所以可以理解为有无数个结合点。在滚子/楔形块和驱动轴之间确实存在一些间隙,并且会随着负载的不同而发生变化。因此,这些花鼓的响应角度不能像棘轮结构的花鼓那样进行测量,我们在这里简单的把它理解成瞬间联动。

给花鼓增加更多的结合点玩家就需要更多的投入,不过并不总是越多越好。对于山地车和公路车来说,一般公路车的影响角度都会较大,而山地车花鼓的结合点密度一般更高。(如下图)。而这样的设计也是有原因的,因为两种不同的车型之间,齿比是存在差异的,而这些差异会对牙盘腿的齿隙量(踩踏中空出来的角度)有很大影响,下边我们就会提到。

上图是的第一列为品牌,第二列为型号,第三列为棘爪数量和棘齿数量,其中Roller Clutch代表了滚动离合机构。最后一个为响数和响应角度。

上边提到的响应角度都是以花鼓为参照来计算的,但是在自行车传动中,咬合角度是会滞后的。当车手在滑行时(或向后倒链条)后恢复踩踏时,可以感觉到这种滞后。而且,当棘轮结构在旋转时,实际上也会有一定的力会通过链条带动曲柄旋转。不过,在平时的激烈使用中,这种反冲和滞后的效果并不明显。但是在一些特殊情况下,尤其是车手在一些复杂的路况下努力恢复驱动力时,感觉就会尤为明显。

具有更低响应角度的花鼓总是会比高响应角度的花鼓具有更小的踏板反应角度,但是最终的结果也会受到传动比的影响。当牙盘齿数和飞轮齿数相同时,花鼓和曲柄具有相同的相应角度。但是随着牙盘尺寸的增加,曲柄的响应角度就会相应的减小。反过来,更大的飞轮会带来相反的效果。

例如,当具有20°响应角度的花鼓和比飞轮大四倍的牙盘搭配时(52X13),那么,对于175mm的曲柄长度来说,牙盘会产生15mm的响应距离,或者说是滞后距离,这可能并不会引起你的注意。但是如果牙盘的齿数是飞轮齿数的一半时(25X50),这种情况在1X山地车上就会见到,此时曲柄的影响角度就会增加到40°,如果配合170mm的曲柄使用,那么移动距离就会达到120mm,此时就会很明显了。

上图不同颜色的线条代表了不同响应角度的花鼓,从3°到20°。纵坐标曲柄移动的距离,横坐标为传动比(比如1就是表示牙盘和飞轮的齿数相同)。可以比较直观的看到不同的花鼓响应角度和传动比对牙盘响应距离的影响。

因此,更高的齿比减少了曲柄反应的距离,而更低的齿比会增加响应距离,如上图所示,很明显在较低的传动比下,车手会更容易受到影响,比如山地车手。此时,反应角度更小的花鼓,就会在低传动比时提供更好的反应速度。这种情况特别是在更低齿比时,会更加明显(见下图)。

上图的颜色依然是代表不同的花鼓响应角度,纵坐标代表曲柄移动距离,横坐标则为固定齿比,可以比较直观地看到不同搭配下的牙盘响应情况。

而对于曲柄长度来说,它的影响就要小的多,如下图所示。较长的曲柄由于增加了半径,就会产生更多的齿隙,反应距离更长,但是对于希望通过改变曲柄长度来提高响应的车手,还是提前放弃为好,最直接的方法就是更换一个响应角度更小的花鼓。不过从现实情况来看,在山地车上使用175mm曲柄长度的大有人在,虽然这会增加一些些的反应距离,但是无伤大雅。

上图不同颜色表示不同的曲柄长度,纵坐标为曲柄移动距离,横坐标为不同的花鼓影响角度。针对齿比为0.64(32X50)的情况。曲柄移动距离以mm为单位。

从表面来看,具有更低响应角度的花鼓可以提高效率,因为他可以减少踩踏间隙,因此,只要车手恢复踩踏,马上就会有直接的动力传递。不过,除了在非常低的齿比搭配下,其他时候,牙盘的反应差别是非常小的,几乎可以忽略。

所以,对于公路车来说,更小的反应角度并没有什么帮助,尤其是公路车手通常会有更高的齿比搭配和更高的踏频的情况下。另外,公路车滑行的机会也更少,并且也不怎么需要向后踩动踏板。虽然在过弯后,更快的反应速度会提供一定的优势,但对于公路车来说,这样的技术性路线通常较少,车手往往会更加专注于卡位,转弯,跟随,刹车和空气动力学性能,而不是依靠一个更小反应角度的花鼓来提供给自己优势。

反过来,在越野车手这里,优势则会更加明显。因为山地车手的传动比则往往会更小,同时路况也会更为复杂和困难。在这种情况下,快速响应的花鼓对于征服赛道,避免摔车就尤为重要,虽然从根本上来说并不能提高车手的技术水平,只能算是一个辅助。

而对于gravel和cross自行车来说,他们的需求则介于两者之间,快速响应的花鼓虽然有时会有用,但是,第一不是必须的,第二用到的机会其实并不是很多,反倒不如一些其他有意思的东西来打发漫长的路程。

任何棘轮都会受到一定的阻力,不少人都会担心棘轮的摩擦会让滑行变慢。因为当我们把自行车挂在车架上时,由于棘轮的原因,车轮旋转的时间确实会缩短。具有更多的棘齿和棘爪的花鼓也通常会导致更大的阻力,尤其是他们的体积还比较大的时候。这也是为什么公路车花鼓的响数更少的原因。(另一个原因是可以减重)

不过,从绝对意义上来讲,对棘轮旋转阻力的迷恋,实际也可以看作是追求一种边际效应。因为即使是在较慢的速度下,车手的重量所带来的动量也足够克服任何棘轮结构中的阻力。所以,选择滚动阻力更低的轮胎可能会获得更多的收益,并且在长时间的下坡中,优化的空气动力学姿势和其他装备,会比减少棘轮阻力更有效果。

当车手滑行时,一些阻力过大的棘轮也会带动飞轮产生旋转,当车手继续踩踏时,就会增加牙盘的响应距离,会有一种踩空的感觉。当高速行驶时,这也会给你带来一种无摩擦的骑行感受,有点死飞的感觉。不过个人感觉这并不好。

响应角度和重量一样,也是影响花鼓或者轮组价格的参数。通常情况下,更小的反应角度都会被视为一种高级功能,大师,这并不意味所有轮组或者花鼓都会在高端型号上使用这种设置。更小的反应角度通常都局限于高级的越野车花鼓或者轮组。

另外一点需要解释一下的是,虽然更小的反应角度会增加响数,但是,并不意味着响声就会更大。由于响声还受到弹簧刚度,棘爪材料,体积等的影响,所以,并没有通过看图的办法来判断一个花鼓是否会有很大的声音。所以以后就不要在发图问我声音大不大了。

另外,对于那些希望自己像忍者一样滑行的人来说,静音花鼓也是一个高级功能,从目前来看,使用者也是比较稀少的。如果shimano会把更高级的scylence结构下放到更低级别的产品上,情况也许会有所改变。

从上个世纪的8,90年代,卡式飞轮的引入直接带来了旋式飞轮的消亡,并开创了花鼓设计的新纪元。棘轮被整合在了花鼓壳体内,出现了很多新的设计,并有了更多减轻重量和减少阻力,降低维修难度和反应角度的设计。当然这也带来花鼓那“哒哒”的响声,而这个响声,只是这所有发展中的九牛一毛,希望以后可以关注更多,而不仅仅只是关心有多响。

好了,我的话说完了,欢迎大家持续关注,单车基械匠,每天给您带来更多新奇,好玩,有趣,实用的单车知识。

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