Зачем использовать несколько материалов на цепях?

Почему в типичном тройном шатунном шасси среднего уровня наружные кольца (большие кольца) выполнены из алюминия, а внутреннее (небольшое кольцо) - хромомо?

Мне кажется, что если бы алюминия было достаточно для одного, то для всех было бы достаточно.

Связано ли это с силой, приложенной к каждому кольцу? Возможно, самое маленькое кольцо, вероятно, будет использоваться в ситуациях подъема, когда велосипедист стоит, так что в этот момент наибольшее усилие прикладывается к рукоятке (и, следовательно, вам нужно более сильное кольцо)?

Это на самом деле зависит от умножения силы, которое обеспечивает каждая цепочка, и размера / массы каждой цепочки.

Разница сил

Давайте предположим, только на мгновение, что у вас была такая большая цепочка, что ее радиус почти равен длине рукоятки. Если всадник стоял, чтобы крутить педали, используя эту цепочку (и используя простые педали платформы). Максимальная теоретическая сила на цепи будет равна весу гонщика. (Предполагая, что он / она не тянет за руль).

Теперь давайте избавимся от этой непрактичной и смехотворно большой цепочки и установим более реалистичную, радиус которой примерно равен половине длины кривошипа. Теперь, когда гонщик повторяет предыдущий эксперимент, теперь максимальная теоретическая сила, применяемая к весу гонщика * 2.

Если вы повторите весь эксперимент, но на этот раз с цепочкой, имеющей радиус 1/4 длины коленчатого вала, максимальная сила в цепи будет в 4 раза больше веса водителя.

То есть в простом механизме, таком как шатуны, выходная сила может быть рассчитана как:

OF = IF * (Ir / Or).

Где IF = Входное усилие, Ir = Входной радиус или Or = Выходной радиус. А радиус - это расстояние от оси до точки приложения силы.

Как вы можете себе представить, большинство шатунных колец с тройными звеньями имеют большую цепочку, радиус которой примерно равен половине длины шатуна. Чем меньше цепочка в два раза меньше. По сути, типичный тройной шатун удваивает выходное усилие в малой звеньевой цепи по сравнению с самой большой.

Вес имеет значение

Однако это только часть темы. Чем больше цепочка, тем она тяжелее. И это также вращающаяся часть велосипеда, поэтому некоторые могут утверждать, что его вращательная инерция будет иметь значение. Как вы можете догадаться, цепочка CroMo тяжелее, чем Al.

долговечность

Это все еще не полностью объясняет решение, но здесь это идет: у алюминия обычно есть меньшее сопротивление износу трения чем сталь. Например, если бы вам пришлось подать кочку в алюминиевом куске, вы бы сделали это с меньшими усилиями, по сравнению с аналогичной работой на даже мягкой стали. К этому следует добавить тот факт, что новая цепь в новой цепочке сцепляет несколько зубьев с полным контактом ролика с зубом, эффективно распределяя нагрузку между каждой точкой контакта. Малая цепная цепь может обеспечить меньше точек контакта для распределения нагрузки, что означает, что каждый зуб подвергается большей доле от общей силы, прилагаемой водителем, и умножается на кривошип. Это означает, что зуб в маленькой цепочке несет гораздо большую нагрузку, чем зуб в большой цепочке.

Коэффициент использования

К этому мы можем добавить довольно субъективный аргумент, что большинство гонщиков будут проводить больше времени в средней цепочке, возможно, в маленькой или прыгать много между ними, в то время как большая используется спорадически, обычно на быстрых спусках, где гонщик выиграл не использовать его / ее полную силу и недолго.

Вывод

Все эти аргументы делают выбранные материалы хорошим компромиссом между весом, долговечностью и, возможно, стоимостью.

Алюминиевые маленькие и средние цепочки изнашиваются слишком быстро и склонны к изгибу из-за неправильной техники переключения. Большая стальная цепь, сделанная из стали, будет тяжелее, и разница будет легко ощутима, если держать рукоятку в руке, поэтому шатун с алюминиевой большой цепью станет лучшей покупкой среди двух.

Разница в весе между небольшими цепочками, изготовленными из этих материалов, будет менее ощутимой, и покупателю может не потребоваться заплатить разницу в цене за такую ​​небольшую потерю веса (выигрыш?).

Кроме того, алюминиевые маленькие цепочки могут лучше подходить для профессиональных гонщиков, чьи в идеале могут быть должным образом спонсированы, поэтому затраты на цепочку за гонку не имеют большого значения. Кроме того, он / она может (в идеале) иметь оптимизированную технику переключения передач (т. Е. Гонщик определил свои ошибки в технике переключения и исправил их).

Хороший вопрос! Есть несколько важных причин для разных материалов:

• Износ : сталь длится дольше, чем алюминий, простой и простой. Так почему бы не использовать сталь на всех кольцах? Кольца большего размера имеют пандусы по бокам, которые облегчают смещение и не могут быть перевернуты при износе кольца. Кольцо бабушки может, поэтому оно может длиться намного дольше.

• Сгибание / изгиб : с увеличением размера цепочки она становится более склонной к изгибу и изгибу из-за крутящего момента / нагрузки на нее. Прямая сталь на самом деле будет довольно легко сгибаться, но то, как их кольца с ЧПУ обеспечивают большую опору на кольцах.

• Вес : сталь весит больше алюминия, то же самое для CroMo. Для маленького кольца разница будет намного меньше, чем для большого кольца.

• Стоимость : так же, как хороший велосипед со стальной рамой по сравнению с алюминием, лучший материал стоит больше денег, это может быть просто угол экономии. (Обратите внимание, это относится и к другим материалам, таким как титан).

Таким образом, у вас есть несколько причин, почему у производителя / продавца разные материалы для колец. Скорее всего, это комбинация вышеперечисленного и компромисс для одного или нескольких (больший вес против меньшей силы и т. Д.).

Главным образом из-за проблем с «рычагом» к зубам самого маленького кольца прикладывается гораздо больше усилий, и они должны быть самыми прочными. Это усугубляется тем фактом, что сила распространяется на меньшее количество зубов.

Для # 2 я бы перечислил вес - с маленьким кольцом, использующим алюминий, можно сэкономить очень мало веса

Одним словом: крутящий момент. Также известный как рычаг.

В этом случае рычаг рычага представляет собой разницу в радиусах рычага кривошипа (к которому прикреплена педаль) и звездочки. У наших гонщиков ограниченное количество силы, которое мы можем прикладывать к педалям, создавая крутящий момент в рукоятке. Наша инерция создает противодействующую силу через цепь в выбранном зубчатом кольце. При достаточной разнице уровней рычагов наша человеческая сила может генерировать крутящий момент, который может превзойти прочность материала кольца цепи.

Таким образом, чтобы противостоять увеличенному крутящему моменту, наименьшая звездочка обычно изготавливается из более прочного материала, часто из стали.

ОБНОВЛЕНИЕ: модераторы запросили расширение. Вот.

Крутящий момент - это «скручивающая сила», и это именно то, что мы создаем, когда ездим на велосипеде. Величина силы, которую мы прикладываем к педалям, может быть увеличена длиной «рычага крутящего момента», которая в нашем случае равна длине от центра до центра коленчатых рычагов от нижнего кронштейна до педали ( с). Также вокруг этой оси находятся звездочки передней цепи. Разница между нашим радиусом вращения педалей и радиусом звездочки является эффективным «моментным рычагом» или «механическим преимуществом» для данной звездочки. По мере того как увеличивается механическое преимущество, увеличивается крутящий момент или крутящая сила, создаваемая педалями. Мы получаем максимальное механическое преимущество при вращении педали против звездочки наименьшего радиуса.

Это суммирует наши силы. Теперь о материалах. Условно говоря, сталь прочная и тяжелая, а алюминий мягкий и легкий. Однако сплавы и различные обработки модифицируют эти характеристики, как правило, с дополнительными затратами. Суть в том, что анализ напряжений / деформаций задействованных сил (крутящего момента) зависит от прочности материала. И еще есть денежный бюджет, который влияет на доступные варианты и выбор. Обзор материалов звездочки-кандидата далеко выходит за рамки этого ответа или моих нынешних знаний.

Достаточно сказать, что производители будут использовать наиболее экономически эффективные продукты для своей целевой аудитории. Это может означать разные материалы для команд Тур де Франс, в отличие от того, что вы и я можем получить в наших местных магазинах велосипедов.

Когда речь идет о звездочках для обычных гонщиков, это сводится к крутящему моменту. И два наименее дорогих материала, которые удовлетворяют необходимой устойчивости к напряжению / деформации, - это алюминиевые сплавы и стальные сплавы.

Обратите внимание, что термин OP «хром-мо» относится к хромомолибденовой стали , также называемой хромолитовой сталью.