Шатуны на велосипед: системы крепежа и их разновидности

Шатуны на велосипед: конструкция, типы, способы крепления

В велосипеде передача возвратно-поступательного движения совершается за счет шатуна. При этом он отдельно работать не может, сочетается со звездочкой, кареткой и велосипедной рамой. Конструктивные особенности шатуна во многом зависят от стоимости велосипеда и многих других моментов.

Из чего состоит шатун велосипеда?

На первый взгляд шатун велосипеда представлен простой конструкцией, предназначение которой заключается в передаче усилия на заднее колесо.

Конструктивными особенностями можно назвать следующее:

1. В большинстве случаев система представлена сочетанием левого и правого шатуна.
2. В основном конструктивном элементе есть отверстие, предназначенное для крепления педалей.
3. На звездочке есть определенные крепежные отверстия, которые позволяют равномерно распределить нагрузку.
4. Устанавливается и защита от звезды. Она защищает одежду от повреждения и грязи.
5. Посадочный элемент для крепления каретки.

Материал шатунов

При изготовлении шатунов могут применяться самые различные материалы.

Наиболее распространенными назовем:

• Углеродистая сталь. Сегодня она применяется при изготовлении практически всех изделий, что связано прежде всего с высокой прочностью и надежностью. Обычная сталь из-за воздействия повышенной влажности покрывается коррозией, но есть и нержавеющая сталь.
• Алюминий. Подобный сплав получил широкое распространение по причине небольшого веса. Кроме этого, материал не реагирует на воздействие повышенной влажности. Однако не стоит забывать о том, что алюминий мягкий сплав, при передаче высокой нагрузки конструкция может деформироваться. Поэтому служат алюминиевые шатуны на протяжении относительно недлительного периода.
• Титан. Этот материал сегодня применяется крайне часто, так как характеризуется повышенной устойчивостью к различного рода воздействию. Недостатком титана можно назвать его довольно высокую стоимость. Производство подобного сплава определяет то, что в его структуре редко образуются пустоты, которые могут стать причиной снижения прочности. Кроме этого, на поверхности даже при длительном применении в условии повышенной влажности не появляется коррозия. Титан легче стали и при этом обладает высокой прочностью.
• Карбон. Современные технологии позволили получить материалы, обладающие повышенной прочностью, износоустойчивостью и легкостью. При этом карбон выглядит довольно привлекательно, может прослужить в течение длительного периода. Карбоновые шатуны устанавливаются в большинстве случаев на спортивных велосипедах.

При выборе изделия стоит учитывать, что производители идут на самые различные ухищрения для снижения стоимости шатунов. Примером можно назвать создание полых изделий или с различными канавками. За счет этого существенно снижается вес конструкции.

Стальные шатуны на сегодняшний день изготавливаются трубчатыми или цельными. На ответственных велосипедах устанавливается цельный вариант исполнения, характеризующийся повышенной прочностью.

Какие бывают шатуны для велосипеда и как они крепятся

10 минут Автор: Михаил Скворцов 136

Шатун в велосипеде является неотъемлемой частью механизма, с мощью которого преобразовывается возвратно-поступательное движение во вращение заднего колеса. Отдельно шатун работать не может, он должен быть сроднен со звездочками, кареткой и рамой велосипеда. Чаще всего одна ведущая звезда или кассета звездочек неразделимо соединена с правым рычагом. Так делается у недорогих двухколесников. Может быть и по-другому. На дорогих велосипедах передние звездочки можно открутить от системы шатунов для замены, когда их зубья становятся слишком изношенными.

У большинства велосипедистов нет возможности на своем транспорте заменить только источенные до предела звездочки, приходится снимать все сразу. Затем нужно покупать шатуны на велосипед вместе с передними звездами. Хотя сами шатуны теряют работоспособность редко, только в случае аварии изгибаются, переламываются, разнашиваются посадочные места на них.

Покупая рычаги педалей, следует знать, что существует несколько непохожих типов кареток, у которых различные способы крепежа к концам вала. В этом нет ничего сложного — просто нужно взять с собой образец. Также, при необходимости, в продаже несложно найти кареточный узел в сборе с шатунами.

Материал шатунов

Рычаги педалей могут изготавливать из разных материалов:

На какие только ухищрения не идут производители шатунов, чтобы снизить вес: изготавливают их сложной замысловатой формы, делают канавку снаружи, оставляют пустоту внутри. Более легкие шатуны, кроме того что снижают общий вес велосипеда, так ещё легче раскручиваются. Чем меньшую массу нужно раскрутить, тем быстрее можно ускориться.

Хотя шатуны и являются одними из самых нагруженных деталей велосипеда, их можно сделать пустотелыми. Как в случае с рамой велосипеда, точно так же полый рычаг педали сохраняет свою прочность и жесткость при намного меньшем весе. Наличие пустоты внутри детали значительно на показатели прочности не влияет.

Стальные шатуны могут быть цельными и трубчатыми. Для отечественных велосипедов и шоссейных их делают цельными. Очень часто на горные велосипеды и спорт байки BMX ставят облегченные полые рычаги педалей.

Все прочные, у которых низка вероятность поломки, алюминиевые детали изготавливают горячей или холодной ковкой. Велосипедные шатуны прессуют по металлической вставке, а затем её удаляют, после чего получается готовая деталь с фигурной канавкой. Полые рычаги из алюминия делают только методом холодной ковки Hollowtech, впервые внедрённым фирмой Shimano. Такие изделия применяются вместе с полым валом каретки, закреплённые на его 8-ми шлицевых торцах увеличенного диаметра.

Для редких спортивных велосипедов изготавливают шатуны из титана или карбона. Карбоновые изделия могут быть как однородными, так и с алюминиевой или титановой основой внутри. Ясное дело, что чем сложнее технология изготовления, тем дороже готовое изделие.

Размеры шатунов

В зависимости от ростовки рам, шатуны выпускают разной длины. Высоким велосипедистам удобнее крутить длинные рычаги педалей, людям меньшего роста они требуются более короткими. Слишком длинные рычаги на низкорослой раме могут привести к неудобству при езде по бездорожью, даже в городе ими можно ударить по рельсу на переезде или бордюру.

Короткие рычаги трудно раскрутить, но зато потом ими легче поддерживать высокую скорость. Это можно объяснить таким показателем, как каденция — количество оборотов педалей за единицу времени. Каденция возрастает, если приходится крутить педали с короткими рычагами, а в случае с длинными всё происходит с точностью наоборот.

Длина шатунов может варьироваться в пределах от 150 до 185 мм. Для взрослого велосипеда нужно выбирать рычаги в пределах от 165 до 185 мм. На детском и подростковом байке удобны будут шатуны длиной от 150 до 177,5 мм.

Окончательно точку при выборе по длине ставит каждый велосипедист сам, учитывая свои предпочтения в стиле катания. Укороченные шатуны предпочитают трековые гонщики. На горных велосипедах предпочтительна сниженная каденция для дополнительного подхвата при спуске. В частности, фанаты даунхилла ставят рычаги как можно большей длины.

Способы крепления на валу каретки

1. Клиновидный штифт — многим знакомая деталь у старых велосипедов, сейчас встречается разве что на детских двухколёсниках.

2. Квадратный торец вала — это традиционный способ крепления, при котором оба шатуна фиксируются на скошенных незаметным клином плоскостях квадратного сечения. Подтяжка на клине происходит при помощи винта или гайки, которые вкручиваются в концы вала. Места соединения всегда закрываются пластмассовым пыльником.

3. Шестигранный торец вала — также делается со скосом для заклинивания надеваемого шатуна.

4. Шлицевое соединение — это стандарт OctaLink: вал каретки сделан со сквозным отверстием по оси, но имеет увеличенный диаметр; торцы вала круглой формы с восьмью выступами; шатуны притягиваются большим полым болтом под шестигранник на 10; снаружи соединение закрывается пыльником. Традиционный съёмник для разборки этого соединения применить не получится, ведь ему не во что будет упереться.

Q – фактор

На велосипеде для повышения эффективности педалирования нужно учитывать расстояние между плоскостями, в которых вращаются концы шатунов, то есть Q-фактор. Проверено на стенде, что при правильно выбранном Q-факторе человек развивает на 4% больше мощности, чем при поставленных с наклоном ногах.

Так устроено природой, что коленные суставы человека не могут нести длительные нагрузки, если ноги не находятся близко друг к другу. Наибольшее давление ногой можно сделать, когда вектор прикладываемой силы находится точно под углом 90 градусов к поверхности.

С появлением внедорожных велосипедов, чтобы вставить широкую покрышку, пришлось раздвигать перья заднего треугольника рамы. С уменьшением свободного зазора понадобилось сделать шатун для педали изогнутым, иначе он бы бил по раме. Поэтому на всех горных велосипедах Q-фактор завышен.

От природы или по другим причинам ноги у людей разные: искривленные в коленях или прямые, суженные у таза или выгнутые в стороны. Например, у женщин кости таза от рождения шире, чем у мужчин. Учесть анатомическую неповторимость каждого при массовом производстве велосипедов невозможно, а для профессиональных спортсменов подобрать индивидуально Q-фактор вполне реально.

Типы шатунов

1. Односоставные — монолитная конструкция, объединяющая вал и два шатуна. По сути это согнутый в разные стороны под прямыми углами толстый металлический пруток. Такая система шатунов применялась на первых велосипедах. В настоящее время её можно увидеть на BMX и детских велосипедах.

2. Двухсоставные — это не только объединенные цельно правый шатун и ведущие звёздочки, а также намертво приваренный к ним вал каретки. В этом случае лишь левый рычаг является отдельной деталью, которая фиксируется на свободном конце вала.

До недавнего времени такой способ сборки шатунов в велосипеде считался устаревшим, пока в 2004 году на заводах Shimano не возродили двухсоставную конструкцию, усовершенствовав её картриджной кареткой с подшипниками большого диаметра. Другие производители деталей для велосипедов поддержали идею возрождения системы двухсоставных шатунов.

3. Трёхсоставные — самая популярная конструкция на сегодняшний день, у которой возможно заменить ведущие звездочки отдельно от правого рычага. Разбирается в ней всё: шатуны для педалей и сами топталки, отдельно вал каретки и передние звёздочки по одной.

Нестандартные конструкции

1. Роторная система RS4X

Стандартно шатуны на велосипеде закрепляются по одной прямой линии. При этом нога велогонщика оказывается чрезмерно согнутой в колене у верхней мертвой точки. Неудивительно, что коленные суставы периодически испытывают стресс.

Кроме того, подмечено, что при вращении педалей случается такая ситуация, при которой велосипедист не может передать целиком свою силу к заднему колесу. Мертвая зона наблюдается, когда шатуны оказываются в горизонтальном положении к земле. Естественно, из-за этого снижается коэффициент полезного действия.

В роторной системе RS4X радикально решаются перечисленные проблемы. При смещении от прямой занижается верхняя мертвая точка и исключается провал момента силы в течение всего цикла вращения педалей, что обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия.

Практика показывает, что новая схема установки обеспечивает фактический прирост мощности в 16% на трековом велосипеде. Из-за отсутствия резкого перепада нагрузки уменьшается риск возникновения боли в коленном суставе, а также растяжения сухожилий.

2. Шатуны для велосипеда с эллиптическими звездами

Эксперимент со звездочками нестандартной формы начался ещё в конце XIX века. Уже тогда знали о существовании проблемной мертвой зоны.

Впервые массовый выпуск овальных звезд под брендом Biopace открыла компания Shimano в 1983 году. Тогда в мире велоспорта было много споров о необходимости нововведения, но со временем они отпали, поскольку профессиональным велосипедистам новинка не понравилась. Термин Biopace прижился, и так называют случаи неравномерного вращения педалей. В настоящее время выпускается два экземпляра овальных звезд Osymetric и Q-rings специально для гоночных велосипедов.

Овальные звезды позволяют легче преодолевать провал в горизонтальном положении педалей. Передаточное отношение в этой точке повышается, чтобы соответствовать сниженному усилию на педали. Как результат, крутятся педали более плавно. Однако чудес не бывает, и при подъеме в горку придется попотеть, ведь из ничего ничто не получается.

О том, как снимать шатуны с велосипеда, — в полезном видеоролике:

Типы велосипедных систем

Одна из наиболее важных элементов велосипеда – система шатунов и звезд, и конечно же рама и вилка. Но сегодня говорим, именно о системе шатунов, благодаря которой велосипедист передаёт усилие от ног к колёсам и велосипед начинает ехать.

Давайте разберемся, чем отличаются системы.

Форма звезд. Большинство велосипедных систем имеют круглые звезды, но есть и системы с овальными звездами, они дают чуть более высший КПД.

Количество звезд. В системах могут быть от 1 до 3 звезд. Они стоят на разных типах велосипедов, так к примеру, 1 звезда стоит на городских велосипедах, горных, а так же великах для триала и даунхила. 2 звезды (имеющие пару 42-52 зуба) установлены на туринговых и шоссейных велосипедах, а 3 звезды обычно ставят на MTB/ATB и гибриды (характерная тройка 44(42)-34-22 зуба).

Крепление шатунов к каретке бывают двух видов: первый – шатуны совмещенные с осью каретки, в основном ставится на бюджетных моделях велосипедов и на детских, второй – с конусным креплением на ось.

Длина шатунов. Большая длина шатуна позволяет развивать большее усилие и скорость. Стандартная длина велосипедных шатунов 170мм и 175мм. Однако, езда с очень длинными шатунами – это дело привычки.

Немаловажный параметр – материал, из которого изготовлены звезды и шатуны. Большинство современных производителей изготавливают недорогие системы с шатунами из алюминия, это уменьшает вес, добавляет прочность на изгиб. Самые бюджетные модели сделаны со стальными шатунами. Если в алюминиевом шатуне пустая полость – его вес снижается, но стоимость больше, хотя в целом, само качество полости ни как не влияет на прочность.

Звезды производятся из стали и алюминиевых сплавов, иногда они могут быть смешанные. Последнее справедливо для бюджетных велосипедов, чья стоимость не превышает 600$.

Как показывает практика, алюминиевые звезды превосходят по качеству стальные. Звезды изготавливаются либо путем штамповки, либо путем фрезеровки. Отличаются они стоимостью, штампованные дешевле, а фрезерованные устанавливаются на велосипеды с высокими группами оборудования (от LX) за счет их более высокого качества.

Типы велосипедных систем

Система включает в себя два шатуна, паук и звезды. А в интегрированных системах добавляется ось.

Шатуны это рычаги, которые являются связкой между педалью и звездами. Шатуны бывают П-образной формы, либо полость, о которой говорилось выше, что дает возможность облегчить конструкцию без потери жесткости.

«Паук» для шатуна

Связывает шатуны и звезды. Они могут сниматься, быть несъемными и цельные с шатуном. Некоторые велосипеды оснащены встроенным датчиком измерения мощности, который располагается в «пауке». Есть несколько типов таких конструкций, где «пауки», предназначенные для одной, двух, трех и даже четырех звезд. Самые распротраненные «пауки» на 2 или 3. Тип крепления – от 3 до 5 лапок.

На бюджетных моделях велосипедов звезды не снимаются, приходится менять всё систему целиком, а на дорогих моделях они являются съемными.

Отличие этих систем от других в том, что у них имеется вал каретки, который впрессовывается в один из шатунов, преимущественно в правый. Вал выглядит как трубка, то есть он полый. У него достаточно большой диаметр по сравнению с традиционными валами каретки. Чашки каретки в интегрированных системах раздельные, с внешними промподшипниками, а между чашами стоит пластиковая проставка.

Системы шатунов

Добавить про звёздыы и ширину каретки

Шатуны (или кривошипно-шатунный механизм) велосипеда — деталь, которая передаёт мышечную силу колесам велосипеда. Эта форма привода была запатентована в 1869 году Иоганном Ф. Трефцем, и несмотря на то, что она развивалась на протяжении многих лет, принцип работы.

Компоненты шатунов

Типы монтажа шатунов

Существует множество систем шатунов, которые отличаются способом монтажа на ось. В недорогих велосипедах, наиболее популярным способом монтажа шатунов является крепление на ось в виде «квадрата» или шлицевого посадочного места. В велосипедах средней ценовой категории, доминируют системы с независимыми внешними подшипниками и шатунами со встроенными осями.

Виды монтажа шатунов на оси

Клиновидный штифт

Самый старый стандарт. Шатун устанавливается на оси каретки с усечённой цилиндрической секцией, в которую вставляется металлический штифт. Такой тип монтажа можно встретить почти на всех велосипедах, выпущенных в СССР.

Под квадрат

Эта система заменила клиновидный штифт и используется в настоящее время на недорогих велосипедах разных типов. В такой системе ось каретки имеет посадочное место в виде квадрата, а шатун — соответствующее под её отверстие. После соединения этих двух деталей, они фиксируются винтом. Это дает жесткое и прочное соединение, которое практически не изнашивается.

Шлицевые соединения

Принцип монтажа аналогичен предыдущему, только посадочное место оси выполнено не в виде квадрата, а имеет более сложную форму, специально разработанную выдерживать большие нагрузки. Для такого соединения требуется точное совпадение пазов обеих деталей. Система гарантирует прочное и практически не изнашиваемое соединение.

В настоящее время, самым популярным видом шлицов является Shimano Octalink V2. Американский конкурент SRAM продвигает свой стандарт — ISIS.

Системы со встроенной осью

Шатуны, объединённые с осью — это результат работы инженеров над повышением жесткости, и, следовательно, эффективности езды. Такой тип соединения позволяет увеличить площадь подшипников и сократить расстояние между рамой и шатунами.

Shimano — Hollowtech II

Shmano в своих продуктах использует систему Hollowtech. Её особенность заключается в использовании пустотелых рычагов, что увеличивает жесткость и снижает вес. Развитием этой системы, стала система Hollowtech II, в которой ось объединена с правым шатуном. В нижних группах, таких как Deore, Shimano отказалось от пустотелых шатунов, такое решение получило название 2-Piece-Crankset.

Truvativ — GXP i Howitzer

Компания Truvativ назвала свою систему со встроенной осью — GXP. В целом, эта система идентична Hollowtech, единственное отличие в типе шлица, использованного в правом рычаге. Кроме того, GXP шатуны изготавливаются из сплава OCT, благодаря чему они более прочные и лёгкие.

Ещё одна система шатунов от Truvativ называется — Howitzer. В ней используются подшипники с увеличенным диаметром, что стало возможным благодаря сдвигу подшипников наружу каретки. В этой системе удалось объединить жесткость GXP и прочность традиционной ISIS.

Campagnolo — Power-Torque и Ultra Torque

Campagnolo понимает, что не всем велосипедистам нужно одно и то же, поэтому компания предлагает две системы шатунов — Power-Torque и Ultra Torque.

Power-Torque — очень похожа на GXP или Hollowtech. Её преимущество заключается в том, что для сборки и эксплуатации не требуется никаких специальных ключей.

Ultra Torque — полностью уникальное решение от Campagnolo. Ось каретки разделена на две части, которые вставляются в оба шатуна и соединяются посередине взаимно блокируя друг друга, а затем скручиваются специальным винтом.

Race Face – X-Type

Race Face предлагает систему интегрированных шатунов под названием – X-Type. Система похожа на Hollowtech II от Shimano, за исключением того, что ось, изготовленная из хромомолибденовой стали, интегрирована с левым шатуном, а правый шатун крепится шлицевым соединением.

FSA – MegaExo

Компания FSA продвигает свою систему под названием Mega Exo. Как и в X-Type, решение основано на Hollowtech II. Ось интегрирована с левым шатуном.

Сравнение способов монтажа шатуна на ось каретки

Тип

Преимущества

Недостатки

• Дешевая и простая конструкция

• Низкое качество соединения

• Дешевая и простая конструкция
• Универсальность

• Низкая жесткость.
• Низкая эффективность

• Длительный срок службы
• Большая жесткость

• Не универсальность систем

Интегрированный с осью

• Очень высокая жесткость и эффективность передачи мощности

• Малый срок службы
• Высокая цена

Длина рычагов шатуна

Расстояние между осью каретки и осью педали может составлять от 165 до 180 мм. Производители предлагают свои модели в основном в этом диапазоне с шагом 2,5 мм. Для горного велосипеда длина особой роли не играет, для него подойдут стандартные модели 170 мм или 175 мм. Не всё так просто с этим параметром в спортивных дисциплинах, в них она должна быть выбрана в соответствии с длиной ног и расстоянием между кареткой и землёй. С увеличением длины шатунов каденция уменьшается, а их жесткость и расстояние от педали до земли уменьшаются. По ссылке можно подробнее узнать о выборе длины шатуна.

Крепление звёзд

Совершенно другой вопрос — используемые в шатуне звёзды. Их размеры и способ крепления зависят от шатуна и стиля езды.

Есть 4 основных интервала между крепёжными отверстиями звезд.

Стандарт

Количество винтов

Расстояние

Паук на пять отверстий

Кроме того, существует очень большая группа шатунов, в которых используются нестандартный монтаж или интервалы между крепёжными отверстиями. Поэтому, перед покупкой звезд вам нужно измерить расстояние между болтами.

Размер звездочек

Подбор размера звездочек (с правильным количеством зубьев) является очень важным моментом при езде. Слишком большая звезда, потребуют от велосипедиста большего усилия, с другой стороны, слишком маленькая, будет его передавать не эффективно. Для туристических поездок применяются звёздочки с диапазоном от 44 до 48 зубьев, для шоссейных — от 50 до 53 зубов. Для повседневного использования велосипеда, рекомендуются передаточные соотношения, для шоссейного — 50/39/29, и 48-42/32-34/22 — для остальных, с предположением, что чем более сложная местность, по которой мы передвигаемся, тем меньшую звезду необходимо выбирать.

Материалы и обработка

Подавляющее большинство шатунов изготавливается из алюминия. Использование других материалов (например, углеродных композитов) и технологий, хотя и повышает надёжность и жесткость или снижает вес, при этом оказывает негативное влияние на цену. В более дорогих моделях шатунов часто используют алюминиевую ковку, что улучшает структуру материала и жесткость. Высокое качество продукта (и цены) обеспечивается изготовлением шатунов и звёздочек на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Иногда, производители используют обе технологии в производстве.

Шатуны для BMX

Шатуны, предназначенные для велосипедов BMX, имеют другой диаметр каретки и сделаны иначе, по сравнению с шатунами классического горного велосипеда. Рычаги фиксируются на специальных осях с микрошлицами, а звезда привинчивается к рычагу одним болтом. Существуют также шатуны, в которых оба рычага и ось сделаны из одного цельного куска материала и образуют несъемное целое.