A hajtáslánc hatékonysága

A kerékpár egyenesvonalú egyenletes mozgásának fenntartásához szükséges energiát így határozhatjuk meg:

W_H = W_HL + W_G + W_A

Ahol:

W_HL a hajtásláncon keletkezett energia veszteség

W_G a gördülési ellenállás által okozott energia veszteség

W_A a légellenállás által okozott energia veszteség

30 km/h-s sebességnél az egyenletes haladáshoz szükséges energiának kb 20%-a a hajtásláncon és a gördülési ellenállás miatt keletkezett energiaveszteség pótlására megy el. Ez kisebb sebességnél még nagyobb hányad, pl 15 km/h-nál már több, mint 50%.

Tehát, ha gyorsabban akarunk haladni (vagy ugyanolyan sebességnél kevésbé akarunk elfáradni), akkor érdemes a hajtáslánc hatékonyságával és a gördülési ellenállással is foglalkoznunk.

Ebben a cikkben most hajtáslánc hatékonyságával foglalkozom részletesebben, a gördülési ellenállásról az „A guminyomás” című írásban írtam.

Mi a hajtás lánc hatékonyság? 

Hatékonyság = (kimenő energia / bemenő energia) x 100%

Mindez szavakkal:

A hatékonyság azt mutatja meg, hogy a lábunk által a pedálra kifejtett energiának hány százaléka jut a hátsó kerék forgatására. Az elveszett energia súrlódás útján hő- és hangenergiává alakul. 

A hőt nem érzékeljük, de azt határozottan mondhatjuk, hogy minél hangosabb egy hajtáslánc, annál nagyobb a vesztesége. A halk hajtás mindig jót jelent.

A kerékpár hajtásában a következő súrlódási helyek vannak:

1. A pedálok csapágyai ( 2 x 2 darab)
2. A középcsapágyak (angolul bottom bracket) (2 darab)
3. A lánc (a maga 105-114 láncszeme, minden egyes láncszemben 8 alkatrész súrlódik)
4. A lánc ferde vonalvezetése (a 22, vagy 24 sebességfokozatból csak 2 olyan sebességfokozat van, amikor a lánc egyenes a lánckerék és a hátsó fogaskerék között)
5. A váltó vezetőgörgőinek csapágyai (2 db)
6. A kerekek csapágyai (elöl 2, hátul 4 darab)

Nem csoda tehát, ha egy nem jól karbantartott hajtásláncon a befektetett energia 10-15, rosszabb esetben akár 20-25%-a is elvész.

Csapágyak: összesen 14 darab.

Egy adott csapágy ellenállását a csapágy típusa, minősége, a csapágy tisztasága, a kenése és a beépítés pontossága határozzák meg.

Ha egy adott csapágyról beszélünk, akkor:

• A csapágy típusa: milyen anyagból van a golyókat helyükön tartó koszorú, illetve a porvédő gyűrűknek milyen az anyaga és hozzáér-e ez a gyűrű a golyókhoz. 
• A csapágy minősége: A legfontosabb kérdés az, hogy milyen a mérethelyessége a csapágy alkatrészeinek. Ezt a gyártók egy ABEC számmal jelölik. Minél magasabb ez a szám, annál precízebb a csapágy (a legjobb érték a 9-es), de szeretném megjegyezni, hogy a Gyártó X ABEC7-es csapágya nem feltétlenül jobb minőségű, mint a Gyártó Y ABEC5-öse. Fontos még szót ejteni az acél és kerámia csapágyak kérdéséről – anélkül, hogy letenném a voksomat bármelyik mellett. A kerámia csapágyakban a golyók egy speciális kerámia anyagból készülnek. Általában az mondható, hogy a kerámia csapágyak precízebbek és a gyártók állítása szerint tartósabbak, de erre sehol nem találtam független méréseket. Érdemes azt is tudni, hogy vannak nagyon jó minőségű és nagyon gyenge minőségű acél- és kerámia golyóscsapágyak.
• A csapágyak tisztasága: Egyik csapágyunk sincs teljesen elszigetelten beépítve, ezért idővel mindegyik koszolódik. Minden egyes szennyeződés darab surlódás- és kopásnövelő tényező. A csapágyba kerülő víz pedig korrózió forrása.
• A csapágyak kenése: A kenőanyagnak kettős szerepe van. Az egyik magától értetődően a surlódás csökkentése. A másik pedig a víz és ezáltal részben a por távoltartása. A kenőanyagnak azonban fékező hatása is van. Ez a kenőanyag minőségétől és mennyiségétől függ.
• A beépítés pontossága: Egy tengelyen – a váltógörgők kivételével – legalább 2 csapágy van. Ennek a két csapágynak központosnak kell lennie, azaz a két csapágy középpontjának pontosan a tengely középvonalában kell lennie. A legnagyobb kihívást a gyártóknak a középcsapágy (bottom bracket) jelenti, hiszen általában két oldalról, külön-külön nyomnak vagy csavaroznak be a vázba egy betétet, amiben egy-egy csapágy van.  Ezek szinte biztosan nem lesznek egy vonalban, tehát a kérdés az, hogy mennyire kicsi ez az eltérés és nem az, hogy van-e. Megoldást adhat erre az, ha ezt a csapágy betétet egy darabból készítik, egy oldalról munkálják meg az anyagot és ennek megfelelően ezt a betétet egy irányból kell a vázba becsavarozni, vagy bepréselni. Ez jelentősen csökkenti az eltérés esélyét és ezzel a csapágyak terhelését és súrlódását.

A csapágy kenőanyaga megér egy külön bekezdést. Alacsony kenőanyag mennyiséggel bármelyik csapágy csodálatosan pörög. Ne dőljünk be ennek a trükknek! Ha a kenésről beszélünk, akkor a célunknak megfelelő optimumot kell keresnünk. Az alacsony ellenállású kenőanyag kevésbé viszkózus, ezért rövidebb ideig marad a csapágyban. Kevesebb kenőanyag is kisebb ellenállást fejt ki, de kevésbé véd a kosztól, víztől. Tehát a valójában a csapágyak karbantartási intervallumára és a csapágyak ellenállására kell optimalizálnunk. Az u.n. „race day” kenés alacsonyabb viszkozitású, kisebb mennyiségű csapágyzsírral történik, de ezt a csapágyat 3-400 km-enként karban kell tartani. Azt „endurance” kenéssel akár 10.000 km-t is megtehetünk a két karbantartás között, de ez sűrűbb és több kenőanyagot jelent, ezért ez a csapágy nehezebben forog. Tehát a céljaink szerint érdemes a kenőanyagot és a kenőanyag mennyiségét megválasztani. 

A csapágyak tisztítása nem különösebben nehéz feladat, de alapos tisztításra ki kell venni a csapágyat a helyéről, majd tisztítás után vissza is kell oda tenni. Ehhez speciális szerszámokra van szükség – ja és egy kis meg-tudom-csinálni hozzáállásra és bátorságra. Erről az „A csapágyak tisztítása és kenése” című írásomban írtam. 

Fontos az is, hogy milyen anyaggal és hogyan tisztítjuk ki a csapágyat a régi kenőanyagtól és kosztól. Sokan szeretik a WD40-et, de azt érdemes tudni róla, hogy egy vékony filmréteget hagy maga után ami kompromitálja a csapágyzsírunkat. Ezért, ha mindenképpen WD40-et szeretnénk használni, akkor érdemes utána denaturált szesszel, vagy féktisztítóval kitisztítani belőle a maradék WD40-et és száradás után zsírozni.

A lánc

A csapágyakon kívül a másik lehetséges energia-temető a lánc. A láncon akkor keletkezik energiaveszteség, amikor az egyik láncszem a másikhoz képest elfordul. Ennek a veszteségnek két forrása van: az egyik a súrlódás, a másik a tapadás. Ezek a lánc teljes útján egy váltóval felszerelt kerékpáron nyolc ponton történnek: ott, ahol a láncszemek egy fogaskerékkel találkoznak és ahol elhagyják azt.

Egy perc alatt kb 40.000 ilyen esemény történik.

A súrlódás két láncszem között a két láncszem lapjai és az őket összekötő tengely és a tengelyen lévő görgő között lép fel amiatt, hogy a két láncszem egymáshoz képest elfordul. A súrlódásból adódó energiaveszteség nyilvánvalóan függ az egy-egy egymáshoz képest elmozduló alkatrész pár súrlódási együtthatójának nagyságától és attól, hogy mekkora az elmozdulásuk mértéke.

A súrlódási együtthatót két fémfelület között azzal lehet csökkenteni, ha egy kenőanyag réteget hozunk létre közöttük és ezzel a fémeket távol tartjuk egymástól. Hogy ez a réteg (film) mennyire hatékonyan csökkenti a súrlódást és mennyire tartós, a kenőanyag minőségétől függ.

A láncszemek egymáshoz képesti elfordulását pedig az határozza meg, hogy mekkora a fogaskerék átmérője. Minél nagyobb az átmérő, annál kevesebbet kell a láncszemeknek egymáshoz képest elfordulnia. Ebből a szempontból a legkritikusabb pontok a hátsó fogaskeréknél és a váltógörgőknél vannak. 

A tapadás két láncszem között akkor jön létre, amikor azok nem mozdulnak el egymáshoz képest és az tapadásból keletkező energiaveszteség akkor keletkezik, amikor az elmozdulás megtörténik, vagyis ugyanazokon a pontokon van tapadás, ahol súrlódás. Fontos azonban tudni, hogy szilárd anyagoknak nincs tapadása, a folyékony halmazállapotúaknak van. Ebből következik, hogy a vax kenőanyagoknak nincs tapadása, mert azok szilárd réteget képeznek a súrlódó felületek között, az olaj alapú kenőanyagoknak viszont tapadnak.

A lánc megfelelő kenésének fontosságáról az „A lánc kenése” című írásban írtam. 

Fontos megemlíteni a láncvezetés kérdését is, ugyanis a láncszemek nem csak a láncszemeket összekötő kis tengelyek mentén mozdulnak el egymáshoz képest, hanem képesek a láncszemek hosszanti tengelye mentén is mozdulni.

Láncvezetés:

A lánc akkor tud a leghatékonyabban dolgozni, ha az első és a hátsó fogaskerekek egyvonalban vannak, vagyis az ábrán látható α szög = 0⁰. Minél nagyobb az eltérés ettől az ideális helyzettől, annál nagyobb súrlódás keletkezik a láncszemek között. Ezt is érdemes figyelembe venni, ha esetleg valaki új lánckereket, fogaskoszorúkat tervez venni. A jellemző kerékpározásnak az első nagyobb fogaskeréken és a hátsó 5-6-7-es fogaskereken kell történnie.