Napęd strunowy. Koniec łańcucha w rowerze?

Zastosowanie łańcucha drabinkowego i przeniesienie napędu na tylne koło, doprowadziło pod koniec XIX wieku do powstania klasycznego, powszechnie stosowanego do dzisiaj układu roweru. Przeniesienie napędu przy pomocy przekładni łańcuchowej próbowano zastąpić przez wałki napędowe albo przekładnie z paskami klinowymi lub zębatymi. Jednak łańcuch pod wieloma względami jest najlepszym rozwiązaniem, a do przerzutek zewnętrznych był dotychczas praktycznie niezastąpiony. Alternatywne konstrukcje czasami pojawiają się w rowerach miejskich i specjalnych.

Tytułowy napęd strunowy może się kojarzyć z napędem futurystycznych pojazdów kosmicznych, tymczasem sprawa jest znacznie prostsza. Ale po kolei:

Dr inż. Jerzy Skrebec z Instytutu Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej od lat prowadzi badania nad włóknami konstrukcyjnymi, których właściwości będą połączeniem najlepszych cech włókien węglowych i kevlaru. Taka praca (wykonywana oczywiście nie samodzielnie, ale w interdyscyplinarnym zespole) to żmudne testy różnych nowych związków chemicznych oferowanych przez liczne firmy chemii przemysłowej i specjalistyczne laboratoria. Ostatnio coraz modniejsze jest badanie tworzyw otrzymanych w wyniku genetycznych modyfikacji włókien roślinnych oraz materiałów stanowiących mieszankę kilku rodzajów włókien.

Poza pracą naukową doktor Skrebec spędza czas na ćwiczeniach w jednym z bractw rycerskich. Walczy jak wszyscy mieczem, ale przede wszystkim jest doskonałym łucznikiem i kusznikiem. Produkuje łuki dla siebie i swoich kolegów. Przy okazji naukowych wyjazdów na uniwersytetach w południowej Francji i w Szwajcarii szukał w wiekowych łacińskich traktatach informacji o dawnych sposobach produkcji cięciw aby uzyskać większe siły naciągu łuczyska i zwiększyć zasięg strzału.

Klasyczna cięciwa to nic innego jak struna spleciona (skręcona) z wielu włókien. Włókna sczepiają się ze sobą dzięki siłom tarcia i mikroskopijnym nierównościom działającym jak haczyki, które zapewniają trwałe połączenie ale umożliwiają ugięcie. Aby włókna się nie rozwarstwiały i aby ułatwić produkcję cięciw, cięciwę się smaruje specjalnymi miksturami.

Trzy lata temu czterej studenci doktora Skrebca brali udział w rutynowych ćwiczeniach laboratoryjnych. Badali parametry mechaniczne kilku materiałów. Podczas ćwiczenia uszkodzeniu uległa maszyna służąca do prób obciążeniowych. Całe kilkusetkilogramowe obciążenie zawisło na cienkiej próbce („lince”) pomiędzy dwoma okrągłymi bloczkami ale próbka-linka nie zsunęła się z bloczków! Studenci natychmiast zaalarmowali Skrebca.

Wydarzenie wszystkim dało do myślenia – skoro linka, która normalnie powinna odwinąć się, pozostała jak przyklejona na bloczkach, to może da się ją wykorzystać jako bezobsługowe cięgno w przekładniach? Po zdobyciu odpowiedniej ilości włókna i kilkunastu próbach udało się wykonać działającą przekładnię. Roboczo nazwano ją napędem strunowym. Gdzie ją najłatwiej wypróbować w praktyce? Studenci zaproponowali swoje rowery.

W przekładni łańcuchowej ogniwa łańcucha zazębiają się z zębatkami kół łańcuchowych – napędzanego i napędzającego. Dzięki temu ruch z korb jest bez poślizgu przenoszony na tylne koło. Oczywiście warunki w terenie są inne niż laboratoryjne. Aby wyglądająca jak gładki „sznurek” struna napędowa nie ślizgała się po kołach przekładni, które mogą być zabrudzone, mokre lub pokryte korozyjnym nalotem, współpracuje z kołami pokrytymi dodatkową powłoką przypominającą doskonale znane nam „rzepy” używane w zapięciach sportowych butów i ubrań. Pierwowzory „rzepów” zostały opracowane w XX wieku na potrzeby amerykańskiego programu kosmicznego. Nowe „rzepy” na kołach „przekładni strunowej” mają znacznie większą trwałość od pierwowzorów (kilkaset tysięcy milionów cykli zaczepienie-odczepienie) i nie powodują strzępienia się włókien struny.

Zwykły metalowy łańcuch drabinkowy jest łączony przez skuwanie ogniwek lub za pomocą specjalnych ogniwek łączących. Cięciwa łuku lub kuszy nie działa „w obiegu zamkniętym”. Jej końcówki są wzmacniane i zakładane na odpowiednio ukształtowane zaczepy łęczyska.

Przy „strunie napędowej” konstruktor musiał opracować sposób, dzięki któremu powstanie zamknięta pętla o takich samych własnościach mechanicznych na całej długości. Po kilku próbach z różnymi dodatkowymi zapinkami wybrał najlepsze i jak się okazuje najtrwalsze i najlżejsze rozwiązanie. Ciągłą strunę uzyskuje się... przez zaplatanie końcówek. Robi się to podobnie, jak przy zaplataniu warkoczy. (oczywiście mamy na myśli zaplatanie długiej brody w warkocz, żeby w wirze walki na miecze lub topory, wiatr nie zawiewał brody do oczu ;-).

Na początku pracy obszar połączenia jest trochę grubszy ale po kilku jazdach włókna „ubijają się” i cały „łańcuch” uzyskuje taki sam przekrój i właściwości. Aby ułatwić lokalizację złącza i ewentualne rozpięcie tak sczepionego „łańcucha”, przy końcach włókien wpleciono kilka kolorowych włókienek.

Układ przeniesienia napędu ze „struną napędową” był testowany przez cały zeszły rok – najpierw w jednobiegowych rowerach miejskich, potem zwykłe piasty zostały zastąpione dawnymi, dobrymi angielskimi siedmiobiegowymi piastami Sturmey Archer o zakresie przełożeń ok. 280% (czy łucznik mógłby wybrać inną? ;-))). Aby nie budzić zbytniej sensacji, struna była osłonięta przez zwykłą, pełną osłonę łańcucha, stosowaną powszechnie w holenderskich czy niemieckich rowerach miejskich.

Pełna osłona łańcucha jest dosyć szczelna, dodatkowo została jeszcze uszczelniona od spodu – dzięki temu można było wlewać różne paskudne ciecze z drobinami piasku, błota, olejami itp., aby sprawdzić jak zabrudzenie lub zamoczenie będzie wpływało na pracę układu. Odporność na zabrudzenia była bardzo duża, poślizg struny na kołach nie występował. Problem pojawiał się w zimie przy niskich temperaturach bliskich zera stopni Celsjusza. Zauważono, że wytrącały się małe kryształki lodu, które powodowały chwilowe poślizgi – raz nawet jeden z testerów zaliczył piękną glebę na skrzyżowaniu, gdy przy siłowym ruszaniu spod świateł na stojąco, korba nagle uciekła w dół podczas skrętu, a on stracił równowagę. Rozwiązano problem zmieniając „smar” spajający włókna struny – po prostu dodano trochę dobrego, gęstego oleju silnikowego.

Po pomyślnym zakończeniu pierwszego etapu prób, przyszła kolej na zmierzenie się z kolejnym zadaniem – struna napędowa została zaadaptowana do współpracy z zewnętrznymi przerzutkami.
Cały układ musiał być zaprojektowany od nowa. Kaseta tylnych zębatek została zastąpiona przez rodzaj zwężającego się na zewnątrz stożka pokrytego znaną nam już przeciwpoślizgową powłoką z „rzepami”.

Dzięki stożkowej „kasecie” spełniono marzenie pokoleń rowerzystów - uzyskano BEZSTOPNIOWĄ, płynną zmianę przełożeń!!!

Oczywiście struna napędowa nie może pracować pod skosem, co przy zwykłym łańcuchu jest możliwe. Struna odchylona w lewo lub na prawo od „linii łańcucha” przez przerzutkę i ciągnięta przez koło napędzające będzie natychmiast zsuwać się w kierunku przekroju stożka położonego na „linii łańcucha”. Tak więc pomimo przerzutki i stożka-„kasety” o zmiennych średnicach będziemy dysponować tylko jednym przełożeniem. Aby temu zapobiec zaprojektowano łożyskowaną wzdłużnie „pływającą kasetę”: stożek może poruszać się w obie strony wzdłuż osi koła, tak aby struna przy żadnym przełożeniu nie pracowała pod kątem do „linii łańcucha”.
Położenie przerzutki odnosi się do położenia ruchomej kasety a nie do ramy (i równocześnie kasety) tak jak w typowych, nieprzesuwnych kasetach.

Taka „pływająca kaseta” musi być węższa, aby miała gdzie się przesunąć przy standardowej konstrukcji koła, rozmieszczeniu kołnierzy piasty i rozstawie haków tylnego koła o szerokości 135mm. Powiązana z przesuwną kasetą przerzutka ogranicza jej szerokość o kolejne milimetry. Aby zapewnić zakres przełożeń porównywalny z układem napędowym używającym łańcucha, stożek-„kaseta” musiałby mieć gwałtownie zmieniający się przekrój. Jednak przy takim kształcie stożka podczas pracy w realnym świecie, gdzie mamy do czynienia z różnymi drganiami i ugięciami bocznymi aby uniknąć niepożądanych zmian przełożenia zdecydowano, że przekrój stożka będzie się zmieniał łagodnie, a „górski” zakres przełożeń zapewni dodatkowa wewnętrzna przekładnia planetarna.

Tak więc układ jest podobny jak w DualDrive SRAMa i w Intego Shimano. Pływająca kaseta z tylną przerzutką zewnętrzną i piasta wielobiegowa zapewnia obecnie zmianę przełożeń w zakresie ok. 620%. To raczej za dużo jak na potrzeby większości rowerzystów. W ewentualnym seryjnym produkcie zakres będzie raczej trochę mniejszy. Obecny zakres wynika z użycia gotowych przekładni planetarnych z innych piast wielobiegowych.

Bardzo ciekawa jest tylna przerzutka. Opatentowany mechanizm (sorry, jeszcze nie możemy nic więcej napisać) powoduje równoczesne przesuwanie przerzutki i ruch w przeciwnym kierunku „pływającej kasety” – zmiana przełożenia jest natychmiastowa. Kółka prowadnika mają oczywiście całkiem inny, opatentowany kształt niż w przerzutkach współpracujących z łańcuchem. Prototyp przerzutki waży niecałe 140g. Nie ma sprężyny powrotnej – podobnie jak w przerzutce White Industries, o której wspominaliśmy przy okazji artykułu o polskiej przerzutce inż. Hyry, ta przerzutka jest sterowana podwójną linką. Linka sterująca przerzutką to odporna na zerwanie i cienka niemal jak włos wersja struny napędowej. Linka jest prowadzona w specjalnym elastycznym „pancerzu”, w którym dwie rurki prowadzące linki (linki nie mogą się ze sobą stykać!) mają na prawie całej długości wspólną, zewnętrzną osłonę, więc z zewnątrz wygląda to jak zwykła linka w pancerzu i pasuje do standardowych przelotek.

Przerzutka współpracująca z „pływającą”, wąską kasetą nie musi odchylać się na boki tak daleko jak przerzutki współpracujące ze zwykłymi szerokimi kasetami zębatek. Dzięki temu ruch linki sterującej jest krótszy a manetka może być zminiaturyzowana. We wcześniejszej wersji prototypu, przerzutką sterowano manetką umieszczoną jak Grip Shift na kierownicy. Nowszy prototyp manetki to rodzaj pierścienia przykręcanego u nasady dźwigni hamulcowej (Władca Pierścieni?). Pierścieniowa manetka ma docelowo mieć adaptery umożliwiające montaż na dowolnej dźwigni hamulca linkowego lub hydraulicznego.

Wystarcza dosłownie muśnięcie palcem wskazującym powodujące mały obrót pierścienia, a przerzutka i kaseta przesuwają się w przeciwnych kierunkach i nowe przełożenie jest „załączone”. Nie zdarzyło się przypadkowo przyhamować przy zmianie przełożenia.

Trudno jest porównywać działanie tego układu zmiany przełożenia do układów z kołami zębatymi. Przy małych zmianach przełożenia praktycznie nie odczuwa się samego faktu zmiany. Nie ma żadnych kliknięć, szarpnięć, skokowej zmiany obciążenia, do którego musi się szybko zaadaptować organizm, ani wyłamywania ząbków w koronkach - plagi przy dynamicznych zmianach przełożeń pod obciążeniem, znanej z klasycznych łańcuchowych układów napędowych. W prototypie przerzutka w piaście jest sterowana zwykłą manetką.

Jak się dowiedzieliśmy jeden z dużych i znanych europejskich producentów osprzętu rowerowego (mający zawsze przynajmniej o jedno przełożenie więcej od konkurencji) jest zainteresowany wprowadzeniem tego rozwiązania do produkcji i wielkim come back do produkcji osprzętu do rowerów górskich. Są prowadzone rozmowy, co z nich wyjdzie zobaczymy. Inwestor, który zapewni wprowadzenie do produkcji nowego napędu jest konieczny, ale w polskich bractwach rycerskich dobrze sytuowanych biznesmenów także nie brakuje...

Wszystkie przełomowe wynalazki kiedyś się upowszechniają. Istotą strunowego układu przeniesienia napędu są hipernowoczesne materiały dostępne dzięki olbrzymim postępom w inżynierii materiałowej, wszechstronna inżynierska wiedza i genialny pomysł, aby średniowieczne techniki połączyć z nowoczesnym rowerem górskim.

Kto wie - może doczekamy czasów, gdy w długie zimowe wieczory z wiejskich domów będzie jak przed wiekami dobiegał kobiecy śpiew i turkot kołowrotków, na których piękne jak anioł dziewczęta będą ręcznie przędły... high-endowe struny napędowe do najlepszych rowerów i cięciwy do niezrównanych łuków? A piękne i zasobne Królestwo nasze będzie z tego na całym świecie słynne...

Czego konstruktorom, Wam i sobie życzę.


Konstruktorzy poszukują testerów nowego napędu. Bikeworld.pl chętnie pomaga w propagowaniu i rozwoju oryginalnych polskich pomysłów, które uczynią rowerowanie jeszcze przyjemniejszym.

Jeśli chcecie wziąć udział w tym (miejmy nadzieję) epokowym dla rowerzystów przedsięwzięciu, przyślijcie do nas maila, a poinformujemy Was o obowiązkach i przywilejach, które z tego będą wynikały.