Устройство велосипеда: как устроен велосипед и как работают передачи

Велосипед — транспорт, в котором двигатель — сам человек. Ноги крутят педали, педали через звёзды и цепь крутят заднее колесо, а колесо толкает велосипед вперёд. Всё остальное нужно, чтобы делать это удобно и безопасно: рама держит вес, вилка и руль позволяют поворачивать, тормоза — останавливаться, а переключатели передач подбирают такое усилие на педалях, при котором ногам удобно и в горку, и под горку. Ниже — из чего состоит велосипед, как работает трансмиссия, что на самом деле меняют скорости и что изнашивается первым.

Из чего состоит велосипед

Разберём велосипед по группам деталей: несущая часть, колёса, трансмиссия, управление.

Часть	Что делает
Рама	Основа: к ней крепится всё остальное. Классическая рама — два треугольника из труб
Вилка	Держит переднее колесо и поворачивается вместе с рулём; бывает жёсткой и амортизационной
Руль и вынос	Руль поворачивает вилку, вынос соединяет руль с трубкой вилки
Седло и подседельный штырь	Штырь вставлен в раму и регулирует высоту седла
Колёса	Обод, спицы и втулка; на ободе — покрышка с камерой или без неё
Педали и шатуны	Шатуны — рычаги, к которым крепятся педали; чем они длиннее, тем больше рычаг
Каретка	Узел с подшипниками в нижней части рамы, на котором вращаются шатуны
Передние звёзды (система)	Одна, две или три звезды на правом шатуне
Цепь	Передаёт вращение от передних звёзд на задние
Задние звёзды (кассета)	Набор звёзд разного размера на задней втулке
Переключатели	Передний перекидывает цепь между передними звёздами, задний — между задними
Манетки и тросы	Ручки на руле, которые тянут или отпускают тросы переключателей
Тормоза	Ободные, дисковые или ножной во втулке

Сердце велосипеда — трансмиссия: педали, шатуны, каретка, звёзды, цепь и переключатели. Именно она превращает движение ног во вращение колеса.

Рама, вилка и посадка

Классическая рама — два треугольника. Передний образуют верхняя, нижняя и подседельная трубы, задний — перья, которые идут от каретки и от седла к оси заднего колеса. Треугольник — жёсткая фигура: его нельзя перекосить, не согнув сами трубы, поэтому лёгкая рама держит вес взрослого и удары от ям.

Рамы делают из стали, алюминия и углепластика. Сталь тяжелее, зато прочная и мягче гасит мелкую тряску. Алюминий легче и не ржавеет. Углепластик самый лёгкий, но дорогой и боится точечных ударов.

Амортизационная вилка — две трубы-«ноги», которые вдвигаются в корпус. Внутри пружина или воздушная камера принимает удар, а масляный демпфер не даёт вилке раскачиваться. Без демпфера велосипед подпрыгивал бы на каждой кочке, как мячик.

От рамы и штыря зависит посадка. Седло обычно выставляют так, чтобы в нижней точке педали нога была почти прямой. Слишком низкое седло перегружает колени, слишком высокое заставляет раскачиваться тазом.

Как работают передачи

Передача — это пара звёзд, между которыми сейчас натянута цепь. Всё решает соотношение числа зубьев.

1. Нога давит на педаль. Шатун работает как рычаг и поворачивает переднюю звезду.
2. Цепь тянет заднюю звезду. За один оборот передней звезды цепь проходит столько звеньев, сколько на ней зубьев.
3. Задняя звезда поворачивается на своё число зубьев. Если спереди 44 зуба, а сзади 11, то за один оборот педалей заднее колесо повернётся четыре раза. Если спереди 22, а сзади 44, колесо сделает только пол-оборота.
4. Колесо едет. Чем больше оборотов колеса на оборот педалей, тем дальше вы уезжаете за каждый оборот ног, но тем сильнее приходится давить.
5. Переключение. Вы щёлкаете манеткой, трос тянет задний переключатель, тот сдвигает цепь на соседнюю звезду. Переключатель стоит на пружине и одновременно натягивает цепь: на маленькой звезде ей нужна меньшая длина, чем на большой.

Отсюда простое правило. Большая звезда спереди и маленькая сзади — тяжёлая, скоростная передача для ровной дороги и спуска. Маленькая спереди и большая сзади — лёгкая, для крутого подъёма: крутишь часто, но без усилия. Мощность ног одна и та же, передачи лишь меняют, чего будет больше — силы или скорости.

Переключать удобнее на ходу и с ослабленным нажимом на педали: цепи нужно провернуться, чтобы перескочить на соседнюю звезду.

Как устроено колесо и тормоза

Колесо — не сплошной диск, а обод, подвешенный на натянутых спицах к втулке. Спицы работают на растяжение: вес велосипедиста висит на верхних спицах, а не стоит на нижних. Поэтому тонкие спицы держат взрослого человека.

В задней втулке спрятан храповик, или обгонная муфта. Когда крутишь педали, собачки упираются в зубья и передают усилие. Когда перестаёшь крутить, колесо обгоняет звезду, собачки проскакивают по зубьям и трещат. Этот треск при езде накатом слышал каждый.

Тормоза бывают трёх видов:

• Ободные. Колодки зажимают боковины обода. Простые и лёгкие, но в дождь и грязь тормозят хуже, а колодки постепенно стирают и сам обод.
• Дисковые. На втулке стоит металлический диск, его зажимает суппорт. С механическим приводом усилие идёт по тросу, с гидравлическим — по жидкости. Работают одинаково в любую погоду.
• Ножной, во втулке. Педали крутят назад, и внутри втулки колодки распираются в корпус. Такие тормоза стоят на детских и простых городских велосипедах.

Чем отличаются велосипеды

Горный, шоссейный, городской. Горный — широкие колёса с шипами, амортизационная вилка, много лёгких передач. Шоссейный — узкие гладкие покрышки, лёгкая рама, изогнутый руль и длинные тяжёлые передачи для скорости. Городской — прямая посадка, крылья, багажник, защита цепи.

Внешние переключатели и планетарная втулка. Во втулке с планетарным механизмом передачи переключаются шестерёнками внутри корпуса. Грязь и снег ей не страшны, переключать можно даже стоя на месте. Зато передач меньше, чем у внешних переключателей, а втулка тяжелее.

Односкоростной и «фикс». У односкоростного велосипеда одна пара звёзд и нет переключателей, зато есть храповик: можно ехать накатом. У «фикса» храповика нет, звезда жёстко привинчена к втулке, и педали крутятся всё время, пока едет колесо. Затормозить на нём можно, упираясь ногами в педали, но новичку такой велосипед непривычен.

Велосипед, электровелосипед и электросамокат. У электровелосипеда мотор помогает ногам, а трансмиссия остаётся обычной. У самоката мотор стоит прямо в колесе, педалей нет — это другое устройство, оно разобрано в статье об устройстве электросамоката.

Интересные факты

• Почему велосипед не падает на ходу. Равновесие держит в основном сам велосипедист: стоит чуть наклониться, и руки незаметно подворачивают руль в ту же сторону, колёса подъезжают под центр тяжести. Помогает и геометрия вилки: переднее колесо на ходу само стремится встать ровно. На месте этих подруливаний нет, поэтому стоя удержаться трудно.
• Почему на горке цепь соскакивает. Если переключаться под полной нагрузкой, цепь не успевает перейти на звезду и срывается. На подъёме передачу лучше сбросить заранее, до того как стало тяжело.

Что изнашивается и на что смотреть

• Цепь. Шарниры стираются, шаг цепи растёт, она «вытягивается». Вытянутая цепь плохо ложится на зубья и стачивает звёзды, а потом начинает проскакивать под нагрузкой.
• Звёзды. Зубья от износа становятся похожими на акульи плавники. Часто их меняют вместе с цепью.
• Тормозные колодки. Резина стирается, тормоза хватают позже. Колодки меняют, пока не проступил металл, иначе пострадает обод или диск.
• Восьмёрка колеса. Спицы ослабли или погнулись после удара, обод виляет и трёт о колодки. Колесо выравнивают натяжением спиц.
• Люфт каретки или втулок. Подшипники изнашиваются, появляется покачивание и хруст. Износ ускоряют вода и грязь.
• Переключение сбоит. Тросы растягиваются и грязнятся, переключатель перестаёт попадать точно на звезду.

Похожие узлы — сцепление в руке, цепь, звёзды — есть и у мотоцикла, только вместо ног там двигатель; об этом — в статье об устройстве мотоцикла.