# Инженерия покрышек, колёс и трансмиссии · Триатлон, Уровень 8: Эксперт

Триатлон · Уровень 8: Эксперт · Insporta Book (https://book.insporta.app/ru/triathlon/level-8/tyres-wheels-and-drivetrain-engineering/)

Инженерия покрышек, колёс и трансмиссии: 100 фактов, 10 тестов.

Инженерия того, что превращает мощность в скорость: сопротивление качению в числах, давление и вибрация, конструкция и размеры покрышек, ободья и форма покрышки, аэродинамика колёс, цепи и смазка, передачи и ролики, шатуны и механика педалирования, физика торможения и материалы рам.

## Тест 1: Сопротивление качению в числах

- Crr это безразмерное отношение: сила сопротивления равна Crr, умноженному на нормальную нагрузку (масса x g). (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Хорошие гоночные покрышки с камерой и бескамерные покрышки показывают около 0,003-0,004 на гладких барабанах и дорогах. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- 0,004 x 80 x 9,81 x 11,1 m/s это около 35 W. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- 0,001 x 80 x 9,81 x 11,1 это около 8,7 W, поэтому выбор покрышек так важен. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Поскольку сила = Crr x нагрузка, более тяжёлые гонщик и велосипед платят пропорционально больше сопротивления качению. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Шероховатость поверхности заставляет покрышку и велосипед подпрыгивать, добавляя потери энергии, которые не фиксируют тесты на гладком барабане. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Гистерезис резины обычно уменьшается по мере нагрева, поэтому та же покрышка показывает лучший результат в тёплый день. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- При 40 km/h аэродинамическая мощность обычно составляет несколько сотен ватт против нескольких десятков для сопротивления качению. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Аэродинамическая мощность падает как куб скорости, а мощность качения лишь линейно, поэтому качение приобретает вес на малой скорости. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Стальной барабан гладкий и изогнутый, поэтому абсолютные числа отличаются от дорожных, хотя рейтинги покрышек обычно сохраняются. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))

## Тест 2: Давление в покрышке, импеданс и вибрация

- Вибрация, передаваемая в велосипед и гонщику, рассеивается в виде тепла в теле и компонентах. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Ниже точки перелома больше давление снижает потери; выше неё растущие потери на вибрацию делают покрышку медленнее на реальных дорогах. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Точка перелома смещается вниз по мере роста шероховатости поверхности, поэтому самое быстрое давление падает. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Мягкие ткани гасят вибрации, превращая механическую энергию в тепло вместо движения вперёд. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Frank Berto предложил давления, при которых покрышка сжимается примерно на 15% своей высоты под весом гонщика. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Прогиб зависит от нагрузки и давления, поэтому для сохранения той же формы при большей нагрузке нужно большее давление. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Больший объём и ширина пятна контакта позволяют более широкой покрышке нести нагрузку при меньшем давлении и меньшей вибрации. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Обычно около 55-60% нагрузки приходится на заднее колесо, поэтому ему нужно немного больше давления. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- На очень гладкой поверхности точка перелома высока, поэтому потери в каркасе продолжают падать с ростом давления. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Жёсткое, дребезжащее ощущение перекачанной покрышки часто принимают за скорость, хотя реальные потери растут. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))

## Тест 3: Конструкция и размеры покрышек

- Более высокий TPI обычно означает более тонкие нити и более эластичный каркас. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Более тонкие и гибкие каркасы деформируются с меньшими гистерезисными потерями. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Защитные слои делают покрышку жёстче и добавляют резины, поэтому обычно повышают сопротивление качению. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Коды ETRTO указывают ширину покрышки, затем диаметр посадочного места борта; 622 mm это стандартный размер 700c для шоссе. (Источник: ETRTO Standards Manual (2023))
- Первое число это номинальная ширина профиля покрышки. (Источник: ETRTO Standards Manual (2023))
- Фактическая ширина зависит от внутренней ширины обода; современные широкие ободья часто делают так, что покрышка 25 mm измеряется как 27-28 mm. (Источник: ETRTO Standards Manual (2023))
- Бескрюковые ободья ограничены 5 bar, потому что покрышка удерживается без крюка. (Источник: ETRTO Standards Manual (2023))
- Безопасно держатся только покрышки, рассчитанные на бескрюковые борта; другие могут слететь и выйти из строя. (Источник: ETRTO Standards Manual (2023))
- Более мягкие смеси с меньшим гистерезисом могут катиться быстрее и лучше сцепляться, но быстрее изнашиваются. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Покрышки шоссейных велосипедов слишком узкие, чтобы глиссировать по воде на велосипедных скоростях, поэтому протектор мало добавляет сцепления. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))

## Тест 4: Ширина обода и форма покрышки

- Большая внутренняя ширина раздвигает борта, давая более широкий, менее округлый профиль покрышки. (Источник: ETRTO Standards Manual (2023))
- Разработчики колёс обнаружили, что сопротивление растёт, когда покрышка шире обода, поэтому ободья делают чуть шире покрышек. (Источник: Poertner, Zipp wheel design notes (2010-е годы))
- Выпирающая покрышка нарушает плавный переход на обод, особенно при рыскании. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- У более широкой покрышки больше лобовая площадь; соответствующая ширина обода ограничивает потери. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Данные о том, что более широкие покрышки хорошо катятся, привели к более широким ободьям, чтобы формы покрышки и обода аэродинамически сочетались. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Покрышка, намного более широкая, чем обод, плохо поддерживается с боков и может заваливаться или елозить. (Источник: ETRTO Standards Manual (2023))
- Размещение покрышки в пределах внешнего профиля обода помогает потоку воздуха оставаться присоединённым по ободу. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Таблицы ETRTO сопоставляют внутреннюю ширину обода с диапазоном совместимых ширин покрышек. (Источник: ETRTO Standards Manual (2023))
- Покрышка шире обода портит предусмотренный профиль обода, теряя часть аэродинамического преимущества. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Заднее колесо частично защищено рамой и ногами, поэтому переднее получает больше невозмущённого потока. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## Тест 5: Аэродинамика и конструкция колёс

- Относительно воздуха верх колеса движется примерно вдвое быстрее велосипеда, а точка контакта неподвижна. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Поскольку верхние спицы быстро движутся в воздухе, уменьшение их числа и придание им формы снижает сопротивление. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Более высокие ободья сглаживают обтекание колеса и могут создавать при рыскании движущую парусную силу. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Боковая сила на переднем диске создаёт рулевой момент; на заднем она почти не влияет на управление. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Боковая гибкость колёс может вызывать трение о колодки или раму и давать нечёткое ощущение в поворотах или в спринте. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Длительное торможение нагревает обод; углеродная смола и покрышки чувствительны к высоким температурам. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- При постоянной скорости на ровной дороге масса лишь слегка влияет на сопротивление качению. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Неравномерное натяжение тянет обод в сторону или радиально, вызывая биение. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Рейтинги могут меняться местами между малым и большим углом рыскания, поэтому одно число скрывает поведение в реальных условиях. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- При сильном порывистом боковом ветре менее высокий передний обод ограничивает влияние боковой силы на управление, а высокий задний остаётся управляемым. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## Тест 6: Трение цепи и смазка

- Лабораторные испытания измерили КПД цепной передачи до примерно 98,6%. (Источник: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- КПД рос с увеличением звёзд и натяжения цепи; смазка почти не влияла в чистых лабораторных условиях. (Источник: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- В контролируемых чистых условиях смазка почти не влияла на измеряемый результат; реальная грязь меняет картину. (Источник: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- Загрязнение создаёт абразивную пасту в роликах и пальцах, увеличивая трение и износ. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Воск на парафиновой основе притягивает мало грязи и показывает низкое трение, хотя его нужно наносить заново. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Цепи не растягиваются; износ удлиняет шаг, и около 0,5% сигнализирует о замене на многих трансмиссиях. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Удлинённая цепь садится на зубья выше, ускоряя износ дорогих звёзд. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Независимые испытательные стенды приводят цепь с заданными мощностью и скоростью и измеряют потери. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Смазка, быстрая в чистом виде, может плохо работать после загрязнения, поэтому тесты в грязных условиях более реалистичны. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Чистая новая цепь с хорошей смазкой возвращает ватты, потерянные из-за грязи и износа, при небольших затратах. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))

## Тест 7: Передачи, линия цепи и ролики

- Экстремальные сочетания сильно перекашивают цепь, увеличивая трение и износ. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Угол цепи увеличивает трение между пластинами и зубьями звезды. (Источник: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- Меньший изгиб звеньев вокруг более крупных шкивов уменьшает трение, обычно на ватт или два. (Источник: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- 53/11 x около 2,1 m окружности это около 10,1 m за оборот шатуна; 90 оборотов в минуту это около 55 km/h. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Развитие = передаточное число x длина окружности колеса, используется для сравнения передач при разных размерах колёс. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Более крупная звезда позволяет использовать более крупные задние звёзды с более прямой цепью при той же передаче. (Источник: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- Системы 1x упрощают переключение, но растягивают диапазон более широкими ступенями между передаточными числами. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Низкие передачи позволяют гонщикам подниматься сидя на устойчивой частоте вращения и мощности. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Меньшие звёзды сильнее изгибают каждое звено при входе в зацепление, увеличивая потери. (Источник: Spicer et al., J Mech Des 2001)
- Переход на большую звезду выпрямляет цепь и использует более крупные звёзды, уменьшая трение. (Источник: Spicer et al., J Mech Des 2001)

## Тест 8: Длина шатунов и механика педалирования

- В диапазоне 120-220 mm максимальная мощность менялась лишь на несколько процентов, а оптимальная частота вращения подстраивалась под длину шатуна. (Источник: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- Более короткие шатуны уменьшают сгибание бедра в низкой аэродинамической позиции, что может улучшить комфорт и мощность. (Источник: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- Разгибание ноги в нижней точке хода остаётся сходным, только если высота седла увеличивается на величину изменения шатуна. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Скорость стопы по окружности зависит и от оборотов в минуту, и от радиуса шатуна. (Источник: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- Обзоры находят непоследовательные эффекты на мощность и эффективность; некоторым гонщикам они нравятся. (Источник: Leong, Elmer & Martin, J Appl Biomech 2017)
- Q-фактор это боковое расстояние между педалями, влияющее на траекторию колена и комфорт. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Более высокий стек фактически опускает седло относительно стопы, поэтому это нужно учитывать. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Максимальная мощность достигается при сходной скорости педали, поэтому более короткий шатун сдвигает лучшие обороты выше. (Источник: Martin & Spirduso, Eur J Appl Physiol 2001)
- Тензодатчики измеряют крутящий момент; умноженный на угловую скорость, он даёт мощность. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Односторонние измерители предполагают, что обе ноги вносят равный вклад, что верно не для всех. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))

## Тест 9: Физика торможения

- При высоком центре масс перенос веса приводит к тому, что переднее колесо выполняет большую часть торможения, пока не поднимется заднее. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Геометрия ограничивает велосипеды примерно половиной g до опрокидывания через руль, гораздо меньше, чем у автомобилей. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Замедление переносит нагрузку на переднее колесо, повышая его сцепление, пока заднее разгружается. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Роторы остаются чище, а тепло торможения не доходит до обода и покрышки. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Трение превращает кинетическую энергию в тепло, поэтому длинные спуски нагревают тормоза. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Кинетическая энергия, а значит и тормозной путь при заданном замедлении, растёт как v в квадрате. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- У покрышки конечное сцепление; использование его на торможение оставляет меньше на поворот, это «круг трения». (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Перегретые колодки, роторы или жидкость теряют трение или давление, снижая тормозную мощность. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Твёрдое торможение сериями позволяет компонентам остывать между нажатиями и сохраняет сцепление для поворота. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Дотянуться до рычагов на нижней части руля требует времени, поэтому гонщики переходят на нижний хват на технических участках. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))

## Тест 10: Инженерия рамы и компонентов

- Композитные укладки размещают волокна там, где проходят нагрузки, давая высокое отношение жёсткости к весу и свободу конструкции. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Карбон может растрескаться внутри после удара почти без видимых признаков. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Карбон прочен в расчётных направлениях, но уязвим к напряжению зажима; динамометрический ключ предотвращает повреждения. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Скрытые тросики уменьшают открытый турбулентный беспорядок вокруг руля и рулевой трубы. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Проектирование хранилища в форму рамы избегает сопротивления дополнений, размещённых в потоке воздуха. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Расположения в следе гонщика или между руками часто показывают в тестах малое или даже отрицательное изменение сопротивления. (Источник: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- Алюминиевые сплавы доступны и более терпимы к ударам, хотя тяжелее карбона при равной жёсткости. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Рама неподходящего размера ограничивает возможности расположения точек контакта. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Титан обеспечивает долговечность и коррозионную стойкость с податливой ездой, при более высокой цене и весе, чем у карбона. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))
- Скрытые повреждения могут внезапно привести к отказу, поэтому желательна проверка или визуализация специалистом. (Источник: Wilson & Schmidt, Bicycling Science (4-е изд., 2020))

Источники: Рецензируемая литература по спортивной инженерии и физиологии, а для устоявшихся фактов — опубликованные данные испытаний и стандарты

Пройти тесты: https://insporta.app/try?utm_source=book&utm_medium=referral