Badanie wpływu zużycia łańcucha na obciążenia w przekładni łańcuchowej roweru górskiego

69 Pages·2023·4.717 MB·Polish

by  Piotr Wilewski

Imię i nazwisko studenta: Piotr Wilewski
Nr albumu: 181607
Poziom kształcenia: Studia pierwszego stopnia
Forma studiów: stacjonarne
Kierunek studiów: Mechanika i budowa maszyn
Specjalność: Pojazdy, maszyny robocze i układy napędowe

PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA

Tytuł pracy w języku polskim: Badanie wpływu zużycia łańcucha na obciążenia w przekładni
łańcuchowej roweru górskiego
Tytuł pracy w języku angielskim: Investigation of the influence of chain wear on loads in a chain
transmission of a mountain bike

Opiekun pracy: dr hab. inż. Jacek Łubiński
Streszczenie

Celem niniejszej pracy było sprawdzenie wpływu zużycia napędu na obciążenia
w kasetach rowerów górskich, porównanie pod tym względem napędów o mniejszej i większej
liczbie rzędów a także sprawdzenie zasadności obecnych praktyk serwisowych. Cel ten został
zrealizowany poprzez analizę konstrukcji, badania próbek łańcuchów nowych oraz zużytych,
a następnie stworzenie modeli 3D i analizę metodą elementów skończonych. Niniejsza praca
zawiera szczegółowy opis przeprowadzonych analiz, pomiarów, symulacji i obliczeń
oraz wnioski z wyników badań.
Słowa kluczowe: Napędy łańcuchowe, Przekładnie łańcuchowe, Kasety rowerowe, Rowery
górskie, Podziałka łańcucha, Zmiana podziałki, Metoda elementów skończonych
Dziedzina nauki i techniki, zgodnie z wymogami OECD: Nauki inżynieryjne i techniczne,
Inżynieria mechaniczna

Abstract
The goal of this thesis was to investigate the influence of drivetrain wear on loads o
n mountain bike cassettes, to compare drivetrains with different speed-count and to verify the
justification of current service practices. This goal has been achieved by analysing the chain
design, examination of used and new chain samples, creating 3D models and simulation with
the use of finite element analysis. Hereby work contains a detailed description of conducted
analyses, measurements, simulations, and calculations as well as the conclusions of the study.
Keywords: Chain drives, Chain transmissions, Bicycle cassettes, Mountain bicycles, Chain
pitch, Chain pitch change, Finite element method
Field of science and technology, according to the requirements of the OECD: Engineering
and technology, Mechanical engineering

3
Spis treści

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW .................................................................................... 6
1. WSTĘP I CEL PRACY ....................................................................................................................... 7
1.1 NAPĘDY ŁAŃCUCHOWE W ROWERACH ......................................................................................................... 7
1.2 CEL PRACY .............................................................................................................................................. 7
1.3 METODOLOGIA BADAŃ ............................................................................................................................. 7
2. BADANIA I POMIARY ..................................................................................................................... 8
2.1 ANALIZA KONSTRUKCJI ŁAŃCUCHA ROWEROWEGO ......................................................................................... 8
2.1.1 Normowanie łańcuchów ............................................................................................................. 8
2.1.2 Konstrukcja łańcucha .................................................................................................................. 8
2.2 DOBÓR PRÓBEK DO BADAŃ ........................................................................................................................ 9
2.3 IDENTYFIKACJA MECHANIZMÓW ZUŻYCIA .................................................................................................... 11
2.3.1 Odkształcenie pinów ................................................................................................................. 12
2.3.2 Wycieranie rolek........................................................................................................................ 13
2.3.3 Pozostałe mechanizmy .............................................................................................................. 14
2.4 POMIARY ELEMENTÓW ŁAŃCUCHA ............................................................................................................ 15
2.4.1 Szkic wielkości mierzonych ........................................................................................................ 15
2.4.2 Wyniki pomiarów ...................................................................................................................... 16
2.5 POMIARY PINÓW ZA POMOCĄ PROFILOGRAFU ............................................................................................. 17
2.5.1 Stanowisko pomiarowe ............................................................................................................. 17
2.5.2 Zasada zbierania danych przez profilograf ............................................................................... 18
2.5.3 Pomiary na profilografie ........................................................................................................... 18
2.5.4 Przetworzenie zebranych danych .............................................................................................. 19
2.5.5 Zarysy profili pinów w postaci wykresów .................................................................................. 20
3. MODELE CAD .............................................................................................................................. 24
3.1 MODELE PINÓW ZUŻYTYCH ...................................................................................................................... 24
3.2 MODELE POZOSTAŁYCH ELEMENTÓW ŁAŃCUCHA ......................................................................................... 25
3.3 MODELE KÓŁ ŁAŃCUCHOWYCH................................................................................................................. 26
3.4 MODELE ZŁOŻENIA ................................................................................................................................ 29
3.4.1 Pierwsza wersja złożenia łańcucha ........................................................................................... 29
3.4.2 Druga wersja złożenia ............................................................................................................... 30
4. ANALIZA MES .............................................................................................................................. 31
4.1 ŚRODOWISKO OBLICZENIOWE .................................................................................................................. 31
4.2 USTAWIENIA SYMULACJI ......................................................................................................................... 31
4.2.1 Geometria ................................................................................................................................. 31
4.2.2 Materiały ................................................................................................................................... 32
4.2.3 Ustawienia obliczeń (Analysis settings) .................................................................................... 32
4.3 WARUNKI BRZEGOWE ............................................................................................................................ 33
4.3.1 Utwierdzenie od bębenka piasty ............................................................................................... 33
4.3.2 Przemieszczenie zerowe łańcucha na boki ................................................................................ 34
4.3.3 Utwierdzenie od wózka przerzutki (napędy z łańcuchem nowym) ............................................ 36
4.3.4 Napięcie od wózka przerzutki (napędy z łańcuchem zużytym).................................................. 37
4.3.5 Stopniowe luzowanie łańcucha ................................................................................................. 38
4.3.6 Siła napinająca łańcuch ............................................................................................................. 40
4.3.7 Umocowanie rolek w kierunku ich osi (napędy zużyte) ............................................................. 42
4.4 USTAWIENIA KONTAKTÓW ...................................................................................................................... 43
4.4.1 Rodzaj kontaktów...................................................................................................................... 43
4.4.2 Dodatkowe Powierzchnie kontaktów rolka – koło łańcuchowe ................................................ 44
4.5 USTAWIENIA SIATKI ................................................................................................................................ 46
4.6 ZESTAWIENIE PARAMETRÓW ZADAŃ .......................................................................................................... 50
5. WYNIKI ANALIZY MES ................................................................................................................. 51
5.1 NACISKI ROLEK NA KOŁA ŁAŃCUCHOWE ...................................................................................................... 51
4
5.1.1 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 8-rzędowy nowy .................................................... 51
5.1.2 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 8-rzędowy zużyty ................................................... 53
5.1.3 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 11-rzędowy nowy .................................................. 54
5.1.4 Naciski rolek na koła łańcuchowe – napęd 11-rzędowy zużyty ................................................. 55
5.2 ZESTAWIENIE ŚREDNICH NACISKÓW NA POSZCZEGÓLNYCH ZĘBACH .................................................................. 57
5.3 POŁOŻENIE ROLEK ................................................................................................................................. 59
5.4 PRZEMIESZCZENIA ................................................................................................................................. 61
5.5 ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNE KOŃCÓWEK PINÓW ........................................................................................ 65
6. WNIOSKI ..................................................................................................................................... 66
6.1 PORÓWNANIE NAPĘDÓW NOWYCH I ZUŻYTYCH ........................................................................................... 66
6.1.1 Wartości nacisków .................................................................................................................... 66
6.1.2 Rozkład nacisków ...................................................................................................................... 66
6.2 PORÓWNANIE NAPĘDÓW 8-RZĘDOWYCH I 11-RZĘDOWYCH ........................................................................... 66
6.2.1 Wartości nacisków .................................................................................................................... 66
6.2.2 Rozkład nacisków ...................................................................................................................... 66
6.3 EKSPLOATACJA I WYMIANA CZĘŚCI ............................................................................................................ 66
7. PODSUMOWANIE ........................................................................................................................ 67
8. WYKAZ LITERATURY .................................................................................................................... 68
9. WYKAZ RYSUNKÓW .................................................................................................................... 69
10. WYKAZ TABEL .............................................................................................................................. 70

5
Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów
e – odległość międzyosiowa opisująca wytarcie powierzchni pinów [-]
𝑅 - promień podcięcia na rolkę w kole łańcuchowym [mm]
𝑝
𝐷 - średnica rolki łańcucha 8-rzędowego [mm]
𝑟8
𝐷 - średnica rolki łańcucha 11-rzędowego [mm]
𝑟11
𝐷 - średnica podcięcia na rolkę w kole łańcuchowym łańcucha 8-rzędowego [mm]
𝑘8
𝐷 - średnica podcięcia na rolkę w kole łańcuchowym łańcucha 11-rzędowego [mm]
𝑘11
m
g - przyspieszenie ziemskie 9,81 [ ]
s2
𝐹 - siła nacisku na pedał [N]
𝑝
𝐹 - siła napinająca łańcuch w gałęzi czynnej [N]
𝑛
𝐹 - siła napinająca łańcuch przypadająca na pojedynczą blaszkę ogniwa [N]
𝑏
𝑅 - przybliżony promień koła łańcuchowego czynnego przy mechanizmie korbowym [mm]
𝑚
𝑅 - długość ramienia mechanizmu korbowego [mm]
𝑘

6
1. Wstęp i cel pracy
1.1 Napędy łańcuchowe w rowerach
Napędy łańcuchowe bez wątpienia należą do najpopularniejszych, stosowanych
w dzisiejszych rowerach [1], a dopracowana technologia, obecna już od długiego czasu, jest
szczególnie chętnie wykorzystywana przez producentów w rowerach górskich, gdzie niezbędne
są niezawodność i wytrzymałość. Takie układy napędowe składają się z przednich kół
łańcuchowych czynnych, połączonych z mechanizmem korbowym (nazywanych wbrew
terminologii technicznej zębatkami), łańcucha rolkowego, kół łańcuchowych biernych
mocowanych na piaście tylnego koła, których zestaw nazywany jest kasetą, oraz przerzutek:
tylnej i przedniej (w przypadku więcej niż jednej zębatki) [2].
W ostatnich latach obserwuje się wzrost popularności napędów „1x”, których nazwa
pochodzi od stosowania pojedynczej zębatki z przodu. Rozwiązanie to pozwala
na zmniejszenie liczby elementów napędu (zwiększając niezawodność) i gwarantuje
wystarczający zakres przełożeń pod warunkiem zwiększenia liczby rzędów - liczby kół
łańcuchowych kasety. W napędach z przednią przerzutką, gdzie występują 2 lub 3 zębatki,
liczba rzędów waha się między 6 a 10, podczas gdy w napędach typu 1x są to liczby od 10
do 12 [3].
1.2 Cel pracy
Rozwój napędów w postaci zwiększania liczby rzędów kasety wymusił znaczące
zmniejszenie wymiarów kół łańcuchowych jak i samych łańcuchów, co intuicyjnie powinno mieć
wpływ na ich wytrzymałość. W połączeniu z mniejszymi wymiarami można by sądzić, że napędy
o mniejszych wymiarach i większej liczbie rzędów, powinny być mniej żywotne, a więc
wymagać na przykład częstszej konserwacji. Celem niniejszej pracy jest sprawdzenie wpływu
zużycia napędu na obciążenia w kasetach, porównanie pod tym względem napędów
o mniejszej i większej liczbie rzędów kaset a także sprawdzenie zasadności obecnych praktyk
serwisowych.
1.3 Metodologia badań
W celu sprawdzenia poprawności tezy mówiącej, że napędy o większej liczbie rzędów
są bardziej obciążone niż napędy starszych konstrukcji, przeprowadzono badania. W pierwszej
kolejności przeanalizowana została konstrukcja łańcuchów rowerowych, następnie wybrane
zostały odpowiednie próbki celem zidentyfikowania mechanizmów zużycia. Po wykonaniu
odpowiednich pomiarów i komputerowych modeli trójwymiarowych zespołów napędowych
przeprowadzono analizy wytrzymałościowe metodą elementów skończonych, na podstawie
których wyciągnięto wnioski i sformułowano wskazania dotyczące eksploatacji napędów
w rowerach górskich produkowanych w ostatnich latach.
7
2. Badania i pomiary
2.1 Analiza konstrukcji łańcucha rowerowego
2.1.1 Normowanie łańcuchów
Łańcuchy rowerowe są typowymi łańcuchami rolkowymi, a ich konstrukcja i wymiary
zostały określone w normie ISO 9633:2001. Norma określa ogólną charakterystykę łańcucha,
wymiary oraz siły występujące w łączeniach [4]. Ze względu na fakt, że od 2001 roku
organizacja ISO nie wydała żadnej nowej normy, jest ona stosowana tylko częściowo [5].
Najważniejszym parametrem stosowanym do dzisiaj przez wszystkich producentów jest
podziałka łańcucha ustalona na wymiar 1 cala na każde ogniwo, a więc 0,5 cala (12,7 mm)
między osiami sąsiednich pinów. Na podstawie zmiany podziałki na długości kilku lub więcej
ogniw (zależnie od użytego przymiaru) określa się zużycie łańcucha.
2.1.2 Konstrukcja łańcucha
Wszystkie obecnie stosowane łańcuchy rowerowe składają się z 4 podstawowych
elementów, które wspólnie tworzą jedno ogniwo. Elementami tymi są: blaszka zewnętrzna,
blaszka wewnętrzna, rolka oraz trzpień spinający blaszki [5], który zgodnie z nomenklaturą
branżową w dalszej części pracy będzie określany jako pin. Rysunki 2.1 i 2.2 przedstawiają
złożenie łańcucha oraz poszczególne elementy.
Rys. 2.1. Rysunek złożeniowy łańcucha rowerowego
8
Rys. 2.2. Rysunki poszczególnych elementów łańcucha – numery elementów zgodne z Rys. 2.1.

2.2 Dobór próbek do badań
W celu przeprowadzenia pomiarów i tworzenia modeli 3D wybrano 4 łańcuchy.
Wszystkie pochodziły od jednego producenta, firmy KMC, co miało dodatkową zaletę
uniezależnienia badań od produktów dwóch głównych producentów na rynku, a więc japońskiej
firmy Shimano oraz amerykańskiej firmy SRAM [6] Wybrano dwa łańcuchy 8-rzędowe (model
KMC X8) oraz dwa 11-rzędowe (model KMC X11). Z każdej liczby rzędów jeden łańcuch był
fabrycznie nowy, a drugi zużyty w stopniu wymuszającym wymianę łańcucha, ale nie reszty
napędu zgodnie ze standardowym przymiarem serwisowym. Przyjmuje się, że dla napędów
8-rzędowych (a także 6, 7, 9 i 10-rzędowych) taki stan łańcuch osiąga przy rozciągnięciu 0.75%
(od bazowej długości ogniw dla danego narzędzia) według przymiaru, a dla napędów
11-rzędowych (a także 12-rzędowych) przy 0.50% [7]. Określa się, że jedna kaseta powinna
wystarczyć na zużycie trzech łańcuchów do opisanego wcześniej stopnia zanim zajdzie
potrzeba jej wymiany. [8] Zużycie maksymalne według przymiarów serwisowych oznacza
konieczność wymiany całego napędu, gdyż praca kół łańcuchowych w skrajnych warunkach nie
pozwoli na dotarcie nowego łańcucha. [5] Na rys. 2.3 przedstawiono łańcuchy wybrane jako
próbki do badań. Na rysunku 2.4 zaprezentowano zdjęcie mikroskopowe jednego z łańcuchów.

9
a) b) c) d)
Rys. 2.3. Zdjęcie przedstawiające łańcuchy wybrane jako próbki do badań a) 8-rzędowy nowy
b) 8-rzędowy zużyty c) 11-rzędowy nowy d) 11-rzędowy zużyty

Rys. 2.4. Zdjęcie mikroskopowe przedstawiające fragment łańcucha 11-rzędowego nowego

10
2.3 Identyfikacja mechanizmów zużycia
Na drodze obserwacji rozmontowanych łańcuchów określono 3 główne mechanizmy
zużycia ich elementów. Były to kolejno: odkształcenie się pinów pod wpływem nacisku kołnierzy
blaszek wewnętrznych, wytarcie rolek na skutek współpracy z kołnierzami blaszek
wewnętrznych oraz niszczenie powierzchni płaskich różnych elementów na skutek tarcia
i korozji. Z powyższych mechanizmów dwa pierwsze mają bezpośredni wpływ na rozciągnięcie
łańcucha (zwiększenie jego podziałki) przez powiększenie luzów między częściami. Rysunek
2.5 przedstawia schematycznie te mechanizmy. Ich szczegółowe objaśnienia znajdują się
w kolejnych podpunktach. Ze względu na trudność wykonania szczegółowego pomiaru
podziałki oraz przyjęty standard serwisowania napędów, w dalszej części pracy posłużono
się określeniem procentowego rozciągnięcia łańcucha.
Rys. 2.5. Schemat oddziaływań i mechanizmów zużycia w łańcuchach.

11