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Shimano新一代山地车牙盘齿形设计漫谈

Date:16.03.02

by chinabike

图:Shimano
文:CB - 图帝



2012年底SRAM推出单盘系统并大获成功之后,Shimano会如何应对成了关注的焦点,跟进1X11是无悬念的发展方向,大家所揣测的只是实现的方式,其中的一项,便是Shimano会采用何种牙盘齿形来防止脱链,效仿厚薄/宽窄/正负齿(参见不脱链的真相之:正负齿技术)?还是另有高招?


Shimano M9000曲柄和CRM90单盘 ©ridebmc
 
当新一代XTR M9000系列上市,一切尘埃落定。事实证明,新齿形虽然看起来有点拙朴,但防止掉链也的确有一套,因为它是多方案选优的胜者,在它的背后,还有多项被枪毙的设计方案。这一系列设计方案产生于2013-2014年间,向美国专利商标局(USPTO)申请了专利。由于申请文档可公开查询,所以偶尔会被发掘出来,误当做Shimano的“新设计”,为人所津津乐道。当然,也是因为其确实有吸引眼球的资本——脑洞大开。
 
下面,我们就来聊一聊这些有趣的齿形设计。
 
一、夹心正负齿(专利号US9086138)


编号52/72的薄齿,顶端呈“-”形;编号51/71的厚齿,配以开槽,顶端呈“+”形,构成了我们熟悉的正负齿形
 
乍一看简直就是SRAM X-SYNC的翻版,但只是造型相似而已。根据工程师的构想,盘齿的主体采用金属材料(钛合金、钢、铝合金),两边的突起可以采用一整圈碳纤维复合材料或者更轻的金属(如铝合金)以减轻重量。在极度追求轻量的情况下,甚至可以采用轻主体加金属突起的结构,整个齿盘通过黏合或者一体成型制成。


齿盘顶视图和截面图,主体(编号40)和边缘(编号44/46)采用不同材料
 
对于复合盘片技术,虽然Shimano已经驾轻就熟,但相比以往采用金属盘齿和碳纤支架/上链区结构的复合牙盘,以及ICE Technology碟片,夹心齿尖的受力状况要复杂得多,使用寿命和制造成本堪忧,也许这正是方案被毙的主要原因,次要原因大概是外观与SRAM X-SYNC太过相似吧。


更为极端的想法是,每个正齿的异种材料各自独立接合,进一步减轻重量,但可靠性势必进一步降低
 
二、变速正负齿一号(专利公告号US20140038494)
 

方案正面图,齿盘的某些部分减少了正齿的存在
 
虽然目前单盘大行其道,但双/三盘系统因其宽广的齿比范围,对于普通车友仍十分适用。而对于Shimano而言,多年来在前变速系统积累的经验,自然不会因为单盘风潮而轻易放弃,或许正因如此,工程师灵光一闪,想出了既能稳链,又能变速的杂交系统。齿盘的某些部分减少了正齿的存在,并增设了辅助上下链的销钉和开槽。但整个齿盘上,正负齿仍是大多数,再加上前拨具有一定防掉链功能,真要如此造出来的话,只会是一个稳链性能过剩,而变速性能低下的鸡肋产品。


背面设计图中可以看到用于上链的销钉(编号36a/36b)、坡道(编号38)和齿尖开槽(编号32a)
 
三、变速正负齿二号(专利号US9150277)
 

整圈盘齿上,变速齿(编号150)和正负齿(编号151/152)呈四等分
 
这个方案的核心是,正负齿和变速齿的均衡配置。当我们快速通过颠簸路面时,曲柄一般是水平状态,此时对稳链的需求达到最高,而掉链往往产生于齿盘上部,因此在对应的范围必须采用正负齿设计。而当曲柄处于上下死点位置,我们往往正在踩踏,在对应的范围采用变速齿,也是相对合理的考量,变速效率会比前一方案稍高一些。虽然整个齿盘有一半的范围可用于变速,但如果在正负齿区域推动前拨,怎样保证链条不被卡死,也是需要考虑的难题,因此,这个方案仍不现实。


方案还提出了变速齿高于正负齿的想法,进一步防止掉链,但更高的齿尖需要对前拨进行重新设计
 
四、槽形齿
 

侧面看比较正常,编号14是厚齿,编号22(20)是槽形齿
 
这绝对是脑洞最大的一个方案,将薄齿一分为二移到两边,构成凹槽,包裹窄链节,厚齿则正常支撑宽链节,简直是给予全方位防护。但看似稳固的结构却存在多个命门,比如重量、噪音和清洁问题,最为致命的是窄链节在倾斜时很可能会卡上槽齿,直接被拽下牙盘,实际上是一无是处的设计。


厚齿支撑宽链节,凹槽包裹窄链节
 

变种还有双槽、交错槽、单边槽,脑洞之大令人发指
 
 
五、缺牙厚齿(专利公开号20150291255)
 

怪异的缺牙齿盘设计图
 
又是一个大脑洞方案,直接取消了薄齿。虽说只要链板内部与盘齿的间隙足够小,也是可以限制链条倾斜的角度,但是两齿间距太大,掉链的风险肯定要比正常的厚薄齿大得多,尤其是当链条老旧时,其旷量更会放大这一风险。同时,仅有的厚齿也要多承受近一倍的力量,对使用寿命的考验可不轻松。


链条滚圈同齿尖的纵向间隙必须很小,才会有较好的稳链效果
 
事实上,缺牙齿盘并非新鲜事物,它的通称叫One Inch Pitch(一英寸节距)牙盘。这是因为,标准的自行车链条轴心间距是1/2英寸,缺了一颗牙,那么齿尖间距就正好是一英寸。但正因为其稳链效果不佳,所以缺牙齿盘早年只常见在单速车上,现在已经很难见到实物。


中古单速车上的缺牙齿盘 ©Felt
 

2013年底,英国小厂Middleburn也曾尝试过复活缺牙齿盘,他们的负责人表示:“事实证明它行不通——薄齿对于稳链很重要” ©Pinkbike
 
六、高低厚薄齿(专利公开号US20150337934)
 

方案的正面图,看上去萌萌哒
 
这个方案大约是为了减重,而又难以割舍薄齿对链条的引导作用,便将薄齿的高度设计为厚齿的一半,处于链条转子的轴心位置。但问题是,薄齿节省的重量并不会多,踩踏时厚齿却成为受力的主要部位,特别是对于小齿数盘片和铝合金盘片来说,磨损会比较明显。


对于低矮的齿尖来说,传动功能被弱化了
 
另一方面,低齿尖对链条的引导作用也值得质疑,大概是聊胜于无吧。方案同时提出了厚齿的若干变种设计,比如对厚齿的边角做开槽处理,利于排泥并减少同链板的摩擦,这与SRAM X-SYNC的“+”型设计理念是一致的。


方方正正的厚齿并不好用,必须做作开槽和倒角(编号222)
 

弹性厚齿很有创意,目的是为了减少链条对齿尖的冲击,增加使用寿命,反过来说,那就是泄力了
 

对于夹心盘齿,Shimano的工程师仍然念念不忘,这种设计看起来可靠性不错,采用扩散焊或黏合成型,期待未来能够见到实物
 

镂空盘齿的想法相当独到,轻量且酷炫,问题在于是否会对刚性带来负面影响
 
值得一提的是,方案中提到的镂空齿盘曾经短暂地出现在XTR M9000/9020系列实物中。2014年4月11日,Shimano在Sea Otter Classic(海獭单车狂欢节)上召开发布会,首次公布了11速XTR系列产品。当时,所有的单/双盘样品及其官方宣传照都是镂空齿,只有三盘版是实心齿。然而并没有人注意到,单盘样品的齿形与PPT上完全不同。很显然,镂空齿偏尖的造型是为变速设计,并不适用于单盘。


发布会上的单盘实物和PPT,显然差别很大 ©Sicklines
 
现在回头来看,当时Shimano拿出这个样品显得颇为仓促,大概是为了赶着宣传,即便理想的单盘齿形还只是图纸或者工程样品。发布后,Shimano对齿盘进行了重新定型,在下半年正式上市时,便被现在的市售款所全面取代。除了截然不同的单盘,就连双盘也放弃了镂空。然而,至今Shimano各国(地区)官网上XTR系列牙盘的照片仍未更新,依然是昙花一现的镂空款版本,令人费解。


首发宣传照和市售宣传照对比,镂空齿尖被全线取消
 
七、勾型齿(专利公开号20150203173)


所有盘齿的厚度均等,上端明显比较宽大
 
这是最接近市售产品的方案,没有采用厚薄齿的设计,而是转变思路,不依靠厚齿来减少链条倾斜度,改为增加齿尖上端的弧长,来阻挡倾斜的链条,防止其卡入。同时,齿尖的前方呈现略微的勾型,在颠簸路面可以抓住链条,防止其弹起。


编号28的勾爪在实物中被移到了盘齿顶端
 
在M9000的发布会之后,工程样品被安排给Julien Absalon、Dan McConnell、Fabien Giger等多名赞助车手测试,在2014年5月的UCI世界杯捷克站上首度曝光照。而同期交给两位女车手——Catharine Pendrel和Jolanda Neff的测试品则带有一圈碳纤维支架,从外观上看已经很接近市售款。大概是信心不足,所有的测试车手都加装了单盘导链器,与场上的SRAM 1X系列形成有趣的对比。


2015年UCI世界杯捷克站上,男车手们使用的工程样品 ©Pinkbike & Bikerumor
 

女车手们的测试品已经很接近市售款,待遇较高 ©Pinkbike & Bikerumor
 

同期上场测试还有非镂空齿盘的双盘系统
 
上市的实物与专利图稍有不同,但是设计理念都得到了体现,天马行空的想法很难被推向市场,只有实用与均衡才是量产的决定因素。Shimano将这个齿形命名为Dynamic Chain Engagement(动力学链条啮合,DCE),事实证明,钛/钢材质的盘齿非常耐用,稳链效果也值得肯定,Shimano在1X11市场中终于开始发力。


经历一波三折,Shimano DCE(左)终于能与SRAM X-SYNC(右)同场竞技 ©Pinkbike & Chinabike
 
八、回归厚薄齿

时间进入2016年,距SRAM XX1发布已有3年有余,距Shimano M9000发布也已接近2年。围绕单盘系统,整个行业,无数的厂商正在寻求更便宜、更宽泛或更高效的解决方案。当SRAM意图利用NX系列抢占入门市场之时,Shimano也宣布将发售11-46T飞轮对抗SRAM的10-42T,同时还将在XTR和XT上推出新一代的DCE齿形,继续争夺中高端市场。最终,Shimano又回到了厚薄齿开槽的设计。而更劲爆的传言是,对手SRAM已经在准备10-50T的12速系统了,还有单盘无线电变。波澜再起,Shimano在新一轮的概念竞赛中是苦苦追赶还是后来居上,现在还很难说,但可以肯定的是,玩家们又要掏钱了。


不到两年时间,Shimano似乎又否定了之前的单盘齿形,推出了基于厚薄齿的新一代DCE

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