Engranaje de buje

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Dispositivo para cambiar la relación de engranajes en bicicletas

Sturmey-Archer S3X

Un engranaje de buje, buje de engranaje interno, buje de engranaje interno o simplemente buje de engranaje es un engranaje sistema de cambio de relación comúnmente utilizado en bicicletas que se implementa con engranajes planetarios o epicíclicos. Los engranajes y los lubricantes están sellados dentro de la carcasa del engranaje del buje, en contraste con los engranajes del desviador donde los engranajes y el mecanismo están expuestos a los elementos. El cambio de la relación de transmisión se lograba tradicionalmente mediante una palanca de cambios conectada al cubo con un cable Bowden, y las palancas de cambio de estilo de empuñadura giratoria se han vuelto comunes.

Los sistemas de engranajes de buje generalmente tienen una vida útil larga y en gran medida libre de mantenimiento, aunque algunos no son adecuados para un uso de alto estrés en competiciones o condiciones montañosas fuera de la carretera. Muchas bicicletas de cercanías o urbanas, como las bicicletas urbanas europeas, ahora están comúnmente equipadas con bujes de cambio de 7 velocidades y los sistemas de 8 velocidades están cada vez más disponibles. Las bicicletas utilitarias más antiguas o menos costosas a menudo usan cubos de engranajes de 3 velocidades, como en los sistemas de bicicletas compartidas. Muchas bicicletas plegables utilizan bujes de cambio de 3 velocidades. Están disponibles desarrollos modernos con hasta 18 relaciones de transmisión.

Historia

Antes de que los engranajes epicicloidales se usaran en los cubos de las bicicletas, se usaban en los triciclos. Las patentes de cubos epicicloidales datan de mediados de la década de 1880. La primera patente para un engranaje de cubo epicicloidal compacto se otorgó en 1895 al maquinista estadounidense Seward Thomas Johnson de Noblesville, Indiana, EE. UU. Se trataba de un engranaje de 2 velocidades pero no tuvo éxito comercial.

En 1896, William Reilly de Salford, Inglaterra, patentó un buje de dos velocidades que entró en producción en 1898 como 'The Hub'. Fue un gran éxito, permaneciendo en producción durante una década. Rápidamente estableció la practicidad de los engranajes epicicloidales compactos.

Para 1902, Reilly había diseñado un cambio de buje de 3 velocidades. Se separó del fabricante de 'The Hub' pero les había cedido los derechos intelectuales de sus futuros diseños de engranajes. Para evitar este problema, las patentes de 3 velocidades de Reilly se obtuvieron a nombre de su colega, James Archer. Mientras tanto, el conocido periodista e inventor inglés Henry Sturmey también había inventado un buje de 3 velocidades. En 1903, Frank Bowden, jefe de Raleigh Bicycle Company, formó The Three-Speed Gear Syndicate, habiendo obtenido los derechos de las tres velocidades Reilly/Archer y Sturmey. El buje de Reilly entró en producción como el primer Sturmey Archer de 3 velocidades.

En 1902, Mikael Pedersen (quien también produjo la bicicleta Dursley Pedersen) patentó un cambio de buje de 3 velocidades que se produjo en 1903. Se decía que estaba basado en el "eje contrario" principio, pero podría decirse que era un engranaje epicicloidal inusual, en el que se usaba un segundo sol en lugar de una corona. En 1904, Fichtel & La empresa Sachs (Alemania, Schweinfurt) produjo un engranaje de buje bajo licencia de Wanderer y, en 1909, había 14 engranajes de buje de 3 velocidades diferentes en el mercado británico.

En la década de 1930, los engranajes de buje se usaban en bicicletas de todo el mundo. Fueron particularmente populares en el Reino Unido, los Países Bajos, los países de habla alemana y Escandinavia. Desde la década de 1970, se han vuelto mucho menos comunes en los países de habla inglesa, pero en muchas partes del norte de Europa, donde las bicicletas se usan regularmente como transporte diario en lugar de simplemente para el deporte o el ocio, los engranajes de cubo todavía se usan ampliamente. Ahora han comenzado a aparecer los sistemas de cambio más baratos y más fuertes (pero menos confiables), que ofrecen una gama de engranajes más amplia.

En 1987, Sturmey-Archer solo fabricaba cubos de 3 y 5 velocidades, y Fichtel & Sachs y Shimano fabricaron solo bujes de 2 y 3 velocidades. En ese año, se publicó el primer libro (aparte de los manuales de servicio) en unos 80 años que trata únicamente de engranajes epicicloidales para bicicletas. Desde entonces, ha habido un aumento lento pero constante en el interés por los engranajes de cubo, lo que se refleja en la gama más amplia de productos disponibles en la actualidad.

centro de NuVinci

NuVinci internals

En 1995, Sachs presentó Elan, el primer cambio de buje con 12 velocidades y un rango general del 339 %. Tres años más tarde, Rohloff presentó el Speedhub 500/14, un buje de cambio de 14 velocidades y un rango del 526 %, comparable al de un cambio de marchas de 27 velocidades, y además lo suficientemente robusto y ligero para el ciclismo de montaña. En 2007, NuVinci comenzó a fabricar bujes de velocidad ∞ de transmisión continuamente variable ("continuos") para bicicletas urbanas, con un rango creciente de alrededor del 380 % (2016).

A partir de 2008, Sturmey-Archer fabrica bujes de 3, 5 y 8 velocidades, SRAM (sucesor de Fichtel & Sachs) fabrica bujes de 3, 5, 7 y 9 velocidades y Shimano fabrica bujes de 3, 5 y 8 velocidades. 7 y 8 velocidades. En febrero de 2010, Shimano anunció la introducción del Shimano Alfine 700, un modelo de 11 velocidades.

Aunque la mayoría de los sistemas de engranajes de buje utilizan una rueda dentada trasera, el sistema Dual Drive de SRAM combina un buje epicicloidal con un sistema de desviador trasero de varias velocidades para proporcionar una transmisión de amplio rango concentrada en la rueda trasera. En 2010, Canyon presentó el concepto 1.44², un buje híbrido que utiliza una combinación similar de epicíclico/desviador.

Las bicicletas Brompton tienen su propio diseño, con un desviador de dos velocidades acoplado a un buje especial Sturmey-Archer de relación amplia de tres velocidades, el "BWR" (Relación amplia de Brompton). El sistema es útil para bicicletas plegables (en las que un juego de platos y bielas delantero múltiple podría estropear el mecanismo de plegado de la bicicleta), en bicicletas reclinadas y bicicletas de carga (en las que las ruedas pequeñas y/o el peso elevado requieren una gama más amplia de marchas con pasos más pequeños).). En el pasado, los engranajes de buje también se han utilizado en motocicletas, aunque ahora esto es raro.

Principio de funcionamiento

Engranajes epicíclicos como implementados en bicicletas comunes de 3 velocidades: el engranaje del sol (amarillo) se fija, los engranajes de cohetes o el engranaje de anillo (rojo) o la jaula del planeta (verde), y el hub es impulsado por el engranaje de anillo (rojo) o la jaula del planeta (verde), dependiendo del engranaje seleccionado.

Los bujes de 3 velocidades más simples utilizan un único juego de engranajes epicíclicos planetarios. El engranaje solar (en amarillo) está montado sólidamente en el eje y, por lo tanto, está fijo en relación con el cuadro de la bicicleta.

En marcha baja, el cohete conduce el annulus (en rojo), y el portador del planeta (en verde) conduce el centro, dando una reducción de engranajes.
En el engranaje medio, el cohete conduce directamente el centro.
En alta marcha, el cohete conduce el portador del planeta (en verde), y el annulus (en rojo) conduce el concentrador, dando como resultado un aumento de marcha.

El eje del buje de un engranaje de buje (a diferencia del de un sistema de desviador) soportará torsión en todos los engranajes, excepto en la transmisión directa, por lo que debe sujetarse de forma segura contra la rotación. Si bien las arandelas antirrotación entre la puntera y la tuerca del eje a menudo han demostrado ser adecuadas, los sistemas modernos de mayor alcance utilizan un brazo de reacción fijado a la vaina de la cadena. Las ruedas traseras con frenos de tambor (una característica de algunas bicicletas de cercanías) requieren un brazo de reacción de todos modos.

La mayoría de los engranajes de cubo funcionan de manera similar, con un solo giro, gatillo o palanca de cambios manual. Una excepción es el estilo más antiguo de Sturmey-Archer de 5 velocidades, que usaba un segundo cable de cambio para cambiar entre engranajes solares de rango cerrado y ancho, lo que efectivamente brindaba dos cubos de 3 velocidades en una unidad. La marcha intermedia en ambos rangos era de transmisión directa, por lo que había cinco marchas distintas. Podrían controlarse con una palanca de cambios especial de 5 velocidades que operaba ambos cables, o con una palanca de cambios normal de 3 velocidades y una palanca de cambios de fricción.

Ventajas

Los engranajes del Hub están sellados dentro del hub, que los protege del agua, la grit y los impactos. Por lo tanto, los engranajes de hub generalmente requieren menos mantenimiento y pueden ser más fiables con el tiempo que los sistemas de engranajes externos comparables, lo que puede requerir más ajustes y sustitución de piezas (cadenadas frontales, brocas traseras, cadena estrecha de desviador).
Los engranajes del Hub evitan completamente el peligro de colisión con los portavoces y la cola de ruedas que los sistemas de desviador pueden sufrir.
Los engranajes del Hub pueden cambiar la relación de engranaje cuando la rueda trasera no gira. Esto puede ser útil para el ciclismo con paradas frecuentes y para el ciclismo de montaña en terrenos ásperos.
Los engranajes del Hub pueden ser más sencillos de usar para los pilotos sin experiencia, ya que generalmente sólo hay un solo cambiador para operar y no hay ratios de engranajes superpuestos. Por el contrario, los sistemas modernos de desviador a menudo tienen dos cambiadores, y requieren cierta previsión para evitar combinaciones de engranajes problemáticos.
Los engranajes del Hub se pueden fabricar para incluir un freno de la costa (aunque no todos los engranajes del hub están disponibles con frenos de la costa). Esto no es posible con los sistemas de desviador, porque la cadena no puede transmitir un retroceso.
Los engranajes del Hub proporcionan un medio para cambiar las ratios de engranajes en las unidades de transmisión incompatibles con los desviadores externos como las unidades de cinturón y las unidades de eje.
La cadena única permite una cadena de encierro de cadena completa, por lo que la cadena puede ser protegida contra el agua y la grit, y la ropa puede ser protegida contra el contacto con la cadena lubricada.
La cadena única no requiere la cadena para doblar o girar. Como resultado, la cadena se puede construir de forma diferente, con pins paralelos en lugar de en forma de barril. La línea-contacto entre las superficies de rodamiento, en lugar del punto-contacto de una cadena de desviador, amplía enormemente la vida útil de todos los componentes.
En bicicletas con cadenas fijas, no se requiere tensión de cadena, eliminando una parte que podría dañarse en terrenos ásperos, una ventaja para los ciclistas fuera de la carretera. Cuando se requiere un tensor, una jaula corta generalmente es suficiente para tomar la correa de cadena.
El único brote externo significa que la rueda puede tener un centro con más distancia entre sus flancos y construirse sin o mucho menos plato, lo que lo hace lateralmente más fuerte que una rueda similar con brida más estrecha espaciada y más plato para acomodar múltiples brocas. El casco de los centros de engranajes también es a menudo de un diámetro mayor que el de los centros de desviador, lo que significa que los discursos sobre estas ruedas pueden ser más cortos.

Desventajas

Puede ser difícil o imposible seleccionar otro equipo mientras pedalea, porque se requiere una liberación de presión para permitir un cambio en este caso.
La rueda trasera no puede separarse por completo de una bicicleta con engranajes de centro sin desconectar el cable de engranaje (y cualquier pinza de corte) que complica el proceso de sustitución de un tubo interior (por supuesto, se puede parchear un interior sin quitar una rueda).
El engranaje del hub es una parte integral de la rueda y no es posible cambiar la rueda sin cambiar también el engranaje del hub.
Los engranajes del Hub son más complejos y por lo general más difíciles de reparar para el jinete, lo que es casi imposible por la carretera.
Los engranajes del Hub son generalmente más caros que los sistemas de desrailleur (nota: depende de lo que los compara con).
En los niveles de potencia conmutador/recreativo, los engranajes actuales son generalmente alrededor del 10% menos eficientes que los engranajes de desviador razonablemente mantenidos. (nota: algunos materiales de marketing de las pruebas realizadas por los fabricantes tienen el número de 2%, pero eso no es sólo falso, sino imposible. Varias pruebas compararon un nuevo centro de engranaje interno con un sistema de desviador viejo y mal mantenido, o no aplicaron ningún peso en el eje y carga en el sistema. Los números reales son diferentes - la eficiencia/pérdidas están más cerca de la de todas las transmisiones de engranaje planetario.)
Los engranajes del Hub tienden a ser más pesados que los sistemas de desviador con características equivalentes de engranaje, y el peso adicional se concentra en la rueda trasera. Por esta razón, no son una opción primaria para bicicletas de reacondicionamiento en el uso deportivo, ya que el peso extra unsprung puede afectar negativamente la tracción y frenado.
Los engranajes del Hub son generalmente incompatibles con los mecanismos de liberación rápida / ejes de alcantarillado.
A veces es posible seleccionar ningún equipo al cambiar los engranajes con un cable de engranaje mal ajustado, lo que resulta en una pérdida completa de la unidad.

engranajes de concentración en el uso diario

Los engranajes de cubo tradicionales se indexan en la palanca de cambios, lo que hace que el funcionamiento dependa de la tensión del cable correcta (y la lubricación de la misma). En la práctica, el salto de engranaje y el consiguiente daño interno son inusuales, excepto en unidades de alto kilometraje. Las unidades de engranajes de concentrador modernas incorporan la indexación dentro de la unidad y, por lo tanto, no se ven afectadas por el mal funcionamiento del mal funcionamiento de esta manera.

La mayoría de Sturmey-Archer y Fichtel & Sachs "Torpedo" los sistemas tienen por defecto la marcha más alta con el cable flojo, lo que podría hacer que la bicicleta se pueda usar para viajes de larga distancia en terreno llano, incluso si se desarrolla una falla en el mecanismo de cambio. Es más bien como un sistema de desviador, que se puede configurar manualmente en una marcha alta en caso de una falla similar. Sin embargo, los primeros bujes Sturmey-Archer tenían una marcha baja por defecto. Algunos sistemas modernos de engranajes de buje, por ejemplo, Shimano de 7 velocidades, también utilizan por defecto la marcha inferior y, por lo tanto, dependen más de la tracción del cable.

Engranaje híbrido con desviadores

Algunos sistemas combinan bujes con engranajes internos con desviadores externos. Un cubo de rueda libre con una rueda dentada adecuada para cadenas estrechas se puede combinar con un juego de bielas doble o triple y un desviador delantero, para proporcionar un rango más amplio y una relación de transmisión más estrecha. Se necesita un tensor de cadena o un desviador trasero para compensar la holgura de la cadena, y se debe tener cuidado de no apretar demasiado el buje usando una relación plato/piñón demasiado pequeña.

Alternativamente, algunos bujes pueden aceptar dos ruedas dentadas cóncavas, entre las cuales el ciclista puede cambiar con un desviador trasero. La selección cuidadosa de la rueda dentada puede permitir que las relaciones de transmisión disponibles cuando se usa una rueda dentada caigan a mitad de camino entre las disponibles cuando se usa la segunda rueda dentada, lo que proporciona un engranaje de medio paso, como en la bicicleta plegable Brompton de 6 velocidades. Este concepto se utiliza y amplía en el sistema SRAM Dual Drive, donde se monta un casete convencional de varias velocidades en un buje de 3 velocidades. Sturmey Archer fabrica una versión similar del siempre popular buje AW. Este sistema puede ser útil en bicicletas que no acepten un desviador delantero. La empresa alemana Canyon presentó el 144² en 2010, un buje híbrido que utiliza una combinación similar de epicicloidal/desviador.

Cuando se utilizan desviadores tanto delanteros como traseros con un buje de engranajes, el resultado es una transmisión muy amplia, a expensas de un mayor peso y complejidad.

Un uso particular de los sistemas dualdrive es en bicicletas reclinadas donde arrancar desde parado o después de frenar con fuerza es muy difícil si se engrana una marcha alta. En una bicicleta vertical, si se engrana una marcha alta, el ciclista puede usar una pierna para ganar un impulso mínimo y pararse sobre los pedales y usar la parte superior del cuerpo para equilibrar la bicicleta; esto no es posible en una bicicleta reclinada de dos ruedas. Aquí, la configuración dualdrive permite cambiar de marcha en punto muerto oa bajas velocidades, lo que no es posible solo con los cambios de velocidades.

Engranajes de cubo avanzados

Los engranajes de buje avanzados ofrecen una mayor cantidad de engranajes mediante el uso de múltiples engranajes epicicloidales impulsados entre sí. Sus proporciones se eligen para dar engranajes espaciados más uniformemente y un rango total de engranajes más grande. El principio de funcionamiento de estas unidades es el mismo que el de los sistemas menos avanzados, con un gatillo o una palanca de cambios con cambio secuencial.

El Sachs de 12 velocidades Elan fue el primer engranaje con 10 o más velocidades en el mercado (1995-1999). Se consideró pesado y plagado de cuestiones de calidad, y se suspendió después de unos años.
El Rohloff de 14 velocidades Los engranajes Speedhub, introducidos en 1998, tienen un rango superior a 5 a 1, y por lo tanto es comparable en los sistemas de desviador de 24, 27 y 30 velocidades (con 3x8, 3x9 y 3x10 cogs delante y trasero), ya que estos últimos tienen tres rangos de superposición a menudo con sólo unos 14 engranajes distintos. Como no hay solapamiento con el Speedhub, el engranaje del hub tiene sólo dos direcciones de cambio (hasta y hacia abajo), en comparación con los engranajes delanteros y traseros donde se necesitan dos operadores de turno con dos direcciones de cambio para pasar por todos los engranajes.
El engranaje Shimano Alfine 700 de 11 velocidades, introducido en 2010, tiene un rango de engranajes superior a 4 a 1, comparable a 20 velocidades de desviador de propulsión, y los internos que se ejecutan en un baño de aceite, para mayor eficiencia mecánica.
El engranaje Pinion P1.18 tiene un rango de engranajes superior a 6 a 1 (636%), ofreciendo pasos de engranaje de 11,5%. También están disponibles versiones con 12 o 9 equipos.

Galería

Un mecanismo de engranaje para bicicletas Sturmey-Archer AM con el engranaje de anillo eliminado para mostrar el compuesto (ropado) los engranajes del planeta.
Este cinturón en un Trek Soho está equipado con una piñón también.
Desplazador tradicional de 3 velocidades de palanca, este es un cambiador de Sturmey Archer hecho entre 1967 y 1975, falta su aplicación de plástico transparente que muestra el equipo seleccionado y la marca del fabricante.
Un moderno SRAM Spectro S7 cambiador indexado de siete velocidades utiliza el mismo cable inclinado que la palanca anterior.
SRAM Dual Drive combinación de engranajes de desviador y engranaje de hub
Diagrama de corte de centro de 14 velocidades
Rohloff Centro trasero de 14 velocidades
Diagrama de un concentrador de dos velocidades.
Fichtel & Sachs cambia automáticamente el hub de dos velocidades.
Diagrama transversal de un concentrador de dos velocidades Eadie.
Desmontado tricoaster engranaje/centro de freno. El engranaje de sol se une al medio del eje que se encuentra a través del centro superior, los cuatro engranajes del planeta están dispuestos en un cuadrado a la derecha del centro, y el engranaje del anillo es a la derecha superior de ellos.
Vista explotada de un concentrador de tres velocidades Sturmey Archer.
Centro de tres velocidades Shimano.
Rohloff Serie de engranajes planetarios de reducción gradual de 14 velocidades.