Ależ ta piasta się toczy!

Zwykle, gdy zawodnik bierze do rąk piastę rowerową, odruchowo kręci osią, by sprawdzić czy dobrze się toczy (czytaj: jaki opór stawiają łożyska). Kolarze lubią, kiedy w ich rowerze wszystko chodzi gładko, więc wszelkie opory są zjawiskiem wysoce niepożądanym. Żeby jak najmniej pary szło w gwizdek, czyli żeby cała generowana moc została zmieniona w ruch, zawodnik gotów jest nawet uszczuplić budżet na rodzinne wakacje, by kupić najlepsze łożyska do swojego roweru. Po obejrzeniu kilku sugestywnych filmików, na których koło lub korba po lekkim popchnięciu uparcie kręci się przez kilkanaście minut, zawodnik już wie, że najlepszy wybór to ceramika. Czy rzeczywiście ceramiczne łożyska sprawią, że będziesz szybszy? Czy to, jak piasty się toczą w ręku, ma jakiekolwiek przełożenie na jazdę? Prawda jak zwykle jest bardziej trywialna, niż życzyliby sobie tego marketingowcy firm sprzedających kosztowne łożyska ceramiczne.

Budowa łożyska maszynowego

Żeby zrozumieć zagadnienia związane z zastosowanymi w piastach łożyskami, trzeba mieć ogólne pojęcie na temat ich budowy. Łożyska używane w rowerach to najczęściej maszynowe łożyska kulkowe z podwójnymi gumowymi uszczelnieniami. Zbudowane są z dwóch stalowych pierścieni – zewnętrznego i wewnętrznego, wyposażonych w gładkie bieżnie, po których toczą się kulki. Stalowe lub ceramiczne kulki zamknięte są w koszyku, który wykonany jest ze stali lub tworzywa. Koszyk ma za zadanie utrzymywać kulki w stałych odstępach, a gumowe uszczelki, którymi łożyska są osłonięte od zewnątrz, zabezpieczać je przed wodą i zanieczyszczeniami. Uszczelki dzielą się na dwa typy: kontaktowe, które szczelnie przylegają do pierścieni, dzięki czemu lepiej chronią wnętrze łożyska kosztem większego oporu, oraz bezkontaktowe, które stawiają dużo mniejszy opór, ale przy tym gorzej spełniają funkcję ochronną. Z kolei to, czy łożysko jest dobrze uszczelnione, ma bezpośrednie przełożenie na jego trwałość.

Jakie znaczenie dla kolarza ma opór łożysk?

Istnieje pięć głównych sił, które spowalniają kolarza podczas jazdy. Oto one, w kolejności od najbardziej złośliwej, do najmniej istotnej:

• opór aerodynamiczny powodowany przez ruch powietrza;
• grawitacja, kiedy droga prowadzi pod górę;
• bezwładność, kiedy rower rusza lub przyspiesza;
• opory toczenia opon;
• tarcie wewnątrz łożysk.

Podczas jazdy po płaskim terenie z prędkością 40 km/h opór aerodynamiczny stanowi około 90% wszystkich oporów, z którymi mierzy się zawodnik. Z kolei opór toczenia opon jest około 95% większy, niż opór łożysk piast i suportu. Nie trzeba być Euklidesem, żeby oszacować, że opór łożysk ma niewielkie znaczenie dla rzeczonego zawodnika. Zastanówmy się teraz, który element łożysk powoduje największe straty energii. Odpowiedź znajdziecie w grafice poniżej, udostępnionej nam przez Hambiniego (którego blog gorąco polecamy). 

Źródło: https://www.hambini.com/ceramic-bearings-vs-steel-bearings-an-engineering-analysis/

Co wpływa na opór łożysk?

Okazuje się, że za niemal 90% oporu łożysk odpowiadają uszczelnienie i smar. Aby uszczelki dobrze spełniały swoją funkcję, muszą ściśle przylegać do pierścieni łożyska. Smar zmniejsza tarcie pomiędzy kulkami i bieżniami, więc jest niezbędny do prawidłowej pracy. Kosz trzymający kulki również jest koniecznym elementem łożyska, a więc nie mamy wpływu na opór, który generuje. Odkształcenie się bieżni pod wpływem nacisku kulek – dla uproszczenia – także możemy uznać za stałe. I dopiero teraz dochodzimy do momentu, w którym materiał kulek zaczyna mieć znaczenie. Łożyska, które nazywamy ceramicznymi, to tak naprawdę łożyska hybrydowe, posiadające ceramiczne kulki i stalowe bieżnie. A więc wymiana łożysk w rowerze na ceramikę może w najlepszym razie zmniejszyć całkowity opór łożyska w obrębie pozostałych 3%. Niewiele? Na to pytanie każdy musi sobie odpowiedzieć sam.

W naszych piastach oraz przy wymianie stosujemy łożyska TPI z jedną uszczelką kontaktową (pomarańczowa) i jedną bezkontaktową (czarna).

Opór, jaki generują łożyska, może się znacząco różnić w zależności od zastosowanych uszczelnień, gęstości i rodzaju smaru, konstrukcji kosza i materiału, z którego jest wykonany oraz od kilku innych czynników. Na pewno jednak nie ma zależności między jakością łożyska, a oporem jaki stawia – tańsza piasta nie toczy się gorzej. Można nawet zaryzykować stwierdzenie, że jeżeli piasta w ręku kręci się z wyczuwalnym oporem, to znaczy, że łożyska w jej wnętrzu mają dobre, kontaktowe uszczelnienia, a więc jest spora szansa, że dzielnie zniosą duży przebieg.

Montaż łożysk maszynowych

Na opór, jaki stawiają łożyska, wpływ mają jeszcze dwie (dość przyziemne) sprawy. Pierwsza z nich to staranność, z jaką zostały wprasowane do korpusu piasty. Niechlujna instalacja łożysk może bardzo znacząco zwiększyć opór, jaki stawiają, a nawet doprowadzić do ich trwałego uszkodzenia. Wykres poniżej przedstawia porównanie piast pod względem generowanego oporu.

Jak widać, od klasy piasty i jakości samych łożysk ważniejsze jest to, czy łożyska zostały starannie osadzone w korpusie piasty. Precyzyjnie wprasowane zwykłe stalowe łożyska mogą pracować z mniejszym oporem, niż fabrycznie instalowana ceramika w kołach Campagnolo Bora. Wymiana łożysk na te wyższej jakości nie ma sensu, jeśli zostanie przeprowadzona przez niekompetentnego mechanika. Staranne wprasowanie łożysk znacząco wydłuża ich resurs. Koślawo wbite łożyska prawdopodobnie padną dużo szybciej, niż gdyby pracowały w optymalnych warunkach. Właśnie dlatego, aby mieć pełną kontrolę nad wrażliwym procesem instalacji łożysk w korpusach piast i bębenkach, zamawiamy piasty od producenta w częściach i sami je składamy. Dzięki temu mamy pewność, że każde koło, które opuszcza naszą pracownię, toczy się tak, jak powinno.

Kiedy wymienić łożyska maszynowe na nowe?

Drugi, również niezbyt romantyczny czynnik, mający znaczący wpływ na opór, jaki stawiają łożyska, to stan ich zużycia. Łożyska z oznakami wyeksploatowania, takimi jak wyczuwalne lub nawet słyszalne szuranie, niezależnie od tego, z jakich materiałów są wykonane i ile by nie kosztowały, będą generować większy opór niż jakiekolwiek nowe. I tutaj znów tradycyjne stalowe łożyska mają przewagę nad ceramiką – łożyska hybrydowe zużywają się dość szybko. Często już po niewielkim przebiegu twarde ceramiczne kulki uszkadzają dużo bardziej miękkie stalowe bieżnie. W niskiej jakości łożyskach ceramicznych zjawisko to widać już nawet po kilkuset kilometrach. Wykres poniżej przedstawia zmianę oporu łożysk w zależności od ich przebiegu. Jak widać, budżetowe ceramiczne łożysko Enduro tylko przez pierwszych 500 km generuje niższy opór od tradycyjnego stalowego łożyska SKF. Natomiast stalowe NTN praktycznie od początku kręci się z niższym oporem od obu pozostałych.

Czyli łożyska ceramiczne w rowerze - czy warto?

Czytając ten artykuł, możesz odnieść wrażenie, że naszym celem jest zniechęcanie do stosowania łożysk ceramicznych w rowerze. Nic bardziej mylnego. Przede wszystkim zależy nam na tym, żeby zwrócić uwagę na czynniki, które realnie mają wpływ na pracę łożysk w piastach, a także by uczulić Cię na marketingowe brednie, które ochoczo wciskają nam niektóre firmy. Ceramiczne łożyska mogą być niezłym ulepszeniem roweru, pod warunkiem jednak, że są wysokiej jakości i że zostały starannie zainstalowane. Jeśli nadal jesteś zafiksowany na ceramikę, to polecamy łożyska DT Swiss Sinc Ceramic – jest to produkt wysokiej jakości za rozsądną cenę (ten rodzaj łożysk jest montowany fabrycznie w piastach DT Swiss 180). 

Niezależnie od tego, czy w twoim rowerze są łożyska stalowe, czy ceramiczne, pamiętaj, żeby regularnie sprawdzać stan ich zużycia. Aby to zrobić, wystarczy chwycić koło za kapsle i zakręcić nim w ręku. Powinno toczyć się idealnie gładko, bez jakiegokolwiek szurania czy chrobotania. Jeżeli jednak wyczujesz nadmierny opór, wynikający ze zużycia, nie czekaj, tylko oddaj koła na wymianę łożysk do dobrego warsztatu wyposażonego w wysokiej jakości prasę.

Bibliografia:
https://www.hambini.com/testing-to-find-the-fastest-bicycle-wheel-hubs/
https://www.hambini.com/ceramic-bearings-vs-steel-bearings-an-engineering-analysis/
https://books.google.pl/books/about/High_tech_Cycling.html?id=msdT4iQ50cgC&redir_esc=y