Константин Шемяк: как устроен hyperglide

"Hyperglide" - это особая форма зубцов на звёздах велосипедного привода. Hyperglide-ными могут быть и передние, и задние звёзды. Задние звёзды могут быть установлены на трещотке или на кассете. Далее я буду говорить "кассета", хотя всё сказанное в равной мере применимо и к остальным случаям. Изобретённый термин hyperglide можно было бы перевести на русский, например, как "сверх-скольжение", но это звучит совсем не так загадочно-привлекательно.

На странице про историю Dura-Ace Шелдон Браун сообщает, что Hyperglide был разработан фирмой Shimano и запущен в производство в 1989 году. На этом очень краткий экскурс в историю заканчивается, и я перехожу к практике.

Hyperglide в первую очередь улучшает переключение с меньшей звезды на большую. Переключение на меньшую звезду и так легче - это ещё помнят те, кто в доисторические времена ездил на "Стартах-Шоссе" и "Туристах" с непрерывным (не дискретным) переключением и не-hyperglide-ными звёздами. Чтобы переключиться на меньшую звезду, достаточно сбросить цепь с большей; цепи некуда деваться, кроме как упасть на меньшую. А вот в обратном направлении большая звезда мешает цепи отделиться от меньшей, и вместо переключения часто можно было слышать скрежетание цепи о звезду, на которую ей "не залезть". Как правило, требовалось перевести рычаг переключения (манетку) несколько дальше, чем его новое положение, дождаться, пока цепь перепрыгнет, а затем чуть "подправить" манетку обратно. Особенного умения требовало переключение на самую большую звезду - переведя рычаг "несколько дальше", можно было сбросить цепь совсем!

С изобретением hyperglide-а такого больше делать не нужно. Кроме того, при переключении практически отсутствует скачок цепи: при переключении на большую звезду она зацепляется с большей до того, как отделяется от меньшей.

На фотографии запечатлён момент, когда цепь наполовину перешла на первую (самую большую) звезду со второй, и как раз зацеплена за обе. Не зацеплены ни за одну звезду всего два или три звена.

Hyperglide-ное переключение со второй на первую звезду

Конечно, ничто не даётся бесплатно. Звёзды на Стартах-шоссе "жили" гораздо дольше; а когда они всё-таки стачивались, трещотку можно было разобрать и звёзды перевернуть - начиналась их вторая жизнь. На hyperglide-ных кассетах этого не получится, их посадочные шлицы специально сделаны так, чтобы звезду можно было поставить только одним способом. (Мешающие шлицы можно спилить, но это не решит проблему: обратная сторона зубцов не предназначена для вытягивания цепи вообще, ну и конечно никакого hyperglide-а больше не будет.) Новые звёзды значительно тоньше; здесь hyperglide не при чём, а винить следует тот факт, что их стало слишком много. Но вообще-то основная причина более быстрого износа звёзд - это гораздо меньшая высота зубцов. Раньше зубцы пролезали сквозь цепь, поэтому даже когда они изрядно стачивались, цепь всё ещё не могла начать скакать.

Так в чём же секрет?

Кроме удовлетворения любопытства, ответ на вопрос "как оно работает" поможет разобраться, какие звёзды лучше подойдут на замену. Кассеты обычно продаются целиком, и мне всегда было обидно выбрасывать шесть почти новых звёзд из-за трёх изношенных. К счастью, нашлось место, где звёзды продаются по-отдельности (и не стоят по-отдельности столько же, сколько целая кассета). Кроме замены изношенных звёзд, интересно собирать свои собственные кассеты, как это делает тот же Шелдон Браун. Заменяя одни звёзды на другие, мы почти наверняка потеряем hyperglide - но может быть и нет!

Во-первых, некоторые зубцы имеют специальную форму, а во-вторых, положение звёзд относительно друг друга фиксировано.

Вообще говоря, когда цепь в произвольном месте сталкивается с одной звезды на другую, её звенья совсем не обязательно попадут в точности на новые зубья. Например, на фотографии я пытаюсь "переключить" в наудачу взятом месте, и цепь "стоит" на верхах зубцов:

Цепь сталкивается на новую звезду в произвольном месте.

В конце концов цепь, конечно, нормально зацепится за новую звезду. Но:

В hyperglide-ном приводе таких неприятностей не имеется.

Ключ здесь в том, что на звёздах имеются специальные точки, именно в которых будет происходить переключение.

На фотографии внизу - звезда, со стороны, которая частично видна на кассете (то есть, с правой стороны, если смотреть по ходу велосипеда). Назовём эту сторону лицевой. Самое заметное, что сразу бросается в глаза - пять штампованных углублений. Назовём их ХУ - Хайперглайдные Углубления... или нет, лучше ХВ - Хайперглайдные Впадины.

Я специально выбрал кассету с большими скачками: это восьмерная 11-32. Посмотрим, сколько ХВ имеется на каждой звезде из восьми:

Число зубов	11	12	14	16	18	21	26	32
Число ХВ	0	1	2	2	2	3	5	6

Видите закономерность? (Тест на IQ проходили?) Вот она:

Количество ХВ на каждой звезде равно разности между числом её зубов и числом зубов предыдущей звезды.

Такая закономерность не обязательно имеет место. Изучите кассету на своём велосипеде (снимать её для этого необязательно) - как обстоит дело?

Экспериментально можно установить, что переключение происходит точно там, где находятся ХВ. Для того, чтобы цепь, снявшись с меньшей звезды, тут же зацепилась за зубья большей, нужно, чтобы в точке переключения между зубьями большей и меньшей звёзд было определённое расстояние (приблизительно кратное длине звена). Это хорошо согласуется с теоремой о ХВ! Предположим, вы взяли две звезды с разным числом зубов, совместили их центры, выбрали по одному зубу на обеих и направили их в одну и ту же сторону (например, на 3 часа дня). Сколько ещё пар зубов будет направлено точно в одну сторону? Посмотрите на схему и прочитайте ответ для восемнадцати и двадцати одного зуба.

Схема звёзд с 18 и 21 зубьями: три места, где зубы совпадают

(Эту схему я написал вручную на языке PostScript, если хотите, посмотрите исходный код.)

For a smooth shift, we do not want teeth to "match", but to be spaced with some fixed distance, and sprockets are aligned to achieve that. This does not change the fact that the number of such places is equal to the tooth difference.

Now it is clear that HG dents are exactly the places where the chain is caught by the bigger sprocket. Look at the shape of the HG dent: it repeats the shape of a chain link. So, the job of a HG dent is to let the chain, which is already pressed to the bigger sprocket by the derailer, to move a bit more there. The link which presses the larger sprocket is not engaged with either and hangs in between.

The next link after the pressed one will engage with the bigger sprocket... in 50% of cases.

There are "external" and "internal", or "wide" and "narrow" links in the chain. Either of the two can fall on the HG dent. Let's see what happens:

1) "Narrow" link falls on the HG dent. Then the next wide link engages with the sprocket.

2) "Wide" link falls on the HG dent. The next link is narrow. Narrow link never engages first (previous wide link is still too wide to let it to). It still hangs in the air, and only the second next, again a wide one, engages.

Case 1: narrow link falls on the HD,
next wide link (with "PC48" mark) engages. [wide link falls on HD]

Case 2: wide link (with "PC48" mark) falls on the HD,
second next link (also wide, with "15" mark) engages.

Look now at the rear side of the sprocket. HG dents are not visible now, but you know where they are: there are no holes drilled in teeth with dents (probably because of reliability issues). Notice something special in teeth, which follow them?

Back side of the cog.
Hyperglide dents are under teeth with no hole drilled. [Same, enlarged]

Enlarged view: teeth after HD.
3 next teeth are special.

Sure: after each "HG tooth", there are three thinned teeth. The first one is shaped wedge-like, the next two are just some 0.5mm thinner. (By the way, I do not understand, why there are three of them: in the light of the pictures, only two thinned teeth are needed.)

The teeth of the smaller sprocket must be aligned before HD of the bigger sprocket.

Some questions

1) Some teeth are symmetric, others are somewhat slanted opposite to the rotation of the cassette. In particular, all HD teeth are slanted. What does this accomplish?

Different teeth of two identical cogs are aligned. [Differently shaped teeth]

Same teeth from another perspective.

2) Each tooth before HG dent is wedge-shaped from the front side. I can only imagine that this helps upshift.

3) Are there any provisions on the sprocket to facilitate chain disengaging? I do not immediately see any.

Brand compatibility (does such thing exist?)

Shape of HG dents is different between Shimano and Sram sprockets. (There is no sence to compare Shimano and Campagnolo sprockets, as they can not be mixed by fitting on the same hub.) They differ in shape of other, non-HD teeth as well. These differences are not critical for shifting though. There could be no cross-brand hyperglide at all, if they had different sprocket alignment with respect to the hub - we know that the teeth of the smaller sprocket have to be positioned on a defined distance from the HG dents of the bigger sprocket. Although the two manufacturers do not claim official compatibility, HDs are placed at similar spots in the two Shimano and Sram cassettes I hold in my hands now. If you have two similar-toothed cassettes from the two mainstream manufacturers, please tell me whether it holds in your case.

Speeds compatibility (no, it does not)

Sprocket thickness does not vary terribly much between different speed versions, at least not between adjacent ones. So from the spacing viewpoint, you can safely replace N-speed sprocket with (N +/- 1)-speed sprocket - your derailer will not feel the difference. But sprockets will not necessarily be hyperglide-compatible. There are some which are, but that is a matter of luck. Below are 8-speed and 9-speed 18T sprockets, both from the same sequence 16-18-21, but their teeth do not align at all.

Conclusion (what to look for)

Suppose you want to replace an individual sprocket - because it is weared out and you have a replacement, or because you are building a custom cassette (in which case the new sprocket will have different number of teeth). Now you know what to look for to make the upshift to this new sprocket "full-featured" hyperglide:

Final word (take it all easy)

Remember that people shifted gears without hyperglide for about half a century. So even if your sprockets are not HG-compatible, you'll still be able to shift, although not as smoothly. Maybe you'll need to "overshift" across the non-HG jump; in fact, almost all shifters do overshift the cable a bit when actuated and then release it to the indexed position, so you can just hold the lever until the chain jumps.