山地车历史上最重要的专利技术（三）：改良的后变速器

文字：CB 图帝
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USPTO专利号：4,610,644；4,612,004；4,575,365
产品名称：Dura-Ace RD-7400（1985年）；Deore RD-MT-60（1986年）
发明人：长野正士/Shimano
受让人：Shimano
申请日期：1984年2月14日；1984年7月30日；1984年7月30日
核准日期：1986年9月9日；1986年9月16日；1986年3月31日
和电脑CPU类似，后变速器的发展简直可以和山地车的断代史挂钩，从1970年代中期的5速至今，山地车后变速器已经进入了11速和电子变速的时代。


▲现代自行车后变速器的主要构件
与大多数人的想象不同，Shimano并没有发明现代自行车后变速器的主要构件。后变速器的几大件中，导向轮及张力轮结构由法国人Prevel D'arlay在1909年发明，平行四边形结构由三家公司Ghiggini、JIC和Nivex在1937/1938年左右发明，平行四边形机构两端的弹簧负载转点则由法国Simplex公司在1944年发明。


▲1950年的Campagnolo Gran Sport后变速器，导向轮同飞轮的间距随档位变化很大，平行四边形机构两端均为弹簧负载转点
二战后的一大创新来自当时还是日本公司的SunTour。1964年，SunTour发明了倾斜的平行四边形结构，得益于这个结构，后拨可以沿着飞轮呈斜线移动，导向轮和不同大小的飞轮之间基本保持一个固定的距离，提高了运转性能。这项发明在全球广泛申请了专利，此后20年，大部分同行不得不向SunTour购买许可，直到1984年专利到期，友商们解脱。


▲1964年SunTour专利说明书的部分图例，平行四边形机构改为斜置，但下方的弹簧负载转点依然连接在导板中间，不同的链条张力会使导向轮位置绕转点前后移动，造成轮间距变化
也就在1984年，Shimano率先使用计算机程序进行新款后变速器设计，并发现了影响变速性能的两个要素：一是后变速器的导板长度（俗称腿长），与容齿量（牙盘最大齿同飞轮最大齿之和）有关；二是导向轮同飞轮的间距（以下简称轮间距），与换挡效率有关。

借助计算机模拟，Shimano分别根据不同的飞轮和牙盘选择了最合适的导板长度，在导板上增加了防掉链挡板。此外，Shimano围绕轮间距进行了多项优化，首先，改变弹簧负载转点同导板连接的位置，消除链条张力对轮间距的影响；其次，将导向轮设计成可左右略微浮动，以适应倾斜的链线，提升换挡效率并减少噪音；基础的轮间距调整，则交给张力螺丝（B-tension screw）负责，上方转点的负载弹簧被取消。


▲Shimano的4,610,644号专利说明书部分图例，将弹簧负载转点（编号12）的位置放在导向轮之前，消除链条张力对轮间距的影响


▲4,612,004号专利说明书的部分图例，导板上增加了防掉链挡板，并且设计了导向轮轴心与弹簧负载转点重合的结构


▲4,575,365号专利说明书的部分图例，右图是导向轮和弹簧负载转点的剖面图，导向轮可略微左右浮动，张力轮由于不直接参与换挡，仍是固定轴心
同时，Shimano还在换挡拨杆上进行了创新。此前市售的换挡拨杆都是盲操，没有预设挡位，拨杆拉多少，后拨移动多少距离，靠摩擦固定，定位全凭手感，对车手的熟练度要求很高。Shimano在拨杆内设计了一个有孔环形钢片和一个有弹簧支撑的钢珠，拨动拨杆的时候，钢珠嵌入孔位，发出声音，提示已经到了某一挡位，如果要再次换挡，则需要有一定的启动力量将钢珠拨出。类似的结构原理，也运用在避震器阻尼调节旋钮上。


▲两种拨杆轴心剖面图，支撑钢珠的分别是钢片弹簧和线圈弹簧
这套划时代的系统被命名为Shimano Index System（SIS，禧玛诺定位系统），这也是第一套成功的定挡定位变速系统，率先应用SIS的是Dura-Ace RD-7400公路车变速器和Deore RD-MT-60山地车变速器及其配套拨杆，当时搭配的是6速飞轮。对于车手尤其是山地车手来说，换挡时把一切交给机械，不需考虑变速器拉线是否到位，只需专注控制速度和应对障碍，无疑是一大利好。


▲Dura-Ace RD-7400后变速器和配套的SL-7400拨杆（梁变），后辈SL-7402手变在1990年才上市


▲开创山地车系列的Deore RD-MT-60后变速器和SL-MT-60指拨
在随后的发展中，SIS被各品牌所借鉴并继续改良，演变出手变、转把、扳机等多种控制方式和7/8/9/10/11速系统，但万变不离其宗，无一不是基于SIS及其前辈的结构设计。


▲Shimano最新的RD-M9000 11速后拨，无论站在何种高度，仍是传承自SIS及其前辈的结构设计