兩位搞研究的教授「吵架」(作者註:此處有引號),他倆讓我一個寫手來搞點研究發一篇順滑度(Smoothness)的文章。既然如此,我就來說說順滑度(smoothness)。可能說的不好,大家多擔待。
我們要說的主要是紡車型卷線器(英文:spinning reel),這個類型的卷線器的原理都差不多。大致是三個部分:主體(英文:reel body),轉子(英文:rotor)和線杯。現在主流的紡車型卷線器的剎車都在前方,也就是線杯處,因此我將其算作線杯的一個組成部分了。
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底座的部分,除了固定在杆座的輪腳這個部分,最主要的就是搖把,以及轉向齒輪和主軸(英文:main shaft)。
附著在這3個主要部分的,通常會有各種不同類型的軸承。它們起到了固定傳動裝置的作用,同時它們的潤滑特性也減少了力量的損耗(英文:power loss)。
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上面這個圖片中,你可以看到轉向齒輪附近的兩個軸承(英文:bearing)。
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上面這張圖清晰的表明了11個軸承的分布情況。
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看看這個視頻,對理解帶軸承的紡車型卷線器有幫助。視頻引自YouTube
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我們再來看一個高端的紡車型卷線器:Accurate SR-20
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這是一個全金屬的重型紡車卷線器,它的目標魚是旗魚,金槍魚等等巨物。由於大魚通過魚線傳達回來的拉力非常大,因此對這種卷線器的順滑度有非常高的要求。可以說,這是釣魚運動中的一個極端案例。讓我們來看看SR20的剖面圖。
我們可以大概將這種卷線器分成3部分:外殼(housing),傳動系統,以及前兩者中間的軸承。外殼加上軸承用來固定和保護傳動系統,而傳動系統是整個卷線器的核心。
我說了這麼多,大概的意思是:卷線器越來越成為一個精密的系統,對生產廠家的精密加工設備和工藝有極高的要求。在我看來,卷線器的順滑度主要由傳動系統和軸承決定。
我們嘗試來定義一下順滑度(Smoothness):當使用者搖動卷線器的時候,遭遇到的持續阻力相對比較小而且波動率穩定的程度。
我的定義當中,順滑度由兩個部分組成:
由摩擦力造成的阻力比較小。因此卷線器在使用的過程中,動力損耗(power loss)比較少。
阻力很平穩,波動很小。如果阻力忽高忽低,也不能稱之為順滑。
不順滑的原因
我的本專業不是ME(mechanical engineering,機械工程),因此只能從我不專業的角度來聊一下。如果有專業的朋友看到本文,可以留言給我,方便我改進。
其一:不規則的傳動系統
握把(crank handle),轉向齒輪,主軸,轉子等等部件工作的方式都是轉動。它們的形狀是否規則,以及轉動是否平衡,這非常重要。任何一個組件的不平衡可能會引起搖動阻力的不平穩,甚至會導致卷線器在工作的時候發生抖動。
我來說一個反面的案例。我手上的一個紡車型卷線器每轉一圈,都會周期性的有一個小顛簸。由於我是一個手殘黨人,因此我沒有拆開來看。我猜測是轉向齒輪有一個地方不規則,每次轉到這個地方的時候就會有一個小震動發生。
其二:設計不良或者精度不夠高的軸承
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上面是一個典型的卷線器上使用的軸承(常見的為:深溝球軸承),事實上,這些軸承都非常小。通常這些軸承的組成部分包括:內圈(inner ring),外圈(outer ring),鋼珠(ball),保持架(cage)和防塵罩(shield)。
軸承是一門大學問,我這一片小文很難覆蓋這門學問的冰山一角,不過有些重點的知識點還是可以提出來的。
首先,軸承的主要作用是:降低機械的摩擦。好的軸承更加順滑,摩擦力小,能夠提高機械的運行效率,延長機械的使用壽命,同時故障率也比較低。
精密軸承的標準規定了兩個方面的指標:尺寸精度和旋轉精度。美國軸承製造商協會規定了一個ABEC標準,分為ABEC1,3,5,7,9一共5個等級,標號越高精度越高。
除了軸承精度之外,影響軸承性能的因素還包括:軸承對負載(load)的處理能力,滾珠精度,軸承所使用的材料,材料的洛氏硬度,滾道的拋光程度,潤滑劑等等。
這些因素當中,我們普通釣魚愛好者可能稍微能夠控制的是填充在軸承中的油脂。油脂指的是潤滑油或者潤滑脂,高轉速的軸承一般用潤滑油,低轉速的則用潤滑脂。
最後不得不提到日本,在世界前10大軸承廠商中,日本佔了5家(NSK,NTN,THK,IKO,NACHI),另外有一家瑞典企業(SKF,這是全球最好的軸承生產商),兩家德國企業(FAG,INA),兩家美國企業(TIMKEN,RBC)。中國雖然年產軸承196億套,但是並不能算軸承強國。不管是材料(高強度,高耐磨軸承鋼),或是加工工藝都落後歐美一大截。不管是我國的動車,還是大飛機C919,都離不開進口軸承。
禧瑪諾(Shimano)在它家的高端紡車型卷線器Stella上使用的是高精度軸承(ABEC5和ABEC7),一組14個軸承最貴要價257.54美元。
其三:封閉(Seal)做的不好
密封的目的是什麼?防水,防塵,防沙。我覺得高級的卷線器應該算是一種精密機械,不管是齒輪之間的咬合,還是軸承內部的遊隙,都是經過精密計算的,因此任何外來的固體和液體都會對精密機械造成損傷。
海水鹽度高,而且還常常混雜了細小的沙子。鹽分會腐蝕金屬,而沙子會對精密的部件造成物理損傷。
你可以往上文去找,Accurate SR20這個輪子是全封閉的,不但主體是封閉的,剎車系統(drag)也是封閉的。它所使用的軸承也都是封閉的。
密封的不好的卷線器,不但容易不順滑,時間一長並且沒有妥善保養,很可能整個輪子都會毀壞。
空轉圈數(Free Spin)和順滑度(Smoothness)沒有必然聯繫
關於順滑度(英文:Smoothness)有一個誤區,那就是覺得它與空轉的圈數有某種正相關的聯繫。也就是空轉的圈數越多,卷線器的順滑度越高。
我們這樣說吧,在設計上做出一些修改可以讓紡車型卷線器(英文:spinning reel)空轉的圈數更多。
這樣的修改包括:
使用粘度更低的潤滑油(請注意,粘度高的潤滑油在承壓的時候表現更好)。問題是,在承重的情況下,粘度低的潤滑油會造成更大的摩擦力。
使用比較重的轉子(英文:rotor)和握把(英文:handle)。這樣一來,相同速度下,更重的轉子和握把的慣性更大,因此能轉更多圈。
在傳動系統(各種齒輪,軸)咬合的地方和軸承用比較軟的材料,從而降低摩擦係數。
這些修改都能夠降低空轉的時候的摩擦力。問題來了,一旦卷線器開始承重的時候,這些修改都會讓摩擦力變得更大,而且會引起卷線器內部組件的變形。
事實上,為了應對上了大魚之後依然能夠順滑,禧瑪諾的Stella做了一些必要的加強。比如,齒輪不是切削而成,而是冷鍛製成,這樣一來齒輪的硬度更大。它使用了更粗的主軸,在承壓的時候形變更小。對儘可能多的組件進行封閉(Seal),使用粘度相對更高的潤滑油。懂釣魚的人估計沒有人懷疑Stella的高順滑度,但是它空轉的圈數卻不太理想。
我向多位資深釣友諮詢了他們手上的紡車型卷線器空轉的圈數,數據如下(感謝大家不辭辛苦提供資料):
Van Staal VS系列:小於半圈
Van Staal VR系列:大概2圈
Daiwa Saltiga: 大概5圈
Shimano Stella SW:大概12圈
Shimano Stradic: 大概16圈
Daiwa Certate: 大概9圈
Daiwa Luvias: 大概9圈
我手上有一個全金屬的海水輪子,轉子很重,能轉20圈,而這個輪子比上面7個都更低端。而上面7種硬貨當中,空轉圈數最多的是最便宜的Stradic。
結語
卷線器(英文:Reel)既然是一個精密的機械,因此它的順滑度還需要與設計工作負荷(目標魚的拉力)聯繫起來。上魚之後還能有平穩而且相對較小的摩擦力,才能夠稱之為順滑。