Hyperglide+技术？禧玛诺新一代飞轮的齿形浅析

新一代禧玛诺公路顶级套件R9250/9270的发布后，这其中有一个演示后拨变速的视频更是得到了很高的关注度，但是，对于视频里演示的快速连续换挡而言，其实并没有得益于HG+（Hyperglide+）技术，而更多的是后拨上的机械结构和驱动逻辑上的改进。在解释为什么这么说之前，首先要科普一下飞轮上的变速结构是怎么回事：

“让位槽也被统称为“shift gate”，在英文语境里这个称呼还挺形象的，但是翻译过来感觉就不太对，可能叫“变速窗口”会比较合理一些？”

排除开形形色色的不同齿形之外（这些齿形的功能后面会提到），hyperglide飞轮最主要的特征就是三个：升档让位槽、降档让位槽、关键导向齿（名字按我自己习惯来起的，shimano官方应该不是这么叫的，这不重要，理解意思就行了）。可以看到同一片齿片上的让位槽和导向齿的总是成组出现的，并且在不同齿数上，让位槽和导向齿的组数也不一样。这个组数，其实完全等于相邻两片齿片的齿数差，比如说，如果飞轮上16t的下一片齿是18t，那么16t上面的让位槽和导向齿组数就为2（对于齿数差过大的飞轮片而言组数也可能会减半，比如说46t-52t的组合，46t上一般只有三组让位槽）。

为什么让位槽的组数会取决于齿数差？因为对于相邻两片齿片而言，合适的链条过渡位置的数目只等于齿数差，链条只有在这个位置上，才能顺利地从一片齿片上移动到另一片齿片上，如果在不合适的位置上换位，那么链条将不能刚好卡进下一档的齿槽中——因为链条的节间距是一个固定的数字——1/2英寸（12.7mm），而相邻齿片的错位角也是固定的，几何上能够匹配上的位置，就是只有齿数差个。

“这也是为什么随意混搭飞轮齿片会导致变速不顺畅的原因……因为不同齿比的飞轮，即使是同一齿数的齿片，也是完全不同的东西——比如一个飞轮的齿数里面有16和18t，另一个的有16和17t，那么这两个飞轮的16t齿片造型就是不同的，不能混用。”

这意味着，所谓的变速速度，其实不是一个可以通过技术进步而改变的数字，它只取决于齿数差和当前飞轮转速（也就是车轮转速了）。比如说，如果当前自行车的前进速度为10m/s，骑手把链条从16t换挡到18t上，那么可以计算得，链条经过让位槽的频率为9.39次/每秒（怎么算出来的？留个小习题……）那么，这次变速经历的时间就是0—0.1065s中间的任意一个时间，如果你在这个齿数、这个转速上进行无限次换挡，那么你的平均换挡时间就无限接近于0.05325秒这个数。（为什么是平均换挡时间，而不是每一次换挡？继续留个小习题……）

这个数字，就是所谓的变速速度在这个齿数、这个转速下不可逾越的物理极限。

注意图中导向齿起到的作用

对于shimano的变速系统而言，因为链条、飞轮和后拨的换挡结构如此的高效，以至于基本上每次按下换挡按钮，链条都能迅速地从经过的接下来一组让位槽顺利地发生变速，这是早在7700时代就能实现的事情，因为原有的Hyperglide齿形如此高效，事实上从9速时代到11速时代，shimano飞轮的齿形都没有发生本质上的变化，有的只是各种微调和优化形状，让换挡成功率更高一点儿、换挡震动减少一点儿而已。所以所谓变速速度，其实从来就没有发生过变化。

但是，以上情况，截至到HG+技术诞生之前，其实都仅限于降档的时候（从小齿片换到大齿片）。因为后拨结构的原因，当后拨从大齿片移动到小齿片的时候，其实是一个释放弹簧应力的过程，因此无论是机械变速还是电子变速，后拨导板往右移动都要比往左移动更为有力得多。

这就导致，尽管飞轮上在理论最佳的升档位置上有让位槽，但是实际上，在任何一个位置上，链条都能被后拨拉着脱开大齿片、向小齿片上滑落。这意味着，Hyperglide技术其实是一个“半吊子”的定点变速技术，它只能够在降档的时候实现在飞轮的最佳相位角上换挡，而在升档的时候却不能。当链条在不合适的相位角上滑落时，由于链条和小齿片存在错位，链条并不能即时卡进齿槽内，而是会发生跳动和滑动，从而导致动力传输的显著断层。这也是为什么现在的变速系统在升档的时候，脚下都会感觉有一个明显的“空了一下“的感觉。

注意图中导向齿起到的作用

而这种情况，从M9100和R9200时代开始被彻底改变了：Hyperglide+技术，通过一系列的齿形变化，终于实现了升档的定点变速。怎么实现的呢？让我通过一系列图片来说明（由于笔者并没有渠道获得新款的DA套件，所以演示全部拿最新一代的SLX飞轮进行）。

首先第一点改变是，HG+飞轮的齿片厚度加厚了，在飞轮转速最低、齿差最大（也就顿挫感最明显）、最需要实现定点变速的最大三片齿片上，shimano把齿片厚度从1.6mm改厚到2.0mm，再加上链条宽度的变窄（从11速的5.9mm变成12速的5.5mm），链条在这些齿片上能够发生的横向弯曲量要比11速飞轮上小得多：

第二点，shimano在所有的非变速位齿尖的背面，都增加了一个面向转动方向的斜角：

这个是一个新增的特征，在HG飞轮上是没有的

当链条在这些位置上受到后拨的侧向牵拉时，由于这个导向角的存在，链条会被引导回原齿片，而相当难被掰到小齿片上：

而在合适的相位角上，则在相邻的三个齿尖上切出了升档让位槽（对于小一些的齿片而言，是两个齿尖），对应三种不同的链条掉落位置：

只有在这些位置上，链条才能顺利滑落，并且无顿挫地卡进小齿片上。

第三点，由于齿片的加厚，在齿片的正面切出了一个避让区域，让链条能够无阻碍地滑落，这个特征和链条的倾斜角度是正好匹配的：

链条和齿片避让槽逐渐贴合的过程演示

这三个特征组合在一起，便构成了HG+技术的全部。如果说1989年就出现的HG技术实现了链条在降档时候的定点变速，那么2019年出现的HG+技术，才实现了链条在升档时候的定点变速。这中间相隔了整整30年，个中原因，恐怕并不是什么技术限制，而更多是因为随着速比的增加，链条在逐渐变窄、每档的后拨横移量也在逐渐变小，才让以上描述的这些结构变得有意义——对于低速比而言，后拨横移量过大，所以链条总是能被牵拉到超越齿形的限制而滑入小齿片上，因此在8、9、10速上去做升档定点变速并无意义。

通过齿尖斜角去让链条在不正确的相位上避免滑入相邻齿片，这项技术，其实并不是什么新玩意，事实上早在7700时代，齿片正面上已经是具有相似意义的导向特征了：

从这个意义上来说，HG+其实并不是一个灵光一现的创新技术，而更像是一项因为速比增加、链条变薄这些前提条件而顺势产生的技术。

顺带一提，HG+飞轮齿片正面的升档避让位旁边，还有一个作用有点儿隐蔽的避让位：

当链条从齿片1降档到齿片2的时候，由于12速链条的横向弯曲量变小，链条会剐蹭到比齿片2更大一级的齿片3。而齿片3正面的这个区域做的避让位，正好可以避免发生这个剐蹭。这个变化其实并不大，甚至可以说就算没有也不影响使用，只是有的话可以避免一些齿片表面的磨损痕迹而已。从这点也可以看到，shimano在做飞轮的齿形结构的时候，是多么的尽善尽美。

既然HG+技术的本质是为了实现升档定点变速从而降低变速顿挫感，而和变速速度无关（事实上还降低了升档速度……因为本来链条可以在任意一个位置滑落……现在一圈只有几个点可以滑落了），那么那个丝滑的变速动作是什么回事呢？在没拿到套件实物，只能大概猜测一下：

RD9200的后拨相比RD9100后拨的，电机模组的出力要更大，从而允许更快更有力的推动链条横向移动。从后拨轻微增加的重量上也能看出来一点端倪：

电机体积似乎增大了一点儿？

这么快的推动速度背后的激进驱动策略，说明了shimano对于自家后拨结构的高度自信：相比起竞争对手的电机系统，shimano为了提高电机模组的功率重量比、减少电机启动和停止惯性，用了一个空心杯电机来取代无刷电机，并带动一个6XX：1的传动比的减速箱放大电机的扭矩、驱动后拨。如果读者们摸过之前在展会上出现的一些中国和中国台湾产的电变系统的话，应该也感觉到这些系统的后拨连续变速的能力远不如shimano快速，这就是因为电机模组的推动力参数和启动惯性参数不如shimano的缘故。这基本就是衡量一个电变后拨的性能的基本参数，而RD9200可能更进一步地把这个差距拉大了。对于任何想去在电子变速领域有所突破的国产厂商而言，要翻越的高峰现在变得更高了。

9100后拨里实现闭环控制用途的磁编码器

“对于跨越多个挡位的变档动作而言，后拨会直接克服齿形倒角和让位槽的限制，而直接把链条拉到目的齿片。这个时候谈论飞轮上的齿形设计是无意义的——能用多快的速度移动到位只取决于后拨有多大的力量”

最后，文末还要提及一下sram……sram axs 12速飞轮齿片背面的升档槽，虽然也是三个避让位，但是不仅链条阻力相当大，并且还有两个位置链条无法顺利对位上小齿片的齿槽：

三个让位特征对应的三种链条滑落状态。注意的是第一和第二种情况，链条被顶起太多了导致无法正确对上小齿片的齿槽……

这不仅意味着sram飞轮的变速阻力较大、噪音明显，并且还会导致齿片和链条的磨损加剧。虽然说可能磨损后的形状，可能变速就更加顺畅了（嗯？这就是传说中的磨合喽？）

最后补充一下，shimano的解析视频里，变速时间的定义是从链条遇到变速点开始、到完全滑入下一级齿片结束的，而我上文提及的变速时间，是从用户按下控制按钮开始、到链条遇上第一个变速点所经历的时间。这两者并不是一回事。在绝大多数时候，用户所感知到的变速时长，是从按下按钮、到链条滑入下一级齿片结束的，也就是以上两者总和。这个时长对于降档而言，从HG技术出现之后就只取决于飞轮转速和齿数差，而升档则是因为链条会发生错位滑动从而在一个比较大的时间范围内波动。直到HG+技术出现，才让升档变成和降档一样，只取决于飞轮转速和齿数差。

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