จักรยานหลายเกียร์

กำเนิดจักรยาน
จักรยานสองล้อรุ่นแรก ๆ ที่เป็นต้นแบบของจักรยานสองล้อในปัจจุบันมีกำเนิดขึ้นครั้งแรกเมื่อราวปี พ.ศ. 2343 ในปี พ.ศ. 2408 ได้มีการผลิตจักรยาน 2 ล้อ รุ่นหนึ่งซึ่งมีตัวล้อเป็นเหล็ก และมีขอบล้อทำด้วยไม้ กำลังเคลื่อนล้อได้มาจากแรงปั่นด้วยเท้าบนบันไดทั้งสองของรถจักรยาน เหมือนกับในรถสามล้อถีบปัจจุบัน ในช่วงต่อมาได้มีการใช้ล้อทำด้วยยาง และในราวปี พ.ศ. 2423-2433 ขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางล้อหน้าได้ขยายใหญ่ขึ้นถึง 60 นิ้ว ซึ่งทำให้มันสามารถเคลื่อนที่ได้เป็นระยะทางถึง 16 ฟุต ในการปั่นบันไดรถจักรยานให้หมุน 1 รอบ อันมีผลให้มันสามารถวิ่งได้ด้วยความเร็วสูง ทั้งในแนวราบและวิ่งลงเขาแต่สำหรับการขี่ขึ้นทางชันนั้นจะต้องออกแรงเป็นอย่างมาก นอกจากนั้นการที่จุดศูนย์ถ่วงของตัวจักรยานอยู่สูงทำให้มันมีแนวโน้มที่จะพลิกคว่ำหรือเกิดอุบัติเหตุได้โดยง่าย ดังนั้น ในราวปี พ.ศ. 2428 จึงได้มีการผลิตจักรยานรุ่นใหม่ที่มีรูปลักษณะเหมือนจักรยานสมัยใหม่ในปัจจุบัน คือ ล้อทั้งสองมีขนาดเท่ากัน และมีเฟืองที่บันไดรถ เพื่อถ่ายทอดกำลังผ่านโซ่ไปยังล้อหลัง ทำให้เกิดลักษณะการขับขี่มั่นคงกว่าเดิม และยังให้อัตราทดกำลังด้วยการเลือกใช้เฟืองทดกำลังที่เหมาะสมสำหรับขับขี่โดยเฉพาะด้วยความเร็วต่ำแต่เบาแรงกว่าในขณะขี่ขึ้นเขาหรือทางชัน

อัตราทดของเกียร์
ด้านหน้าตรงขาถีบ
รูปที่ 1 โซ่ขับของจักรยานสองล้อชนิดมีเฟืองทดกำลัง โดยล้อหลังนั้น จะมีระบบเฟืองทดกำลังติดตั้งอยู่ ระบบเฟืองชนิดนี้ประกอบด้วยชิ้นส่วนประกอบที่สำคัญคือ ชุดเฟืองซึ่งติดตั้งอยู่กับกลไกซี่เฟืองขับกงล้อหมุนทางเดียว กลไกสำหรับเลือกเปลี่ยนให้โซ่ขับคล้องเข้ากับเฟืองแต่ละตัว และล้อรั้งดึงโซ่ ส่วนทางด้านหน้าของโซ่ขับนั้น จะคล้องอยู่กับชุดเฟืองขับที่อาจจะมีเฟืองอยู่ 2 หรือ 3 ตัว โดยจะรับกำลังขับมาจากแรงปั่นที่กระทำบนบันไดรถจักรยาน ดังนั้น ในตัวอย่างตามที่แสดงในรูปที่ 1 นี้ คือ มีเฟืองขับ 2 ตัว (2ขนาด) และมีเฟืองตามที่ล้อหลัง 5 ตัว (5 ขนาด) ก็จะทำให้ผู้ขับขี่สามารถเลือกอัตราทดกำลังจากแรงปั่นบันไดรถจักรยานสู่ล้อหลังได้ต่าง ๆ กันถึง 10 อัตราทด (เรียกทั่วไปว่า จักรยาน 10 เกียร์) หรือถ้าในกรณีที่มีเฟืองขับเพิ่มเป็น 3 ตัว ก็จะทำให้ได้อัตราทดกำลังทั้งหมด 15 อัตราทด (15 เกียร์) เป็นต้น
ในทุก ๆ อัตราทดที่เลือกใช้นั้นความตึงของโซ่ขับจะถูกรักษาไว้เสมอโดยอาศัยล้อรั้งดึงโซ่ ด้วยแรงสปริงที่ทำงานร่วมกับล้อนำโซ่ ซึ่งเป็นตัวนำให้สายโซ่ขับเปลี่ยนตำแหน่งจากเฟืองตัวหนึ่งสู่อีกตัวหนึ่งได้
กลไกเลือกเปลี่ยนอัตราทด (เกียร์) ที่ล้อหลังซึ่งเป็นตัวควบคุมการทำงานของล้อรั้งดึงโซ่ และล้อนำโซ่นั้น จะถูกควบคุมด้วยก้านมือโยก ซึ่งติดตั้งอยู่บนตัวโครงรถจักรยาน โดยผ่านทางเส้นลวด
การเลือกเปลี่ยนอัตราทด (เกียร์) ของชุดเฟืองที่บันไดรถจักรยานนั้น จะใช้ก้านกระเดื่องนำโซ่เปลี่ยนตำแหน่งของโซ่ขับจากเฟืองตัวหนึ่งไปยังเฟืองอีกตัวหนึ่ง โดยจะถูกควบคุมด้วยก้านมือโยกอีกก้านหนึ่งซึ่งติดตั้งบนตัวโครงจักรยาน ณ ตำแหน่งเดียวกับก้านมือโยกเปลี่ยนอัตราทดของล้อหลังผ่านทางเส้นลวดอีกเส้นหนึ่งต่างหาก


การเปลี่ยนเกียร์ทด  
เมื่อโซ่ขับคล้องอยู่กับเฟืองตัวที่เล็กที่สุดของชุดเฟืองบนกงล้อหลังและเฟืองขับตัวที่ใหญ่ที่สุดนั้น อัตราทดที่ได้จะเหมาะสมที่สุดสำหรับการขับขี่ด้วยความเร็วสูง (เรียกโดยทั่วไปว่าใช้เกียร์สูงสุด) เมื่อผู้ขับขี่ดึงก้านมือโยกที่โครงรถจักรยานสำหรับเลือกเปลี่ยนอัตราทดที่ล้อหลังเส้นลวดจะดึงเปิดกลไกเลือกเปลี่ยนอัตราทดที่ล้อหลังขึ้น กลไกดังกล่าวนี้จะมีลักษณะเป็นกระเดื่อง 4 ชิ้น ติดอยู่ด้วยกัน ซึ่งเมื่อถูกดึงเปิดขึ้นมา จะมีลักษณะเหมือนรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า (รูปที่ 2) ซึ่งการเปิดถ่างออกนี้ จะพาให้โซ่ขับเคลื่อนลงข้างล่างไปทางด้านซ้าย ผู้ขับขี่จึงต้องฝึกฝนการเปลี่ยนอัตราทดให้ชำนาญ คือ จะต้องทราบว่าเมื่อใดที่สายโซ่ขับจะจับคล้องเข้ากับเฟืองตัวที่ต้องการ (ในรูปนี้คือการเปลี่ยนสายโซ่ให้ไปคล้องกับเฟืองตัวใหญ่ที่สุด ซึ่งจะมีผลให้ความเร็วในการหมุนต่ำสุดในขณะที่ได้แรงบิดหมุนล้อหลังสูงที่สุด) การเปลี่ยนไปใช้เฟืองขนาดใหญ่ขึ้นนั้น ทำให้ล้อรั้งดึงโซ่ คลายปล่อยข้อโซ่ที่คล้องสำรองอยู่บนตัวมันออกมาให้แก่เฟืองตัวใหญ่นี้ ผลคือ ชุดล้อรั้งดึงโซ่จะถูกผลักหมุนไปด้านหน้าและเมื่อผู้ขับขี่ทำการเปลี่ยนอัตราทดให้ต่ำลง (ใช้เกียร์สูง) หรือใช้เฟืองขนาดเล็กลง กระบวนการเปลี่ยนอัตราทดก็จะกลับกัน ดังที่กล่าวมาแล้ว
กลไกเลือกเปลี่ยนอัตราทดที่บันไดจักรยานประกอบด้วยก้านกระเดื่องนำโซ่แบบธรรมดา ซึ่งสายโซ่จะร้อยผ่านและชุดกระเดื่อง 4 ชิ้น ซึ่งจะทำหน้าที่เลื่อนก้านมือโยก เส้นลวดก็จะทำการถ่างหรือหุบกระเดื่อง 4 ชิ้น อันเป็นการนำสายโซ่ให้เปลี่ยนจากเฟืองตัวหนึ่งไปสู่เฟืองจะสมบูรณ์เมื่อทำการปั่นบันไดจักรยานต่อไป และเนื่องจากเฟืองตัวใหญ่นั้น ต้องมีข้อโซ่เข้ามาคล้องจำนวนมากกว่าเฟืองตัวเล็ก ดังนั้นการเปลี่ยนมาใช้เฟืองตัวใหญ่จึงมีผลทำให้ชุดล้อรั้งดึงโซ่ที่ล้อหลังถูกผลักหมุนตัวไปด้านหน้า ส่วนในกรณีที่ทำการเปลี่ยนใช้เฟืองตัวเล็กแทนเฟืองตัวใหญ่นั้นกรรมวิธีจะกลับกันกับที่กล่าวมาแล้ว (รูปที่ 3)