Калібраційні тести потужності

Майже "Делоріан" :)

Майже “Делоріан” 🙂

Вже досить давно я мріяв провести тесты на витрату потужності.

Проте це виявилось не надто просто. Проведення тестів потребує кількох етапів, котрі потрібно було осмислити та спланувати алгоритм дослідів.

 

Для чого це потрібно?

                В першу чергу для порівняння різних велосипедів та одного і того ж велосипеда в різних умовах.

Більшість європейських веломобілів тестувались при відомій потужності. Це дозволяє порівнювати їх ефективність. Якщо при одній і тій самі потужності машина “А” має більшу швидкість, ніж машина “Б”, то перша є більш ефективною. Тестуючи машину в зборі ми маємо реальні дані на реальній дорозі в реальних умовах.

Для вирішення задачі потрібно мати:

1 – механічне джерело енергії, витрату якої можна контролювати і підраховувати

2 – спідометр

3 – анемометр

4 – відрізок дороги, що має потрібний профіль і покриття, яке ми хочемо протестувати

5 – відеокамера, що фільмувати показники приладів в реальному часі

 

Для підвищення точності тесту відрізок буде проходитись в двох напрямах. Це дозволить частково компенсувати вплив вітру та знівелювати вплив рел’єфу. При цьому відрізок може мати підйоми. Знаючи середній кут нахилу можна буде порівнювати тестовий відрізок з реальними маршрутами, де ці дані також відомі. А знаючи витрату енергії можна розрахувати і майбутню швидкість. До того ж, випробовування на реальному асфальті також допоможе отримати результат, наближений до дорожніх умов.

Я вирішив використати як джерело енергії електродвигун, бо це найдешевший варіант, потужність якого можна контролювати.   Електричний ватметр коштує в десятки разів дешевше за спеціальний велосипедний, який вимірює потужність, вироблену спортсменом.

Але, електрична потужність і механічна потужність – дуже різні речі. Тому, перш ніж проводити тести, потрібно було визначити, на скільки показники ватметра відрізняються від реальної потужності, що передається машині в підсумку.

Для цього я спланував наступний тест:

               Маємо підйом з середнім нахилом 8.1% і довжиною 310 метрів. Маємо веломобіль вагою 35 кг+13 кг електроустаткування та + 2.7 кг всякої всячини (інструментів), в багажнику. Та маємо рейдера вагою 59 кг. Також маємо калькулятор потужності, в якому можна вибрати один з веломобілів, та вказати, що на ньому стоять широкі шини. І підкорегувати вагу. Калькулятор враховує втрати в трансмісії та опір кочення.

Тестова потужність для початку – 120 ватт. При такій потужності швидкість мала бути близько 4-х км\год. На цій швидкості найбільший опір створює гравітація, яку ми можемо легко порахувати. Опір кочення та аеродинаміка тут маже не впливають. До того ж, в моєму випадку, вітер був ще й попутним, тому під час руху анемометр взагалі показав повний штиль.

Залишилось проїхатись кілька разів, записати показники ватметра, а потім порівняти, на скільки вони відрізняються від теоретичних.

Проведення тестів:

Я планував провести три тести на різній швидкості. 4, 5, і 8 км\год.

Перший тест пройшов без проблем. Я досить точно витримав 4 км\год.

Під час другого тесту виявилось, що мій двигун не в силах тримати 5 км\год на цій дорозі. Так що я просто їхав на максимальній потужності.

Третій тест був повтором першого.

 

Внизу сторінки надам повний текст розрахунків. А для початку коротко результати:

Двигун,як виявилось, має дуже низький ККД. Якщо я не помиляюся, то близько 63%. Тобто з всієї електричної енергії, в механічну перетворюється лише 63%. Втім, тут правильніше буде казати про ККД не самого двигуна, а всієї електричної системи разом із шестернями і першим ступенем ланцюгової.

Хто хоче порозбиратись в математиці, буду вдячний за перевірку підрахунків, які наведені нижче.

Є відео всіх тестів. По відео можна досить точно порахувати час в дорозі, та слідкувати за приладами. Хоча, практичне значення мають лише фінальні показники.

 

У мене вийшло наступне: по середньому результату 3-х тестів

Показник на ватметрі становить 157.83% від реальної потужності.

Максимальна механічна потужність двигуна: 158.39 Ватт, електрична – 250 Ватт.

Я їхав по гравію. В калькуляторі немає гравію. Проте на цей час гравій трохи вологий, тому має найкращу кондицію. Але планую провести аналогічні тести і на асфальті для уточнення результатів.


 

DSCF2451 DSCF2449 DSCF2447 DSCF2446


 

Фізика:

Дано:

Дистанція:     310 м

Нахил:            8.1 %

Вага веломобіля: 50.7 кг

Вага рейдера: 59 кг

Температура: +14


Тест №1. Цільова швидкість: 4 км\год

Час старту: 14.32:11

Час фінішу: 14.36:43

Показник Ватт\годин: 15.0 Wh – по ватметру

Розрахунок тест №1:

Час в дорозі: 4 хв,32 сек (272 сек: 0,075555555555555555555555555555556 години)

Середня швидкість: 1,1397058823529411764705882352941 м\с (4,103 км\год)

Потужність по калькулятору: 120 W (9.066 Wh на час, який тривав тест)

Різниця: 15\9.066*100% = 155.27%

Середня потужність, розрахована з урахуванням ККД: 120*155.27\100=186,324 W

Середня потужність по ватметру: 15\0,075555555555555555555555555555556=198,52 W

Похибка=6%


4_кмч1.AVI_snapshot_07.53_[2016.03.07_20.57.32]


 

Тест№2 Цільова швидкість: 5 км\год

Час старту: 14.43:16

Час фінішу: 14.47:14

Показник Ватт\годин: 14.4 Wh – по ватметру

Розрахунок тест №2:

Час в дорозі: 3 хв, 58 сек (238 сек: 0,066111111111111111111111111111111 години)

Середня швидкість: 1,3025210084033613445378151260504 м\с   (4,689 км\год)

Потужність по калькулятору: 137 ватт (9,05 Wh за час тесту)

Різниця: 14.4\9.05*100% = 159.11%

Середня потужність, розрахована з урахуванням ККД: 137*159.11\100=217,9807 W

Середня потужність по ватметру: 14.4\0,066111111111111111111111111111111=217,81 W

Похибка=0,7 %


 

Тест №3. Цільова швидкість: 4 км\год

Час старту: 14.53:47

Час фінішу: 14.58:24

Показник Ватт\годин: 14.8 Wh – по ватметру

Розрахунок тест №3:

Час в дорозі: 4 хв, 23 сек (263 сек: 0,073055555555555555555555555555556 години)

Середня швидкість: 1,1787072243346007604562737642586 м\с (4,243 км\год)

Потужність по калькулятору: 124 ватт (9.05 Wh за час тесту)

Різниця: 14.4\9.05*100% = 159.11%

Середня потужність, розрахована з урахуванням ККД:  197 W

Середня потужність по ватметру: 14.4/0,073055555555555555555555555555556=197.11 W

Похибка=0,5 %


Середній показник електричної потужності: 157.83% (100% – механічна потужність).

19 коментарів до "Калібраційні тести потужності"

  1. теоретична потужність при нахилі 8,1 % та масі 109,7 кг та часі 272 секунди становить 158,5 ват

  2. morshalov, а як ти рахував? Бо в мене виходить:

    Довжина=310м
    Відсоток набору=8.1

    Вистоа підйому: 310*8.1\100%=25.11 М

    Енергія: E=m*9.81*h

    Е=109.7*9.81*25.11=27022,30227 Дж

    m=109.7

    h=25.11

    P = E\t;

    t=272 с (тест№1)

    27022,30227\272=99,34 Ватт – потужність для подолання самої гравітації

    Розрахував і додав значення похибки до результатів тестів.
    В першому тесті похибка 6%, і це набагато більше, ніж в інших двох тестах. Можливо причина в температурі двигуна, бо в першому тесті він був холодний, але по дорозі розігрівся, а в двох інших його температура була стабільною.

    Двигун той самий, що стояв на “Гармонії”. Колекторний, 24 V, 250 W. Увімкнений через контроллер. Ось відео: https://www.youtube.com/watch?v=jf9e2Il621o

    Доречі, тільки збагнув, можливо в другому тесті просто була занизька передача, тому мотор просто не міг розвити швидкість, більшу за 4.5 км\год. (бо на Гармонії я іноді вижимав з нього і 350 W) Але перемкнути передачу я не ризикнув, бо нагорі мотор вже був досить гарячим після другого тесту. Та й контроллер може просто не давати більшу потужність. На “Гармонії контроллер не стоїть.

  3. Для мене нахил 8.1 % означає , що кут підйому 90град*0,081=7,29 ГРАД, а це кут який лежить навпроти катета, яким і являється висота підйому.

  4. взагалі перепад висоти бажано або по gps або по google erth глянути , можу і помилятися.

  5. Я по google erth І дивився.

    Якщо рахувати по трикутнику, то потрібено використовувати ось цю формулу:
    Fq = m* 9.81 * sinQ

    Це була б сила опроу в ньютонах. А потім, щоб знайти оптужність: P=V*Fq
    Швидкість в метрах на секунду.

    Але я рахував по відстках, а не по сінусу, бо у мене не 8 відсотків рівно, а 8.1%

    На 8% виходить 92W

    Кут при 8% це: 4.3 градуса sin=0,074978726826327700804965020399589

    Відсоток підйому це співвідношення пройденої дистанції до набраної висоти.
    Наприклад, при куті 45 градусів це виглядало б як підйом 100% (скільки вперед, стількиж і вгору)

  6. Так я ж написав! Порівняв фактичну електричну потужність з теоретичною, необхідною для виконання цієї ж роботи.

    Електрична становить 157.83% від механічної.
    Беремо механічну потужність за 100%, тоді, 100\157.83*100=63,359% – енергія, що іде на рух машини. Це і є коефіцієнт корисної дії.

  7. Сьогоднi тестував декiлька програм gps, розрахунок точнiший коли пiдйом затяжний,по висотi gps нажаль не дуже точний. При 100 м дороги вгору +- 10м може бути похибка.

  8. Зранку пробував тести на рівнині. Але був надто сильний вітер, тому результати, поки, що, незрозумілі.
    Ще точно є проблема в контроллері. Він не дає більше 200-т ватт на двигун. Без контроллера, при збільшенні навантаження двигун обертався повільніше, а електрична потужність йшла вгору. А з контроллером він уповільнюється, а потужність, навпаки, падає…
    Доведеться для тестів, де потрібна більша потужність – прибрати контроллер і просто проїхатись на максимумі, а потім перерахувати дані, виходячи з отриманої середньої швидкості.

  9. Розрахунки супер, хоч і трохи важко це все зрозуміти)
    Пробачте, можливо моє запитання трохи не в тему, але цікаво:
    Як вважаєте, чи два передні колеса на 20″ не сильно гірше “їхатимуть” ніж одне більшого діаметру?

  10. Менші колеса точно мають більший опір кочення. Питання втому, НА СКІЛЬКИ. Це я маю дослідити, коли зроблю стенд для випробування коліс. Поки що діло трошки зауксувало, тому я переключився на ходові тести. Але, в підсумку, коли будуть проведені всі тести, можна буде біль-менш точно сказати, на скільки впливає тип покришки і розмір колеса на його опір кочення. При чому на різних поверхнях.
    Після тестів коліс можна буде відокремити опір кочення від загального опору руху при ходових тестах. Таким чином можна розрахувати і аеродинамічний опір, знаючи лобову площу.

    Це дозволить робити висновки для проектування майбутньої техніки, з урахуванням умов її роботи.

  11. маю чималий досвід використання на вертикальному велосипеді широких покришок 29*2,35 . планую використати їх на лигераді(зпереду 20*2,25).Вони мені дуже подобаються. Заодно побачу різницю в їзді….

  12. Врядли калькулятор учитывал качество покрытия, а точнее его отсутсвие. Грунтовка камешки ямки тряска сильно влияют, и хочется реальных измерений высоты с точностю до 10см. Гладкий асфальт конечно уместнее. И не забывайте кпд двигателя резко меняется в зависимости от режима работы. Когда движку тяжело или легко кпд плохой, надо найти золотую середину по нагрузке и скорости вращения и потребляемому току. Тоесть точны подбор передачи и…

  13. Це так, може він на неоптимальних обертах працював.

  14. Я згоден. Найркщим варіантом було б побудувати графік ККД, а потім, в залежності від значення, робити змінну поправку. Але, тести показали майже однаковий середній ККД на двох різних режимах роботи.

    На холостому ходу мотор жере цілих 35 ватт. Тому, при малому навантаженні він, знову ж таки, завищує показники потужності.

    При проведенні тестів на рівнині я стараюсь нагружати мотор на ту саму потужність, що і в калібраційних тестах.

    Асфальтній підйом, звісно, був би краще. Але до нього далеко їхати.

Залишити відповідь