Стенд для вивчення опору кочення

DSCF2766

Схоже, що більшість останніх моїх публікації починаються фразую «нарешті я зробив…»

 

 

Ну так от, маю перші результати пробних запусків стенду для випробування коліс.  Стенд виявився трохи складнішим, ніж я уявляв, і зараз він ще не дає тої точності, яку б я хотів отримати в підсумку.  Зараз тільки вчусь працювати з ним, коли розумію, як покращити – то роблю відповідні зміни.  Заняття це надзвичайно цікаве і забирає багато часу, але, нажаль, це неоплачувана робота, тому рано чи пізно мені доведеться її перервати.


 

3D


Тепер детальніше про мету цих дослідів, а також трохи теорії:

Спершу скажу, що наявної інформації стосовно опору кочення велосипедних коліс практично немає. Максимум, що можна знайти, це якісь умовні коефіцієнти опору кочення, які, по суті, являють собою «сферичних коней у вакуумі» і мають дуже сумнівне відношення до реального стану речей.

А потім мені показали ось цей сайт: http://www.bicyclerollingresistance.com/,  повністю присвячений тестуванню покришок! Добре, тепер є з чим порівнювати.

 

Якщо стосовно опору кочення теоретичної велосипедної покришки ще є хоч якісь відомості, то про вплив грубого асфальту взагалі немає ніякої інформації. Це мене дивує, невже люди думають, що велосипедне колесо однаково котиться по гладенькому асфальту, і по пародії на асфальт, з якої стирчать боками каменюки по 4 см довжиною?  Тут ясно, що має бути різниця, проте, чомусь, ніхто не додумався провести досліди.


 

DSCF2592


Також, мабуть, всі чули, що колесо на 29 дюймів це, ну просто супер-пупер, в порівнянні навіть з колесом на 26 дюймів.  Знаючи, як багато міфів у велосипедній темі (а воно і не дивно, бо суб’єктивна складова часто є основним показником того, як їде велосипед), я вирішив розробити серію дослідів, які допоможуть чітко відповісти на такі питання:

1 – які колеса краще їдуть, та по якій поверхні;

2 – залежність (або її відсутність) між ціною покришки та її опором кочення;

3 – детально дослідити вплив поганого асфальту та виявити конфігурацію коліс, які найкраще себе покажуть в таких умовах ( є припущення, що опір кочення на поганому асфальті зростає не пропорційно швидкості, а має якісь зони резонансу, так би мовити, бар’єри).

4 – дослідити залежність опору кочення на різній поверхні в залежності від навантаження на колесо (можливо є сенс ставити більше коліс, але грузити їх менше).


Теорія:

       Уважні читачі можуть задати справедливе питання: як порівняння на круглому барабані може бути коректним, якщо реальне колесо їде по площині?  Я також думав над цим. Мало того, я навіть трошки вивчив цей аспект – провів порівняння форми та площі плями контакту в залежності від діаметру барабану, тиску в колесі, та якості поверхні, на яку спирається колесо.  Попутно виявились дуже цікаві факти стосовно впливу діаметру колеса на пляму контакту.

Патна4_2 Патна5 Патна6 Патна7 Пятна_разных_колёс


Барабан малого діаметру дійсно зменшує вплив діаметру самого колеса на форму плями, але, що було для мене несподіванкою, плями контакту коліс однакової ширини, з однаковим тиском, але різного діаметру, відрізняються дуже мало. Наприклад різниця в довжині плями у коліс 20 та 29 дюймів всього 9%.  Ближчі діаметри відрізняються ще  менше.

Другий аспект у тому, що барабан не знищує цю різницю повністю. Так, барабан діаметром 1,2 метри зберігає різницю в довжині плям вищевказаних коліс нарівні 6%. Мій барабан всього 0.28 метра, але на ньому різниця тих самих плям становить 3%.  Тобто, якщо форма плями має суттєвий вплив, то це покажуть результати дослідів.   При тому, звісно, більше колесо має легше проходити нерівності на зразок ям або коренів поперек дороги.  Навряд чи це можна дослідити на моєму стенді.

 

Пятна_барабаны_нахлёст


Загалом, опір кочення колеса має такі складові:

1 – опір в підшипниках;

2 – опір від згинання гуми покришки в зоні контакту та навколо неї;

3 – опір від подолання перешкод, які піднімають і опускають колесо;

В свою чергу ці складові змінюються в залежності від:

1 – швидкості руху (більше обертів в підшипниках, частіше  деформується гума в місці контакту)

2 – висоти перешкод та характеру поверхні. Справа в тому, що на грубому асфальті пляма контакту сильно змінюється,  розбиваючись на багато менших плям. При цьому кожна з таких плям має прогнутість всередину колеса. Так сумарна енергія, що витрачається на деформування гуми, стає більше; Якщо ширина покришки мала, то вона починає пірнати між камінцями;

3 – навантаження. Навантаження впливає як на деформацію гуми, збільшуючи її амплітуду (на рівній поверхні пляма контакту стає більше, на кривій гума сильніше провалюється між точками опори), так і на мікродеформації в підшипниках, що збільшує їх опір кочення.

4 – Тиск в шині. Тиск напряму впливає як на амплітуду деформації, так і на розмір плями контакту.

Відбиток шосейного колеса з тиском 7 бар при навантаженні 60 кг

Відбиток шосейного колеса з тиском 7 бар при навантаженні 60 кг

Відбитки колеса при різному тиску та навантаженні 60 кг на рівній поверхні

Відбитки колеса при різному тиску та навантаженні 60 кг на рівній поверхні

Відбитки того ж колеса при тиску 7 бар на асфальті різної зернистості. Навантаження: 60 кг

Відбитки того ж колеса при тиску 7 бар на асфальті різної зернистості. Навантаження: 60 кг

Відбитки колеса при тиску 4.5 бар на асфальті різної зернистості. Навантаження: 60 кг

Відбитки колеса при тиску 4.5 бар на асфальті різної зернистості.
Навантаження: 60 кг

Відбитки колеса при тиску 2.5 бар на асфальті різної зернистості. Навантаження: 60 кг

Відбитки колеса при тиску 2.5 бар на асфальті різної зернистості.
Навантаження: 60 кг

Рельєфний показ того, як колесо спирається на камінчики асфальту. Навантаження: 60 кг

Рельєфний показ того, як колесо спирається на камінчики асфальту.
Навантаження: 60 кг


Про діаметр маю сказати окремо. Незважаючи на те, що в класичній фізиці опір кочення прямо залежить від діаметру тіла, що котиться,  роль діаметру колеса з пневматичною шиною значно менша. В класичній фізиці розглядається варіант, коли тіло і поверхня деформуються взаємно. І тут площа опори напряму залежить від діаметру. А від площі опори залежить тиск на одиницю площі, що і впливає на опір кочення.   З пневматичною шиною все інакше.  Тут площа опори залежить виключно від навантаження та тиску в шині. А діаметр колеса впливає лише на форму плями контакту, і не впливає на її площу.  Тому залишається лише аспект подолання перешкод, що менш актуально для асфальтної дороги (звісно, якщо оминати ями), і більш актуально для лісових  земляних доріг. Тому реклама коліс на 29 дюймів може мати сенс, але не для асфальту. Хоча, звісно, подивимось, що покажуть досліди.

Розмір плями контакту на рівній поверхні залежить майже повністю від навантаження та тиску в шині.  Я приблизно підрахував цю залежність:

12 мм2\кг при 7 bar
18.3 мм2\кг при 4.5 bar
32.32 мм2\кг при 2.5 bar


 

Реалізація:

Основа стенду – барабан, зроблений з газового балону. Балон не абсолютно рівний, але має досить рівні зони на краях, які можна використати для імітації  ідеальних умов.  Інша поверхня менш кругла, і вона імітує хвилі і нерівності на дорозі, що дуже схоже на те, що ми маємо в реальності.  Імітація грубого асфальту буде здійснена за рахунок додавання до поверхні барабану нових елементів, таких як, наприклад, намотаний на барабан ланцюг.  Вибираючи різний розмір ланок можна імітувати різну зернистість асфальту.

Нажаль, попередні тести показують, что через нерівності на барабаны виникають резонансні вібрації в системі.  Тому потрібно покрити барабан шаром пластику, а потім сточити його так, щоб отримати рівну поверхню.  А вже потім на неї кріпити імітатори асфальту.  Це займе деякий час.

DSCF2775 DSCF2776

Барабан кріпиться на двох підшипниках (планую найближчим часом встановити само центровані підшипники, щоб уникнути небажаних втрат під навантаженням).

В рух барабан приводить колекторний двигун від пральної машини-автомата.  Для контролю швидкості використаний звичайний велокомпьютер (велика подяка за нього Сергію Муравьйову), а для регулювання швидкості використаний блок керування від маленької «болгарки».  В майбутньому я сподіваюсь замінити керування на автоматичне програмне, з допомогою Ігоря Галаніна.

DSCF2766DSCF2769

Колесо притискається до барабану з відомою силою за допомогою пружинного кантера. Також він грає роль імітатора підвіски. Силу притискання можна регулювати в межах від 5-ти до 100 кг.

DSCF2771 DSCF2772 DSCF2774

Показником ефективності колеса є сумарна витрата енергії. А точніше час, за який буде витрачена певна кількість енергії (ватт\годин).  Наприклад, якщо одне колесо набирає 10 витрачених ватт\годин швидше за інше, то перше більш ефективне.

DSCF2779 DSCF2782

Знаючи загальну витрату енергії та час, за який це було зроблено, можна вирахувати середню потужність для конкретних умов (швидкості та навантаження).  Провівши кілька замірів на різній швидкості, або при різному тиску, або при різному навантаженні, або на різній поверхні, можна скласти досить повну характеристику конкретного колеса.

Для перевірки покришок будуть використовуватись одні і тіж самі колеса. Для перевірки підшипників та ободів – одні і ті ж самі покришки.

Також, для контролю самого стенду, періодично будуть проводитись тести на холостому ході.  Для більшої точності я планую зробити барабан герметичним, щоб на холостому ході заливати в нього воду. Вода буде імітувати навантаження на підшипники барабану (завдяки соїй вазі), яке створювало б притиснуте до нього колесо, адже при більшому навантаженні опір в підшипниках також збільшується.

Якщо колесо притискаєтсья з силою 50 кг, то для контролю необхідно влили 50 літрів води, розігнати барабан, та заміряти, скільки енергії він потребує.

 

Перші проби показали, що тестування займає багато часу, тому неможливо провести всі тести в один-два дні. Отже стенд має показувати стабільні результати на контрольному колесі, незважаючи на великі перерви між тестами.  Саме це і є моєю метою на даний час.

ККД двигуна мені не відомий, тому я не можу відокремити електричну потужність від механічної, яку спалює колесо. На даному етапі я можу тільки відняти витрату холостого ходу на певній швидкості від результату тесту на цій самій швидкості.  Тому не слід сприймати показану в таблицях потужність як реальну. Насправді реальне колесо потребує дещо меншої потужності.  Але те, що є в таблицях, повністю годиться для порівняння з даними з інших тестів на цьому стенді, адже та похибка, що вноситься, однакова для всіх тестів, і не має заважати порівняти різні колеса та покришки.

Для пришвидшення підрахунків я використав MS Excel, де створив шаблон таблиці даних. Тепер потрібно вписати лише час, і комп’ютер одразу покаже середню потужність.

excel1 excel2


 

 26 квітня 2016

Знайшов новий метод вимірювання. Замість тримання конкретної швидкості (що складно з таким примітивним обладненням)я вирішив заміряти середню швидкість. Але велокомпьютери не дають нормаьного результату, тому довелось вимірювати пройдений шлях. Час я і так заміряю, тому середню можна вирахувати, знаючи час та шлях.

Цей метод дав хороші результати – максимлаьна  похибка скоротилась від 13% до 4%.
Проте, результаи не показують релаьну потужність в ваттах, або опір в ньютонах. Поки щи я не знаю, як видалити з даних вплив електричних та механічних втрат у самому стенді.
Але залишаеться можливість порівняння різних покришок. Якщо взяти якусь за 100%, то можна, опираючись на її результати, вирахувати різницю для інших.

Також можна скористатись наявними даними, якщо дістати точно таку покришку, опір якої вже відомий, і повторити тест в максимально наближених до оригіналу умовах.

19 коментарів до "Стенд для вивчення опору кочення"

  1. Можливо варто скласти таблицю ,шоб уникнути повторень ? Я надiшлю schwalbe super moto 29×2.35.

  2. Просто пишемо в коментарях, які будуть покришки. Черкащани ще можуть привезти безкамерні колеса. Ще будуть 3-4 варіанти шосейних, декілька покришок на 20 дюймів, також декілька різних на 26, і дві на 24. На днях зберу колеса на 26 та 28, бо зараз жодного немає вільного.

  3. Переднее колесо от заднего сильно отличается накатом так как присутствует трещетка, разные трещетки-разное сопротивление, втулки/ступицы изучать есть в плане? Или все тесты проводятся на одной втулке без трещетки? Пыльники и настройка конусов это тоже значительно изменяет накат.

  4. Ступицы я могу проверить только некоторые. Пересобирать колёса для тестов пока не планировал. На счёт 10 бар – думаю, что мой шоссейный насос подойдёт. Проблема в том, что манометр мой только до 7-ми.

  5. Ватт часы замеряет электронный счетчик на 220v~ с вилкой на входе и розеткой на выходе?
    А эксель вносится кроме времени теста еще и потраченная энергия?
    Кстати можно провести не менее точные, а возможно и более точные тесты без двигателя и ваттметра. Достаточно на газовый балон прилепить магнит, а рядом геркон который используется в датчиках велокомпов. Ты и так это уже сделал! Осталось подключить геркон к аудиовходу смартфона или компа и включить диктофон на запись.
    Раскрутить барабан не обязательно быстро, чем больше скорость, тем больше потери на трение воздуха.
    Потом в редакторе открыть запись и выписать в эксель время нескольких импульсов.
    Эксель по заранее введенным нами формулам определить скорость замедления вращения.
    Также понадобится расчитать кинетическую энергию барабана и колеса. Сделать это лучше отдельно для обода, ступицы и покрышки, потом просуммировать.
    Также поисуммировать К энергию барабана посчитанную отдельно для условно 3х его частей. Эти 3 формулы складываем и выводим общую формулу.
    Звучит сложно, но главное вбить все в эксель.
    Зная кинетическую энергию для любой скорости колеса и барабана мы видим скорость расходования этой энергии, каждый период между началами импульса, это отдельный и очень точный тест на который не влияют ни кпд даигателя ни трансмиссия, ни трение щеток.
    Надо только учесть потери на холостом ходу барабана и колеса, и получим чистые потери качения!

  6. Если не интересуют точные цифры, а просто сравнительный тест, то можно не заморачиваться расчетом кинетической энергии, а просто моим способом измерять замедление. Но при прочих равных условиях, с более тяжелым колесом будет лучше результат за счет большей энергии, думаю это несложно учесть.

  7. Всё верно. Ваттметр на 220V собирает статистику. Там можно выбрать что именно он будет показывать. Я ставлю на дисплей расход (ватт\часы) и текущую мощность. Кроме того он засекает и время. Велокомп показывает текущую скорость барабана. Из-за колебаний напряжения в сети приходится постоянно регулировать скорость колёсиком контроллера.
    В начале я разгоняю барабан до нужной скорости, затем сбрасываю показания ваттметра. Время при этом также обнуляется. Потом удерживаю нужную скорость до тех пор, пока на ваттметре не наберётся 10Wh, после чего рубильником отключаю питание. Это останавливает секундомер на ваттметре и можно не спеша переписать показания.

    Идея с змедляющимся барабаном интересна, но для реализации надо установить какой-то другой привод. Ремень двигателя вносит ощутимые потери.
    Ещё есть вероятность не увидеть влияние плохой дороги, если там имеются какие-то зоны резонанса, то можно на низ просто не попасть, если не набрать нужную скорость.

    На счёт аудиовхода я не уверен, что диктофон что-то запишет. Это же замыкание входа, а не подача на него электричества. Или там другой принцип микрофона? Но можно и катушечку установить небольшую, когда магнит будет проходить мимо неё, она будет давать импульс. В общем можно и это реализовать. Но в начале я должен разобраться с балансировкой барабана и заменить подшипники (посылка с ними уже в пути). Именно это мешает начать тесты – есть зоны сильной вибрации.

  8. Входы довольно чувствительны, и щелчки в записи обязательно будут, если нет, можно параллельно подключить любую дохлую батарейку, или живую но через резистор 10-100кОм. Можно и катушку вместо геркона.
    А привод, ну можно и обычный с педалями, но можно и рукой раскручивать за колесо, без всяких ремней, цепей и трещеток. Больших скоростей так не получить, но коэфициент трения качения должен быть одинаков для любой скорости…
    А програмист написал бы програмку для микроконтроллера или смартфона, которая сама бы меряла время, считала и сразу давала результаты.

  9. Его не так легко крутить, как кажется. Под нагрузкой рукой можно разогнать, до 15-ти км\ч это максимум. Но это сейчас. Посмотрим что будет с новыми подшипниками.

  10. Замінив підшипники. Стало набагато краще, але барабан, все ж, надто нерівний. Доведеться шпаклювати його, і потім балансувати. Сам принцип бансування вже перевірив.

  11. Подивіться на це: http://tannus.info/

    Це називаєтсья – вперед у минуле! А яка реклама… На щастя, у мене є дві подібні шини, правда для коліс 12 і 16 дюймів. Але точно перевірю, порівняю з пневматикою 🙂 🙂 Хоча, результаи надо передбачувані.

  12. Олексію, я вже писав на форумі velo.ck.ua про те, що порівнюючи лише плями контакту для коліс різного діаметру ви забуваєте про кут кочення. Він безпосередньо впливає на опір кочення і він тим менший, чим більший діаметр колеса.
    http://forum.velo.ck.ua/index.php/topic,4891.msg50485.html#msg50485 – ось моє повідомлення, може трохи сумбурно
    і там посилання на блог з графіком, де є результуюча, яка підтверджує той факт, що більше колесо менше втрачає енергії.

  13. Зрозуміло, дякую за посилання! Потрібіно порозбиратись, чи вдасться виявити цей ефект на малому барабані…
    Якщо судити по графіку, то різниця між крайніми показниками складає десь 17%.
    (0.008 та 0.068)
    https://hadland.files.wordpress.com/2013/01/lafford-chart.jpg

    Але цікаві виключення. Серед більших діаметрів траплаються гірші результати, ніж у менших (і навпаки). Думаю, що тут може мати вплив той факт, що для малих діаметрів мало гоночних покришок, в той час як для 700С все навпаки.

    Тут мінімальний діаметр колеса – 16 дюймів (305). Колеса на 20 дюймів мають розмір 406. Тобто, вони майже посерді графіку. А це означає, що середня різниця складе вже близько 10%.

    Ще одне зауваження – чим менший діаметр колеса, тим швидше обертаютсья його підшипники. Опір в підшипниках зростає прямолінійно до швидкості обертання, тому чона лінія може вказувати саме на зростаючий опір в підшипниках.

    В будь-якому випадку я не берусь нічого стверджувати, просто потрібно провести тести, і на їх основі визначити, які саме покришки показують кращі результати, і в яких умовах. А далі вже дивитись, чи є сенс (і можливіть) збільшувати діаметр, чи ні. Акщо можливості нема, то можна , хоча б приблизно, підрахувати, скільки ми втрачаємо через малий діаметр.

  14. Як ви вважаєте наскільки буде відчутна різниця на асфальті і легкому бездорожжю між 26 і 29 колесами? Планую новий велосипед і зараз мені подобається 26 і жорсткіше, легше колесо, але 29 зараз піариться сильно от і вагаюсь, що може взяти на 29, тільки наскільки приріст буде великий + затрачині кошти.

  15. попробуйте эти варианты лично и составьте свое мнение. я думаю заметная разница только на максимальной передаче с горы по гладкому асфальту. Большая звезда какая планируется 44, 48, 50, 52, 53? При других условиях разница больше зависит от покрышек и отношения вашей полной массы к мощности.

Залишити відповідь