Веломобиль, лигерад и другие транспортные средства с мускульным приводом - Веломобили и лигерады

Одним из плюсов "лежачих" велосипедов перед "обычными" велосипедами с "брильянтовой" рамой является лучшая аэродинамика. В данной статье приводятся данные измерений аэродинамики различных велосипедов.

Репортаж и комментарии Дэйва Вилсона (Dave Wilson)

Перевод с английского Халикова Олега

Преимущество аэродинамики "лежачих велосипедов"

Часть первая. Сравнение затрат мощности "лежачих" велосипедов
и гоночного "шоссейника"

Источник:
Human Power Number 50, Spring 2000

Эта статья является интерпретацией статьи Bert Hoge, Jeroen Schasfoort, напечатанной в HPV nieuws no.4, 1999 - журнале голландской группы энтузиастов веломобильного транспорта (NVHPV).

Optima Dolphin Flevobike Fifty-Fifty M5 20-20 Optima Baron Low Racer M5 Low Racer

В качестве измерителя мощности использовались шатуны SRM instrumented crank, измерявшие крутящий момент "традиционного" гоночного велосипеда и пяти лигерадов (рикамбентов). Все пять лигерадов были с очень сильным наклоном сиденья, до 15 градусов от горизонтали (см. фото). На всех каретка была значительно поднята над нижней точкой сиденья: я полагаю, что это важно, так как вращающиеся ноги создают значительное воздушное сопротивление, и размещение их в "передней аэродинамической тени" миделя должно уменьшить сопротивление. Как пишет автор, меньший мидель дает меньшее воздушное спротивление и более высокую скорость. Меньшего миделя можно добиться, подняв каретку над уровнем сиденья на 270мм и опустив сиденье до высоты 250мм от земли (скрадывая часть рамы). Измерения сняты с быстрейшего по тестам лигерада M5 Low Racer. Все шесть велосипедов тестировались одним райдером, неким Dries Baron, весящим 90 кг, ростом 1,86м (почти миниатюрный по стандартам викингов) и одетым в гоночную одежу. Тестирование проводилось на 200-метровом велодроме - для каждого теста делалось по 10 кругов, т.е. по 2 километра.

На каждом велосипеде стояли Continental Grand-Prix или IRC tires, накачанные до 8 бар (116 PSI). Тестирование проводилось на скоростях 30 и 40 километров в час, и каденсе около 88. Температура 15 градусов по Цельсию. Погрешность измерений укладывалась в ±2%.

Гоночный шоссейный велосипед тестировался в "верхней" позиции. Для всех лигерадов требуется меньше энергии, чем для обычного гоночного велосипеда в этом положении. Уменьшение связано с высотой сиденья лигерада - чем ближе к земле, тем меньше сопротивление (см. фото). Меньше всего энергии требуется лигераду M5 (конструктора Брама Моэна), которому на скорости 40 километров в час требуется 228 ватт, тогда как гоночному велосипеду - 389. В то же время M5 в полном обтекателе нужно меньше 130 ватт на той же скорости (Таблица 1).

Полученные результаты сравнимы с данными, полученными при продувке неподвижных байков в аэротрубе и при гонках на велодроме, опубликованными в журнале Human Power, 12:4, spring 1997.

В тестировании не принимал участие длиннобазный лигерад LWB “Peer Gynt” с низко расположенной кареткой и довольно вертикальным сиденьем, так как этот велосипед показал большее сопротивление, чем гоночный велосипед в низкой позиции (как написано, так и перевожу - прим. пер.). Так как на стандартном велосипеде несколько посадок, то принципиальный интерес измерений состоит в выявлении разницы затрат мощности среди лигерадов, и точности измерений мошности, затрачиваемой одним и тем же гонщиком на одних и тех же шинах на разных велосипедах. Это очень ценная информация.

 

 

 

 

Таблица 1

Тип веломашины, или название	Мощность на 30 км/ч	Мощность на 40 км/ч	Возрастание скорости, в % к шоссейному
Гоночный велосипед	181	389	0%
Optima Dolphin	152	309	6%
Flevobike fifty-fifty	181	389	10%
M5 20-20	131	265	17%
Baron Low Racer	128	251	20%
Moens (M5) Low Racer	114	228	24%

Photos and chart courtesy HPV nieuws; prepared for Human Power by JW Stephens

 

---

 

 

Репортаж и комментарии Дэйва Вилсона (Dave Wilson)

Перевод с английского Халикова Олега

Часть вторая. Сравнение воздушного сопротивления
весьма различных велосипедов в аэродинамической трубе и на треке

Wind-tunnel tests of various tyres of bicycles, faired, partly faired and unfaired in TOUR, das Radmagazin
(German bicycling magazine, 1994)

Источник:
Human Power Volume 12, Number 4, Spring 1997

Эта замечательная и ценная статья вызвала массу споров в интернете в рассылке HPV mail list. Я был бы рад привести их здесь, но, к сожалению, никто из редакторов TOUR на мой запрос не отозвался. Я благодарен Дэвиду Гордону, разработчику и конструктору "Байка-И" (David Gordon Ullman, "Bike-E"), который прислал мне копию оригинала статьи и примерный перевод Ральфа Стирера. Оливер Зечлин (Oliver Zechlin) также напечатал две принципиальные таблицы результатов в рассылке HPV mail list, которые я здесь сейчас и использую.

Журнал TOUR арендовал огромный ангар в качественном техцентре около Кельна. По описанию, его размеры позволяли продувать громадные грузовики. Вентилятор, нагнетающий воздух, потреблял два мегаватта энергии на максимальной скорости. Тем не менее, велосипеды тестировались на намного меньших скоростях: 30, 45 и 60 километров в час.

Рисунок 1. Гоночный шоссейный велосипед Cadex

TOUR проводил свои тесты с большой осторожностью и глубиной. Красивые фотографии сопутствовали статье, показывая гонщиков в нижней позиции на гоночных велосипедах; на открытых "лежачих" велосипедах - рикамбентах; и на велосипедах в полностью обтекаемом корпусе, в которых, кстати, могло и не быть гонщиков - на скорость это не влияет. На множестве фотографий были дымные следы, проходящие у гонщика над головой или над верхушкой обтекателя, показывающие разделение потоков. Колеса были закреплены на платформах, измеряющих сдвигающую силу.

Информация, полученная в тестах, хороша ровно настолько, насколько мы ожидаем от тестов такого типа. Получено несколько ценных результатов. Измерения, полученные в аэродинамической трубе, обладают, как правило, двумя значительными недостатками. Первый - плоскость земли не движется. С одной стороны - воздух движется навстречу гонщику с той же скоростью, с которой тот бы ехал в реальных условиях. В реале, при движении, поверхность земли неподвижна относительно воздуха, и колеса к тому же вращаются. Аэродинамическая труба производит воздушный поток, отличающийся от потока воздуха при реальной езде. Все же, мы надеемся, что полученные результы правильны. Все машины тестировались в одной и той же трубе, с одним и тем же гонщиком, так что результаты должны в целом соответствовать.

Другим недостатком тестов в аэродинамической трубе является то, что гонщику нужно оставаться неподвижным, чтобы инструменты измерений давали последовательные и повторяющиеся результаты. Законное требование в таких тестах. На практике, гонщики со своими машинами непрерывно сдвигаются, иногда толчками, в ответ всадника на дорожные неровности, и из-за этого воздушный поток может значительно меняться. Еще важнее, в большей степени это касается машин без обтекателей, нередсказуемое влияние на обтекаемость вращающихся ног. Они должны сильно "взбалтывать" воздух. Мне всегда казалось странным, что мы уделяем столько внимания обтекаемости тормозов, которые и так находятся в аэротени, но на громадные, по сравнению с ним, мускулистые ноги, вращающиеся в полном потоке, обращаем мало внимания. А они сильно турбулизируют воздух. Подобные тесты надо проводить, вращая педали (с отсоединенной цепью), и, для сравнения, с различным стационарным положением ног, чтобы выявить влияние турбулентности и прочие баги. такие тесты дополнят результаты, полученные TOUR.

МАШИНЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Было протестировано десять велосипедов, из них пять рикамбентов. Каждый из них них был топовым в своем классе. Остальные пять - горный велосипед ("Heavy Tools Equipe R2"); гоночный шоссейник ("Cadex"); тритлоновый с алюминиевой рамой (на дворе - 1994 год) - ("Principia SC 650"); гоночный триальный ("Davinci") и велосипед Мозера, на котором гонщик Граем Обри выиграл часовую гонку. Все велосипеды, за исключением велосипеда Мозера были оборудованы колесами фирмы Spendle: дисковое колесо сзади и стрехспицевое спереди. На Мозере стояли дисковое колесо Ambrosio сзади и колесо с радиальным набором спереди. Все машины тестировались и на треке, и в аэродинамической трубе одним гонщиком, Алексом Фехлау, гонщиком немецкой команды VECTOR (и братом Гуннара Фехлау, автором "лежачего велосипеда" Das liegerad).

Рисунок 2. Велосипед Мозера

Честь "лежачих" велосипедов защищали:
- Peer Gynt LWB с рулем типа "Avatar";
- Radius 16V SWB с высокой кареткой;
- очень низкий SWB "Aeroproject", в котором цепь проходит очень близко к переднему колесу, ограничивая радиус поворота;
- "Flux", практически такой же, но с обтекателем за задним сиденьем;
- и полнообтекаемый рекордный "M5 Carbon Low Racer" конструктора Брама Моэна (Bram Moen).

Воздушное сопротивление, которым оперировали в данном тесте, пропорционально миделю, помноженному на коэффициент сопротивления. Мидель - меличина постоянная и не изменяется вместе со скоростью, в то время как коэффицент сопротивления может меняеться, из-за изменения свойств воздушного потока (числа Рейнольдса). Данные, приведенные в таблице 1 были измерены на скоростях 45 и 60 километров в час. Значения, измеренные на 60 километрах в час, на несколько процентов меньше аналогичных на 45. Исключение составляет только M5, значения которого увеличились на 7 процентов. Некоторые результаты удивляют.

Таблица 1. Коэффициенты сопротивления

Ссылка на таблицу

Приведенный коэффицент воздушного сопротивления (CdA) у углепластикового полнообтекаемого рикамбента Moens' M5 Carbon Low Racer составляет 0,044 - наименьший в тесте. Наибольшие - у горного велосипеда (0,391) и у длиннобазного рикамбента LWB Peer Gynt (0,415). Передний обтекатель Zzipper, установленный на Peer Gynt даже увеличил сопротивление - 0,436. В последовавших испытаниях выясниловь, что небольшое изменение угла наклона обтекателя дает значительный выигрыш в сопротивлении - меньше, чем у "голого" велосипеда (< 0,415).

Рисунок 3. Велосипед Peer Gynt с частичным обтекателем

Следующим по сопротивлению за М5 идет Flux SWB c хвостовым обтекателем (0,194), затем - велосипед Мозера (0.214). The Aeroproject, как и Флюкс без хвостового обтекателя, по обтеканию практически равен велосипеду для триатлона Principia (0.235-6) в самом низком положении руля. Но, гонщик нашел, что не может долго идти в таком положении и перешел на более-менее нормальную высоту (0,264). Между двумя последними результатами поместился Davinci time-trial bike (0.246) и гоночный шоссейник Cadex. SWB Radius 16V, как и Peer Gynt LWB, по сопротивлению был выше, чем "обычные" велосипеды - 0.282, обогнав только "горняк", у которого - 0.391.

Таким образом, найдена удивительная вещь: сопротивление воздуха рикамбентов без обтекателя выше, чем у "обычных" велосипедов без обтекателя. Эти результаты были подтверждены сравнительными испытаниями на велодроме (таблица 2). Уже другой гонщик, Ulrich Schoberer, испытывал велосипеды, измеряя затрачиваемую мощность при помощи измеряющих крутящий момент шатунов. Данные снимались на скоростях 30, 45 и 60 километров в час.

Таблица 2. Затрачиваемая мощность

Некоторые из сопротивлений, как, например, сопротивление качения подшипников и покрышек, с ростом скорости увеличиваются незначительно, так что потери мощности на преодоление сопротивления качения возрастает практически пропорционально скорости. Трение ламинарных потоков воздуха (идущих параллельно поверхности) возрастает примерно пропорционально скорости, а трение турбулентных - пропорционально уже квадрату. Затраты мощности на преодоление этих сопротивлений будет пропорционально квадрату и кубу скорости соответственно. М5 требует только 50 ватт для движения со скоростью 30 километров в час (Axel Fehlau с трудом удерживал такую маленькую скорость, из-за очень низких затрат мащности), и 200 ватт на скорости 60 километров в час, что указывает на сопротивление преимущественно ламинарного потока. Он, вообще предпочтителен, так как на преодоление его трения требуется мало мощности.

Рисунок 4. Набросок велосипеда M5 Carbon Low Racer

Большинство остальных машин при удвоении скорости требовали более чем четырехкратного увеличения мощности, причина чего может крыться в преимущественном наличии турбулентности в обтекании этих машин. Flux и Aeroproject требуют примерно в шесть раз больше мощности, остальные, впрочем, примерно так же. Иногда гонщика просили выдать более киловатта межанической мощности, и, как и ожидалось, в этих обстоятельствах гонщику приходилось изображать "танцовщицу", в попытке выдать эту мощность. Таким образом мы можем предположить, что шатающемуся велосипеду для движения нужно на пятидесят процентов больше мощности, чем требуется устойчивому велосипеду. (Вот почему я люблю бить рекорды скорости, двигаясь по рельсам).

 

Выводы:

Эти результаты представляют интерес и для производителей "лежачих" велосипедов, и для их обладателей, и, возможно шокируют многих из них:

1. "Голые" велосипеды, как длиннобазные, так и среднебазные, обладают большим воздушным сопротивлением, чем лучшие велосипеды с "брильянтовой" рамой.

2. Хвостовой обтекатель (вместе с багажным отделением) уменьшает воздушное сопротивление примерно на 20 процентов, и опровергает вышеизложенное утверждение.

3. Передний обтекатель может уменьшить сопротивление воздуха еще на 10 процентов. Вместе с тем, больший угол наклона может дать сопротивление больше, чем на "голом" велосипеде.

4. Мы надеемся, что TOUR или еще какая группа сможет заполнить промежутки в очень ценных тестах, измерив сопротивление с частичными, передними и задними, обтекателями других популярных "лежачих" велосипедов, таких как Lighting Cycle Dinamics и Rotator Delaire, например.

Следующая >