Постройка стенда велоэргометра - обсуждение "крокодила"

Остро стоит задача тестирования спортсменов ступенчатый тест мощность-пульс.
За большие деньги наверно можно купить готовые стенды, но даже цены на простые велоэргометры для тренажерных залов слишком высокие.

В моем видении такой девайс можно сделать очень дешевым - под силу в одиночку повторить конструкцию (пока только концепция).

Итак как я вижу "велоэргокрокодила".

--------------
1. Механическая часть строится исключительно на базе велосипеда (меня интересует шоссейный, хотя тип значения не имеет). Это сразу убирает множество работы которую выполнить самому почти невозможно, и гарантирует идентичность стенда реальному велосипеду и гарантирует совместимость со стандартным велооборудованием - спортсмен для тестирования может вцепить своё любимое седло и глагол, вкрутить свои педали, подобрать посадку, несложно заменить шатуны на требуемую длину. Q-фактор реальный, а не удвоенный как у серийных уродцев для тренажерных залов.
Под велосипед (всё кроме переднего колеса) варится станина, с креплением под переднюю вилку и под зажим задней оськи колеса. Можно крепление сделать универсальным - чтобы вообще любой велосипед вставлять (в т.ч. боевой конь спортсмена as is), для этого подставка крепления к вилке должна двигаться по станине.

2. Вся обработка результатов - на обычном Wintel ПК (ноутбуке) через USB порт и микрофонный вход. Считывание мощности и пульса должно передаваться на произвольный (специально за стендом не закрепленный) ПК через стандартные порты.
Для графика мощность-пульс надо три датчика: нагрудный аналоговый пульсомер (от любого серийного пульсомера) и 2 вольтметра (один меряет напряжение генератора, второй меряет ток - перемножением будет заниматься win32 программа). Поскольку пульсомер просто излучает в эфир колебания частотой около 5400 Гц, улавливать их предполагается магнитной стержневой антенной и конденсатором настроенными на резонанс и подключенными на микрофонный вход ПК. Win32 программа должна работать как "beat detector" анализируя оцифрованный микрофонный вход.
Вольтметры считываются через равные промежутки времени, перемножаются и записываются в лог, рядом пишется текущая ЧСС (текущая = средняя за 5-10 секунд).
Вольтметры на базе каких-то серийных микрух вольтметров с COM или USB или COM->USB интерфейсом

3. Самая главная и сложная часть - магнитный тормоз - электрический генератор.
Желательная проектная мощность 1 квт, лучше больше (идеально до 1.5-2 квт). Минимум 0.5 кВт (если меньше, то и затея не нужна).
Тут есть два направления:
- использовать какой-либо готовые серийный генератор (например автомобильный) и как-то придумать передачу (например ременную) к заднему колесу. Идея мне крайне не нравится, но знакомые технари так советуют.
- сделать генератор на базе обычного колеса с ротором из постоянных магнитов и статорными катушками. Кучу магнитов (форма? материал?) закрепить на обычном 622-ом ободе по периметру, вращаться они будут между статорными катушками закрепленными к станине (1, 2, 4, 8... пар катушек, сколько хватит?)
Было бы вообще феерично если бы магниты можно было закрепить не на обод, а в покрышку, тогда для стенда не надо даже выделять колесо, вцепил на любого боевого коня "тормонзую магнитную покрышку" и вперед на тест.
Механические прикидки - тормозная мощность развиваться примерно в диапазоне 150 ... 360 rpm колеса (при цепной трансмиссии 3:1, можно конечно и больше передаточное число, но если сзади меньше 17 зубов начинает ощутимо падать КПД трансмисии и увеличивается погрешность стенда. Идеально где-то 53-19 трансмиссия, что при 90 rpm дает 250 rpm на колесе. Вот под эти обороты желательно и вывести 1 кВт тормозной мощности.

С ободом радиусом 0.31м получается что магнит двигается со скоростью 7.8 м/с, крутящий момент 159 Н*м, 513 ньютонов на ободу или 52 кгс. Если например закрепить 52 магнита, каждый должен в среднем на круге тормозить 1 кгс

Эмпирический расчет генераторов крайне сложный, очень много неизвестных переменных.
Поэтому реальный сценарий - только проверять в бою. Брать парочку магнитов, одну пару катушек статора и тестировать. Потом экстраполировать на большее количество магнитов и пар катушек.
Если допустим хочем на 4 парах катушек и 52 магнитах получить киловат, на 1 паре и 2 магнитах значит надо добиться 10 Ватт.

4. Нагрузка генератора для регулировки тормозного момента. Какое-то активное сопротивление (типа спирали электроплитки) с плавной регулировкой силовым ключем на мощном полевике с контролером скважности.
--------------

Какие есть замечания, идеи к концепции?

а как на счет использовать обычный велотренажер под заднее колесо? ежели его разобрать - там и магниты есть и все что надо - только стоит заменить обычную статическую систему торможения на систему замера (для этого достаточто замерять силу сдвижки магнита и время).
Однако не проще ли закрепить "весы" на педалях? И снимать можность на педалях - без потерь фиг знает где и на что? И тогда даже на улице без станин можно будет снять - катаясь.

Про эффект Конкони написано в книге "Велосипедный спорт" Д.А,Полищук например на стр. 237 (смотри приложенные скрины) А так же выдержка из Журнала "Лыжный Спорт" Виктор Селуянов: СЕРДЦЕ – НЕ МАШИНА… : "У него начальная прямая графика будет продолжаться до пульса порядка 170-180, а затем начнет даже загибаться вправо от прямой. Выше 180-190 пульс просто не растет. Почему это происходит? Из-за того, что у спортсмена много ОМВ, закисление мышц, которое начинается в оставшихся гликолитических МВ, слишком мало. Сердечно-сосудистая система уже имеет слишком большое возбуждение из-за того, что большая мощность работы выполняется, мышцы сокращаются с очень большой силой. И сердце на такое слабое закисление просто не реагирует. Поэтому рекрутирование дополнительных двигательных единиц не приводит к росту ЧСС. Точку перегиба на таком графике (см. рис. 1, точка B) часто называют точкой Конкони, и связывают с АнП. На самом деле эффект Конкони никакой связи с АнП не имеет и, к сожалению, вошёл в практику спорта безо всяких на то оснований. Дело в том, что Конкони проводил свои исследования на квалифицированных бегунах, у которых подготовка была на уровне КМС и МС. Что такое бегун уровня МС — это человек, у которого неразвитые мышцы, а АнП практически равен МПК. Поэтому, как только он включил все свои ОМВ, а гликолитических у него очень мало, сердце больше не возбуждается, пульс при этом 170 -180 уд/мин. Чтобы сердце вышло на пульс 210-240, нужно очень сильно человека закислить, а эти люди не могут закислиться. Их сердце перестаёт увеличивать ЧСС, они еще две ступеньки лишние отработают и говорят: "всё, отказываюсь от работы, мышцы не тянут". А у спортсменов, имеющих хорошее сердце и неподготовленные мышцы, эффект Конкони не наблюдается, у них нет такого явления. У спортсменов, имеющих много ГМВ, пульс начинает расти вверх, никаких переломов и западений вниз нет. У 80% спортсменов эффект Конкони наблюдается, и точка Конкони даже совпадает с АнП, а у 20% либо она вообще отсутствует, либо нет никакого совпадения. В связи с тем, что на графике теста неподготовленного спортсмена нет эффекта Конкони, а АнП есть, то явление не воспроизводится, а значит, те причины, на которых это явление теоретически основывается, отсутствуют. Логика такая: если есть эффект Конкони, то есть АнП, есть 4 ммоль/л лактата. Где здесь это? Вообще нет никакого перелома, всё идет только вверх (см. рис. 1, красная сплошная линия). Отсюда вывод: эффекта Конкони не существует в природе, есть некто Конкони, который что-то увидел, обозвал это своим именем, приписал несуществующую в природе взаимосвязь. "

Вопрос, зачем нужен такой крокодил, не совсем понятно.
З.Ы. На себе попробовал по методике контроля пульса с увеличением каждую минуту частоты педалирования построить график и.... никакого залома нет, практически прямая идет до моего предельного ЧСС, и все.

уж точно не чтобы искать "точку конкони" или АнП


вы знаете какая там точно конструкция? что там ротор, что на статоре?

Можно чуть упростить используя мотор/колесо в режиме генератора.

по второму пункту - оптимально использовать "компьютерный осциллограф" http://www.lcard.ru/ например E-154. К нему идет ПО, в котором очень удобно обрабатывать/анализировать полученный результат.

по третьему - делать самодельный генератор, это головняк еще тот...
Надо брать серийный электродвигатель и с ним уже колдовать

Правильно поставленная задача 50% успеха. А что такое ступенчатый тест мощность - пульс? практически тоже самое, что и тест Конкони... Каждый выяснит, что ему важнее, по результатам исследования. Но принцип сбора информации - идентичен.
Идей к концепции будет больше, если писать подробнее, что и зачем хотим.
Так правильное решение советуют, нагружение генератором, с переменной нагрузкой (калиброванной под мощность). Ременная передача на генератор (зубчатым или поликлиновым ремнем) наиболее приемлима в простом самодельном велоэргрметре.
И к слову : КПД передачи от величины редукции не зависит в цепной передаче! На КПД влияет тип передачи, вид опор, количество ступеней, вид муфт.

Зависит, но не от редукции а от размера задней звездочки. И достаточно ощутимо (больше чем хочется получить точность эргометра) http://www.ihpva.org/HParchive/PDF/hp50-2000.pdf
51-17 выше КПД чем 36-12, при равной редукции

Переход с 21 на 11 звезду независимо от степени редукции дает теоретическую потерю 2.6%, практически измеренную 2.7%


На КПД любой цепи влияет радиус её изгиба, больше радиус поворота цепи - меньше поворот пинов -меньше фрикционные потери. Подтверждается и ездовой практикой среди шоссеров - двое человек на одинаковых цепях, у одного цепь стабильно в районе 5-6000 км изнашивается, у другого 15-18к. Отличается только любимая передняя звезда, если один ездит 53-17/19/21, второй ездит 39-13/14/15, т.к. ему больше такой чейнлайн нравится

Средний КПД цепной передачи 0.97 (Анурьев. Справочник конструктора-машиностроителя. том 2)
Не могу утверждать, что для ВЕЛОЭРГОМЕТРА сотые доли в КПД окажут решающее значение. Тем более что эта величина потерь будет на всех режимах работы присутствовать, и ее влияние будет нивелировано калибровкой самого эргометра.
Ну про радиус изгиба - вообще песня. От того и износ у первого райдера быстрый, что в механике он не рубит. Оба райдера прикладывают одинаковое усилие на педаль, а вот дальше это усилие передается на ролики цепи. И вот тут самое главное - плечо! Плечо на малой передней звезде создает большее усилие на роликах цепи. Контактные напряжения больше, тем самым износ увеличивается в сравнении со вторым райдером. У которого та же мощность при педалировании но с большим плечом на большей передней звезде с той же цепью.
А вообще попадался интересный аппарат, построен по типу спиннера. Добавлен генератор постоянного тока и магазин сопротивлений. Управление осуществляется подключением дополнительной нагрузки по сигналу с PC (лпт порт). Создатель пишет, что с помощью его прогаммы можно создавать любые сценарии, езда в гору, равнина, спуск. Если протарировать, можно получить реальную мощность педалирования. И самое главное, если этот аппарат будет служить для сравнения уровня подготовленности, то и смысл в точной градуировке отпадает. Достаточно задать несколько (по потребности) уровней нагрузки. В последствии следить за пульсом спорцмена при выполнении упражнения.
Либо цель именно на станок поставить шоссер, с переключением передач? Тогда конечно будут и влияния цепи, и звезд. И весьма значительные. Но даже в таком случае, тарировать эргометр надо! Все потери учтутся и будет счастье Только это бред, эргометр с переключение передач. Лучший способ в этом случае - измерение усилий на педаль. Так делают профики. Можно и педаляж правильный поставить и неравномерность нажима при различном каденсе отследить. И мощность в каждый момент времени высчитать, кривые построить в зависимости от ула наклона шатуна. Наложение кривых мощности и пульса даст интересную картину - подготовленность. Анализируй, сравнивай, выбирай.

Переключение передач не нужно, про передачу я писал только в том контексте на какие обороты расчитывать генератор. Оптимально на 250 rpm. Если не будет хватать эфективности тормоза можно будет добавить оборотов более низкой передачей, но изначально хочется ориентироваться на 53-17/19


Это в машиностроении, где нету задней перекидки и обычно используются звезды больше 15 и натяжения цепи обычно большие из-за огромных мощностей. В статье по линку протестирована реальная велотрансмиссия Dura-ace 2000 года. Получен КПД 91.4% при 52-11 и 95% при 52-21
И то и то значительно меньше 97% и очень ощутимая разница 3.6% только за счет смены звезды.

http://www.birota.ru/texts/2005/june/srm-shimano.php
http://www.birota.ru/texts/2005/september/telemetry.php
в качастве пищи для размышлений
и тут еще http://shop.ebay.com/i.html?_nkw=power% ... pos=&gbr=1

О промышленных измерителях мощности всё известно.
Денег нету и не предвидится.