Näin hyötysuhde mitataan

SPEEDHUBin hyötysuhde on koottu artikkeliin Hyötysuhde. Tämä artikkeli kertoo, miksi eri mittaukset antavat samalle voimansiirrolle eri lukuja – ja miten Rohloff mittasi.

1. Polkeminen ei ole tasaista

Pyöräilijä polkee lähes tasaisella kadenssilla, mutta vääntömomentti sykkii voimakkaasti jokaisen kammen kierroksen aikana: mittauksissa kadenssi vaihteli noin 5 %, mutta vääntömomentti yli 90 %. Jokainen kuormaa kantava osa – ketju, eturatas, laakerit, hammaspyörät – kuormittuu ja vapautuu kahdesti kierroksen aikana.

Teho ja kadenssi	100 W, 75 rpm	300 W, 75 rpm	575 W, 50 rpm
Huippumomentti	21,6 Nm	68 Nm	200 Nm
Vähimmäismomentti	3,8 Nm	8 Nm	20 Nm

Testipenkkejä pyörittää sähkömoottori tasaisella vääntömomentilla. Kysymys kuuluu siis, mikä tasainen teho vastaa todellista, sykkivää kuormaa. Rohloffin ketjun ja eturattaan kulumistestipenkki antoi vastauksen: osat, joilla ajettiin keskimäärin 150 W:n teholla momentin sykkiessä 5 ja 30 Nm:n välillä, kuluivat vain yhtä paljon kuin testiosat, joita ajettiin tasaisella 30 Nm:n momentilla. Koska kuluminen ja kitkahäviöt johtuvat samoista tekijöistä, testipenkin on toimittava vääntömomentin huippuarvolla, ei sen keskiarvolla – yksinkertaistettuna 80 W:n ajo toistetaan samalla kadenssilla noin 160 W:n teholla testipenkissä.

2. Kahdenlaista häviötä

• Kuormasta riippuva häviö: kuormitettuna liikkuvien osien kitka – ketjun lenkit, hammaspyörät, laakerit. Se kasvaa suhteessa siirrettyyn tehoon.
• Kuormasta riippumaton häviö: tiivisteet, liukupinnat, sekoittuva voiteluaine. Se ei riipu käyttövoimasta, vaan ainoastaan nopeudesta, lämpötilasta ja voiteluaineen viskositeetista.

Kaksi kuviteltua voimansiirtoa, kummankin hyötysuhde 91 % 50 W:n teholla:

Syöttöteho	50 W	100 W	200 W	300 W	400 W	500 W
Järjestelmä A: 7 % + 1 W	91,0 %	92,0 %	92,5 %	92,7 %	92,75 %	92,8 %
Järjestelmä B: 3 % + 3 W	91,0 %	94,0 %	95,5 %	96,0 %	96,3 %	96,4 %

Pienillä tehoilla kuormasta riippumaton häviö hallitsee, suuremmilla kuormasta riippuva. Käyrät C ja D ovat samat voimansiirrot, kun tiivistehäviö nousee lämmön tai voitelukalvon muutoksen vuoksi 1 W:sta 2 W:iin (A → C) tai laskee 3 W:sta 2 W:iin (B → D):

Alle 200 W:n tehoilla jo ±1 W:n vaihtelu siirtää tulosta usealla prosentilla – ja sitä voi tapahtua yhden mittauksen aikana, koska kitkalämpö itsessään muuttaa olosuhteita. Siksi alle 200 W:n tehoilla hyötysuhdeluku pätee vain monen toistetun ajon perusteella ja aina vaihteluvälinä ylä- ja alarajoineen. Yli 200 W:n tehoilla vaihtelu muuttuu merkityksettömäksi.

3. Myös sinun hyötysuhteesi ratkaisee

Tavoite ei ole paras mekaaninen luku, vaan se, kuinka suuri osa käyttämästäsi energiasta muuttuu eteenpäin vieväksi liikkeeksi. Lihasten hyötysuhde yltää noin 25 %:iin oikealla voimalla ja liikenopeudella, mutta sopimattomalla vaihteella se on helposti 10 prosenttiyksikköä huonompi – paljon enemmän kuin vaihdejärjestelmien välinen ero.

Hyötysuhde	Pyöräilijä A	Pyöräilijä B
Lihasten hyötysuhde	24 %	22 %
Voimansiirron hyötysuhde	93 %	97 %
Kokonaishyötysuhde	22 %	21 %

Oikealla vaihteella ajava pyöräilijä A on huonommalla voimansiirrolla tehokkaampi kuin väärällä vaihteella ajava pyöräilijä B. Urheilulääketieteen mukaan vierekkäisten vaihteiden välisen portaan pitää olla alle 15 %, jotta se sopii sekä ylös- että alaspäin vaihdettaessa – siksi välitysalue ja vaihteiden määrä kuuluvat aina hyötysuhteen rinnalle. Katso Välityssuhteiden vertailu.

4. Rohloffin mittaus

Mitattiin koko voimansiirto – keskiö, ketju, eturattaat, napa tai vaihteisto – simuloiden urheilullista pyöräilijää noin 160 W:n teholla ja 50 Nm:n momenttihuipuilla (285 N polkimella):

Parametri	Arvo
Kadenssi	60 rpm
Jarrutusteho (tasainen)	314 W
Käyttömomentti	50 Nm

Vertailuun ajettiin 24-vaihteinen takavaihtaja (46-, 36- ja 26-hampaiset eturattaat, 11–28-kasetti) ja SPEEDHUB (46/16), kumpikin noin 100 km sisäänajettuna. Ajot toistettiin useaan kertaan; toleranssi on ±0,5 %.

• Takavaihtaja: mitattiin puhtaana ja hyvin voideltuna, sitten likaisella ketjulla ja noin 1 000 km ajetuilla rattailla – käytetyillä osilla hyötysuhde oli keskimäärin 1 % pienempi.
• SPEEDHUB: mitattiin myös 1 000 km ajetulla ketjulla ja takarattaalla – ei mitattavaa eroa.

SPEEDHUBin hyötysuhde seuraa tarkasti sitä, kuinka moni planeettaporras kantaa kuormaa kullakin vaihteella:

Vaihde	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Kuormitetut portaat	2	2	3	1	3	2	2	1	1	2	0	2	1	1

Paras on vaihde 11 – suora vaihde, jossa mikään porras ei tee työtä. Vaihteet 1–7 noudattavat samaa kuviota kuin vaihteet 8–14, vain noin 2 % alempana, koska kolmas porras alentaa niillä myös. Mikä porras toimii millä vaihteella: 14 vaihdetta sisältäpäin.

Muistettavaa

• Tasaisen momentin mittauksella alle 200 W:n tehoilla on käytännössä vähän merkitystä – urheilullisessa tahdissa pyöräilijä tuottaa reilusti yli 100 W.
• Vertaa hyötysuhdetta aina toleranssivälinsä kanssa ja yhdessä välitysalueen ja vaihteiden määrän kanssa.
• Lika, voitelu ja kuluminen vaikuttavat eniten avoimiin voimansiirtoihin – suljettuun SPEEDHUBiin tuskin lainkaan.