Как измеряют КПД

Каков КПД SPEEDHUB, кратко изложено в статье КПД. Эта статья о том, почему разные измерения дают для одного и того же привода разные цифры, — и о том, как измеряла Rohloff.

1. Педалирование неравномерно

Велосипедист крутит педали с почти постоянным каденсом, но крутящий момент внутри каждого оборота шатунов сильно пульсирует: измерения показали колебания каденса около 5 %, а крутящего момента — более 90 %. Каждая деталь, несущая нагрузку, — цепь, ведущая звезда, подшипники, шестерни — нагружается и разгружается дважды за оборот.

Мощность и каденс	100 Вт, 75 об/мин	300 Вт, 75 об/мин	575 Вт, 50 об/мин
Пиковый крутящий момент	21,6 Нм	68 Нм	200 Нм
Минимальный крутящий момент	3,8 Нм	8 Нм	20 Нм

Испытательные стенды приводятся электромотором с равномерным крутящим моментом. Поэтому вопрос в том, какая постоянная мощность соответствует реальной, пульсирующей нагрузке. Ответ дал стенд Rohloff для испытаний износа цепей и ведущих звёзд: детали, на которых ездили со средней мощностью 150 Вт при пульсации от 5 до 30 Нм, изнашивались так же, как испытательные детали при постоянных 30 Нм. Поскольку износ и потери на трение вызываются одними и теми же факторами, стенд должен работать при пиковом крутящем моменте, а не при среднем — проще говоря, поездка мощностью 80 Вт воспроизводится на стенде при том же каденсе примерно со 160 Вт.

2. Два вида потерь

• Потери, зависящие от нагрузки: трение деталей, движущихся под нагрузкой, — звеньев цепи, шестерён, подшипников. Они растут пропорционально передаваемой мощности.
• Потери, не зависящие от нагрузки: уплотнения, поверхности скольжения, перемешивание смазки. Они зависят не от усилия, а только от скорости, температуры и вязкости смазки.

Два условных привода, оба с КПД 91 % при 50 Вт:

Входная мощность	50 Вт	100 Вт	200 Вт	300 Вт	400 Вт	500 Вт
Система A: 7 % + 1 Вт	91,0 %	92,0 %	92,5 %	92,7 %	92,75 %	92,8 %
Система B: 3 % + 3 Вт	91,0 %	94,0 %	95,5 %	96,0 %	96,3 %	96,4 %

При малой мощности преобладают потери, не зависящие от нагрузки, при большей — зависящие. Кривые C и D — это те же приводы, когда потери на уплотнениях растут с 1 Вт до 2 Вт из-за нагрева или изменения смазочной плёнки (A → C) или падают с 3 Вт до 2 Вт (B → D):

Ниже 200 Вт колебание всего на ±1 Вт сдвигает результат на несколько процентов — и оно может произойти в пределах одного измерения, потому что само тепло трения меняет условия. Поэтому ниже 200 Вт значение КПД достоверно только по множеству повторных замеров и всегда как диапазон с верхней и нижней границей. Выше 200 Вт колебание становится пренебрежимо малым.

3. Ваш КПД тоже важен

Цель — не лучшая механическая цифра, а то, какая доля вложенной вами энергии превращается в движение вперёд. КПД мышц достигает примерно 25 % при правильном усилии и скорости движения, но на неподходящей передаче он легко оказывается на 10 процентных пунктов хуже — гораздо больше, чем разница между системами передач.

КПД	Велосипедист A	Велосипедист B
КПД мышц	24 %	22 %
КПД привода	93 %	97 %
Общий	22 %	21 %

Велосипедист A на правильной передаче эффективнее с худшим приводом, чем велосипедист B на неправильной. Спортивная медицина считает, что шаг между соседними передачами должен быть меньше 15 %, чтобы подходили и передача выше, и передача ниже, — поэтому рядом с КПД всегда нужно рассматривать диапазон и число передач. См. Сравнение передаточных отношений.

4. Измерение Rohloff

Измерялся весь привод — каретка, цепь, ведущие звёзды, втулка или коробка передач — с имитацией спортивного велосипедиста мощностью около 160 Вт с пиками крутящего момента 50 Нм (285 Н на педали):

Параметр	Значение
Каденс	60 об/мин
Тормозная мощность (постоянная)	314 Вт
Крутящий момент привода	50 Нм

Для сравнения испытывались 24-скоростной внешний переключатель (ведущие звёзды 46, 36 и 26 зубьев, кассета 11–28) и SPEEDHUB (46/16), обе системы предварительно приработаны примерно 100 км. Замеры повторялись несколько раз; погрешность ±0,5 %.

• Внешний переключатель: измерен чистым и хорошо смазанным, затем с грязными цепью и звёздами, прошедшими около 1 000 км, — с изношенными деталями КПД был в среднем на 1 % ниже.
• SPEEDHUB: также измерена с цепью и звездой после 1 000 км — измеримой разницы нет.

КПД SPEEDHUB точно следует тому, сколько планетарных ступеней несут нагрузку на каждой передаче:

Передача	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Ступеней под нагрузкой	2	2	3	1	3	2	2	1	1	2	0	2	1	1

Лучше всего 11-я передача — прямая, на которой ни одна ступень не работает. Передачи 1–7 повторяют ту же картину, что и передачи 8–14, только примерно на 2 % ниже, потому что там дополнительно понижает третья ступень. Какая ступень работает на какой передаче: 14 передач изнутри.

Что стоит запомнить

• Измерение с постоянным крутящим моментом ниже 200 Вт мало что значит на практике — в спортивном темпе велосипедист выдаёт намного больше 100 Вт.
• Сравнивайте КПД всегда с его диапазоном погрешности и вместе с диапазоном и числом передач.
• Грязь, смазка и износ сильнее всего влияют на открытые приводы — на герметичную SPEEDHUB почти никак.