Велоэргометр своими руками

Опубликовано: skisport.ru

Велоэргометр своими руками.

Для физиологического тестирования требуется велоэргометр. Но для любителя такое устройство неподъемно, как и для многих спортшкол. Самый дешевый из велоэргометров Monark стоит под 50000 рублей. Но если есть руки и время, то велоэргометр можно сделать самому на основе простого велотренажера. Как это сделать – делюсь опытом.
 
Берем самый дешевый велотренажер с колодочной системой торможения (спиннер), можно б/у. В нашем случае это Atemi AS 4001. То же самое существует под именем Body Sculpture SE-4600 (найдите отличия кроме цены)…

Приделываем к нему дополнительную систему торможения, принцип которой заимствован из старшей линейки велоэргометров Monark. Это двойная веревочная петля, конец которой натягивается грузом.

Эти рисунки из документации к велоэргометрам Монарк, скачанной с официального сайта.
 
 
В велоэргометре Monark колесо имеет желоб, чтобы веревка не сваливалась. Мы тоже сделаем небольшой желоб, но в основном для того, чтобы снять хромированное покрытие, которое со временем, возможно, сотрется, а пока немного снижает коэффициент трения. Снимаем кожух у точила, слегка раскручиваем колесо, придвигаем работающее точило, и слегка притормаживаем колесо, поскольку точило его понемногу дополнительно раскручивает. Долго, но можно. Соблюдение техники безопасности – обязательно!!!

Для финишной обработки закрепляем ленту из шкурки с подвешенным грузом и крутим педали, пока поверхность не станет достаточно гладкой. Последние штрихи – лентой из мелкой шкурки. Желоб готов. Тщательно протираем его от пыли и грязи.
 
Некоторые веревки нормально сидят даже на колесе без желоба, а некоторые сваливаются при кручении даже с проделанным неглубоким желобом. В чем причина явления, пока не разобрался. Поэтому решал проблему подбором веревки. В данном случае хорошо подошла веревка из туристского магазина диаметром 6 мм, динамическая или статическая - не помню, подбирал в основном по качеству оплетки.
 
После этого снимаем держатель фляги, и на этих же винтах на то же место прикручиваем пару металлических скоб (мебельные завалялись). Затем к раме через кусок старой велосипедной камеры прикручиваем веревкой металлический уголок, который будет держать неподвижный конец веревки. Веревку пропускаем в дырку, надеваем шайбу, и завязываем узел:

Велотренажер Атеми имеет на руле специально приваренный выступ для крепления штатного велокомпьютера. Велокомпьютер переносим прямо на руль, а этот выступ используем как держатель для системы торможения. Крепим к этому выступу руля ролик, через который перекидываем веревку и на крючок вешаем груз. Я использовал пластиковое колесо от хозяйственной тележки, продающееся в хозяйственных магазинах. Шина с колеса снимается отверткой, а в качестве оси подходит болт или шпилька диаметром 8 мм. В качестве рамы для колеса использовал подручную железяку под названием держатель балки, которую купил в OBI. Рассверлил подходящие по месту два отверстия для того, чтобы вошел болт. Понадобится гайка, шайбы и подручные трубки, чтобы колесо легко вращалось, но не болталось на оси. Крепим конструкцию, просто привязывая к рулю веревками, подкладывая под железную раму куски резины – старую велосипедную камеру. Железяка дополнительно упирается в крепление руля, что не дает ей смещаться и болтаться.

Рабочую веревку можно прямо перекинуть через колесо и сделать петлю для крючка, на фотографии веревка надставлена дополнительным фрагментом (хорошая веревка – недешевое удовольствие, порядка 12-15 рублей за метр). Поскольку веревка по мере эксплуатации выйдет из строя, то лучше купить на 2-3 раза, чтобы не мучиться с калибровкой для каждой новой веревки.

В итоге это выглядит примерно так:

Веревка закреплена так, что колесо при движении пытается раскрутить ее, а не затянуть. Груз наоборот старается затянуть веревку. В качестве грузов используем обрезиненные диски для гантелей по 0,5 кг, с веревочной петлей, и вешаем их в нужном количестве на крючок.

Поскольку дешевый велотренажер, как правило, не имеет датчика частоты вращения педалей, то мы сделаем его из простого велоспидометра. Лучше взять велоспидометр, который запоминает максимальную скорость – это понадобится при тестировании максимальной мощности.

Крепим датчик велоспидометра к раме, а магнит скотчем к колесу спиннера. Теперь посчитаем, какую длину окружности колеса надо выставить в велоспидометре, чтобы скорость в км/ч соответствовала числу оборотов педали в минуту. Снимаем кожух, и определяем передаточное число звездочек, в нашем случае 52:16=3,25. Соответственно, скорость вращения колеса выше в 3,25 раза, чем скорость вращения педалей. То есть при каденсе 60, скорость вращения колеса 195 оборотов в минуту. Теперь рассчитываем длину окружности колеса, которую надо выставить в велоспидометре. 60 км/ч = 16,6666 м/с. В то же время это должно быть 195 оборотов колеса в минуту или 3,25 оборотов в секунду. 16,6666 / 3,25 = 5,128 м. Велоспидометр такое число не позволяет выставить, поэтому прилепляем скотчем на колесо 2 магнита симметрично оси, и выставляем длину колеса 5,128 / 2 = 2564 мм. Теперь скорость на спидометре равна числу оборотов педалей в минуту.

Все, прибор готов. Подвешивая разный груз, мы получаем разную силу трения и разную мощность при работе. Осталось откалибровать наш велоэргометр. И построить таблицу зависимости мощности от веса груза и частоты вращения педалей. И это - самое ГЛАВНОЕ:

Калибровка.

Мощность зависит от угловой скорости колеса и момента силы трения, соответствующего подвешенному грузу. Для построения таблицы мощностей нам нужно знать момент инерции колеса и момент силы трения холостого хода. Для этого потребуется произвести несколько измерений. Для удобства можно с одной стороны снять кожух велотренажера. Снимаем тормозящую веревку.

1. Крепим скотчем к колесу не тянущуюся веревку, и крутим колесо в обратную сторону. Придерживая веревку рукой, наматываем ее на колесо. Затем пропускаем веревку через блок и подвешиваем к ней груз известной массы. Подбираем высоту нижней точки груза, скажем, 1,5 метра, и засекаем время, за которое он опустится до пола, раскручивая колесо (3 раза так делаем для точности).

Для этой операции, скорее всего, понадобится помощник. Один наматывает веревку, держит и отпускает колесо, второй работает с блоком, грузом и секундомером. Веревка при этом измерении не должна касаться рамы! Я мучился один… Важно после раскрутки колеса быстро его остановить, чтобы не дать веревке закрутиться на оси и безнадежно запутаться. В этом случае на нее попадает смазка, которая при последующих отсечках времени попадет на колесо. Колесо после этого необходимо промыть и вытереть насухо. Да и времени на распутывание уйдет очень много.

2. Затем снимаем все веревки. Раскручиваем колесо до скорости 60 км/ч на спидометре, то есть до 195 оборотов в минуту, бросаем крутить педали, и с этого момента засекаем время до полной остановки. Все засечки времени по 3 раза, берем среднее.

3. Затем надеваем тормозящую веревку, подвешиваем груз весом 0,5 кг, раскручиваем колесо до скорости 75 на спидометре, и засекаем время до полной остановки (3 раза, берем среднее). То же самое повторяем для грузов 1кг, 1.5 кг, 2 и 2,5 кг.

Спасибо книжке «Репетитор по физике». Пришлось вспомнить молодость и аналитически вывести формулу момента инерции колеса в зависимости от начальной скорости при измерении времени остановки холостого хода, а также времени опускания и массы груза, радиуса колеса. Все формулы и расчеты находятся в файле Excel, который можно получить, связавшись с автором по электронной почте avertyshev@mail.ru

Подставляем полученные в п.п. 1, 2, 3 значения в файл Excel, и получаем ряд моментов силы трения в соответствующих ячейках в секции «Калибровка по мощности».

Теперь нужно найти формулу зависимости момента трения от веса груза. Проще всего построить график на миллиметровке, провести усредненную прямую линию через полученные точки. Затем определяем коэффициент при Х – наклон прямой, и свободный член – значение в точке X=0. А можно построить график по точкам в программе Advanced Grapher http://www.alentum.com/agrapher/ , и линейное регрессионное уравнение средствами этой программы. Так будет немного точнее. Вот пример построенного графика.

Потом полученные коэффициенты подставляем в файл Excel, и на второй закладке получаем требуемую таблицу зависимости мощности от веса груза и частоты вращения педалей.

Распечатываем ее, и используем при тестировании. Разумеется, для каждого велоэргометра (веревки и колеса) таблица будет своя. Такой подход применим для любого прибора, использующего колесо и силу трения.

У взятого в качестве основы велотренажера Atemi AS 4001 есть недостаток – длина шатуна педали всего 14 см, а у Монарка и у велосипеда порядка 17 см, поэтому биомеханика вращения немного отличается, что может вносить определенные погрешности. Лучше подбирать тренажер с нормальным шатуном. Хотя это не так уж важно. Зато Atemi довольно легко переделывается. Конструкция руля удобна для крепления колеса и груза. После калибровки даже можно вернуть на место штатную систему торможения, отпуская ее при тестировании. Но запомните - Минимальный груз должен висеть постоянно!!! Иначе веревка свалится. Единственная трудоемкая операция при переделке – проточка желоба. Я, конечно, сэкономил – желоб очень неглубокий, меньше 1 мм, точило было самое дешевое и слабое, быстро перегревалось. Но некоторые веревки работают и без желоба, не сваливаются. Иногда по непонятным причинам даже эта веревка соскакивала из показанного желоба. Это происходило после того, как испытуемый заканчивал тест (14-20 минут). И после снятия большого груза, при вращении с грузом 0,5 кг веревка иногда сползала. Колесо в тесте хорошо разогревалось, и веревка тоже. Возможно, это каким-то образом влияло. Но при небольшой сноровке ее можно вернуть на место, не снимая кожух велотренажера. На самом деле можно пофантазировать на тему конструкции. Например, вместо проточки желоба надстроить бортики. Главное – минимум лишних узлов и простота крепления. Вся хитрость – в правильной калибровке прибора. Дерзайте…

За помощь в подготовке материала особая благодарность Владимиру Житенёву, участнику форума журнала Лыжный спорт, www.skisport.ru 

Александр Вертышев, avertyshev@mail.ru