BAB 2 DASAR PROPULSI LISTRIK
2.3 Estimasi Daya Motor yang Dibutuhkan
Kami menggunakan ekspresi analitik yang diberikan di Bagian 2.2 untuk menggambarkan kisaran nilai untuk parameter terkait seperti kecepatan, berat, kemiringan jalan, efek angin, dan daya penggerak. Ini dapat digunakan untuk memperkirakan daya motor yang dibutuhkan. Perkiraan ini bersama dengan informasi yang diberikan dalam Bab 6 dapat digunakan untuk memilih motor. Prosesnya adalah pertama untuk menemukan kekuatan propulsi, kedua untuk meningkatkannya untuk memperhitungkan kerugian, dan terakhir untuk menentukan seberapa besar tenaga penggerak yang harus disumbangkan oleh pengendara.
Menentukan Daya Propulsi
Fungsi di atas menentukan daya yang diperlukan dari roda penggerak untuk menggerakkan sepeda pada kecepatan yang diinginkan. Contoh hasil menggunakan ekspresi analitik ini untuk beberapa kondisi representatif ditunjukkan pada Tabel 2.6 dan Gambar 2.2.
Tabel 2.6 menunjukkan daya yang diperlukan untuk mengembangkan torsi roda sepeda yang diperlukan untuk melaju pada kecepatan yang ditunjukkan, dengan berbagai kondisi kemiringan permukaan dan angin kepala. Nilai daya ini diperlukan untuk mengatasi (1) gaya hambatan udara, (2) gaya mengatasi hambatan roda untuk menggelinding, dan (3) gaya yang diperlukan untuk mengatasi gravitasi saat berjalan menanjak. yang diharapkan pada ketinggian 50 f dalam menciptakan nilai untuk tabel. Kepadatan udara di ketinggian yang l ebih tinggi akan lebih sedikit, sehingga lebih sedikit daya yang dibutuhkan. Mengadopsi nilai elevasi rendah menghasilkan perkiraan yang lebih konservatif dari daya yang dibutuhkan. Koefisien tahanan gelinding 0,007 digunakan.
Tabel 2.6 Daya yang Diperlukan untuk Mengembangkan Torsi Roda yang Diperlukan untuk Kondisi Perjalanan yang Diindikasikan cl
"Kondisi: Area depan pengendara dan sepeda adalah 0,4 m2 (4,3 ft2) , beratnya 75 kg (165 Ib). Koefisien drag adalah 1: koefisien rolling resistance adalah 0,007; elevasi adalah 15 m (50 ft).
Jika pengendara bersepeda melawan angin kencang, maka kerugian aerodinamis bertambah, dan pada setiap kecepatan lebih banyak tenaga harus disalurkan ke roda di permukaan jalan. Tabel 2.6 mengilustrasikan hal ini dengan menunjukkan daya yang dibutuhkan untuk kecepatan angin kencang hingga 25 mph (40 km/h).
Untuk efek hambatan udara kami mengasumsikan area frontal 4,3 ft2 (0,4 m2). Ini akan sesuai dengan orang dewasa yang mengenakan pakaian jalanan biasa. Kami mengukur area depan yang diproyeksikan dari foto-foto orang yang mengendarai sepeda jalanan dalam posisi santai yang normal. Mereka bukan pembalap yang biasanya berjongkok di atas setang. Kami menggunakan koefisien drag 1 yang didasarkan pada pengukuran. Juga, untuk berat gabungan pengendara dan sepeda listrik kami menggunakan 75 kg (165 lb). Gambar 2.2 menunjukkan total daya yang dibutuhkan untuk disalurkan di permukaan jalan, dalam suasana tenang, untuk kecepatan sepeda dari 5 hingga 35 km/h dan kemiringan jalan dari 0 hingga 9 persen.
Menskalakan Daya Jalan untuk Menemukan Daya Motor yang Dibutuhkan
Dalam menentukan peringkat motor penggerak, perancang harus meningkatkan nilai pada Tabel 2.6 dan Gambar 2.2 untuk memasukkan daya untuk rugi-rugi mekanis dan elektrik.
Tenaga motor tambahan juga diperlukan untuk melewati jalan bergelombang atau jalan yang tergenang air. Motor dinilai dalam hal output daya. Output ini harus mencakup kerugian pada roda gigi dan rantai yang menghubungkan motor berkecepatan tinggi ke roda sepeda.
Gambar 2.2 Daya yang dibutuhkan pada permukaan jalan untuk berbagai kemiringan jalan dan kecepatan perjalanan. Legenda: x adalah 0% tingkat jalan, [] adalah 3% tingkat jalan, 0
adalah 6% tingkat jalan, dan + adalah 90% tingkat jalan.
Cara praktis untuk menghitung kerugian ini adalah dengan menggabungkannya menjadi efisiensi keseluruhan. Ini akan mengasumsikan, yang biasanya terjadi, bahwa variabel lass di dalam baterai dan sirkuit listrik antara baterai dan motor tidak sepenting perubahan lass di dalam motor setiap kali output dayanya berubah. Membagi nilai Tabel 2.6 dengan efisiensi keseluruhan, yang kita sebut sebagai efisiensi sistem, menghasilkan nilai konservatif untuk peringkat daya motor yang diperlukan. Kekuatan ini, bila dibagi dengan 746, memberikan nilai dalam tenaga kuda. Seseorang perlu memodifikasi prosedur ini untuk menentukan daya motor jika sambungan antara baterai dan motor tidak signifikan. Modifikasi ini akan diperlukan jika komponen high-lass, seperti rheostat, digunakan untuk mengontrol kecepatan motor.
Pengkabelan, sakelar, dan sirkuit solid-state berukuran memadai memiliki kerugian kecil yang dapat diabaikan jika dibandingkan dengan perbedaan berat dan ukuran antara pengendara sepeda. Faktor tambahan dalam menentukan peringkat daya motor adalah rasio input/output dari gigi pengurang kecepatan yang memasangkan motor ke roda penggerak daya sepeda. Gear reduksi kecepatan terbaik mungkin tidak sesuai untuk motor yang paling efisien. Memilih jenis dan rasio putaran per menit (rpm) yang optimal untuk propulsi sepeda yang efisien adalah prosedur rekayasa sistem yang kompleks yang dijelaskan dalam Bab 6.
Kami telah menemukan berdasarkan pengalaman bahwa total efisiensi propulsi keseluruhan adalah sekitar 50 hingga 60 persen. Motor dapat menjadi kontributor paling signifikan terhadap hilangnya efisiensi. Efisiensi maksimum yang diukur selama dur berkisar antara 30 hingga 70 persen untuk motor arus searah (dc) seri-sikat dan magnet permanen. Banyak
produsen motor mengutip efisiensi 90 persen atau lebih. Namun, efisiensi motor tergantung di mana Anda mengoperasikan motor pada titik desain daya bebannya. Umumnya, pengoperasian motor yang benar menghasilkan efisiensi sekitar 70 persen.
Menggabungkan motor ke roda penggerak menghasilkan kerugian tambahan pada efisiensi sistem. Beberapa mekanisme yang digunakan untuk memasangkan motor ke roda adalah gearbox, beIts, rantai, atau mekanisme penggerak gesekan. Gearbox akan mengurangi efisiensi sekitar 5 persen untuk setiap faktor pengurangan 2 kecepatan. Rantai atau sabuk bergigi memiliki efisiensi tinggi, di urutan 95 persen. Penggerak gesekan perangkat pada roda sepeda memiliki efisiensi yang bervariasi dengan tekanan terhadap roda dan juga kondisi jalan basah atau kering. Dalam penyesuaian coba-coba tekanan terhadap roda, kami mencapai keseimbangan antara penggerak roda positif tanpa slip dan penarikan arus minimum dari bauery. Kami menemukan bahwa efisiensi tertinggi adalah sekitar 85 persen untuk jenis penggerak ini.
Nilai daya motor yang ditentukan oleh prosedur di atas memastikan bahwa pengendara tidak menambah daya. Hampir semua sepeda bertenaga listrik dapat dikayuh sambil ditenagai oleh motor. Tenaga motor kemudian dapat dikurangi, terutama untuk tingkat permukaan yang lebih tinggi. Ketersediaan tenaga pedal ini dapat mengurangi tenaga motor yang dibutuhkan untuk bersepeda di tanjakan pendek yang curam. Untuk mengilustrasikan bagaimana seseorang akan memilih peringkat motor yang akan menghasilkan daya penggerak sepeda yang dibutuhkan, kami menggunakan perhitungan untuk sampel medan dan pengendara yang diharapkan. Proses pemilihan akan menjadi proses berulang dimana medan sampel akan dipilih dan asumsi tertentu akan dibuat pada batas atas tenaga motor dan bagaimana pengendara akan berkontribusi pada kekuatan propulsi. Pada setiap langkah iterasi asumsi akan diubah sampai diperoleh hasil yang dapat diterima.
Gambar 2.3 menunjukkan contoh bukit curam, bukit Graham, dan daya yang sesuai yang dibutuhkan dari motor dan dari arider. Nilai daya yang dihitung mengasumsikan efisiensi sistem 60 persen, sepeda dan pengendara dengan berat gabungan 120 kg (265 lb), area depan 0,42 m2 (4,5 ft2), dan nilai kecepatan yang ditunjukkan pada gambar. Daya motor maksimum ditetapkan pada 375 w. Total waktu perjalanan untuk ilustrasi ini adalah sekitar 15 menit dan sekitar 10 menit dihabiskan untuk perjalanan menanjak. Selama segmen menanjak, pengendara harus menghasilkan lebih dari 100 W selama 6,5 menit atau lebih dari 200 W selama 3 menit. Dalam Bab 5 kita akan membahas bagaimana memilih motor menurut rating dan kurva kecepatan-torsinya.
Motor Versus Museies Manusia untuk Propulsi Rieyele
Kemampuan manusia untuk menyalurkan tenaga penggerak sepeda merupakan fungsi waktu sebelum habis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.4. Data umumnya berkaitan dengan laki-laki non-atletik yang sehat. Kami menunjukkan ini hanya untuk menambah perspektif dan tidak terlalu spesifik dengan nilai-nilai seperti itu. Ada berbagai kemungkinan nilai.
Gambar 2.3 Graham tanjakan yang curam dan tenaga yang dibutuhkan dari motor dan pengendara.
Garis grafik adalah: __ elevasi dalam meter, daya pengendara dalam watt, dan - - - daya motor dalam watt. Kecepatan sepeda dalam km/jam = 16 - 1,6 GO0.71 untuk G = 0 hingga 6 dan 𝛿 = 24-1.6 G1.4 untuk 13 < G < 46 dan 38 km/h untuk G < 0.
Perkiraan eurve yang ditunjukkan pada Gambar 2.4 diberikan oleh persamaan:
di mana 𝜏 adalah durasi waktu ketahanan dalam menit. Ini hanya valid untuk data yang ditunjukkan pada gambar.
Kami belajar dari para insinyur yang sedang mengembangkan pesawat bertenaga manusia Raven bahwa seorang atlet kelas atas dalam kondisi yang baik dapat mengirimkan dengan kakinya 4 W/kg berat badan. Durasi penerbangan yang direncanakan Raven adalah 5 jam. Juga, A.C. Gross dan rekan-rekannya melaporkan bahwa nonatlet yang sehat dapat menghasilkan daya museI 75 W selama 8 jam, sementara atlet yang baik dapat menghasilkan daya sekitar 300 W [4]. Manusia biasa dapat menghasilkan sekitar 746 W untuk sesaat.
Seseorang yang bukan atlet dapat mengirimkan kekuatan ini selama 12 detik, dan atlet yang baik dapat mengirimkannya selama 30 detik.
Gambar 2.4 Output tenaga manusia saat mengayuh. Titik data berasal dari: "x" dari Abbott dan Wilson "Hurnan-Powered Vehicles", Human Kinetics (1995), dan titik "[]" berasal dari Wilkie, "Man as a Source of Mechanical Power", Ergonomies, 3 (1), hlm. 1-8, 1960, seperti
yang diberikan oleh Coate [Ref. 1.1]. Garis, - - - , dalam grafik adalah aproksimasi.