Пространственная рама для электровелосипеда своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 31.08.2024

Каким бы увлекательным и радостным процессом ни казалась сборка своего электровелосипеда, качественный результат неизбежно требует предварительного планирования.

Следует оценить не только стоимость затрат на компоненты, но и возможность раздобыть необходимые инструменты.

В данной статье я постараюсь перечислить всё, что необходимо, и предостеречь о возможных подводных камнях.

Донор

Прежде всего, конечно, нужен сам велосипед-донор, то есть тот, на базе которого будет построен электровелосипед. У кого-то он уже есть, у кого-то нет, а кому-то просто жалко или не хочется превращать любимый велосипед в электрическую версию, и для этих целей приобретается отдельный велосипед.

Есть несколько важных обстоятельств, определяющих возможность электрификации велосипеда:

Тип крепления колеса. Если планируется установка мотор-колеса, то крайне важно чтобы было крепление QR (Quick release - быстрозажимное). В крепление другого типа - осевое крепление - мотор-колесо не установить (хотя такую задачу неоднократно решали ребята из Electronbikes , но это довольно дорогое удовольствие).
Наличие места в треугольнике рамы. Часто бывает, что в треугольнике рамы расположен амортизатор, либо верхняя труба сильно занижена - в этом случае установить туда батарею будет довольно проблематично, а иногда вообще невозможно. Вариант установки батареи на багажник, или тем более на подседельный штырь, на мой взгляд крайне нежелателен из-за смещения центра масс и раскачиваний при езде.

Электрокомплект

Или, другими словами, комплект для электрификации велосипеда (electric bike kit). Если мы сделаем на Aliexpress соответствующий запрос, увидим множество предложений - от мотор-колёс до центральных моторов, различных по мощности.

Так что же входит в комплект по электрификации? Давайте разберём каждый из составляющих его компонентов.

Батарея

На картинке выше батарея отсутствует, так как часто её просто не включают в состав комплекта - в том числе потому, что она является самым дорогим компонентом электровелосипеда, и стоимость комплекта вместе с батареей будет отпугивать перспективных покупателей. Поэтому батарея обычно продаётся отдельной позицией.

Итак, у нас есть несколько вариантов откуда взять батарею:

1. Купить готовую, на том же Aliexpress, либо приобрести у местных предпринимателей, если не хочется долго ждать. Но как при этом удостовериться в качестве батареи? Здесь мы можем только ориентироваться на отзывы аналогичных покупателей у выбранного продавца.

2. Купить б/у. Этот вариант подходит только в том случае, если у вас или ваших друзей есть оборудование для измерения характеристик батареи, а именно - ваттметр для измерения ёмкости и мощный потребитель (например, набор ламп) для определения внутреннего сопротивления батареи путём оценки просадки напряжения под нагрузкой.

3. Конечно же, изготовить самостоятельно. Для этого потребуется:

Литий-ионные элементы (либо другие, в зависимости от ваших целей), например, эти формата 18650 . Количество элементов определяется в зависимости от схемы сварки, которая, в свою очередь,зависит от напряжения и ёмкости батареи.
Плата BMS ( Battery Management System - система управления батареей), которая будет следить за тем, чтобы элементы не перезарядились, не переразрядились и выравнивать напряжения на отдельных элементах), например эта на 48 В .
Холдеры, или пластиковые разделители (раз уж мы заговорили про формат 18650), в которые вставляются элементы и которые по сути формируют каркас батареи, например эти .
Аппарат точечной сварки батарей. Многие возразят, сказав, что элементы можно и спаять между собой мощным паяльником, но пайка, к сожалению, не даёт такого стабильного качества соединения, как точечная сварка. А значит, результат наших трудов может оказаться не самым лучшим. Если вы собираетесь собрать один велосипед - можно воспользоваться аппаратом у тех, кто занимается этим постоянно (взять в аренду). Если же вы собираетесь заниматься этим на постоянной основе, для начала можно приобрести вариант попроще . Но со временем я бы посоветовал заменить его на что-то более производительное.
Контактные пластины для соединения элементов, которые будут привариваться точечной сваркой. Их можно нарезать из ленты (например, такой ) или купить готовые.
Силовые провода достаточного сечения. Какое именно сечения будет достаточным для вашего случая - нужно определить в зависимости от мощности, которую должна выдавать батарея.
Изоляционные материалы - термоусадочные и стеклоармированные трубки, электрокартон, либо другие - каждый выбирает то, что ему больше нравится, или чему он больше доверяет.
Корпус. Здесь у многих открывается невиданный простор для полёта фантазии, но есть смысл использовать готовый недорогой вариант, например этот . Кстати, он идёт в комплекте с холдерами.

Более подробно про батарею можно почитать в одной из мои прошлых статей .

Двигатель

В случае центрального мотора , который устанавливается в кареточный узел, наибольшим спросом на Aliexpress пользуется двигатель Bafang BBS, например этот . Эти моторы имеют встроенный двухступенчатый редуктор.

Для его установки потребуется:

съёмник шатунов (звучит как должность и фамилия, но это не так);
ключ для откручивания каретки - двигатель встанет на её место.

В случае мотор-колеса , мы можем как купить готовый вариант, так и приобрести отдельно мотор, обод и спицы - и отдать на спицовку мастеру в веломастерскую.

Можно и самостоятельно попытаться заспицевать мотор в обод, но для новичка этот вариант не подходит - нужны определённые навыки и опыт.

Мотор-колёса подразделяются на следующие основные типы:

Прямого привода, или Direct Drive, DD, они довольно тяжёлые, но поддерживают рекуперацию и не имеют шестерёнок (редуктора), от чего многие считают их более надёжными.
С одноступенчатым редуктором - эти легче чем первый вариант, а также достаточно недорогие. Самые распространённые на Aliexpress - фирмы CSC и MXUS .
С двухступенчатым редуктором - у них выше вращающий момент, и они стоят дороже мотора с одноступенчатым редуктором, поэтому на Aliexpress их почти нет и самодельщики их практически не используют.

Для того, чтобы ось двигателя под нагрузкой не провернулась внутри дропаутов и не повредила провод, применяются так называемые торкармы (Torque arm - моментный рычаг), они же усилители дропаутов.

Более подробно про двигатели для электрических велосипедов я уже рассказывал в одной из статей .

Контроллер

В случае центрального мотора контроллер чаще всего встроен в корпус самого двигателя, и из него выходят только провод питания, интеграционный кабель на руль (про него будет подробнее) и иногда провод к датчику скорости.

В случае с мотор-колесом контроллер обычно является отдельным компонентом. Часто в комплекте с контроллером идёт кейс, в котором кроме самого контроллера укладываются соединительные разъёмы. Но не советую закрывать в герметичный корпус мощный контроллер - ему требуется больше охлаждения.

Вот самый распространённый контроллер , заказываемый на Aliexpress отдельно от комплекта:

Изучив рынок электровелосипедов, я пришел к выводу, что у большинства дешевых серийных электробайков от китайских производителей очень плохое качество: ломается буквально все, а заявленные характеристики не соответствуют реальным. Поэтому я решил собрать электровелик своими руками. Пришлось немного заморочиться, но результат стоит того.

В идеале мой веломопед должен был выглядеть как на заглавной картинке, но все было намного хуже. К сожалению, фотографии не сохранилось. Несмотря на все недостатки этого агрегата, я с большим удовольствием отъездил на нем целый сезон, после чего он скоропостижно скончался.

Прошли годы, и как-то в интернете мне встретился видеоролик об электровелосипедах. Тема меня очень заинтересовала, и я решил собрать подобный агрегат — но сначала полюбопытствовал, что сейчас представлено на рынке. Оказалось, что в продаже есть огромное количество модификаций электровелосипедов. Стоимость серийных изделий варьируется от 50 тысяч до 5 млн рублей.

Электромотор — его сердце. Контроллер — его мозг. Аккумулятор — еда. Ручка газа регулирует подачу напряжения на двигатель. Датчик тормоза ставится опционально, если есть рекуператор энергии. На дисплей можно вывести рабочее напряжение, заряд батареи, текущую скорость и так далее. Но электровелосипед можно собрать и без него, потому что основной параметр заряда батареи дублируется на аккумуляторе.

Еще одна опция — pass assist, помощник при педалировании. В зависимости от частоты вращения педалей он дозированно подает энергию на электродвигатель. В основном эти помощники работают очень плохо, и большинство людей с опытом езды на электровелосипедах не ставят их вовсе.

Далее мне надо было определиться, какой электровелосипед мне нужен, по каким критериям я буду подбирать основные компоненты.

Во-первых, мне нужен был запас хода около 50 километров — это дорога от дома до работы и обратно. Для меня было важно, чтобы велосипед был легким, чтобы я мог спокойно запихнуть его в машину, перевезти в общественном транспорте и занести в квартиру. Не менее важен был и внешний вид, чтобы из велосипеда не торчали провода, чтобы он выглядел аккуратно.

Многие электровелосипеды делают излишне быстрыми. Я для себя определил, что он должен ездить чуть быстрее, чем если бы на нем крутил педали обычный велосипедист. Наконец, общая стоимость велосипеда обязательно должна была быть низкой.

Моторы для электровелосипедов можно условно разделить на три категории:

малой мощности, способные разогнать велосипед до 40 км/ч;
средней мощности — до 60 км/ч;
высокой мощности, когда велосипед летит со скоростью до 100 км/ч и выше.

Какие типы моторов применяются на велосипедах?

Кареточный ставится на каретку педалей. Этот тип моторов довольно сложный, у них имеется обгонная муфта, но при этом есть большой недостаток — мотор дает дополнительную нагрузку на весь цепной привод, из-за чего очень быстро изнашиваются звездочки и цепь. Второй недостаток — высокая стоимость: за китайскую версию просят от 30 тысяч рублей.

Мотор прямого хода довольно громоздкий и тяжелый. Такие моторы относятся к категориям средней и высокой мощности. Единственное преимущество — долговечность из-за отсутствия шестеренок. Цена — от 15 тысяч рублей в зависимости от мощности. Из недостатков: на малых оборотах мотор имеет слабый крутящий момент.

Редукторный мотор. Внутри него установлен планетарный редуктор с шестернями, он очень легкий и компактный. Цена ниже, чем на остальные. Такие моторы относятся к категории малой мощности

Я решил, что мне вполне хватит скорости до 40 км/ч, поэтому выбрал редукторный мотор.

Редукторные моторы часто устанавливаются на передний привод. Это самый простой способ установки, трудозатраты минимальны. Но, поскольку нагрузка на переднюю ось велосипеда невелика, очень часто возникает пробуксовка переднего колеса, ухудшается маневренность, при этом колесо может пойти юзом, что приведет к потере равновесия.

Задний привод — классический вариант. Основная нагрузка в велосипеде приходится на заднюю ось, и все недостатки переднего привода сразу исключаются.

Идея сделать раму пришла ко мне давно. Года два-три назад. Тогда это казалось едва ли выполнимой задачей, в силу отсутствия для этого дела всего, кроме заднемыслиевого желания) Надо было как-то придумать как вообще её делать, где железки взять, как закрепить для сварки и при этом размеры выдержать, да и вообще раздобыть где-то сварочник и научиться его применять во славу Сврога. Сейчас вот преодолел эти сложности и сотворил предначертанное.
А собственно, почему бы и нет? Смотришь, такой, на раму. Вот одна труба, вот вторая, вот здесь сварили, тут подшипник, вроде, всё ясно. Дай-ка попробую так же сделать))
Сначала думал варить хардтейл(типа попроще), но потом решил, что он у меня уже и так есть, а нужен мне лайтовый трейло-минидэхашный подвес для Еринца, решил сделать нечто, на него похожее. Не шибко лайтовое, конечно, но всё ж)
Конструкторские изыскания начались с анализа существующих конструкций с целью определения нужной геометрии и параметров подвески. Пересмотрев кучу рам геометрию взял такую:

База 1160
Перья 430
Рич 405
Угол рулевой 65 гр
Угол подседела 71 гр
Эффективная длина верхней трубы 616мм
Аморт 200*50
Ходу 140мм

Впоследствии выяснил, что стакан больно завалил, тк хотелось бы чуть более резкой управляемости. Надо 66гр. И перья покороче. И шарнир повыше, а то педалкик слабоват, из-за чего подвеска все таки качается, при вваливании. Та и нехай)
Подвеску решил выполнить в виде одного рычага. Собственно, зачем больше?) Мотолинк делается, если хочешь больше прогрессии в работе, но мне хотелось полинейнее, блокировка тормозом фигня по большому счёту, особенно на короткоходе, ну и с раскачкой всё просто решается. Да и сделать её проще всего, тк не надо морочиться с кучей шарниров и звеньев, а их ещё при сварке надо закоординировать все.

Ну там, всё прикинул, подвеску разработал, получилось так:

Потом приступил к детализации узлов и более точному размышлению над соединениями, и формой моего изделия в поперечной плоскости.

Все началось в прошлом году, когда я стал все чаще и чаще ездить на работу на велосипеде, т.к. ожидания в автомобильной толпе, после рабочего дня, момента приезда домой стали напрягать все больше и больше. Путь на велосипеде от дома до работы занимал по времени почти также как и на машине. Но с учетом того, что путь проходил большую часть по дорогам, на которых практически отсутствовало движение автомобилей, вдоль прибрежной полосы водохранилища и живописной аллеи, в которой в утренние часы проводили разминку спортивно-ориентированные люди, а берег украшали зевающие рыбаки с удочками – езда на велосипеде доставляла еще и моральное удовлетворение от любования за всем происходящим вокруг.

Единственным недостатком, омрачающим поездки на работу была горка, протяженностью около 300 метров с довольно крутым подъемом, при въезде на которую приходилось сбрасывать на низшие передачи и прикладывать значительные усилия. Следствием этого являлось не комфортное состояние перед началом рабочего дня в офисе.

Мысль о покупке готового набора с мотор-колесом на переднем приводе казалась мне банально простой, а также две другие причины: малая развиваемая мощность (до 500 Вт) и дороговизна – сыграли не в ее пользу.

Акцент был сделан на задний привод и использование бесколлекторного двигателя. КПД такого решения, казалось, должно быть выше, чем использование переднеприводного мотор-колеса.

Уже имея небольшой опыт в радиомоделизме, я решил использовать для реализации своей задумки компоненты от HobbyKing, как основные при постройке электровелосипеда. Механику же было решено использовать ту, которую легко достать в любом авто- или веломагазине.

Компоненты

Для постройки электровелосипеда использовались следующие компоненты:

HobbyKing

Автомагазин

Шкив генератора ВАЗ-2108, 4 шт. (500 руб.)
Ремень генератора ВАЗ-2108, 2 шт. (200 руб.)

Веломагазин

Фривил (150 руб.)
Втулка, 2 шт. (500 руб.)
Цепь (150 руб.)
Переключатель передач (300 руб.)
Звезда 52T (300 руб.)

Строительный магазин

Алмазный диск 150 мм (150 руб.)
Винты, гайки, шайбы (150 руб.)
Алюминиевый профиль 20x10 (100 руб.)

Итого 7300 руб.

Изготовление (механика)

Так как электровелосипед я планировал построить заднеприводным, для передачи крутящего момента на заднее колесо решил использовать цепную передачу, а для увеличения коэффициента передачи поставить звезду с большим числом зубьев.

Изначально я планировал вырезать звезду с нужным количеством зубьев с помощью лазерной резки в какой-нибудь мастерской, но поиски готового 3D-шаблона нужной конфигурации заняли много времени и ни к чему путному не привели. Заказ же резки вместе с изготовлением дизайнером шаблона выливался в копеечку (около 1500 руб.). Это ставило на нет основной принцип задуманной идеи – минимизация расходов на заказные и использование доступных готовых недорогих компонентов.

Поэтому в веломагазине (веломастерской) была приобретена самая большая звезда 52T, снятая с кассеты. А для крепления ее к втулке заднего колеса в строительном магазине куплен алмазный диск для болгарки подходящего диаметра (15 см). Центральное отверстие диска пришлось расточить сверлом и напильником до нужного диаметра втулки заднего колеса. Крепление этой конструкции к заднему колесу выполнено тремя болтами к спицам. Желательно для крепления использовать “ушастые” гайки, которые хорошо цепляются за спицы, а также автоконтргайки (с вкладышем). Звезду следует отбалансировать на крутящемся колесе, чтобы не было биений в разные стороны.

Для предотвращения передачи крутящего момента на двигатель с вращающегося колеса я использовал фривил на 16 зубьев, который легко купить в любом веломагазине. Проблема в том, что он предназначен для использования с более крепкими цепями и стандартные узкие цепи на него не садятся. Чтобы это стало возможным надо зубья фривила немного обточить по бокам. Я использовал для этого ручную бор-машинку с насадкой из точильного камня. 10 минут и все готово – напильником это растянулось бы надолго.

Так как фривил предназначен для накручивания на заднюю толстую втулку он имеет внутреннюю резьбу большого диаметра и для крепления его к передаточной втулке (с диаметром резьбы 10 мм) необходим переходник. Такой переходник я тоже смог найти в веломагазине. Он продавался в комплекте с втулкой черного цвета и я не знаю для чего она нужна. На фото представлен второй такой же переходник, который был с другой стороны с обратной резьбой.

Для натяжения цепи от фривила до ведомой звезды заднего колеса я использовал стандартный недорогой переключатель скоростей. Конфигурация натяжителя получилась, конечно, не самой удачной, но в целом он выполняет свою роль, а ничего лучшего я придумать не смог.

Для поэтапной передачи крутящего момента с двигателя на фривил я использовал две переходных втулки с установленными на них шкивами под клиновой ремень генератора ВАЗ-2108. Вся конструкция крепится с помощью алюминиевых профилей на раме велосипеда.

UPD. Рама не должна быть из композитных материалов вроде карбона, т.к. она должна быть монолитной и без повреждений для сохранения прочности. В противном случае рама может лопнуть. Не рекомендуется также использование алюминиевых рам. Лучше всего использовать как у меня стальную раму.

Переходные втулки тоже не обычные. У них значительно больше диаметр плоскостей, куда крепятся спицы. Это позволило прикрепить их к алюминиевым профилям. Для этого дырки под спицы немного рассверливаем под винты M3.

Шкивы для ремней имеют больший внутренний диаметра, чем диаметр резьбы переходной втулки, поэтому для исключения неточной установки шкивов я наматывал на резьбу втулки изоленту слой за слоем до диаметра отверстия шкива, а для фиксации под гайки использовал шайбы диаметром 30 мм.

В принципе, можно использовать одно передаточное звено клиноременной передачи. Запаса мощности двигателя хватит для езды по прямым дорогам и небольшим склонам. Но для уверенной езды по песку и в горки лучше использовать два звена. Каждое звено имеет кратность около 2x. Тем самым увеличивая в 2 раза передаваемый на колесо крутящий момент.

Изготовление (электрика, электроника)

Контроллер двигателя я прикрепил с помощью стяжек к одному из алюминиевых профилей, прикрепленных к раме, используя для лучшего контакта термопасту. Это позволяет лучше отводить тепло от контроллера и в процессе езды чувствуется как профиль и рама в окрестности контроллера нагреваются. С другой стороны контроллера, где установлен его радиатор, я аккуратно срезал ножом термоусадку и пристроил маленький вентилятор от старого процессора Intel 586. Хотя, по опыту эксплуатации он оказался не нужным.

Для управления мощностью двигателя я использовал серво-тестер, переведенный в ручной режим управления. Для питания серво-тестера и вентилятора охлаждения используется микросхема L7805 (КРЕН5А).

Поначалу, я отпаял с серво-тестера переменный резистор и поместил его рядом с правой рукояткой на руле. Оказалось, что такой способ плавной регулировки мощности имеет свои недостатки. Особенно неудобно им пользоваться в экстремальных ситуациях, когда приходится резко тормозить, когда рука перемещается на рычаг тормоза, а двигатель продолжает выдавать крутящий момент на тормозящее или даже блокированное колесо.

Поэтому, я упростил схему и сделал миниатюрную герконовую кнопку “газ в пол” (без фиксации) под большой палец правой руки, при нажатии на которую, двигатель начинает выдавать максимальную мощность. Для исключения резких рывков поставил на вход серво-тестера делитель напряжения на двух резисторах и конденсатор на 100 мкФ. Тем самым обеспечил плавное увеличение и уменьшение оборотов двигателя при нажатии и отпускании кнопки “газ в пол” примерно за 0,5 – 0,7 секунды.

На руль поставил ваттметр для контроля напряжения аккумулятора и измерения “расхода” запасенной в аккумуляторе емкости. Аккумулятор расположен в застегивающейся на молнию подседельной сумке. Тем самым убил двух зайцев – аккумулятор легко снимается для подзарядки и во время эксплуатации находится в замкнутом кожухе безопасности, на случай нештатного выхода из строя.

На левую рукоятку на руле поставил герконовую кнопку (без фиксации) для звукового сигнала отпугивания пешеходов. В качестве сигнала применил пьезокристаллическую автомобильную сирену — свистелку. Она вполне нормально себя чувствует при кратковременной работе на напряжении 22 В (аккумулятор 6s). Только громче чем на 12 В.

Итоги

Опишу несколько преимуществ и недостатков примененных решений. По порядку.

Цепная передача на заднее колесо имеет довольно длинный пробег, что приводит к слету цепи с фривила при движении по ухабистой дороге. Для избегания этого пришлось городить некое подобие направителя цепи перед фривилом из куска алюминиевой полоски и пластикового ролика. Так как цепь при движении бьется об него это создает неприятный громкий стучащий звук. По хорошему надо ставить натяжитель или успокоитель цепи перед фривилом, но пока не придумал как.

Крепление задней ведомой звезды к колесу не самое надежное. Есть вероятность повреждения спиц или соскакивания крепления звезды со спиц. Такое один раз уже было, когда я применял обычные гайки. После этого я поставил “ушастые гайки” и автоконтргайки. Текущую втулку лучше поменять на втулку с креплением для дискового тормоза и большую звезду посадить на его место. Но т.к. диаметр звезды гораздо больше дискового тормоза, я не уверен, что расстояния до рамы хватит для свободного вращения.

Клиновая передача усилия от двигателя до фривила по началу работала достаточно приемлемо. Однако КПД такого решения оставляет желать лучшего. При увеличении натяжения ремня увеличивается нагрузка на подшипники переходных втулок и двигателя, что приводит к повышению износа и сил трения, а отсюда понижению КПД передачи. При уменьшении натяжения ремни при высоких нагрузках (старте с места, движении в гору) начинают проскальзывать, и это тоже ведет к понижению КПД. Найти баланс крайне сложно. Применение поликлиновых шкивов проблематично из-за их громоздкости. Лучшим решением видится использование зубчатой ременной передачи.

Управление мощностью двигателя как в первом варианте с помощью переменного резистора, как я уже писал, часто неудобно. Использование кнопки “газ в пол” часто неоправданно, т.к. бывают моменты, когда необходимо ехать медленно и плавно. Схема движения “газ в пол – разгон – выбег на нейтралке” хоть по расходу емкости аккумулятора практически сравнима по эффективности с движением при постоянной работе двигателя, имеет немаловажный недостаток – проскальзывание клинового ремня при разгоне. Зато в режиме “газ в пол” ощущаешь всю мощь, установленную под своим сиденьем.

Ну и, не принципиально, но все же, звук работающего двигателя и двигающейся цепи при открытой конструкции часто пугают прохожих. Если кто из моделистов знает, как свистят бесколлекторные движки, тот поймет.

Несколько интересных фактов

Исходя из диаметров шкивов клиновой передачи (150 мм и 80 мм) и количества зубьев фривила и звезды на заднем колесе (16 и 52) получаем, что общее передаточное число равно 11,4. Это не очень много и не хватает для резвого заезда в гору, приходиться помогать ногами. Поэтому на двигатель я поставил керамический шкив от стиральной машины (купленный на барахолке) диаметром 64 мм. Это позволило увеличить передаточное число до 14,3. При напряжении батареи 22,2 В максимальная теоретическая скорость будет 45 км/ч. С учетом сопротивления воздуха и потерь мощности в передаточных звеньях, похоже на правду, т.к. по прямой я разгонялся до 40 км/ч.

Максимальный ток, потребляемый двигателем при разгоне в режиме “газ в пол” около 60 А. Таким образом, выдаваемая мощность около 1250 Вт, что в несколько раз выше чем у большинства продаваемых мотор-колес. Разгон до 40 км/ч по прямой не более 10 сек.

В текущей конфигурации я отъездил в прошлом сезоне с июля по октябрь почти каждый день на работу при суточном пробеге около 20 км.

рама для электровелосипеда своими руками чертежи

Рама для электровелосипеда своми руками - дешево. Переделываем ашанбайк. Довариваем и усиливаем. Альтернатива .

Не часто возможно увидеть что скрыто под защитным покрытием готового изделия. В этом видео я показываю как .

Читайте также: