So far our discussions have not resulted in cooperation on the plywood velomobile. But we agreed to analyze the possibilities for a Z-crank. Johan is interested in a Z-crank with chain wheel at the left side. Here you can see why. However the long path the load on the pedal travels through the crank to the chain wheel will cause large deflections of the crank. You can see this in the figure below.
 |
| A finite element simulation of the Z-crank. The crank was modeled with tubular aluminum 35x28mm Dxd. The crank radius is 150 mm. A load on the rigth pedal of 1000 N causes deflections of 8 mm ! |
I have googled material data of steel, aluminum and carbon-epoxy. The specific flexural modulus of carbon-epoxy is ~3 times higher than that of steel or aluminum (materials: steel, aluminum, carbon epoxy, densities: 8100, 2700, 1600 [kg/m3], moduli 210, 69, 125 [GPa], specific moduli 26, 25, 78 [Nm/kg]). Carbon-epoxy is the right material for this part.
Experience of others show that it can be done: Harald Winkler's 12 kg velomobile. Harald explains that his carbon crank design is at least as stiff as the conventional crank. In his design the pedal bearing has an inside diameter of 35 mm. This gives you some idea of the size of the crank.
 |
| The carbon crank of Harald Winkler's 12kg Velomobile |
 |
| Miles Kingsbury shows a Z-crank with a central chain wheel. The deflections of this construction will be much smaller than with the chain wheel aside. |
Dag Titus,
ReplyDeleteHet probleem van jouw uitvoering van de "Z-crank" is dat je hem volledig hebt ontworpen met een (ronde) buis met niet al te grote diameter. Daardoor moet de buis behoorlijk fors/zwaar zijn om de crank torsiestijf te laten zijn.
Het is m.i. zeer goed mogelijk een "z-crank"te maken die uiterst licht, maar toch torsiestijf en sterk is.
Ik zal proberen uit te leggen hoe:
De twee "verticale" verbindingsstaven van de lagers naar de trappers en de enkele middelste verbinding tussen beide trappers onderling moet je uitvoeren als een plaat. (bijv. een vezelversterkte sandwich of (zelfs) een houten plank. Bij trapbelasting worden de platen dan niet belast op buiging (zoals een duikplank) maar op afschuiving. (zeer stijf)
De platen/planken moet je met (gemodificeerde) trappers aan elkaar verbinden. LET OP: de assen van die trappers moeten gemaakt worden van een dunwandige buis met een GROTE diameter (centimeters). Trappers op de een of andere manier daarop lageren. (dus grote lagers).
Probeer maar eens het volgende: pak een plank "waaibomenhout", doorsnede 18x200 mm met een lengte van 350 mm (2x conventionele cranklengte). Zet de plank op de uiteinden op de smalle kant (overspanning dus 350 mm) op twee ondersteuningen. Ga in het midden staan. Buigt gegarandeerd niet door.
Het idee van de verbindingsbussen met grote diameter tussen de drie platen is, dat deze een hele grote torsiestijfheid hebben. Bij trapbelasting worden die assen in de Z-crank dan puur op torsie belast. (probeer een cola blikje maar eens te torderen!)
Je kan van papier/karton een mooi model maken van de Z-crank: plak 3 A4-tjes dik papier aan elkaar vast met twee toiletrolkokkertjes. Weegt helemaal niets, en voel de torsiestijfheid!
Grootste uitdaging is het bevestigen van trappers op de twee assen met grote diameter. Een aangepaste trapper (met aan beide zijden een uitstekende as, zoals Miles heeft gedaan) gaat niet werken. Ik denk aan een "trapplateau" met aan de onderzijde twee grote lagers die om de grote assen draaien. Of zo...
Groeten, Klaas.
Beste Klaas,
ReplyDeleteI think 35 mm diameter is pretty large... Have you made or simulated a Z-crank ? I would be interested in your experience...