За 100 долларов нельзя купить даже обычный велосипед, не то что электровелосипед. Но за эти деньги можно сделать электровелосипед своими руками. Конечно, большую часть необходимых компонентов вам придётся достать бесплатно! Но где же их найти, да ещё бесплатно — скажете вы? Я расскажу, где можно найти всё необходимое, а также про некоторые моменты, связанные с отличиями ваших комплектующих от моих.
Это очень сложный проект — если вы не обладаете хорошими навыками, то вам лучше сразу отказаться от идеи собрать электровелосипед самостоятельно и купить электровелосипед в магазине. Если же вы умеете работать за токарным станком, хорошо владеете распространёнными инструментами, то вам вполне по силам собрать электрический велосипед своими руками. Если вы будете работать только в свободное время, то на сборку электрического велосипеда у вас уйдёт всего несколько месяцев.
Предпосылки и теория.
Перед тем, как непосредственно перейти к инструкциям по сборке электрического велосипеда, расскажу, почему я решил самостоятельно собрать электровелосипед. Мне удалось сконструировать фрикционную передачу для электровелосипеда, тогда как эксперименты с цепной передачей провалились. Но мне очень хотелось довести дело до конца и найти где были допущены ошибки во время первой попытки. Оказалось, что я не уделил должного внимания допускам. Я практически наугад выравнивал и приваривал звездочки на место, где должен находиться вал. Поэтому передача и не работала. Кроме того, так как вал моторе был очень маленький, то передача не заработала бы даже со звёздочкой. Поэтому мне пришлось найти способ организовать передачу между мотором и задним колесом с помощью стандартной задней кассеты. В качестве решения я выбрал ременной привод. Но я всё таки хотел как-то сменить ременной привод на цепную передачу на заднее колесо. Сложным решением мог стать передаточный вал, который бы крепился на каретку и точно совмещал ведущие и ведомые звезды. При выборе этого варианта мне пришлось бы долго приваривать звёздочки, поэтому я отказался от него в пользу намного более аккуратной методики скрепления. Кроме того, максимальная скорость моего первого электровелосипеда оставляла желать лучшего — она не превышала 32 км/час. Поэтому мне пришлось пересчитать передаточное отношение и установить на велосипед привод, позволяющий развивать максимальную скорость в 64 км/час!
Ключевым моментом этого проекта является точность — устанавливать все компоненты нужно с очень небольшими допусками. Поэтому и потребовался токарный станок, без которого обеспечить требуемую точность не представляется возможным. Без него нельзя выполнить данный проект.
Итак, приступаем к работе — нам предстоит сделать из обычного велосипеда мощный электрический велосипед. И что самое главное — это обойдётся нам меньше, чем в 100 долларов!
Шаг 1: Необходимые инструменты и материалы.
Данный этап очень важен. Если у вас нет перечисленных ниже инструментов или материалов, то я бы посоветовал не браться за данный проект.
Основные инструменты:
- токарный станок (нужен обязательно);
- сварочный аппарат;
- основные ручные инструменты (ножовка, плоскогубцы и т. д.);
- штангенциркуль (обязательно купите его и желательно побольше);
- сверлильный станок с набором свёрл;
- инструмент для монтажа цепи;
- ключ для снятия трещотки;
- шлифовальный станок;
- металлорежущие инструменты (гидравлические ножницы «Пиранья», но также подойдет установка для плазменной резки или ацетилено-кислородная резка);
- основные инструменты для ремонта велосипеда.
Дополнительные инструменты:
- V-образный блок;
- плоскошлифовальный станок;
- фреза;
- метчики и плашки.
Материалы (кроме очевидных):
- железный уголок;
- * звёздочка ANSI #40 на 9 зубьев (доступны онлайн на McMaster-Carr, номер товара 6793k208)
- 2 подшипника (доступны онлайн на McMaster-Carr, их размер указан ниже);
- круглая стальная болванка (диаметр 0,5" - 1");
- шкив под клиновой ремень диаметром 4" (доступен онлайн на Chicago Die Casting);
- шкив под клиновой ремень диаметром 1" (я изготовил его на станке, но его проще купить);
- клиновой ремень.
*Размеры зависят от вашего велосипеда и требуемой максимальной скорости.
Шаг 2: Необходимый комплект для переоборудования обычного велосипеда в электровелосипед.
Это наверное самый главный момент. Чтобы стоимость переоборудования простого велосипеда в электровелосипед не превысила сто долларов, вам придётся бесплатно достать комплект из трёх основных компонентов: мотора, аккумуляторов и велосипеда.
Давайте начнём с велосипеда. Думаю будет несложно найти никому не нужный велосипед или купить велосипед недорого. Постарайтесь достать велосипед с как можно большим количеством передач — это позволит достичь высокой максимальной скорости и улучшит ускорение. Наличие системы переключения передач обязательно ещё и потому, что это даст возможность увеличить допуски в цепной передаче. Поищите в интернете или спросите у родственников в деревне и возможно вам удастся купить за символическую сумму никому не нужный велосипед в хорошем состоянии. А может быть ваш собственный велосипед слишком старый и вы давно уже хотите поменять его на новый. Или даже, если все варианты уже исчерпаны, то на свалке среди металлолома можно найти неплохой велосипед. Но если велосипед долго находился на улице, то его сначала нужно будет немного подремонтировать и отрегулировать. Я думаю, найти велосипед будет несложно.
Далее мы сможем одним выстрелом убить двух зайцев. Вряд ли у вас найдётся старое кресло с электродвигателем, которое было у меня. Вы можете попробовать поискать в интернете старый мотор с аккумуляторами, но лучше всего обратитесь в сервисный центр по ремонту инвалидных кресел — здесь у вас больше шансов на успех. У технических специалистов сервисов имеется много старых аккумуляторов и моторов, которые они просто выбрасывают. Думаю, что они не откажутся недорого продать электродвигатель и несколько батарей на 12 вольт от старого кресла. Даже, если у них ничего не найдётся, то он смогут подсказать у кого ещё можно спросить. В крайнем случае можно поспрашивать у знакомых не завалялся ли у них случайно мотор или аккумуляторы.
Шаг 3: Изготовление наружного кольца подшипника.
Мне повезло — на моём велосипеде уже имелось наружное кольцо подшипника с резьбой. Если вам так не повезло, то вам придётся изготовить наружное кольцо подшипника самостоятельно. Можно сделать и без резьбы — закрепить в каретке с помощью винтов.
Шаг 4: Изготовление промежуточного вала.
Так как ваш велосипед скорей всего будет отличаться от моего, то и изготовленные вами детали будут отличаться от моих, но промежуточный вал должен быть практически одинаковым. Если вы купили большой ролик, подшипники и звездочку с диаметром центрального отверстия, составляющим половину от диаметра звёздочки, то вам потребуется стальная болванка диаметром 5/8 от диаметра звёздочки. На токарном станке выточите с одного конца заготовки участок длиной 1" и диаметром в половину от диаметра звёздочки. Затем измерьте расстояние между двумя кольцами подшипника и сократите его в диаметре до 5/8 от диаметра звёздочки. Оставшийся участок заготовки выточите до диаметра в половину диаметра звёздочки. Участок по центру размером в 5/8 от диаметра звёздочки необходим для предотвращения проскальзывания промежуточного вала назад или вперёд.
Осталось просверлить отверстия для болтов. Сперва нужно закрепить вал с помощью V-образного блока. Очень важно, чтобы эти отверстия находились точно на одной линии. Размер болтов зависит от выбранного вами размера вала и размера других компонентов.
Шаг 5: Модификация звёздочки.
Если у вас такая же звёздочка, как и у меня, то из-за большой ширины она не подойдёт к велосипедной цепи. Поэтому придётся подвергнуть звёздочку небольшой модификации. Обработайте её на токарном станке подрезным резцом до ширины в 0,1 дюйм. Затем установите резцовую каретку на 10 градусов и измените угол зубьев так, чтобы он был одинаковым с обеих сторон.
Шаг 6: Главный ведущий шкив.
Поскольку маловероятно, что у вас такой же мотор, как и у меня, то я просто опишу процесс обработки своего. Поскольку на моём двигателе уже имелось отверстие, то я просверлил внутри круглой алюминиевой заготовки отверстие диаметром один дюйм, что точно соответствует размеру валу. Крайне важно, чтобы размер отверстия совершенно не превышал размер вала — иначе вам придётся переделывать эту часть работы. Далее я просверлил отверстие и обработал на станке один конец до диаметра в 0,5 дюйма, чтобы он соответствовал ролику, который обработал ранее. Но вполне возможно на вашем моторе не нужно будет ничего дорабатывать.
Шаг 7: Сборка промежуточного вала.
Вот тут то и начинается самое интересное! Перед началом сборки велосипеда купите в магазине набор цилиндрических штифтов, набор винтов и приступайте к сборке! Возможно на этом этапе возникнут некоторые проблемы, но если вы всё выточили правильно, то у вас получится всё правильно соединить.
Шаг 8: Сборка цепной передачи.
На данном этапе придётся воспользоваться инструментом для монтажа цепи. Разъедините цепь, чтобы снять её с велосипеда. Теперь нужно как обычно установить цепь, продеть её через задний переключатель скоростей и зацепить на среднюю звёздочку на кассете. Убедитесь, что задний переключатель находится в правильном положении, как при езде: не сбит в кучу и на правильной передаче. Далее расположите два конца цепи рядом с другом, чтобы получить требуемую длину цепи. Это самый сложный момент. Разъедините цепь в этом месте.
Во время разъединения цепи убедитесь, что пин прикреплён к концу цепи. Если этого не сделать, то будет очень сложно, если вообще возможно, снова соединить цепь.
Шаг 9: Первая проверка без нагрузки.
Теперь нужно проверить выполненную работу. Что может быть хуже того, когда после окончания сборки электровелосипеда при тестировании… слетает цепь. Поэтому это очень важный тест. Переверните велосипед вверх колёсами, чтобы заднее колесо могло свободно вращаться. Установите любую передачу, но я советую установить самую низкую. Теперь переходим к самому сложному моменту. Чтобы обеспечить натяжение цепи, надёжно удерживайте мотор одной рукой внизу напротив клинового ремня. Другой рукой соедините мотор проводами с аккумулятором. И если вы всё сделали правильно и точно, то проверка завершится удачно. Если же цепь всё таки слетит, то на это может быть множество причин. Одной из них может быть слишком широкая звезда промежуточного вала, так что придётся её немного сточить. Если же проскальзывает ремень, то вы установили слишком высокую передачу или недостаточно натянули приводной ремень. Если цепь всё равно слетает, то скорей всего из-за плохо выравненных звёздочек и к сожалению вам придётся проделать заново некоторые этапы.
Шаг 10: Макет крепления мотора.
Далее нужно сделать картонный макет крепления мотора. Почему из картонный? На это есть несколько причин: картон дешевле металла, его можно резать ножом, придавать ему форму гораздо легче, чем металлу. Если позволяет конструкция вашего велосипеда, то я бы советовал установить двигатель позади подседельного штыря, как у меня. Это даст больше пространства для аккумуляторов и позволит разместить двигатель и большинство вращающихся элементов подальше от ног.
Шаг 11: Предварительное крепление для мотора.
Далее, используя созданный картонный макет, вырежьте крепление из листа металла. Приложите макет из картона к металлическому листу металла и как можно аккуратней обведите его мелом. Чтобы вырезать макет из металла, вам никак не обойтись без такого инструмента, как «Пиранья» — больших гидравлических ножниц, предназначенных для резки металла. Они позволяют очень точно и ровно по контурам вырезать модель из металла. Но скорей всего этого инструмента у вас нет. Поэтому можно обойтись обычным устройством плазменной резки. Однако при разрезании толстого листа металла образуется довольно много шлака и при плохом владении методикой плазменной резки вам придётся достаточно долго шлифовать края. Также можно воспользоваться ацетиленово-кислородной резкой или ножовкой по металлу, но эти два варианта значительно хуже.
Шаг 12: Первый этап установки двигателя.
Это ключевой момент при установке двигателя. Необходимо сделать прорези для болтов на неравнобоком уголке (если у вас таковой имеется) и установить U-образные болты так, чтобы они могли скользить вверх и вниз по основной пластине. Так как у вас уже есть картонный макет, то нанести разметку будет несложно. Просто положите макет на пластину и пометьте кернером два конца каждой прорези. Просверлите по два отверстия с каждого конца — в общей сумме должно получиться четыре отверстия. Они не должны быть слишком большими, чтобы можно было нормально закрутить гайку, и не слишком маленьким, чтобы можно было просунуть болт. Так как я использовал болты диаметром 3/8", то я просверлил отверстия оптимального диаметра 0,4 дюйма.
Шаг 13: Второй этап установки двигателя.
Теперь нужно вырезать прорези. Сначала я думал их вырезать с помощью фрезы, но по некоторым причинам я отклонил этот вариант. Если у вас имеется торцовая фреза и тиски подходящего размера, то вам всё же лучше воспользоваться фрезой. Я же выбрал плазменную резку. Используя железный уголок в качестве ориентира, я вырезал ровные прорези для болтов. Внешний вид прорезей был далёк от идеала, так что мне пришлось долго и упорно их шлифовать. Очень важно, чтобы прорези были ровными настолько, насколько это возможно. Это необходимо для того, чтобы болты плавно скользили и надёжно фиксировались.
Шаг 14: Установка неравнобокого уголка.
В зависимости от того, какой у вас двигатель, вам может не потребоваться осуществлять данный шаг. Я сделал неравнобокий уголок для закрепление мотора, но мне не удалось им воспользоваться из-за недостаточного зазора между задней покрышкой и уголком. Я всё же рекомендую по возможности установить неравнобокий уголок, так как он обеспечивает дополнительную прочность закрепления двигателя. Но если это невозможно, то вместо уголка просто воспользуйтесь U-образными болтами.
Следующее, что вам понадобится, так это своего рода адаптерный кронштейн. Он крепится к двигателю и может скользить вверх и вниз по главной монтажной пластине, обеспечивая требуемое натяжение ремня. Сделайте пластину, привинчивающуюся к передней части двигателя и свешивающуюся немного в сторону. Затем возьмите небольшой прямоугольник, идущий параллельно двигателю, и прикрепите его с помощью болтов к главной монтажной пластине.
Шаг 15: Сварка крепления двигателя.
После тщательной пескоструйной очистки и небольшой зачистки металлической проволочной щеткой можно приступать к сварке! Также убедитесь, что все стыки зачищены от ржавчины, краски, грязи и т. д. Сварка двух металлических листов разной толщины обещает быть не из лёгких. Даже если вы прожжёте дырку, то это не будет концом света. Не старайтесь заварить всё сразу. Сначала сварите одну сторону, а чуть попозже переходите к другой, чтобы металл успел остыть. Кроме того большую часть жара старайтесь направлять на монтажную пластину и используйте как можно более низкую температуру сварки, но ещё позволяющую хорошо проваривать листы. При необходимости даже можете дополнительно накапать расплавленным металлом, чтобы лучше припаять два листа металла. Я даже хотел воспользоваться дуговой сваркой плавящимся электродом в среде инертного газа, которая отличается высоким качеством, но к сожаления я не очень хорошо умею ею пользоваться.
Шаг 16: Сборка ременного привода.
Данный шаг не потребует подробных разъяснений. Просто наденьте ремень на оба шкива, натяните его как можно крепче и затяните все болты. В процессе эксплуатации велосипеда вы заметите, что ремень будет постепенно растягиваться. Вот как раз по этой причине нам и пришлось делать регулируемое крепление. Время от времени вы должны проверять натяжение ремня и корректировать его при необходимости.
Шаг 17: Вторая проверка без нагрузки.
Давайте повторно протестируем велосипед без нагрузки, чтобы убедится, что мы качественно закрепили двигатель и систему переключения передач. Установите самую низкую передачу и запустите мотор на максимальное число оборотов. Если крепление хорошо держится (так и должно быть), то начинайте постепенно повышать передачи. Если велокомпьютер установлен на заднем колесе, то обратите внимание на его показания. Если велокомпьютер установлен спереди, то он естественно ничего не покажет. Также обратите внимание не проскальзывает ли ремень, что может свидетельствовать о плохо натянутом ремне либо об очень высоком передаточном отношении.
Шаг 18: Крепление аккумулятора.
Следующий шаг — это установка аккумулятора. Я надеюсь, что вам удалось достать хороший комплект старых аккумуляторов в сервисном центре или просто купить их. Проверьте работоспособность батарей и зарядного устройства. Затем изготовьте картонный макет батарей. Гораздо легче перемещать пустую картонную коробку, чем две батареи по 14 кг. После этого подберите подходящее место для их установки. Желательно их установить как можно дальше от седла и как можно ближе к земле — это увеличит сцепление покрышки на заднем колесе и позволит снизить центр тяжести велосипеда.
После того, как вы нашли подходящее место для установки, из железных уголков сконструируйте «поддон», к которому аккумуляторы будут надёжно крепится с помощью стяжек или эластических шнуров. Затем просто приварите «поддон» к раме велосипеда. Качество сварного шва должно быть очень высоким, так как ему придётся выдерживать достаточно большие нагрузки. Так что постарайтесь хорошо приварить «поддон».
Шаг 19: Электрическая схема электровелосипеда.
У вас наверное возник вопрос, почему до сих пор мы не упомянули про электрическую схему управления мотором электровелосипеда. Конечно, у нас не будет полноценного управления с контроллером на широтно-импульсной модуляции. Так как на велосипеде имеется система переключения передач, то для управления двигателем нам хватит обычного переключателя. Я установил однополюсный трёхпозиционный переключатель на 10 Ампер от старой радиостанции. У него три рабочих позиции: вкл1, вкл2 и выкл. Как видно из схемы выше, в режиме вкл1 работает один аккумулятор с напряжением 12 В, а в режиме вкл2 работают два аккумулятора с напряжением 24 В. Эти позволяет включать мотор на полную скорость или на половину оборотов. Имея две скорости вращения мотора и систему переключения передач на велосипеде, мы можем обеспечить широкий диапазон скоростей, что избавляет нас от необходимости покупки очень дорогого ШИМ–контроллера.
Существует ещё один вариант схемы — с тремя аккумуляторами. У каждой электрической схемы есть свои преимущества и недостатки. На верхнем рисунке показана электрическая схема электровелосипеда с тремя аккумуляторами, а на нижнем с двумя аккумуляторами. Я использовал вариант с двумя аккумуляторами, который бы и рекомендовал использовать.
Шаг 20: Первая поездка, поиск и устранение неполадок.
Это самый лучший этап из всех! Теперь, когда вы наконец-то закончили собирать электровелосипед, самое время покататься на нём. Позовите всех своих друзей и похвастайтесь электрическим велосипедом, собранным своими руками. Не забудьте надеть шлем, ведь если что-то пойдет не так, а скорей всего так и будет, то вы же не хотите получить травму головы. Вы должны морально подготовится к неудаче — скорей всего ваш самодельный электровелосипед не заработает с первого раза. Может приключится множество неполадок, начиная от плохого контакта проводов и закачивая неправильным расчётом передаточного отношения. Перед проведением данного испытания обязательно запаситесь разными инструментами, которые будут нужны для устранения различных возможных неисправностей:
- Отсоединение проводов
- Слишком высокое передаточное отношение
- Неисправные аккумуляторы
Чтобы диагностировать эту проблему, поднимите заднее колесо и включите самодельный электровелосипед. Если покрышка вращается, то скорей всего передаточное отношение слишком большое. Постарайтесь увеличить шкив промежуточного вала или уменьшить шкив двигателя — тем самым вы снизите передаточное отношение и увеличите крутящий момент, что позволит велосипеду ехать. Если же покрышка не вращается, то или отсоединились провода, или не работают аккумуляторы. Полностью зарядите аккумуляторы и проверьте мультиметром напряжение на них. Напряжение на полностью заряженных аккумуляторах должно составлять примерно 26 – 27 В. Кроме того с помощью мультиметра нужно проверить целостность электрической цепи. Отсоедините идущие к двигателю провода и подсоедините их к мультиметру. Включите переключатель. Если на приборе отображаются одни нули, тогда как на аккумуляторах показывалось напряжение, то проблема заключается в проводах или переключателе.
Велосипед едет медленно:
- Неправильное передаточное отношение
Чтобы диагностировать эту проблему, поднимите заднее колесо. Если оно вращается намного быстрее по сравнению с тем, когда вы ехали, значит передаточное отношение слишком высокое и его необходимо уменьшить. Для этого необходимо или увеличить размер шкива промежуточного вала, или уменьшить размер шкива двигателя. Если же покрышка вращается также быстро, как и с нагрузкой, то вам наоборот нужно увеличить передаточное отношение либо посредством уменьшения размера шкива промежуточного вала, либо посредством увеличения размера шкива двигателя.
Шаг 21: Дополнительные усовершенствования.
Если вы готовы получить немного больше и готовы выйти за рамки бюджета в сто долларов, то можете дополнительно дооборудовать электровелосипед регулятором скорости. В моём проекте он не обязателен, потому что необходимый диапазон скоростей можно получить исключительно за счёт системы переключения передач. Тем не менее регулятор скоростей может быть определенно полезен. Весьма неплохие контроллеры компании Alltrax.
Шаг 22: Математические расчеты.
При сборке самодельного велосипеда придётся провести множество математических расчетов. Я приведу здесь несколько формул, которыми я пользовался.
Во-первых, необходимо рассчитать передаточное отношение. Следующая формула вычисляет максимальную скорость велосипеда без нагрузки, поэтому с учётом нагрузки скорость должна быть немного выше:
((R((pi*A)/ (pi*B)))(C/D)(pi*E))*0,000946969697, где R — количество оборотов двигателя в минуту, A — диаметр шкива двигателя, B — диаметр шкива промежуточного вала, C — количество зубьев на звёздочке промежуточного вала, D — количество зубьев на задней звездочке (на максимальной скорости используется самая маленькая звезда, а для минимальной самая большая) и E — диаметр заднего колеса.
Во-вторых, нужно вычислить 5/8 длины промежуточного вала. Учитывая, что внешняя поверхность наружного кольца подшипника является самым большим размером каретки, вставьте его и измерьте его штангенциркулем. У меня вышло 2,817 дюйма. Затем снимите наружное кольцо подшипника и поместите подшипник с кольцом ровно на стол или другую твёрдую поверхность. Затем штангенциркулем измерьте расстояние от внутреннего края подшипника до стола. Проделайте эти измерения с обеими кольцами. У меня вышло 0,591 и 0,595.
Затем сложите эти два значения и вычтите данное значение из наибольшего размера, чтобы получить 5/8 длины промежуточного вала. У меня получилось 1,631".
Вычислить размер подшипников очень просто. Для этого абсолютно не нужны математические расчёты. Просто измерьте внутренний размер колец и купите подшипник, который бы максимально соответствовал этому размеру, по возможности широкий и желательно с центральным отверстием в 0,5". Не обязательно покупать подшипники этого размера — их можно обработать на станке с высокой точностью до нужного размера.