Solar Quest (elektrisch ondersteunde velomobiel)

Velomobiel Quest met elektrische trapondersteuning

De zin en onzin van trapondersteuning in de Quest

Tegenstanders van trapondersteuning in een velomobiel zeggen: “alleen maar extra gewicht, boven de 25 km//h stopt de ondersteuning (legaal) en dat haal je makkelijk op spierkracht.” Ze hebben gelijk. Met de moeite waarmee je met een stadsfiets 15 km/h rijdt, rijd je met een Quest 30 km/h. Dat is dus al boven de snelheid waarbij de elektrische ondersteuning nog iets doet. Ook met tegenwind zijn snelheden boven de 25 km/h goed vol te houden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Waarom dan toch ondersteuning? Bovenstaand verhaal gaat op bij vlakke wegen (geen hellingen) en weinig optrekken. Het verhaal wordt heel anders als je wel hellingen in je route hebt zitten. Laten we gaan rekenen! In mijn Quest weegt de elektromotor ongeveer 5 kg en sleep ik 21 kg aan accu’s mee (3 stuks 12V loodaccu’s met een capaciteit van 17 Ah, dat kan dus veel lichter…). Mijn gebruikte waarden zijn:

  • Massa fiets: 25 kg
  • Massa E motor: 5kg
  • Massa Accu’s: 21 kg
  • Massa berijder: 80 kg
  • Rolweerstands coëfficiënt: 0,006 (Schwalbe Marathon Plus, meting Wim Schermer)
  • Cw: 0,22 (opgave Velomobiel.nl)
  • Dichtheid Lucht: 1,26 kg/m3 (is afhankelijk van luchtdruk en temperatuur)
  • Frontaal oppervlak: 0,45 m2  (schatting)

Vlakke weg, sneller dan 25 km/h:

Laten we de formules voor rol- en luchtweerstand erop los, dan hebben we op een vlakke weg bij 30 km/h aan de wielen een vermogen nodig van 100W. Het vermogen wat je moet leveren is iets meer wegens het rendement van de aandrijflijn. Het aandeel wat de elektro aandrijving hierin “kost” bedraagt bijna 13W. Dezelfde fiets maar dan zonder de elektro aandrijving zou bij 100W aan het achterwiel 32,3 km/h gaan. Het meergewicht van de elektro aandrijving scheelt dus iets meer dan 2 km/h. (Bij lichtere Lithium accu’s met dezelfde capaciteit neemt dit af tot een verschil van 1 km/h.) Of dit verschil veel is moet je zelf maar uitmaken.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Als we een helling van 3 % op rijden en de berijder zou nog steeds 100W aan het achterwiel leveren, dan levert dit voor de Quest zonder elektro aandrijving een snelheid op van 9,6 km/h. Dat is dus een snelheid waarbij de elektro ondersteuning dus wel volop bijdraagt! De elektro ondersteuning mag maximaal 250W bijdragen. Laten we voor het gemak zeggen dat er 200W door de elektromotor aan het achterwiel komt en door de berijder ook nog eens de 100W. Maakt dus 300W totaal. Dat geeft op die helling een snelheid van 24,5 km/h. Dat is dus een factor 2,5 hoger dan zonder ondersteuning! Het aandeel vermogen om het meergewicht van de elektro aandrijving met die snelheid de helling op te krijgen is 29W. Je kan dus zeggen dat meer dan 10% van het vermogen dat de elektro ondersteuning levert nodig is om “zichzelf” te verplaatsen. Een berijder van de Quest zonder ondersteuning moet 271W aan het achterwiel zien te krijgen om met een even grote snelheid de helling op te rijden als de “luie” Quest rijder met ondersteuning. Hier zit dus de winst. Het hangt dus sterk van je traject af of trapondersteuning zinvol is. Lange vlakke polderwegen: geen ondersteuning. Hellingen en/of vaak opnieuw optrekken: wel ondersteuning. Op mijn woon-werk traject gaat het aldoor op en neer… (Apeldoorn-Arnhem)

De uitvoering:

Een wielnaaf motor wordt vaak gebruikt in elektrisch ondersteunde “rechtop” fietsen. Direct-drive (dus zonder inwendige reductie) zijn groot en zwaar, maar wel stil en kunnen een hoog rendement hebben. Groot nadeel: als je sneller fietst dan ongeveer 25 km/h, levert de motor juist weerstand op! Ook fietsen zonder de elektro ondersteuning geeft erg veel weerstand omdat je wat weerstand van de motor blijft houden. Sommige naafmotoren hebben een inwendige reductie en ook een vrijloopsysteem om dat probleem te voorkomen. Er is nog een groter probleem: ik vind dat mijn elektrisch ondersteunde Quest ook een helling van 10% op moet kunnen met minimale inspanning van mijzelf. Een (legale) naafmotor blijkt hier niet voldoende koppel voor te kunnen leveren! Komt nog bij dat als je naafmotor “afwurgt”op een steile helling, dat het rendement enorm terug loopt.

 

Motor in de kettinglijn

De motor moet dus bij het trapstel of in de kettinglijn zodat je met naafversnellingen of derailleur de motor kan “terug schakelen”. Vanwege de voor mij beschikbare componenten besloot ik een direct drive naafmotor in de kettinglijn te zetten. De motor zit net voor de brug tussen de voorwielen. Op de motor is een standaard freewheel gemonteerd die ook als looprol voor de ketting wordt gebruikt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tussen het kettingblad bij het trapstel en de motor zit een veerbelast “spanwiel”. Dit spanwiel bedient een schakelaar om de motor aan te zetten. Het leuke daarvan is dat zodra je kracht op de pedalen zet, de ketting strak gaat staan, en het spanwieltje de motor aanschakelt. Zodra je stopt met trappen staat de ketting daar slap, en schakelt de motor uit. Dat werkt dus ook gelijk bij wegrijden vanuit stilstand. Het is dus niet zo dat hoe harder je trapt hoe meer de motor bijdraagt zoals dure E-fietsen hebben. Aan de andere kant is het wel weer beter dan de goedkope E-fietsen die alleen detecteren op de trapas rond gaat en daar vanuit stilstand een paar meter voor nodig hebben (en vaak nog even doorgaan met aandrijven terwijl je als gestopt bent met trappen).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Versnellingsnaaf

 Ik denk dat ik één van de zeer weinige Questen met naafversnellingen heb. Naafversnellingen heeft mijn persoonlijke voorkeur omdat de bediening zo makkelijk is (bij stilstand te schakelen). Origineel was het een 20” Quest. Het frame was gebroken en de carrosserie verzaagd om deze om te bouwen naar 26”. In deze staat is de Quest bij mij binnen gekomen. Ik ben dus aan het bouwen geslagen... Vanwege lagere koppels in de versnellingsnaaf en meer zijdelingse sterkte (meergewicht wegens accu’s) heb ik toch gekozen voor een 20” achterwiel.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ik heb een Shimano nexus 8 naaf gebruikt (wel die met het rode randje en dus naaldlagers i.p.v. glijlagers in het inwendige). Een groot voordeel van de Shimano naaf is dat de bediening aan dezelfde kant zit als de ketting. Bij een bandenwissel kan je dan de twee wielmoeren losdraaien, het wiel laten zakken en de band er tussenuit halen zonder de ketting of kabel los te halen. Bij een Rohloff zal je de ketting of de schakelkabels moeten afnemen. Dus vieze handen of gepruts onderweg. Ook speelde prijs een rol. Eerst maar eens kijken met een relatief goedkope naaf of het geheel zou voldoen. Het bereik van de Nexus 8 naaf blijkt overigens (voor mij) meer dan voldoende te zijn. Door de trapondersteuning zijn hele kleine verzetten niet nodig. In de eerste versnelling op natte weg slipt de achterband wel eens bij wegrijden (met ondersteuning natuurlijk…). Een 10% helling gaat in de 2. Meestal trek ik op vanuit stilstand in 4. De hoogste versnelling is zodanig gegeared dat 35 km/h met een voor mij langdurig vol te houden traptempo gaat. Voor veel hogere snelheden is het verzet eigenlijk niet groot genoeg, hoewel ik één keer 60 km/h op de teller heb getrapt (iets helling af).

Tweezijdige achtervork

De Shimano naaf verlangt een tweezijdige ophanging. Ik heb daarvoor een stalen achtervork gemaakt (ik kan geen aluminium lassen). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De aspadden moesten vrij robuust worden uitgevoerd omdat de wielas van de naaf een reaktiekoppel uitoefent op de vork. De achtervork is geveerd met een hydraulisch gedempte achterveer uit de MTB wereld. Het draaipunt van de achtervork wordt gevormd door stangkoppen. Een loopwiel van de ketting zorgt ervoor dat de trekkende kant van de ketting vrijwel in de scharnieras van de achtervork zit om “pompen” te voorkomen. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Strikt genomen zou er nog steeds “pompen” kunnen optreden door het reaktiekoppel van de naaf in een erg lage of hoge versnelling. Ik heb dit echter nog nooit gemerkt. Waarschijnlijk omdat ik zelf niet zo hard trap en de elektromotor wel een heel constant koppel levert.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Spanten in de carrosserie

Voor de kracht doorleiding van de achtervorkscharnieren, ondersteuning van de accu’s, ondersteuning van de zitting en bevestiging van de veer/demper zijn er spanten in de carrosserie van de Quest gelamineerd. Door deze constructie kan ik vrij netjes alles “in het vlak belasten”. Er zit dus geen volledig frame meer in zoals de 20” Quest dit oorspronkelijk had. Het voorste gedeelte zit er nog wel zoals dat ook gebruikelijk is bij de 26” Quest.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De kettingloop is nu dus grotendeels onder de bodem. Zie de foto's...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

De praktijk

Oorspronkelijk was het doel om een nieuwe bovenschaal te maken met veel ruimte voor zonnecellen. Ik heb dat ook gemaakt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Na problemen met afdekmaterialen voor de zonnecellen functioneerde het en met een zonnige dag werd er evenveel of zelfs meer bijgeladen dan dat de ondersteuning gemiddeld verbruikt. Het bereik is dan oneindig zolang de zon schijnt. Ook op een zomerse bewolkte dag werd een woon-werk rit méér dan nodig was van zonne energie voorzien gedurende mijn werktijd. Het rijden met een dergelijke “deur” op de Quest was niet fijn. Ik vond het erg onhandig dat ik nog minder goed vlak naast met kon kijken. Het meergewicht zo hoog op het voertuig was goed merkbaar met overhellen en bolle wegen. Uiteindelijk heb ik de originele bovenkap weer gemonteerd. Wellicht dat ik nog eens wat anders ga maken om zonnecellen te plaatsen op de Quest.

Het elektriciteitsverbruik van de ondersteuning is bij mijn woon-werkverkeer vrij constant 1 Ah voor 10 km bij 36V. Dus ongeveer 3,6Wh/km. Met mijn accu’s  (17 Ah) zou dat een aktieradius van 170 km betekenen. Loodaccu’s moet je echter niet helemaal leeg trekken en met de jaren neemt de capaciteit af. De praktische aktieradius zal wat minder zijn.  Mijn woon-werk traject is een traject met veel hellingen waarbij de ondersteuning regelmatig hard aan het werk is. Aan de elektrische kant komen bij optrekken vermogens van 500W kortstondig voor, bij hellingen is het elektrisch vermogen maximaal ongeveer 300W. Zijn er geen hellingen, dan rijd je op spierkracht al makkelijk 30 km/h of harder en dan verbruikt de ondersteuning (vrijwel) niets. Op polderwegen zal de aktieradius dus nog heel veel groter zijn.

Door de trapondersteunig is het voor mij drempelverlagend om de Quest te pakken om naar het werk te gaan. Ik zit er meestal met trui en spijkerbroek in, en kom niet (te) bezweet op m’n werk aan. Ondanks de heuvels en het luie fietsen (om niet te bezweet te raken) rijd ik gemiddeld meestal 25 km/h of meer over het hele traject (25 km enkele reis, geen bewegingsgemiddelde, verkeerslichten zitten er ook bij.) De ondersteuning laat de snelheid zelden onder de 20 km/h zakken bij heuvel op, en heuvel af gaat het zonder trappen lekker snel wat weer goed is voor het gemiddelde…