Velociraptor Mk. II - skutečné elektrokolo

Hold me, machine Messiah
And show me
The strength of your singular eye.

Svírej mě, strojový Mesiáši
a ukaž mi
sílu tvého jednoho oka.

(Yes, album Drama, píseň Machine Messiah, 1980)

Konečně jsem dospěl k totální závislosti na elektrokole, k elektrické totalitě. Přišel čas zbavit se tlačného vozíku, který byl sice super, najezdil se mnou 3 500 km, nikdy se "nevysral," dalo se toho do něj naložit opravdu mnoho, s Li-ion baterkou ukrutně ožil na zvíře, co se mnou po rovině uhánělo 40 km/h, ale po pravdě řečeno, nebylo to ještě ono, nebylo to skutečné elektrokolo, byla to spíš taková "souprava," která měla ráda naleštěné asfaltové silnice I. tříd, ale na hrubší cesty, či snad do terénu se jí příliš nechtělo.

To vše se mělo změnit s koupí čínského elektrického komutátorového motoru MY1018 za nějaských 3 500 Kč, objednaného přímo z Číny, který byl nejprve plánován na projekt středového motoru do mého celo odpruženého Garyho Fishera, ale pro různé komplikace s tímto projektem, které se zasekly zejména na vyřešení montáže vhodného středového složení pro toto kolo (bohužel má domeček o rozměru 73 mm), si tento motor nakonec našel cestu do mého starého dobrého GT Karakorama (ovšem už dávno přebarveného na bílo a přejmenovaného na Shagiu), avšak v úplně jiné pohonné koncepci. Jinak u mého starého GT jsem už před léty v roce 2012 vyměnil nepůvodní odpruženou vidli za původní neodpruženou a naprosto skvělou Bologna Lite a opět si vychutnával skvělé vlastnosti této ocelové vidle. Kolo jsem postupně předělal na naprostý "commuter" s blatníky, vybavený nepropíchnutelnými plášti Schwalbe Marathon o "silniční" šíři pouze 1,35 palce, ke kterému pak připojil tlačnou kárku Velociraptor Mk. I a dojížděl s ním do práce.

Velociraptor Mk. I a zkušební jezdec Maty, jenž se podílel na vývoji

Nyní však zpátky k onomu motoru MY1018 450W (24V) a jak už jsem uvedl, je to stejně jako  motor MY1016 použitý u tlačné kárky Velociraptoru Mk. I, komutátorový stejnosměrný motor staré školy, který není nijak zvlášť drahý. Na tomto motoru je však zajímavých několik jeho vlastností:

- motor má hliníkově tělo, takže je relativně lehký (2,165 kg)
- na svojí váhu má docela slušný výkon (450W při 24V/24,5A)
- je velmi úzký, takže se vejde krásně do rámu i u běžného středového složení  (mezi kliky)
- má již v sobě převod čelním ozubením o poměru 7,18:1 (pastorek 11 zubů a hnané kolo 79 zubů)
- uvedené vlastnost činí tento motor velmi univerzální (středový pohon, pohon zadního kola apod.)

Krása hliníkového těla motoru MY1018

Rozměrový náčrtek a parametry motoru MY1018 - verze 250, 350 a 450W (24 a 36V)

Převodovka motoru MY1018

Rotor s komutátorem motoru MY1018

Držák uhlíků a uhlíky motoru MY1018

Jak je vidět z fotodokumentace, konstrukce motoru není nijak složitá. Převodovka se dá snadno rozebrat (její čelo drží jen 4 šrouby), vyčistit a namazat novou vazelínou (je doporučováno tak činit každých 1 000 km, nebo když motor nějak zásadně změní svůj zvuk). Nevýhoda této převodovky s čelním ozubením je, že tak trochu "kvílí," hlavně pokud je v silným záběru a ve vysokých otáčkách (například u "převoltovaného" motoru). Vyrábí se rovněž i modifikace motoru MY1018 zvaná XYD16, která se liší jen tím, že má místo přímého ozubení použité ozubení šikmé a tudíž je tichá. Je však těžko k sehnání a dle zkušeností má v reálu nižší výkon než verze s přímými zuby (zřejmě má šikmé ozubení vyšší ztráty, hold nic není zadarmo). Protější čelo motoru (oproti převodovce) ukrývá držák uhlíků, jsou použity 2 a 2 uhlíky (každá z dvojice uhlíků je zapojena paralelně, aby se rozložil přenášený proud). Uhlík v držáků přitlačuje ke komutátoru malá pružinka (jako z propisky) a tyto pružinky se mi jednou podařilo, když jsem motor dlouhodobě přetěžoval 28A (28 : 2 = 14A na uhlík!) a napětím 48V (2x více než jmenovité!), vyhřát, takže se pružinky "smrskly" a přestaly uhlíky přitlačovat, motor postupně ztrácel výkon až se zcela zastavil. V tomto případě pružinky zafungovaly jako jakási bezpečnostní pojistka před spálením vinutí motoru. Naštěstí můj kamarád Kačer byl schopný tento motor opravit!

Jak už jsem tedy nastínil, převoltování (zvyšování výkonu zvyšováním napětím) komutátorových motorů se příliš nedoporučuje, jak však mám vyzkoušeno, že možné je a úspěšně jsem ho provozoval již na motoru MY1016, který je však širší a těžší (i když má udávaný nižší jmenovitý výkon jen 350W) než MY1018 a tím je i zřejmě odolnější (navíc nemá na jednom čele namontovanou převodovku a tudíž se lépe chladí). 450W motor MY1018 24V lze s jistou opatrností provozovat na napětí 36V (pak dostaneme 675W výkonu) a s hodně, hodně velkou opatrností i na 44,4 V (baterka 12S Li-ion, výkon 830W!!!)

Je však nutné dodržet tyto zásady:

1) být "lehký" na plynu, šlapat a nikdy "nervat" do motoru plný proud, když motor stojí, nebo je v nízkých otáčkách a kdy má  naprosto mizernou účinnost a většina proudu se místo na mechanickou práci přemění hlavně v teplo. Stačí několik "motorkových" rozjezdů z místa  "na plný plyn" a zaručeně upečete každý MY1018 motor, nejen ten převoltovaný (to je vyzkoušeno!). Uvědomte si, že plně nabitá Li-ion 10S 36V baterka má ve skutečnosti 42V a 12S 44,4V dokonce 50,4V a také to, že regulátory většinou dávají více proudu, než mají stanoveno (můj 24A pouští v reálu 28A). Takže teoreticky můžu poslat u 36V baterky do motoru 42 x 28 = 1176 W ! a u 44,4V baterky 50,4 x 28  =  1 411 W !! (ve skutečnosti o něco měně, kvůli poklesu napětí) a to už je pořádná síla!!!
2) Vysoký výkon motoru udržovat jen, když je motor v otáčkách a jen po určitou dobu, neboť tento "nadnominální" výkon není dlouhodobě udržitelný a motor stejně za čas přehřejeme vznikajícím ztrátovým teplem (buď roztavíme izolaci na vinutí a to je naprostý konec, či vyhřejeme uhlíky). Problém motoru MY1018 (a dalších podobných komutátorových jako MY1016) je totiž ten, že ačkoliv je tělo motoru hliníkové, což určitě pomáhá jeho ochlazování, jeho vinutí je na rotoru, který se otáčí uzavřený v hliníkové obálce a tudíž se vlastní vinutí může ochlazovat do pláště pouze přes vzduchovou mezeru a nikoliv přímo.
3) Berme v úvahu okolní teplotu (v létě za třicítek musíme být ještě mnohem opatrnější) a výškový profil, zda například zdoláváme kráká (byť strmá) stoupání a nebo dlouhá a strmá (kdy motor nemá šanci nějak vychladnout) a podle toho přizpůsobíme styl jízdy
4) Monitorujme - jak teplotu motoru, byť i pláště nějakým levným digitálním teploměrem z čidlem z Aukra za 80 Kč a monitorujme napětí (to se stejně hodí), proud a výkon alespoň levným modelářským Wattmetrem z Číny za 10 USD.
5) A hlavně nenechme se unést!!! Velký výkon = velká zodpovědnost!

Digitální teploměr  čidlem z Aukra.

Modelářský Wattmetr (měří napětí do 60V a proud do 150A)

To snad k motoru. Pokročme nyní k vlastní konstrukci elektrokola. U mého "dopravního" GT bylo sice cílem zbavit se tlačné kárky, ale nadále jízdní kolo používat hlavně na silnici, ale také v lehčím terénu (na což prostě tlačný vozík příliš vhodný není), ale hlavně,  používat toto kolo zejména k dopravě - k dojíždění do práce.

Dle toho jsem chtěl nadále zachovat jednoduchý "jednopřevodový" paralelní systém elektrické trakce, princip pohonu, na jehož základě fungoval i elektrický tlačný vozík Velociraptor Mk. I.

To znamenalo nejdříve vyrobit zadní kolo bicyklu, který by tento paralelní pohon umožňovalo a použít k tomu geniální řešení, s kterým přišel kamarád Kosťa již při vývoji tlačné kárky Velociraptoru Mk. I. Takže bylo nutné koupit volnoběžku s levým závitem (aby se nepovolovala). I u nás se naštěstí dá sehnat 20ti zubová volnoběžka na cyklistický řetěz s levým závitem, neb se používá na Babetě, jenž měla dokonce metrický zavit, nikoliv anglický palcový, jak je na cyklo (BMX) volnoběžkách obvyklé:

20ti zubová volnoběžka na Babetu s levým závitem

Pak koupit zadní kazetový náboj na kolo, který měl úchyt ("pavouka") pro kotoučovou brzdu.

Zadní kazetový náboj Shimano Deore s úchytem pro kotoučovou brzdu

Úchyt na kotoučovou brzdu (co je vidět vlevo na náboji) mi táta nechal odsoustružit a soustružník zde udělal nový závit na zmíněnou volnoběžku, která se našroubovala na náboj. Takto připravený náboj jsem pak musel nechat zaplést do nového ráfku v cykloservisu, přendat plášť, duši a kazetu ze starého kola a měl jsem připravené nové zadní kolo, jenž umožňovalo aplikovat dvojí paralelní pohon - normální "lidský" z pravé strany za použití stávajících převodů a elektrický z levé strany, kde jeho volnoběžka bude fungovat naprosto stejně jako volnoběžka na kazetě (na pravé straně) tj. pokud se náboj roztočí rychleji než elektrický pohon, volnoběžka se rozpojí.

Nyní již zbývalo vymyslet vlastní uchycení motoru. Nejdříve jsem chtěl tak nějak "okopírovat" řešení, jaké používala firma Currie u svého levného elektrokola eZip Trailz Commuter, které se prodávalo v amerických obchoďácích a které bylo právě poháněno motorem MY1018 (později XYD16):

uchycení motoru MY1018 u kola eZip

uchycení motoru MY1018 u kola eZip

Toto řešení se zdálo geniálně jednoduché, navíc i univerzální a tak jsem si myslel, že by se dalo snadno použít pro většinu jiných jízdních kol. Jenže držák na zadní vidlici se nakonec ukázal jako dosti obtížné řešení. Tovární elektrokolo eZip má totiž speciálně řešenou zadní patku vidlice s velkou rovnou plochou, navíc návarkem na další upevňovací šroub a vyřešené i posouvání celého držáku, kvůli napínání řetězu. U běžného kola je zadní patka malá a horní i spodní rameno zadní vidle se od patky zužuje směrem ke středu a sedlovce, což vytváří docela obtížný tvar držáku, který musí být zalomený, aby motor byl volnoběžně s volnoběžkou na náboji. Držák jsme vyvíjeli s tátou, ale jeho upevnění nebyla vůbec snadná záležitost, navíc převodový motor MY1018 vyvíjí, na rozdíl od běžného motoru jako je MY1016, na hnací řetězce značnou sílu, takže se "přitahoval" po hnacím řetězu směrem k volnoběžce, deformoval (ohýbal) i silný ocelový držák do té míry, že řetěz začal na volnoběžce přeskakovat. Toto řešení prostě nefungovalo.

Nakonec totálně zpruzený po dvou denním marném boji s držákem, jsem tento držák nakonec sundal, kus jeho části jsem uřízl flexou a toto torzo i s motorem jsem v podstatě přidrátoval do rámu kola, nad středové složení, takže to vypadalo, jako by šlo o středový pohon, ale ve skutečnosti jsem prodloužil řetěz a vedl ho od motoru dozadu na levou volnoběžku zadního kola. Hodil jsem provizorně baterku do batohu, "připojil se" a ono to fungovalo! A přímo báječně, váha motoru byla v těžišti, takže vůbec neovlivňovala jízdní vlastnosti a s kolem se skvěle manipulovalo. Pochopil jsem, že jinak umístěný motor prostě nechci.

Z toho testování z jara roku 2016 se dochovalo jediné video, které natočil můj syn Maty:

Začal jsem tedy znovu přemýšlet nad novým úchytem motoru a jsem hrdý, že jsem po několika dlouhých nocí, kdy jsem nemohl z tohoto přemýšlení usnout, jsem přišel s docela "geniálním" řešením tohoto uchycení:

Na rám kola se totiž dají uchytit dva držáky na láhev, dva šrouby jsou, jak bývá obvyklé, na spodní rámové trubce a dva na sedlové rámové trubce. Rozhodl jsem se tyto šrouby využít k uchycení dvou L profilů, které by držely desku, na které bude uchycen motor (za jeho 4 šrouby, co drží kryt převodovky). Tato deska s motorem bude mít drážky, aby se mohla vůči L profilům pohybovat (vodorovně směrem od zadního kola) a tím se dal napínat řetěz. Deska bude stažená k L profilům dvěma a dvěma šrouby. Vše jsme tedy s tátou odměřili a můj táta strojař nakreslil výkres a nechal vypálit ocelový prototyp držáku. Po mírných úpravách jsme s kamarádem Kačerem dostali držák na kolo, kde vlastně je dodnes (v plánu mám ale vyrobit nový, více minimalistický, odlehčený a hlavně hliníkový držák, nicméně celý systém uchycení bude stejný).

Uchycení motoru, pohled z pravé strany.

Uchycení motoru, pohled z levé strany.

Jakmile bylo toto vyřešeno, ostatní už byla hračka. Bylo to pájení (musel jsem třeba prohodit polaritu napájení motoru, protože motor je umístěn obráceně, než jak je konstrukčně zamýšleno a tak se v této konfiguraci uchycení normálně otáčí opačným směrem, než jak je třeba) a hlavně moje oblíbená práce s elektrikářskou lepenkou (mám úžasnou spotřebu) a tavnou pistolí, takže celé je to zbastleno naprosto dokonale. No, je to přece prototyp! Jelikož jsem samozřejmě u kola na každodenní dopravu nechtěl vozit baterku v batohu, namontoval jsem zpět nosič s brašnami, s tím, že levou brašnu využívám na přepravu baterky. Takovéto uložení baterky sice naprosto degraduje skvělé vyvážení (rozložení hmotnosti) tohoto elektrokola a váha baterky je při přenášení kola vzadu cítit, nicméně pro mě je výhodné, že si v kolárně v práci mohu baterku okamžitě odpojit, vyndat a odnést ji s sebou. Co se však týká vyvážení, lepší by bylo umístit baterku do rámu, nebo i pod spodní rámovou trubku.

Pohled na elektrokolo z pravé strany

Pohled na elektrokolo z levé strany

Pohled na levou volnoběžku na zadním náboji

Pilotovo pracoviště: na řidítkách vlevo je cyklo computer a vpravo teploměr, na honí rámové trubce je Wattmetr

Souběžně se stavbou Velociraptoru Mk. II jsem rovněž upgradoval moji stávající 8S6P Li-ion baterku, prostě jsem udělal (nyní již ne pájením, ale "normání" technologií bodováním pomocí niklových pásků na bodovačce u mého kamaráda Míry z Plzně, dalšího "elektro" šílence) další blok  baterie o konfiguraci  4S6P ze stejných LG MJ1 článků a sériově ho připojil k mé dosavadní baterii, takže mám nyní baterku o konfiguraci 12S6P (rozdělenou na 3 bloky 4S6P) o nominílním napětí 44,4 V a maximálním napětí 50,4 V a to už dokáže rozpumpovat 24V motor MY1018 docela pěkně!

Má současná Li-ion baterka 12S6P

A jak to celé jede? Díky "převoltování" to jede jako blázen! Nejdříve jsem se i trochu zhrozil, jaké "monstrum" jsem to stvořil. Přece jenom jsem stále hlavně cyklista, chci elektrické kolo a ne elektrický skútr. S téměř plně nabitou 12S Li-ion baterkou (kolem 49 V) Velociaptor Mk. II uháněl po rovině 47 km/h, což bylo tak akorát na hraně, kdy jsem ještě stačil k této rychlosti šlapat (za mého nejtěžšího převodu 44/11). S plně nabitou Li-ion 10S baterkou (42V) byla rychlost na rovině lehce přes 40 km/h. Velociraptor Mk. II sice nemá subjektivně takový zátah odspodu, jako tlačná kárka Velociraptor Mk. I, což si vysvětluji tím, že motor MY1016 je širší a vyvine větší točivý moment, ale jakmile se dostane MY1018 do otáček nastoupí jeho fenomenální výkon a své otáčky si je schopný udržet i ve velkých kopcích.

Jak už jsem tedy říkal, při převodu 9 zubů na řetězce motoru a 20 zubů na levé volnoběžce  na zadním náboji =2,22:1 x 7,18:1 (vlastní převod motoru) = celkový převod mezi vlastním elektromotorem a zadním kolem = 15,95:1 a použití 12S 44,4V Li-ion baterky mohu po rovině letět až 47 km/h, avšak do zmíněného 6%ního Bukováku, táhlého stoupání, který musím zdolat na cestě domů, mohu nadále letět (samozřejmě se šlapáním) i 35 km/h, což je něco naprosto neskutečného!!!

Výškový profil mé cesty domů s vyznačeným závěrečným 3 km stoupáním

Zpočátku jsem bohužel neměl na kole namontovaný zmíněný modelářský Wattmetr a ani teploměr s čidlem přilepeným (tavnou pistolí) a tak jsem si v podstatě ani neuvědomoval, jaký dávám motoru záhul a kolik proudu a hlavně celkového elektrického výkonu posílám do motoru (až 1400 W!!!), což se díky profilu trasy s oním dlouhým stoupáním děje po cela dlouhou dobu (závěrečný kopec má v podstatě 3 km!!!).

Prostě jsem se nechal unést a v počátečním nadšením z výkonu Velociraptoru Mk.II (konečně byl tento stroj takového názvu skutečně hodný) a mé cesty z práce jsem neustále zrychloval až jsem jednou v noci, když jsem jel domů z odpolední, kdy jsem v podstatě pořád držel Velociraptora pod plným plynem, prostě pořád, po rovinách, v kopcích (a samozřejmě jsem také tvrdě makal i já) vytvořil můj naprostý rekord. Jak je vidět z GPS záznamu Endomonda, urazil jsem trasu 11,56 km za 18 minut 45 sekund a dosáhl průměrné rychlosti 36,98 km/h, což vzhledem k profilu je naprosto úžasné.

Bohužel toto "týrání" motorů skončilo onou již zmíněnou závadou vyhřátí pružinek držáků uhlíků a vlastně mohl jsem být rád, že to dopadlo pouze jen takto, protože mým neuváženým jednáním jsem si o destrukci motoru přímo koledoval.

Výškový a rychlostní profil mé trasy domů. GPS měří nadmořskou výšku vyšší, než je skutečná.

Pořídil jsem si tedy zmiňovaný wattmetr a teploměr a začal monitorovat motor, což bylo potřeba zejména ve třiceti stupňových letních vedrech a vůbec jezdit s lehčím plynem a chovat se k motoru mnohem ohleduplněji. Hlídám si, aby teplota pláště motoru nepřesahovala 40 stupňů, což pokud udržuji rychlost do Bukováku kolem 25 - 30 km/h nebývá problém, kromě horkých letních teplot, kdy jsem se s teplotou dostal až k padesátce (ono pokud vyjíždíte a "studený" motor má již třicet stupňů, tak je to znát). Mám vyzkoušeno, že při 25 km/h do kopce Bukováku, samozřejmě za mé vydatné pomoci šlapáním, pumpuju do motoru zhruba 720W elektrického výkonu x cca 0,75 (účinnost motoru) = 540 mechanického výkonu + k tomu dodávám (odhadem) 200 - 250 W výkonu z mých nohou.

S Velociraptorem Mk. II jde ovšem jezdit i v terénu, samozřejmě ne v žádných brutálních výjezdech, nato není vhodné zvolené zpřevodování, které je zvoleno docela dost rychla, nicméně běžně lesní a polní cesty plánického hřebene nečiní problém. Jen je nutné jezdit s opravdu lehkým plynem a v nízkých rychlostech pomáhat kolu šlapáním, protože kdybychom v technických pasážích a v nízkých rychlostech (tj. v nízkých otáčkách motoru) pumpovali do motoru velký proud (=velký výkon), dříve nebo později bychom motor upekli. V jízdě v terénu jsou spíše limitující moje tenké "silniční" pláště o šíři 1.35 palců.

Zde jako příklad uvádím záznam mé jízdy po silnici z Číhaně na Šumavu do osady Velký Radkov za mým kamarádem Davidem, kdy jsem tuto 29,67 km trasu urazil za 1 hodinu, 2 minuty a 28 sekund s průměrnou rychlostí 28,5 km/h a zdolal 407 m převýšení.

GPS záznam trasy Číhaň- Velký Radkov

Při této jízdě jsem spotřeboval 160 Wh elektrické energie : 29,7 km = 5,39 Wh/km, takže je vidět, že Velociraptor mk. II je skutečně energeticky velice efektivní dopravní prostředek a to i v kopcovitém terénu. Jen připomínám, že má 12S6P Li-onka má kapacitu 17,4 Ah = teoreticky uskladní 772 Wh el. energie (Samozřejmě reálná kapacita bude menší, také nenechám baterku vymlátit úplně nadoraz a s ujetou vzdáleností bude také klesat můj lidský výkon, takže se bude zvyšovat má spotřeba el. energie)

Jediná nevýhoda pohonu pomocí převodového motoru MY1018 na kterou jsem zatím přišel, je hlučnost jeho převodovky s přímými ozubený koly. Její "kvílení" není příliš patrné, pokud se pohybujeme v rychlosti do 25 km/h legálního rychlostního limitu pro elektrokola, avšak pokud "převoltováním" zvedáme dále otáčky tohoto motoru, stane se pro motor tak nějak "chatakteristický" jeho "turbínový" zvuk, což mě připomíná pohony kola pomocí "rc" motorů....

Celková váha vlastního pohonu Velociraptoru Mk. II je zatím (ocelové uchycení) následující:

pohon (motor, uchycení, řetěz, levá volnoběžka) cca 3,5 kg
12S6P 17,4 Ah Li-ion baterie (772 Wh) cca 3,5 kg
Dohromady teda cca 7 kg.

Budeme-li počítat, že maximální mechanický výkon tohoto pohonu může být cca 900 W (v praxi při plně nabité baterce i více) = 44,4 V x 28 A =  1 243 W x 0,75 (účinnost) = 932 W, pak maximální měrný výkon tohoto pohonu bude 932W/7kg = 133 W/kg a to je už je slušný a tento výkon by se dal ještě zvýšit, pokud bych použil lehčí, méně dimenzovanou baterku (ta moje je na 12 km dojíždění do práce opravdu luxus) a která by také byla schopná poskytnout proud 28 A.

Samozřejmě, že nominální (udržitelný) výkon celého systému bude menší, počítám na úrovni 550 - 650 W za chladnějšího počasí.

Takže Velociraptor Mk. II je skutečně elektrický pohon hodný svého jména, opravdové zvíře...