Самодельный велосипедный тензометр.

Рассказ о создании высокоточного тензометра для велосипедных колёс.
Рассчитано на увлечённых самодельщиков-велосипедистов.

1. Тензометр — инструмент для измерения натяжения велосипедных спиц.
Как правило, тензометры используются в велосипедных мастерских при сборке колёс.

На мой взгляд, исчерпывающая инструкция по использованию тензометров — Сборка колес с тензометром.
Если у кого-то есть другие ссылки, присылайте в ЛС, дополню обзор.

Объём папки на моём ПК по теме «тензометр» около 150 МБайт, и выложить все материалы в одном обзоре не представляется возможным. А уж упорядочить и тем более.
Поэтому получился своеобразный дайджест.
Не всё будет изложено в хронологическом порядке…

2. По теме «тензометр» есть огромные темы на велофорумах ВМ, ХТ и других.
Если коротко, то у всех самодельщиков есть простое желание:
заполучить в личное пользование высокоточный тензометр, и при этом не потратить много сил\денег\времени.
Кстати, я такой же. )

И так, какие есть рабочие конструкции?
Лидер по самодельным конструкциям тензометров — smol_.
Его эксперименты в данном направлении начались в 2011 (?) году.
Наш ответ Чемберлену (по ссылке представлены и другие авторские конструкции).

Автором были сделаны некоторые выводы (расчёты):
«1. Продажные тензометры измеряют поперечное смещение спицы под действием фиксированной силы, приложенной попендикулярно к спице. Натяжение обратно пропорционально смещению при малых смещениях.
2. Поскольку микрометрический индикатор я с ходу не нашел, и мне тока обещали „поискать как-нибудь“.
3. Пришлось вспомнить, что измерять силу проще, чем малое смещение. Ну весы есть у многих, а вот микрометрические индикаторы тока у токарей со слесарями…
4. Данный тензометр измеряет силу, необходимую для прогиба спицы на фиксированную величину ~0.5-1мм (регулируется) на базе в 100мм.
5. Приблизительно нужно 2кгс для смещения в 1мм на базе в 100мм при натяге спицы в 100кгс.
6. Самопальный динамометр обеспечивает диапазон 0-4кгс, что вкупе с регулируемым зазором поперечного смещения вполне покрывает нужный диапазон измерений.
7. Для измерения абсолютного натяжения расчеты не годятся — надо городить калибровочный станок...» ©

Эти цифры были использованы в моих экспериментах (намного позже).

3. Примеры самодельных тензометров.
Тензометр своими руками (автор — iG0Lka).


4. Оригинальная (не такая, как у всех) конструкция тензометра была представлена на ВМ


Общественность очень активно прореагировала на появление новинки: автора завалили вопросами,
поток которых автор не выдержал.
В конечном итоге:
— конструкцию проверили в какой-то известной веломастерской и даже признали её работоспособность
— никто из активно критиковавших не удосужился лично повторить конструкцию
— автора «закидали тапками», тема свалилась в срач и была закрыта

Любопытная конструкция.
Но объективных данных о её характеристиках, к сожалению, нет. (

5. Поиск оптимального пути, как обычно, начинается с копирования анализа серийных изделий.
Лидером, де факто, является тензометр ParkTool TM-1


Поскольку чертежи в сети отсутствуют, пришлось занимать реинжинирингом:

Я пропускаю последующие расчёты соотношений рычагов кинематической схемы, жёсткости пружины и т.д.
Тогда же был сделан предварительный вывод: тензометр будет «слепым», но об этом чуть позже.

6. Стенд для калибровки (или калибровочный станок).
Тут ничего придумывать не пришлось. Все конструкции похожи и собираются на базе весов 150-300 кг.


smol_, как обычно, поступил нестандартно: рычажная система и набор грузов:


Из-за отсутствия в доме блинов от штанги грузов, был выбран вариант на базе весов 150 кг:


Мой вариант не отличается ни изяществом, ни плавностью линий:

Основание — алюминиевая труба прямоугольного сечения (вертикальная направляющая от фотоувеличителя Таврия), пара шпилек ф10мм и весы на 150 кгс.
Натяжение спицы задаётся (регулируется) усиленной гайкой М5.

7. Ко времени прибытия посылки с весами для стенда по теме «тензометр» накопилось достаточно материалов.
И надо было всё немного систематизировать. Ибо от разнообразия конструкций разбегались глаза, всё хотелось попробовать, но…

Если откинуть экзотические конструкции, то
все используемые кинематические схемы тензометров можно условно поделить на группы:
1) Тензометры, в которых усилие прогиба спицы компенсируется усилием пружины.
К этой группе тензометров относятся все серийные изделия: ParkTool TM-1, его клоны и
конструкции, как на фото ниже:



Все конструкции этой группы имеют одинаковые особенности:
— наличие измерительной пружины
— нелинейная шкала, что требует индивидуальной калибровки на стенде
— механические затирания вследствие наличия подвижных элементов в конструкции; в результате получается некоторый гистерезис, значительно снижающий точность измерений (использование измерительной головки с ЖК индикатором никоим образом не спасает ситуацию)

Примечание: если вы видите кривую пружину, то можно не ждать какой-либо точности от тензометра


Следует пояснить, чем измерительная пружина отличается от обычной, используемой, например, в прищепке:
— нормированный коэффициент упругости Купр.
— временная стабильность Купр. и Lo (начальная длина при 20 градусах)
— температурная стабильность Купр. и Lo
— отсутствие остаточных деформаций

Для желающих ознакомиться с вопросом: Курендаш Р.С. Конструирование пружин, 1958г.

А теперь «вишенка на торте»: правильно рассчитать пружину — этого мало, надо ещё её изготовить.
Не буду рассказывать страшные сказки.
Вкратце: изготовить измерительную пружину — нетривиальная технологическая задача.

Предупреждение для самодельщиков: измерительные пружины не продаются на каждом углу, и купить подходящую для своих задач пружину вряд ли получится.
В продаже можно найти пружины для садовых секаторов и другого инструмента,
но их продавцы понятия не имеют о метрологических характеристиках пружин.
На сложные вопросы ничего вразумительного, естественно, ответить не способны.

2) Тензометры, в которых спица прогибается на строго определённое значение (около 1мм),
при этом измеряется поперечное усилие на спицу.
Пример такой конструкции (автор smol_)


Особенности этой и других аналогичных конструкций:
— отсутствует измерительная пружина и все проблемы, с ней связанные
— минимум подвижных элементов, как следствие, гистерезис незначительный или отсутствует
— линейная шкала (незначительная нелинейность есть, но каждый сам решает, можно ли ей пренебречь)
— требуется калибровка на стенде

8. Пневматический тензометр.
ТЗ на «разработку»:
— никаких пружин в схеме
— желательно получить линейную шкалу
— легко повторяемая конструкция

И был придуман пневматический тензометр:

Это ж надо было так на....

Идея была простая, как мычание коровы:
— давление создаётся разовым шприцем
— усилие прогиба создается мембранным блоком
— спица прогибается на нормированное значение 1 мм при базе между упорами 100 мм
— измерение давления — любым доступным манометром

В качестве измерителя предполагалось использовать манометр от тонометра:

300 мм рт. ст. — это 40 кПа, на это значение был спроектирован мембранный блок

F = P * Sэф., где
P — избыточное давление
Sэф. — эффективная площадь мембраны

Мембранный блок в разобранном виде:

Диаметр «шайбы» под мембраной ф20 мм.
Эффективный диаметр мембраны — около 23 мм.
Эффективная площади мембраны: 4,15е-4 м²

Усилие на штоке при давлении 40 кПа: 4,15е-4 * 40000 = 16,6 (Н)
или 1,66 кгс. По идее, должно хватить.

Самый сильный закон Вселенной — Закон Подлости.
И тут не обошлось без него.
Давления 40 кПа не хватило, и от использования удобного манометра на 300 мм рт.ст пришлось отказаться.
Его сменила тяжёлая артиллерия: электронный образцовый манометр на 100 кПа классом точности 0,02%:

Только не спрашивайте, откуда у меня дома такое оборудование.

Для контроля касания спицей упора была применён светодиод:
замыкалась цепь подшипник — спица — центральный упор (регулировочный винт М3).
И тут подвох: подшипник отказался проводить электрический ток.

Была найдена графитовая смазка.
Но она оказалась неправильной: ткнул в ней щупами омметра, а она НЕ проводит от слова совсем.
Тогда один подшипник был вскрыт, промыт в керосине от заводской смазки, высушен,
затем промыт в изопропиловом спирте.

Думаете помогло? Нет!
Пришлось поднять напряжение в цепи светодиода до 25В.
Изящный эксперимент превратился в «огород» и «хождение по граблям».


«Мучения» закончилось быстро. После сборки калибровочного стенда макет был проверен,
и сделаны неутешительные выводы:
— не получилось избежать затираний в схеме (при небольших поперечных усилиях на спицу всё красиво, а дальше грабли)
— была достигнута точность порядка 10% (с учётом гистерезиса), чего достаточно сборки колёс
— не получилось «влезть» в диапазон 40 кПа (как следствие, всё усложнилось)
— удобство использования отсутствует как класс

Вдоволь наигравшись с макетом, я поставил жирный крест на данном эксперименте (и проекте тоже).
Если кто пожелает, отдам прототип за пиво (НП работает).
Эскизы прототипа — по личной договорённости.
Выкладывать их в общий доступ нет смысла, бо всё равно никто это повторять не будет,
равно как и десятки-сотни других (не только моих) проверенных решений.
ИМХО.

9. Всё развивается по спирали.
Я немного устал от экспериментов.
Мне тоже хотелось слентяйничать: прочитать обзор на Mysku, нажать кнопку «купить» и через месяц-два радоваться покупке.
По весне была акция на али, и пара клонов ParkTool TM-1 была куплена:


Примерно в то же время подоспел стенд, и тензометры прошли проверку.
Отчёт поместился в десяток строк.

Диапазон измерений 0-75 кгс укладывается в 10-15 делений шкалы (от 15-20 и выше).
Натяжения спицы более 80 кгс «прибор» не видит, т.к. из-за нелинейной шкалы показания сливаются в буквально в 1-3 деления.

Присутствует заметный гистерезис: приходится выполнять N замеров.
Калибровать показометр можно попытаться (калибровочный винт есть), но смысла нет.

Пообщавшись с коллегой по несчастью, пришли к единому мнению: хлам.

Можно отличить натяжение спицы 25кгс, 50 кгс, 75 кгс и (условно) 100 кгс.
Далее игрушки были проданы на олх с нулевой накруткой.
И делу конец.

10. Попытка купить подходящий тензомост окончилась ничем: приехали нерабочие тензомосты

Когда же закончится тропинка с граблями?!

Тензомосты в доме имеются, но они рассчитаны на промышленное применение.
Плюс к ним еще надо схему городить. А это время. (

Групповое фото:

Дохлые тензомосты с али в верхнем ряду.
Высокоточный датчик давления на 600 кПа для агрессивных сред (внутри сплошной титан и нержавейка).
И пара датчиков силы (на 5 кгс и на 0,5 кгс) орловского завода.

11. Поиск подходящих весов для очередного эксперимента.
Поиск на сайте радует, количество фотографий тоже.



А вот этот «смайлик» внутри бывает разный:


В моих весах:

Всё не то.

А вот это — идеальный вариант, но не нашёл в продаже:



При всём богатстве выбора я купил вот такой:


На 3Д принтере была «напечатана» деталь:


Инструкция по сборке тензометра:
1) разобрать весы
2) заменить весоизмерительный крюк на толкающий шток
3) перевернуть тензомост, чтобы не было минусовых показаний
4) собрать конструкцию (3Д деталь крепится на саморезы от видеокассеты)
5) выполнить калибровку на стенде

В собранном виде:


Особенности конструкции:
— отсутствие подвижных частей и каких-либо пружин
— более-менее линейная шкала
— точность 3 %
— отсутствие гистерезиса
— применимо для велосипедных колёс 24" — 28" (для выполнения замера требуется участок спицы не менее 13см)

Таблица калибровки (слева — натяжение спицы на стенде, справа — показание тензометра):
20 кгс — 865 г
30 кгс — 1340 г
40 кгс — 1715 г
50 кгс — 2100 г
60 кгс — 2390 г
70 кгс — 2750 г
80 кгс — 3115 г
90 кгс — 3410 г
100 кгс — 3635 г
110 кгс — 3995 г
120 кгс — 4255 г

Видео.
Снято кое-как, но понять принцип можно.

12. Окончание длинной истории.
Первый экземпляр отбыл в Харьков моему другу. Там он нужней.
Лично для меня всё это — чисто спортивный интерес.
Себе и знакомым велосипедистам я всегда успею собрать.
До весны еще есть время. ))


Всем удачных экспериментов!