$49パワー計のひずみゲージ考(2)

前回のグループ分けに沿って、実験をしてみました。

■グループ２：パワー算出用のトルク検出用とは別に、余計な力成分の検出用ひずみゲージを設けてパワー値の補正をしている。
　Shimano、Quarq Cinqo、4iii

以下、パイオニア特許図面です。

ペダルの外側を踏むと、赤の矢印方向に捻じれがより大きく生じ、ひずみゲージ369a8は伸びて、369b8は縮む。
これを利用すると、どの程度ペダルの外側を踏んでいるか把握できるので、このデータを利用してパワー値を修正する。

4iiiの米国特許出願でも同様の記載があります。

試しにやってみた。
結果は・・・キャリブレーションが面倒。

パワー測定用のひずみゲージ回路とは別に、補正用ゲージのキャリブレーションも緻密に行う必要がある。
お手軽パワーメータを目指す今回の目的には合致しないので、どうするか悩み中です。
ただ、この方式を実装すれば、設計が甘い潔い市販品よりも正確なパワーメーターを作れます。


■グループ３：上記グループ２のような補正はないが、構造上、余計な力成分の影響をあまり受けない。

　SRMを見習ってスパイダーアームの以下の赤丸位置にひずみゲージを張って、ペダリング。

結果は・・・ひずみの変化量が足りない。
剛性がなく柔らかめのTiagraクランクでテストしましたが、あまり歪の変化がない。
ひずみゲージを張る位置を見直して再度トライする予定です。

もう一つ、正確なpowertapハブのように、円柱の軸にひずみゲージを張り、トルクを測定する方法。
以下のように、クランクシャフトの中にひずみゲージを張ってペダリング。


これは、正直、一番期待していました。
構造はpowertapと同じに思えたし、ひずみゲージ、充電池、電子回路をすべてシャフト内に収納できる。
見た目が以下のようにすっきりするし（写真はボケてますが）、失敗してもクランクの外観に傷がつかない。


結果は・・・ペダルの外側を踏むとパワー値が小さくなる。
「またまた冗談でしょ」
と再度ペダルの踏位置を外側に。
結果は同じ。ガックシ。

円柱にひずみゲージを張る場合、以下のOMEGA社の解説の図Fのように張る。
Powertapハブも同じ。


しかし、クランクシャフトの場合、左のクランクアームがボルトで固定されるため、ペダルの外側を踏むと、クランクシャフトが外側に引っ張られて、すべてのひずみゲージが横み引っ張られて縮んでしまう。
この結果、パワー値が小さくでてしまうと推測。

では、この方式を採用しているRotorのINPowerは大丈夫なのか？
ある記事に「INPowerは、大きなトルクで低回転で踏んだ場合、またスプリントで８００ｗ以上出した場合に、パワー値が低く出る」とのコメントが。
要は、大きなトルクでシャフトが外側に引っ張られて、パワー値が小さく計測されるような。
私の実験結果と同じ？

この方式の最大の欠点は、ひずみゲージの張りにくさ。
ゲージの接着に２回ほど失敗して、心が折れました（不器用なので）。
とてもお手軽とは言えません。


■グループ４：パワー算出用のトルク検出は行うが、補正は行わない（潔い）。少なくともホビーレーサーのFTP領域以下では、補正を行う必要はなく、正確。

結局、現時点で、一番お手軽なのは従来通りクランクアームの上下に４枚ひずみゲージを配置する方法かと思います。
でも、クランクのねじりに対する補正はありません。

したがって、動物園で、象さんに

「ペダルの外側を踏んで、パワー値が大きく出るか見てくれる？」とお願いして

「分かったゾウ」（寒）

と了解してもらえば、すぐに影響が出るとは思いますが、人力の場合は不明です。

以下の左のゲージは、eBayでよく販売されている幅広のもの。

右のゲージは某国産の曲げ測定用のもの。

左の幅広タイプのゲージは、右のタイプに比べて、ペダルの外側を踏んだ際に生じる捻じれによく反応してしまう。
ネット上に、この幅広タイプのゲージをクランクアームに付けて「簡単にパワーメータを作れた」という記事もありますが、おそらく、ペダルの外側を踏むと、問題にぶつかると推測してます。

右側の細長のゲージをフルブリッジ（ゲージ４枚構成）で、クランクアームのペダル軸に近い場所に配置したところ、７００ｗ（私がペダルの端っこを踏んで安定出力できた最大値）程度では、ペダルの外側を踏むことによる影響はでていません。

以下のサイトでは、FEAによる分析で、クランクの捻じれがどのように出るか、CG化されています。ひずみゲージの位置決めの参考になります。
ttps://hackaday.io/project/2314/logs

実際に、どの程度のトルクから影響が出るは、ペダル軸の長さ（TIME製は短く、フラぺは長い）、クランクの剛性によると思います。

パワートレーニング本にあるトレーニングメニューでは、FTPの２００％までしか使っていません。
とすれば、７００ｗを正確に計測できれば、FTP３５０ｗまでは対応できることとなります。
FTP３００ｗを切って久しい私には十分で、もう、この方法でいいじゃん、という誘惑と格闘中です。

$49パワー計のひずみゲージ考

以下はshimanoの特許図面。
パワーメータのトルク（図１８のFΘ）算出には、他の３つの方向の力（図１９のFz、図２０のFrおよび図21のMから生じる捻じれ方向の力）をすべて測定したうえで、FΘの値を補正する必要があると知る。



上記図２１の捻じれ方向の力はわかりにくいが、以下のパイオニア特許の図６（ｂ）の通り、ペダル１０３を踏んだ時に、クランクアームには、rzの捻じれ方向の力が発生する。




パワー計測には、FΘの力だけを検出したい。しかし、ペダリング時には、Fr、Fzおよびrzの力がかかる。
シマノ特許の図１８にある、上側のひずみゲージ138,178は、FΘの力がかかると伸びる。
しかし、Fz、Frおよびrzの力にも影響されて、実際には更に伸びてしまう。
その結果、乗り手にわかる現象として、ペダルの外側を踏むと、パワー値が実際よりも大きく出てしまう。
これを除去するには、rz、Fz、Frも測定してFΘから余分な力成分（rz、Fz,Frの影響度）を算出して除去する必要があるとのこと。

では、市販のパワーメータはどうなっているか。

以下、独断と偏見で、市販のパワーメータが、ひずみゲージが拾ってしまう余分な力成分をどのように処理しているか、分類してみた。
ちなみに私は、理工系の教育を一切受けていない、ド素人ですので、以下の内容は、勝手な妄想と思ってください。

■グループ１：余計な力成分を拾わないようメカ設計されている
　Powertap, InfoCrank

■グループ２：パワー算出用のトルク検出用とは別に、余計な力成分の検出用ひずみゲージを設けてパワー値の補正をしている。
　Shimano、Quarq Cinqo、4iii

■グループ３：上記グループ２のような補正はないが、構造上、余計な力成分の影響をあまり受けない。
　SRM。
　SRMは、ローギアのときは左に、トップギアのときは右にスパイダーアームが引っ張られ、余計なひずみが生じるが、この影響を補正する構造が見当たらない（少なくとも２ゲージのモデルでは）

■グループ４：パワー算出用のトルク検出は行うが、補正は行わない（潔い）。少なくともホビーレーサーのFTP領域以下では、補正を行う必要はなく、正確。
　R社INPower（たぶん）

■グループ５：ホビーレーサーのFTP領域ですら、トルクが不正確で補正なし。パワーメータとして機能しない。
　PowerCal、先日、自分で作った失敗パワーメータ。

$49.99の手作りパワーメーターはどのグループを目指すか。
今回は、お手軽お手頃に誰でも付けられるパワーメーターを目指したい。
「パワーメーターは欲しいが奥方の承認を得られない」という方でも、$49.99ならば「役員に飲み会に誘われて付いていったら、しょぼい居酒屋だった挙句、代金も均等負担だったつもり貯金」で賄える。

グループ１は論外。

只今、グループ２、３，４に属するものを実験中。