NL Science

Science

PowerCurve – Premium non-circular chainrings based on Science

  1. Het “pedaling process”.

De kracht-momenten die via de spieren in de gewrichten opgewekt worden, dienen enerzijds om de kracht op het pedaal (niet-kinetische aandrijvingskracht) te genereren, maar anderzijds moeten die momenten ook de massa’s van de onderste ledematen  versnellen of vertragen (dynamische of kinetische kracht/moment).

Anders gezegd, het totale aandrijfmoment in elk van de gewrichten van de onderste ledematen kan worden opgesplitst in een kinetisch krachtmoment (enkel te wijten aan de beweging van de ledematen) en een niet-kinetisch krachtmoment (enkel te wijten aan de uitgeoefende pedaalkracht).

M totaal = M niet-kinetisch + M kinetisch                                             vergelijking (1)

Deze kracht-momenten vergelijking geldt voor enkel-, knie- en heupgewricht.

De kinetische krachten/momenten leveren geen “uitwendig”  krukvermogen. Ze leveren dus geen bijdragen tot de voortbeweging, maar dienen enkel om de benen te bewegen. Die kinetische kracht/moment componente wordt veroorzaakt door (“overwint” de) effecten van de zwaartekracht die op de bewegende benen werken en door “traagheids-effecten” (versnellen en vertragen van de benen) tijdens het pedaleren..

  1. De kinetische krachten/momenten.

Het niet-kinetisch krachtmoment is enkel een gevolg van de uitgeoefende pedaalkrachten en is niet afhankelijk van de massa’s noch van de “versnellingen” der ledematen.

De kinetische krachten/momenten daarentegen zijn functie van de massa’s, de traagheidsmomenten, de hoekversnellingen en de lineaire versnellingen (van de zwaartepunten) van de voet, been en dij en ook van de zwaartekracht werkend op voet, been en dij.

Die kinetische krachten/momenten die werken op de gewrichten bij een bepaalde trapfrequentie, kunnen dus worden gewijzigd door een verandering van de hoekversnellingen en de lineaire versnellingen van de onderste ledematen. De niet-kinetische momenten blijven hierbij onveranderd.

  1. Niet-circulaire kettingwielen.

Bij het fietsen aan een constante snelheid met een niet-rond kettingwiel beschrijft het drukpunt van de voet een cirkelvormige beweging maar de crank hoeksnelheid verandert gedurende de omwenteling. Dit betekent dat er hoekversnellingen zijn en lineaire versnellingen.

Die hoekversnellingen, maar ook de lineaire versnellingen van de onderste ledematen, kunnen gewijzigd worden door aanpassing van de ovaliteit, de vorm en de oriëntering van de crank tov de grote as van het kettingwiel en door de trapfrequentie.

  1. Wijziging van de kinetische krachten/momenten in de gewrichten.

Door wijziging van de geometrie (ovaliteit, vorm en positie van de crank) en de omwentelingssnelheid van de ovaal treden andere hoek-  en lineaire versnellingen op in de ledematen en dus ook gewijzigde kinetische krachten/momenten in de gewrichten.

  1. Optimalisatie

Door simulaties met verschillende ovaliteiten, vormen en crank posities tov de grote as van het kettingwiel kan een optimaal niet-circulair kettingwiel gevonden worden.

Een optimaal niet-circulair kettingwiel is het ovaal kettingwiel dat het kinetisch krachtmoment in de gewrichten minimaliseert. Zie ook de vergelijking (1).

Als het totaal aandrijfmoment gelijk blijft kunnen de spieren, die dus hetzelfde totaal aandrijfmoment genereren, ook met dezelfde inspanning, méér niet-kinetisch moment afleveren (omdat ze inderdaad minder kinetisch moment moeten genereren) en dus meer pedaalkracht en finaal dus meer pedaalvermogen.

Dat optimaal niet-circulair kettingwiel (criteria voor de optimalisatie)

-minimaliseert de piekbelasting (kinetisch gewrichtsmoment en -gewrichtsvermogen) in de strekspieren van de gewrichten vergeleken met een rond kettingwiel

-en maximaliseert daarbij nog een kinetisch crank vermogenswinst vergeleken met een rond kettingwiel.

bij een gegeven trapfrequentie.

Zowel de afname van de piek-belasting in de strekspieren van de gewrichten als de crank vermogenswinst nemen meer dan proportioneel toe met stijgende trapfrequenties.

Bij het fietsen worden overwegend de strekspieren ingezet en dragen zij het meest bij tot het leveren van het crank vermogen. Elke vermindering van belasting van de strekspieren is voordelig uit oogpunt van spiervermoeidheid en laat dus de fietser toe om een gegeven crank vermogen langer aan te houden.

  1. PowerCurve niet-circulair kettingwiel.

De PowerCurve is het resultaat van de optimalisatiestudie.

Dit optimaal niet-circulair kettingwiel is het best presterende niet-circulaire kettingwiel geselecteerd uit meerdere (36) gesimuleerde en onderzochte geometrieën en crank oriëntaties.

Zie ook “Prestaties”.

De PowerCurve heeft volgende “optimale” kenmerken:

een ovaliteit van 30 %, vier vorm segmenten (rond, overgang naar vlak, vlak en spiraal van Archimedes voor overgang vlak naar rond) en de crank gepositioneerd op 68°, in wijzerzin gemeten vanaf de grote diameter van de ovaal, voor de gewone racefiets (zitbuishoek ongeveer 73°).

Deze optimale crank oriëntering is echter ook functie van de zitbuishoek en van de zithouding van de renner. Daarom voorziet PowerCurve twee bijkomende montage mogelijkheden nl. op 76° (TT fiets) en op 84°. Dit geeft een bijkomende correctie mogelijkheid bij sterk vooruitgeschoven zithouding op de fiets.

Om praktische redenen (zie “Productbeschrijving”) wordt de ovaliteit beperkt tot 25%. Dit geeft geen merkbaar verlies aan prestaties.

  1. Referenties
  1. DIAMOND, N.D., BATH, B.S., HOLSCHER, R.B., ELMER, S.J., and MARTIN, J.C., Effects of noncircular chainrings on maximal cycling power. Neuromuscular Function Lab, Department of Exercise and Sport Science, College of Health, University of Utah, Salt Lake City, UT, USA, 2010
  2. GROSJEAN, P., et GRAPPE, F., Effets du plateau non circulaire Ogival comparé au plateau circulaire classique sur le pattern de pédalage et lors de différents exercices maximaux et en endurance. Departement Sport-Santé, Université de Franche-Comté, Besançon. 2013
  3. HORVAIS, N., SAMOZINO, P., ZAMEZIATI, K., HAUTIER, C., HINTZY, F., Effects of a non-circular chainring on muscular, mechanical and physiological parameters during cycle ergometer tests Isokinetics and Exercise Science  15, Number 4, 2007.
  1. HULL, M.L. and JORGE, M., A method for biomechanical analysis of bicycle pedalling.
  2. Biomechanics 18: 631-644, 1985.
  3. JONES, A.D., and PETERS-FUTRE, E.M., Physiological response to incremental stationary cycling using conventional circular and variable-geared elliptical Q-chain rings. School of Medical Sciences, Faculty of Health Sciences, University of KwaZulu-Natal, 2008.
  4. KAUTZ, S.A. and HULL M.L., A theoretical basis for interpreting the force applied to the pedal in cycling. J. Biomechanics 26, No 2, 155-165, 1993
  5. MALFAIT, L., STORME, G., and DERDEYN, M., Comparative biomechanical study of circular and non-circular chainrings for endurance cycling at constant speed. www.noncircularchainring.be, 2006-2010 MALFAIT, L., STORME, G., and DERDEYN, M., Why do appropriate non-circular chainrings yield more crank power compared to conventional circular systems during isokinetic pedaling?www.noncircularchainring.be, 2012
  1. MATEO, M., BLASCO-LAFARGA, C., FERNANDEZ-PENA, E., and ZABALA,M., Efectos del sistema de pedalo no circular Q-Ring sobre el rendimiento en el sprint de la disciplina ciclista BMX. European Journal of Human Movement 25, 31-50, 2010.
  2. MILLER, N.R., ROSS, D., The design of variable ratio chain drives for bicycles and ergometers-application to a maximum power bicycle drive. Journal of Mechanical Design 102, 711-717, 1980.
  1. PEIFFER, J.J., and ABBISS, C.R., The influence of elliptical chainrings on 10 km cycling time trial performance. International Journal of Sports Physiology and Performance, 2010, 5, 459-468.
  2. RAMBIER, N. et GRAPPE,F., Effet de l’utilisation du plateau O’symetric sur la performance du cycliste. Departement Sport-Santé, Université de Franche-Comté, Besançon. 2013
  1. RANKIN, J.F., and NEPTUNE, R.R., A theoretical analysis of an optimal chainring shape to maximize crank power during isokinetic pedaling. Journal of biomechanics 41, 1494-1502, 2008.
  1. RATEL, S., DUCHE, P., HAUTIER, C., WILLIAMS, C., and BEDU, M,. Physiological responses during cycling with noncircular “Harmonic” and circular chain rings. Eur J Appl Physiol; 91(1): 100-104, 2004.
  2. REDFIELD, R., and HULL, M.L., On the relation between joint moments and pedalling rates at constant power in bicycling. J. Biomechanics 19: 317-329, 1986.
  1. STRUTZENBERGER, G., WUNSCH, T., KROELL, J., DASTL, J., SCHWAMEDER, H., Effect of chainring ovality on joint power during cycling at different workloads and cadences. Sports Biomechanics, 12 pages, 2014.
  2. VAN HOOVELS, K., KONINCKX, E., and HESPEL, P., Study of the effect of non-circular chainwheels in cycling. Department of Kinesiology, Exercise Physiology Research Group, K.U. Leuven. Unpublished, 2010.