Hjúphjól

Hjúphjól er reiðhjól með yfirbyggingu. Flestar gerðir hjúphjóla eru yfirbyggðar til að draga úr loftmótstöðu og hámarka orkunýtingu, vernda notandann fyrir annarri umferð og skýla fyrir veðri og vindum. Flestar gerðir þessara farartækja notast við 2 eða 3 hjól en nokkuð er farið að bera á nýrri hönnun sem notar 4 hjól, eitt á hverju horni. Yfirbyggingin, hjúpurinn, nær í sumum tilfellum yfir hjólin til að draga enn frekar úr loftmótstöðu. Sumar gerðir eru í raun sjálfstæð þríhjól eða liggjandi hjól með einhvers konar léttri straumlínulagaðri yfirbyggingu. Aðrar gerðir nýta yfirbygginguna sem berandi hluta og á hana eru svo aðrir hlutar faratækisins festir.

Mikilvægt er að skilja á milli annars vegar sérbyggðra straumlínulagaðra reiðhjóla sem yfirleitt nota einungis 2 hjól og eru byggð í þeim eina tilgangi að slá hvers kyns hraðamet, og hins vegar hjúphjóla sem er ætlað að vera samgöngutæki til daglegra nota. Þrátt fyrir að vera einnig hraðskreið eru hjúphjólin mun hagnýtari tæki. Að hafa 3 eða fleiri hjól að styðjast við gerir farartækið stöðugra, auðveldar notandanum að stansa án utanaðkomandi aðstoðar, t.d. við umferðarljós, og bætir stýrieiginleika í hliðarvindi osfrv. Þó má færa rök fyrir því að það að nota fleiri hjól eykur núningsviðnám við undirlagið og loftmótstöðuna kringum dekkjabúnað. Hér má nálgast góðar vangaveltur um loftsmótstöðu reiðhjóla. Þrátt fyrir nokkurn mun á eðli og notkun er hjúphjól samt náskyld fyrrnefndum háhraðatækjum.

Framleiðendur þessarar gerðar farartækja eru ekki ýkja margir og tækin eru gjarna heimasmíðuð. Nokkrar gerðir eru þannig hannaðar að höfuð notandans stendur upp úr straumlínulagaðri yfirbyggingunni, sem gefur ökumanninum yfirleitt betri yfirsýn yfir nánasta umhverfi, möguleika á að heyra betur í annarri umferð og eykur kælingu. Auk þess getur myndast töluverður hávaði innan í yfirbyggingunni sem getur verið gott að þurfa ekki að hlusta stöðugt á.

Dæmigerðu drifkerfi hjúphjóls svipar til hefðbundins drifkerfis reiðhjóla. Yfirleitt byggist drifkerfið á fótstigum sem eru notuð til að snúa stóru tannhjóli og keðju sem er tengd smærri tannhjólum sem aftur snúa einu eða fleiri afturhjólum farartækisins. Ýmsar gerðir nota sérstakan búnað til að stýra langri keðjunni frá fótstigunum fremst að gírabúnaði á afturhjólinu. Eitt af einkennum þessara farartækja er að keðjan og drifbúnaðurinn er yfirleitt innbyggð og vernduð fyrir veðri, vindum og óhreinindum frá vegyfirborðinu.

Sögulegt yfirlit.

Fyrir Heimsstyrjöldina fyrri byggði Charles Mochet lítið farartæki fyrir son sinn, drifið áfram af fótstigum, sem minnti á bíl. Mochet byggði síðar margar mismunandi gerðir af slíkum farartækjum sem hann kallaði ”Hjólabíl” . Sumar gerðir bjóða upp á tvö sæti, flestar voru knúnar með fótstigum en eftir því sem farartækin þróuðust voru smáar vélar settar í nokkur þeirra. Hjólabílar Mochets voru byggðir með þunnum krossviði festum á stálgrind.

Sumar gerðir þessara faratækja nýttu striga eða álíka efni sem strengt var eða saumað yfir þéttriðið vírnet eða röragrindur og svo málað eða þétt með því að bleyta það upp og láta efnið strekkjast á grindina um leið og það þornaði. Aðferðin var algeng í flugvélasmíði þess tíma og býður upp á létta yfirbyggingu úr aðgengilegum efnum, stundum kölluð ”fuglabúrs”aðferð vegna þess að uppbyggingin líkist hefðbundnum fuglabúrum og vegna þess að röragrindin sést gegnum yfirborðið þegar búið er strengja yfirborðsefnið á grindina. Helstu ókostir þessarrar aðferðar eru kostnaður vegna margra samtenginga í grindinni og sú staðreynd að yfirborð farartækisins samanstendur að lokum af mörgum sléttum flötum, sem dregur úr mýkt húðarinnar og straumlínulögun.

Á áttunda áratugnum var farartækið People Powered Vehicle búið til. Þar var um að ræða tveggja manna farartæki með stálgrind og formsteyptri yfirbyggingu úr plastefnum. Það var ágætlega hannað og vó einungis um 50 kg. Samt sem áður var hönnunin gölluð að ýmsu leyti sem gerði það óhentugt til daglegra nota. Kostir þess voru meðal annars að þægileg sætin var auðvelt að stilla, fótstig farþega og ökumanns voru sjálfstætt tengd drifkerfinu, farangursrými var hæfilegt og veðurvernd góð. Samt sem áður gátu þessir kostir ekki staðist samanburð við neikvæðar hliðar svo sem flókinn, þungan og illa skipulagðan þriggja stiga gírkassa, lélega hemla og pedala sem runnu á fóðringum á stálstöngum, sem gerði erfitt að nota farartækið sem daglegan samgöngumáta.

Í Svíþjóð seldust teikningar að tveggja sæta farartækinu Fantom ágætlega, yfir 100.000 eintök seldust í heildina, en fá þeirra voru í raun og veru smíðuð. Endalok þessa fyrstu ”hjólabíla” urðu svo þegar hagvöxtur jókst og fólk almennt valdi vélknúin farartæki.

Nýrri gerðir hjúphjóla.

Áfram hélt smíði stakra eintaka af þessari gerð farartækja en um tíma voru engin slík í stöðugri framleiðslu sem söluvara. Á áttunda áratugnum enduruppgötvaði Carl-Georg Rasmussen sænska faratækið Fantom, endurhannaði það og byrjaði árið 1983 framleiðslu á Leitra. Farartækið hefur verið óslitið í framleiðslu síðan en stöðugt var unnið að endurbótum og hönnunarbreytingum.

Margar leiðir eru færar til að smíða hjúphjól. Ein nýrri gerð nýtir ”hjúp-á-grind” aðferðina, þar sem farartækið er samsett af sjálfstæðu reiðhjóli og straumlínulöguðum hjúp utan um það. Hægt er að nota staðlað reiðhjól en oftar eru reiðhjólin sérsmíðuð með sérbyggðum festingum fyrir hjúpinn sem bæði gera það auðveldara að festa yfirbygginguna á grindina en þýða líka að yfirbyggingin getur verið þynnri og þar með léttari. Þessi upbygging, hjúpur-á-grind, gefur aukna möguleika á að staðsetja búnað þar sem hentugast er, þar sem hún krefst ekki sjálfbærrar yfirbyggingar auk þess sem hægt er að útbúa margar mismunandi gerðir yfirbygginga á sömu tegund grindar. Þá er einnig hægt að fjarlægja yfirbygginguna og nota farartækið án hennar. Yfirleitt er þessi gerð farartækja þó óþarflega þung þar sem yfirbyggingin hefur að einhverju leyti eigin styrk sem er þó ekki nýttur til að draga úr þyngd farartækisins.

Önnur nýleg hönnun, Alleweder, nýtir álplötu sem mótuð er og hnoðuð saman til að útbúa hjúp og grind í einum og sama hlutanum. Þessi aðferð er stundum kölluð sjálfbær eða einingarhönnun . Sama aðferð var nýtt í flugvélasmíði fram til 1920 og hefur verið allsráðandi í bifreiðasmíði frá því nálægt 1970. Kostnaður við smíði Alleweder er umtalsverður, aðallega vegna þess hve göt og hnoð eru mörg. Auk þess er fjöldi straumlínulagaðra forma takmarkaður þegar ál er notað. Efnið er hins vegar fremur ódýrt og frá árinu 2017 er hægt að kaupa þessi farartæki fyrir lægra verð en margar aðrar gerðir. Þar að auki er hægt að kaupa þessa gerð ósamsetta til að lækka sjálft kaupverðið. Álið er þar að auki auðveldara að laga og endurvinna en flest samsett efni.

Önnur algeng hönnun er sjálfbær skel, oftast gerð úr trefjastyrktum plastefnum , oft með innri grind úr samsoðnum álrörum. FRP er hægt að nota til að móta flókin form og því auðveldara með þessari aðferð að ná mikilli straumlínulögun samanborið við ál eða fuglabúrsaðferðina. Með þessari aðferð má einnig nýta trefjaefni sem hafa hátt styrkhlutfall miðað við þyngd sem getur sparað mörg kílógrömm við byggingu farartækisins. Margar gerðir trefja eru nothæfar en þær gerðir sem spara umtalsverða þyngd vegna hærra eiginstyrkshlutfalls auka kostnaðinn oft verulega, jafnvel allt að 100.000,- ISK miðað við þyngdarsparnað um 3 kg af heildarþyngd. Auk þess er oft erfitt að aðskilja innihaldsefni samsettra efna til endurvinnslu. Þrátt fyrir þessar neikvæðu hliðar eru FRP efni algengasta byggingarefnið í nútíma hjúphjólum.

Flest hjúphjól eru þriggja hjóla með tvö framhjól. Þríhjól hefur þann kost framyfir tvíhjól að það dettur ekki um koll þegar það stansar. Þar að auki er það stöðugra þegar hliðarvindar ýta á yfirbygginguna. Þrátt fyrir kosti þess að hafa stöðugra farartæki á fleiri hjólum fylgja því líka ókostir, svo sem aukin loftmótstaða og vegviðnám. Fjögurra hjóla gerðir eru til en ekki algengar þrátt fyrir að slíkar gerðir eru enn stöðugri, t.d. í beygjum á miklum hraða og bjóði almennt upp á mun meira farangursrými.

Flest hjúphjól eru afturhjól(a)drifin. Þessi aðferð leyfir hönnuðinum að nýta fleiri staðlaða íhluti reiðhjóla sem hefur bein áhrif á kostnaðarverð. Þær gerðir sem hafa tvö afturhjól eru stundum eingöngu drifin af öðru þeirra. Að drífa eingöngu annað hjólið er einfaldara og ódýrara, drif á báðum afturhjólum eykur hins vegar veggrip en um leið þyngd, flækjustig og kostnað. Hægt er að nota heilan afturöxul en það eykur þyngd, kostnað og núningsviðnám. Mismunadrif eru til líkt og notuð eru í flestum bifreiðum. Önnur leið er að nýta svokallað ”skrall”-drif , þar sem það hjól sem snýst hægar er drifið en það sem snýst hraðar er án átaks. Afturdrifin farartæki nýta oft blakkir til að stýra drífandi keðjunni frá fótstigum að drifbúnaði. Framdrifin hjól þurfa ekki slíkan búnað og eru því alltaf léttari og einfaldari auk þess sem þau geta boðið upp á enn meira farangursrými. Framdrifin hjól nýta þó undantekningalaust umtalsvert magn af sérsmíðuðum íhlutum og eru því mjög sjaldgæf.

Líkt og aðrar gerðir farartækja eru mörg hjúphjól með innbyggða fjöðrun. Fjöðrunarbúnaður eykur þægindi ökumanns og getur bætt hraða farartækisins. Nokkur orka fer í það að láta farartæki og ökumann skoppa og skrölta á ójöfnu undirlagi og fjöðrun dregur úr þeim áhrifum. Fjöðrunarbúnaður bætir hins vegar alltaf við kostnað, viðhald og þyngd. Algengar gerðir hjúphjóla hafa ýmist enga fjöðrun, fjöðrun á framhjólum eingöngu, afturhjólum eingöngu eða jafnvel öllum hjólum.

Núorðið eru framleiðendur hjúphjóla nokkuð margir. Samtímis eru margir sem eingöngu smíða stök eintök, oftast til eigin nota. Sérstæð hönnun, hvort sem er einstaklinga eða framleiðenda, dregur fram kosti hvers farartækis. Sum farartæki leggja áherslu á straumlínulögun og lága þyngd til að auka meðalhraða á kostnað þæginda, farangursrýmis og annarra eiginleika. Til samlíkingar leggja margir bifreiðaframleiðendur áherslu á afl, hraða og aksturseiginleika fremur en innra rými, hagkvæmni eða einfaldleika. Á hinn bóginn eru mörg hjúphjól hönnuð fyrir lægri hraða en með meiri áherslu á þægindi, auðvelda notkun og lágan kostnað á sama hátt og margir bifreiðaframleiðendur framleiða einfaldar bifreiðar til flutninga eða annarra sértækra verkefna. Sumir framleiðendur hjúphjóla bjóða mismunandi gerðir sem uppfylla betur þarfir notandans, líkt og bifreiðaframleiðendur hafa gert um langt skeið.

Allar núverandi gerðir hjúphjóla eru framleiddar í litlu magni, stærri framleiðendur búa yfirleitt einungis til fá eintök á viku. Sumar gerðir nýta staðlaða íhluti frá hefðbundnum reiðhjólum en flestar einnig marga sérsmíðaða hluti. Fleiri íhlutir, svo sem 3 hjól í stað 2, auka kostnað og lengja framleiðslutíma sem gerir farartækin dýrari. Fáar tilraunir hafa verið gerðar til fjöldaframleiðslu farartækja af þessari gerð, þeirra þekktust er líklega Sinclair C5. Það tæki hafði eitt framhjól og tvö afturhjól, var fótstigið með aðstoðarrafdrifi og hannað til fjöldaframleiðslu. En hönnunin var mjög gölluð, farartækið var þungt og ekki hægt að stilla fjarlægð milli sætis og fótstiga, sem er mikilvægt til að ná þægilegri stöðu.

Ýmsar gerðir hjúphjóla hafa verið notaðar í keppni, sérstaklega í Ástralíu, þar sem HPV Super Series er keppnisröð vöðvadrifinna farartækja og hefur verið keppt þar síðan 1985. Auk þess hafa ýmis hraðamet verið sett, svo sem mesta vegalengd á sólarhring , þar sem Christian von Ascheberg fór 1.219 kílómetra á Milan hjúphjóli, en hann á einnig mettíma yfir 1.000 kílómetra vegalengd sem er 19 klukkustundir og 27 mínútur.

Samanburður, aðrar gerðir reiðhjóla.

Hjúpurinn bætir þyngd við farartækið samanborið við hefðbundin reiðhjól. Aukin þyngd krefst aðeins lægri gírunar og gerir þess vegna líka hjúphjólið hægskreiðara þegar ekið er upp brekkur samanborið við önnur hjól.

Sumir hjúpir eru fyrst og fremst til að skýla notandanum fyrir veðri. En um leið og hjúpurinn er að einhverju leyti straumlínulagaður þýðir það aukinn meðalhraða miðað við sömu orkunotkun, t.d. á jafnsléttu eða niður brekkur. Munurinn er í flestum tilfellum nægur til að réttlæta hægari hraða upp brekkur.

Straumlínulöguð yfirbygging er mikilvæg en einnig skiptir miklu máli að minnka þversnið farartækisins til að draga sem mest úr loftmótstöðu . Mörg hjúphjól staðsetja notandann í afturhallandi stöðu sem lækkar heildarhæð farartækisins og minnkar þversniðið verulega. Þar af leiðir að það getur orðið erfiðara að koma auga á þessa gerð farartækja í almennri umferð.

Yfirleitt eru hjúpir hjólanna nægilega léttir til að hafa lítil áhrif á þyngdarpunkt farartækjanna. Það gerir stöðugleika þeirra í beygjum svipaðan öðrum liggihjóla . Að gera hjúphjólið mjórra og þversniðið því smærra dregur einnig úr loftmóstöðu.

Flestar nýrri gerðir hjúphjóla nýta þríhyrnda staðsetningu þriggja hjóla , með 2 framhjól og 1 afturhjól, oftast til að draga úr þyngd og til að auka straunlínulögun hjólanna. Sum nýta fjögurra hjóla uppsetningu . Fjórða hjólið eykur beygjustöðugleika umtalsvert og bætir oftast einnig töluvert við mögulegt farangursrými. Fá slík farartæki eru mjög straumlínulöguð en sum þeirra ná mjög nærri sama meðalhraða og algengari þriggja hjóla útgáfur.

Tveggja hjóla hjúphjól geta náð mun lægri loftmótstöðustuðli, þar sem það getur reynst mjög erfitt að lækka loftflæði nærri hjólum farartækjanna. Hvert op á yfirbyggingunni, þar sem hjól stendur út úr henni, býr til loftmótstöðu auk þess sem þriggja hjóla farartæki eru óhjákvæmilega annað hvort töluvert breiðari eða lengri en notandinn. Tveggja hjóla gerðir eru oft nærri jafnbreiðar og litlu lengri en notandinn. Í beinum samanburði getur loftmótstöðustuðull tveggja hjóla farartækja nálgast það að vera helmingur af þeirri mótstöðu sem þriggja hjóla farartæki mælist með. Breytingin frá þremur hjólum að fjórum er hlutfallslega mun minni. Loftmótstaða hefur aukin áhrif eftir því sem hraðinn eykst. Þannig er hraðamet tvíhjóla farartækis yfir 200 metra vegalengd um 145 km/klst (2016) en farartæki með fleiri en 2 hjól hafa mest náð um 120 km/klst (2016), sem þýðir að tveggja hjóla farartækið er um 20% hraðskreiðara. Eftir því sem æskilegur hraði farartækisins er minni hefur loftmótstaða minni áhrif. Auk þess eru tveggja hjóla farartæki viðkvæm fyrir áhrifum hliðarvinds og þurfa stuðning til að halda jafnvægi við mjög lágan hraða. Þess vegna henta tvíhjóla hjúphjól yfirleitt ekki til daglegra nota.

Yfirbygging hjúphjólsins getur gert það viðkvæmara fyrir hliðarvindum en sambærilegt hjól án hjúps. Áhrif hliðarvinds geta verið flókin þar sem vindhviður geta haft áhrif á stýrieiginleika farartækisins. Þess vegna getur hjúphjól með verri loftmótstöðustuðul verið betra til almennra nota, þegar allar mismunandi aðstæður eru teknar með í reikninginn.

Veðurvernd á bæði við um vind, vatn og hitastig. Þar sem notandinn er að nota krafta sína og hitnar við það er oftast kostur að auka kælingu inni í farartækinu. Margar gerðir nota loftop til að auka kælingu en hindra um leið að regn eða skvettur frá vegyfirborði berist inn í farartækið. Slíkum loftopum er oft hægt að loka þegar kalt er í veðri, sem heldur hitanum frá notandanum inni í farartækinu og gerir hitunarbúnað óþarfan. Í hlýju veðri veitir yfirbyggingin skjól frá sólarljósi en hindrar einnig loftflæði kaldara lofts um notandann og getur þannig skapað óþægilegar aðstæður. Við sumar aðstæður hefur umhverfishiti takmarkandi áhrif á orkunýtingu notandans og því getur hjúphjólið því haft neikvæð áhrif á orkunýtinguna samanborið við hefðbundin hjól. Hins vegar getur notandi náð meiri hraða með minni orkunotkun vegna lægri loftmótstöðu. Stýrandi hjól hjúphjólsins geta rekist í yfirbygginguna ef þeim er beygt nógu mikið. Að gera yfirbygginuna breiðari getur bætt beygjuradíus en fórnar um leið hraða vegna aukins þversniðs. Þar sem kröpp stýring er óþörf á miklum hraða búa mörg hjúphjól yfir mun lélegri beygjuradíus en hefðbundin opin hjól.

Hjúphjól skýla ekki einungis notandanum fyrir veðri og vindum heldur einnig drifbúnaðinum. Viðhald drifbúnaðarins er því oft mun minna á hjúphjólum en öðrum gerðum hjóla. Hefðbundin reiðhjól eru þannig gerð að bleyta, sandur og önnur óhreinindi slettast frá framhjólinu beint á viðkvæmasta hluta drifbúnaðarins, keðjuna, tannhjólin og gírskiptibúnaðinn. Hjúpurinn hindrar þetta að miklu leyti en sum farartæki nýta þar að auki tenntar drifreimar, sem verða fyrir mun minni áhrifum af óhreinindum. Slíkar reimar eru hins vegar yfirleitt ekki til nema í ákveðnum lengdum og henta því illa í hefðbundun hjúphjól, sem nota oftast mjög langar keðjur, allt að 4x lengri en hefðbundin reiðhjól. Hjúphjól eru mun fyrirferðarmeiri en hefðbundin hjól. Þar að auki er sjaldgæft að hægt sé að minnka umfang yfirbyggingarinnar, sem gerir það mun erfiðara að flytja hjúphjól. Hefðbundin hjól er auðveldlega hægt að taka í sundur og pakka í þar til gerðar töskur sem eru litlu stærri en rammi hjólsins.

Rafknúin hjúphjól.

Sum hjúphjól eru að einhverju leyti rafknúin. Flest nota rafdrifnar hjálparvélar, sem þýðir að notandinn þarf að snúa fótstigunum til að fá aðstoð rafhreyfilsins. Evrópskar sérreglur um slíkan búnað gera notandanum einungis kleift að nýta hjálparhreyfilinn á hraðasviði frá 6 til 25 km/klst. Oftast er hjálparhreyfillinn byggður inn í afturhjól farartækisins en einnig eru til gerðar þar sem hreyfillinn er byggður inn í gírabúnað eða miðdrifið.

Rafdrif eykur þyngd farartækisins töluvert, sérstaklega þær rafhlöður sem því fylgja, en eykur líka notagildið töluvert, sérstaklega í landslagi þar sem mikið er um smáar hæðir og ójöfnur. Mikill munur getur verið á staðbundnum reglum og lögum um hjúphjól og mismunandi hversu vel þau falla inn undir reglur um hefðbundin reiðhjól, ekki síst þegar kemur að reglum um rafhjól. Einnig er munur á milli heimshluta, til að mynda er nær útilokað að nota 4 hjól á hjúphjólum í Bandaríkjunum þar sem þau eru þá oft nærri skilgreiningum fyrir bifreiðar.

Heimasmíðuð hjúphjól.

Eftir því sem áhugi eykst og aðstæður batna til að útbúa heimasmíðuð hjúphjól hefur þeim fjölgað nokkuð. Flest þessara hjóla eru ódýrari en mörg framleid hjúphjól en oftast eru eiginleikarnir að sama skapi verri og endingin líka.

Flest heimasmíðuð hjúphjól eru líklega af gerð Alleweder, sérstaklega þar sem sú gerð er sérstaklega hönnuð með það í huga. Sumir framleiðendur selja líka sín hjúphjól ósamsett, en hönnun þeirra er sjaldnast miðuð við það og því getur verið erfitt að ljúka samsetningunni nægilega vel.