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 Inserito il - 16/02/2017 : 01:23:01
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CINEMATISMI DELLE BICI ELETTRICHE
Ovvero: Come il motore elettrico fa girare la ruota
Premetto alcuni dati:
La ruota di una bici, ai fatidici 25 km/h, gira alla velocità di 200-250 giri al minuto, a seconda del diametro
La velocità di pedalata è 50 giri completi di pedale al minuto andando “a spasso” , 60 pedalando tranquillamente e si arriva a 80-90 … sudando
Una considerazione: i valori che riporto sono approssimativi e molto spesso dedotti dalle foto presenti in internet, servono perciò per comprendere i funzionamenti ma non per farci ulteriori calcoli
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Il cinematismo più essenziale è quello dei motori montati nel mozzo della ruota a presa diretta (“hub motor gearless”)
Ormai tutti i motori sono del tipo senza spazzole (“brushless”) cioè ad azionamento elettronico
Gli avvolgimenti sono fermi e i magneti sono fissati ai raggi della ruota e girano con essa
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Qui si vede la sola parte rotante, quella dotata dei magneti e che è collegata ai raggi della ruota
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vedi la voce Motori a corrente continua per capire il funzionamento elettrico e magnetico di tutti i motori che vengono montati sulle biciclette elettriche
In questo caso il motore gira esattamente alla velocità della ruota, perciò 200-250 g/min
Per ottenere questa velocità, che per un motore elettrico è molto bassa, il diametro del motore deve essere grande, ma c’è il vantaggio della semplicità e perciò grande affidabilità
Per contro tendono ad essere piuttosto pesanti e ingombranti
Questi tipi di motore spesso non hanno un sistema di ruota libera: i magneti sono costretti a ruotare anche quando si procede solo a pedali
Ciò provoca un po’ di attrito e perciò un maggior sforzo di pedalata quando si marcia senza motore
Ma offrono la possibilità di diventare “generatori di corrente” in discesa e in decelerazione, consentendo di caricare loro stessi la batteria e soprattutto di esercitare una forza frenante in discesa (diventano una dinamo)
Questa modalità di utilizzo si chiama frenata rigenerativa (“regen”)
Da prove fatte si è visto che il contributo alla ricarica della batteria è modesto salvo su discese particolarmente lunghe
Invece è risultato che la frenata rigenerativa in discesa è molto utile perchè si può mantenere la velocità voluta senza utilizzare i freni e soprattutto senza surriscaldarli
Esempio tipico di questo tipo: i motori dei kit Crystalyte e i Bionx
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Questo cinematismo rende completamente indipendente il motore dalla pedalata e può essere indifferentemente montato sulla ruota anteriore o quella posteriore
Se montato posteriormente, ovviamente, impedisce l’utilizzo di cambi interni al mozzo e si possono usare solo quelli a deragliatore
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Per aumentare il rendimento e rendere le dimensioni più piccole, si adotta la soluzione dei motori “brushless geared” (cioè senza spazzole e dotati di un riduttore)
Si utilizzano cioè motori che girano molto più velocemente della ruota (cosa che aumenta il rendimento) e poi si riducono i giri opportunamente
Si usano motori costruiti come il precedente tipo (piatti) con velocità intorno ai 1500 g/min, accoppiati generalmente ad un riduttore epicicloidale che poi fa girare la ruota
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L’ingranaggio interno è collegato al motore (cioè ai magneti che nel caso precedente erano collegati ai raggi della ruota)
L’ingranaggio più esterno è fisso e non ruota
Gli ingranaggi intermedi (satelliti) oltre a ruotare su se stessi, fanno ruotare tutta la piastra che li sostiene E questa piastra è collegata alla ruota (ai raggi)
Normalmete questa piastra è collegata alla ruota attraverso un sistema di ruota libera che permette di mantenere fermo motore e ingranaggi quando si procede senza motore
L’attrito nella pedalata senza motore è perciò ridottissimo
vedi voce "il sistema di ruota libera"
Non tutte le bici elettriche hanno questa ruota libera
Ci si accorge della sua presenza spingendo a mano la bici in avanti e poi indietro: se si sente un diverso rumore (in avanti praticamente nessuno, in retromarcia un ronzio di ingranaggi) significa che c’è il sistema di ruota libera
Qui si vede un motore geared in sezione
E qui si vede come è realizzato
L’asse della ruota è fisso e bloccato sui forcellini (è uguale sia nel caso di motore anteriore che posteriore)
Gli avvolgimenti del motore sono solidali a tale asse (perciò non girano)
La parte esterna del motore, quella con i magneti, gira e fa girare il piccolo ingranaggio che ruota sull’asse fisso
Tale pignone ingrana nel gruppo epicicloidale che riduce il numero di giri del motore da 1500 al minuto a 200-250
E la campana esterna collegata agli ingranaggi gira e fa girare la ruota perchè su di lei sono fissati i raggi
Ovvero, in questo cinematismo, l’involucro esterno del motore gira e fa girare la ruota
In realtà, il vantaggio del maggior numero di giri del motore rispetto ai gearless viene un po’ ridimensionato dagli attriti degli ingranaggi epicicloidali, ma il bilancio complessivo è favorevole a questa soluzione
L’affidabilità diventa un po’ minore (più parti che si muovono e che possono usurarsi)
Il motore può essere alloggiato nel mozzo posteriore oppure in quello anteriore
Se tale motore non ha troppa coppia, non ci sono particolari controindicazioni nel montaggio anteriore
Ma se genera coppie elevate bisogna usare una forcella rinforzata (di acciaio e non di alluminio che si potrebbe spezzare) e soprattutto bisogna rinforzare i forcellini dove viene bloccato l’asse del motore perchè devono sopportare gli sforzi di trazione che possono essere molto elevati
A tal fine vengono spesso montate delle “rondelle anticoppia” robuste per aiutare i forcellini nello sforzo
Questo cinematismo rende completamente indipendente il motore dalla pedalata
Se montato posteriormente, ovviamente, impedisce l’utilizzo di cambi interni al mozzo
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Cinematismo con motore che agisce sulla catena
Questa soluzione è quella dei gruppi motore Panasonic
In questo caso il gruppo motore termina con un pignoncino (orientativamente da 8 a 16 denti) che ingrana sulla catena
Con questo sistema il gruppo motore si avvale dei rapporti del cambio tradizionale; si ottiene perciò una maggior coppia alla ruota usando i pignoni più grandi del cambio, utile per poter superare pendenze elevate
Il pignoncino del motore deve girare a circa 250-400 giri: in ogni caso abbastanza pochi per i motori di piccola dimensione necessari per essere alloggiati nella zona dei pedali
Si ricorre, perciò anche in questo caso, ad un riduttore di giri : non ho notizie di quale sia la velocità del motore Panasonic, ma la Cyclone usa un motore da 2600 giri/min e un riduttore (epicicloidale?) per ridurli ai 250 necessari (il pignoncino in questo caso è da circa 16 denti)
Con l’utilizzo degli usuali rapporti di un cambio, si può ottenere un aumento della coppia alla ruota di circa 3-4 volte, con una corrispondente riduzione (della stessa quantità) della velocità della bici
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Anche in questo caso il gruppo motore è dotato di un sistema di ruota libera per poter pedalare a motore fermo
Questo cinematismo presenta un attrito leggermente superiore al caso dei motori a mozzo, a causa del percorso della catena : anche viaggiando senza assistenza da parte del motore, la catena deve eseguire un percorso più tortuoso avvolgendosi sul pignoncino e passando da un rinvio, aumentando leggermente gli attriti
Nelle bipa motorizzate Panasonic e nei kit Cyclone è presente anche un altro dispositivo di ruota libera che svincola i pedali dalla corona: si può perciò far marciare il motore anche a pedali fermi
Questo cinematismo ha il difetto di far lavorare maggiormente la catena e i pignoni: la potenza del motore si somma a quella esercitata sui pedali ed entrambe vengono portate alla ruota tramite catena e pignoni posteriori
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Cinematismo con motore che agisce sui pedali (“mid motor”)
Questa soluzione è quella attualmente più adottata sulle MTB elettriche perchè concentra i pesi aggiuntivi sul telaio in posizione centrata ed in basso
E ancora di più viene adottata perchè consente al motore, come nel caso precedente, di sfruttare i rapporti del cambio per agevolare la marcia su salite ripide
Essendo necessario mantenere la velocità dei pedali intorno ai 60-80 giri al minuto (per non far girare come un frullatore le gambe del ciclista), si deve operare una riduzione elevata dei giri del motore
La soluzione storicamente più famosa è probabilmente quella adottata dalla Aprilia che utilizza un motore parallelo al tubo obliquo della bici; il motore agisce con una coppia conica di ingranaggi sul gruppo riduttore epicicloidale che comanda la corona (che gira a velocità doppia rispetto a quella dei pedali); questo meccanismo integra anche il sistema del controllo dello sforzo esercitato sui pedali tramite le controspinte che si manifestano sull’ingranaggio fisso del ruotismo epicicloidale
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La soluzione adottata dalla Microbike è molto più semplice (e perciò facilmente riparabile)
Il motore ha un pignoncino su cui si avvolge una catena a maglie più strette di quella dei pedali (perciò più adatta al piccolo numero di denti del pignoncino) e questa catena aziona una grande ruota dentata (indicativamente 12 denti al pignoncino e 70 alla corona)
La corona poi fa ruotare un altro pignoncino che aziona con un’altra catena la seconda corona, che gira alla stessa velocità dei pedali (i soliti 60-80 giri al minuto)
Il motore può così ruotare a circa 2000 giri al minuto, garantendo un buon rendimento e dimensioni molto contenute
Per contro è piuttosto rumoroso
Anche questo tipo di cinematismo sfrutta i rapporti del cambio tradizionale, aumentando la coppia di 3-4 volte con i pignoni più grandi (e diminuendo ugualmente la velocità della bici)
Un doppio dispositivo di ruota libera consente di ruotare i pedali a motore fermo e di far girare il motore anche se i pedali sono fermi
Il rendimento della doppia trasmissione a catena è un po’ peggiore del sistema a ingranaggi, ma, a differenza del sistema precedente con motore sulla catena, non introduce attriti nella pedalata a motore spento
In ogni caso, questo cinematismo deve ridurre i giri del motore a quelli della pedalata (60g/min) che poi vengono nuovamente aumentati dal sistema corona-catena-pignoni posteriori fino ai 250 necessari alla ruota
Questo processo di riduzione-moltiplica è fonte di una diminuzione del rendimento globale della trasmissione
Anche questo cinematismo ha il difetto di far lavorare maggiormente la catena: la potenza del motore si somma a quella esercitata sui pedali e entrambe vengono portate alla ruota tramite catena e pignoni posteriori
L’affidabilità è buona nel sistema Microbike e inferiore nel sistema Aprilia
Attualmente i motori centrali più diffusi sono quelli prodotti dalla Bosch, dalla Yamaha, dalla Shimano, dalla Kalkhoff Impulse e dalla Bafang
Tutti utilizzano il medesimo schema di cinematismo con una doppia riduzione dei giri del motore
Ecco un tipico gruppo che racchiude al suo interno anche la centralina elettronica ed i sensori di controllo della pedalata
Qui si vede l’interno della motorizzazione Bosch Classic
L’indice sinistro del tecnico indica il motore, poi si vedono gli ingranaggi (di tipo diretto e non epicicloidale) e l’indice sinistro tocca il perno dei pedali
Come con tutti i motori centrali, si ha il vantaggio di poter tenere il motore in un range di giri ad elevato rendimento anche muovendosi a velocità molto basse (se i rapporti del cambio sono sufficientemente corti)
Questo significa poter superare salite anche molto forti con rendimenti elettrici elevati
L’altra faccia della medaglia è che in pianura il rendimento è minore dei sistemi a mozzo per via della doppia riduzione di velocità interna e del transito della potenza del motore attraverso corona-catena-pacco pignoni prima di arrivare a scaricarsi sulla ruota
vedi voce funzionamento delle bici a pedalata assistita
Anche questo cinematismo ha il difetto di far lavorare maggiormente la catena e i pignoni: la potenza del motore si somma a quella esercitata sui pedali ed entrambe vengono portate alla ruota tramite catena e pignoni posteriori
Gli ultimi modelli Bosch hanno un cinematismo leggermente diverso pensato proprio per migliorare il rendimento;
il motore fa girare la corona a velocità maggiore di quella dei pedali agendo perciò su una riduzione di minore entità
Ma questo cinematismo penalizza poi la pedalata perchè i pedali non agiscono direttamente sulla corona ma passano da una coppia di ingranaggi
L’affidabilità dei motori centrali è un po’ minore di quella dei motori al mozzo per la presenza di un gruppo riduttore più complesso e a più alta coppia (la coppia sui pedali è tipicamente maggiore di quella sulla ruota)
In caso di guasto, la pedalata può essere ostacolata o anche impedita, a differenza dei motori a mozzo che, in caso di guasto interno, hanno bassa probabilità di influire sulla pedalabilità della bici
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Un altro sistema è quello della trasmissione a rullo
In questo caso il motore (o i motori) possono girare a velocità elevate e la riduzione dei giri avviene usando un rullo che con la ruota stessa funziona da grosso “ingranaggio”
Il pignone viene premuto contro al pneumatico
oppure contro una apposita zona del cerchione
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Il rullo, per poter scaricare la sua potenza sulla ruota, non ha a disposizione “denti” ma solo “attrito”
Se il rullo avesse un diametro almeno pari a metà di quello della ruota e lo si dotasse di pneumatico, si avrebbe un attrito pari a quello che la ruota ha nel rotolamento sulla strada
Ma, per poter usare motori veloci e poco ingombranti, il rullo deve essere di un diametro di 5-6 cm : premendo questo rullo sulla ruota, per poter trasferire la potenza, occorre premerlo molto di più di quanto fa la strada con il pneumatico e così gli attriti aumentano considerevolmente
Nella soluzione con il rullo appoggiato ad una superficie speciale sul fianco del cerchione, gli attriti si riducono un po’ ma non si abbassano mai al livello di quelli dei sistemi precedenti
La trasmissione per “attrito” e non ad ingranaggio, ha poi il grosso difetto che, con la strada bagnata, occorre aumentare ancora la pressione per evitare gli slittamenti che logorerebbero molto presto il pneumatico (aumentando così gli attriti)
Questo sistema ha però una buona semplicità costruttiva (anche se l’alberino che porta il rullo deve avere un adeguato sistema di cuscinetti per non rovinarsi con le spinte radiali a cui è sottoposto premendo sulla ruota) ed ha il vantaggio di un suo facile montaggio senza modifiche alla bici (ma ci sono comunque da alloggiare batteria, centralina, PAS e comandi al manubrio che ne impediscono un davvero facile montaggio e rimozione)
La pedalata senza motore è la migliore di tutte perché i rulli vengono allontanati meccanicamente dalla ruota e la bici … non sa più di essere elettrica
Questa soluzione ha periodiche ricomparse ma non si è mai diffusa
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Poco utilizzato è il sistema di motore che agisce, tramite catena, su una corona apposita montata dal lato opposto ai pignoni posteriori
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Anche in questo caso è generalmente necessaria una ulteriore riduzione ad ingranaggi all’interno del motore
A mio parere non è una soluzione vantaggiosa perché ha gli svantaggi della doppia riduzione ingranaggi+catena e non ha il vantaggio di poter sfruttare i rapporti del cambio
Non è nemmeno una soluzione di facile applicazione perché richiede generalmente una modifica alla ruota posteriore
Ed è anche una soluzione “sbilanciata” perché il peso del motore è fuori dall’asse verticale della ruota
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L’ultima soluzione che prendo in esame è ... la più discussa
E’ sempre un cinematismo di tipo centrale (che agisce perciò sui pedali) ma il gruppo motore-riduttore è miniaturizzato ed è inserito nel tubo sella
Non è una soluzione molto potente ma è leggera e non altera minimamente l’estetica della bici
Dicevo che è “discussa” perchè spesso viene adottata proprio per non far sapere ai compagni di pedalata che si sta usando un aiuto elettrico; e tale invisibilità è stata disonestamente utilizzata da campioni durante le gare
La batteria (che è di piccola dimensione e perciò di piccola capacità) è normalmente alloggiata in una piccola borsa sottosella o può essere occultata in una borraccia
Ne deriva che l’aiuto ottenibile da questo motore è modesto ma può essere assai utile per tenere il passo di colleghi più prestanti o per garantirsi sforzi meno estremi in salita
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Nota finale sull’affidabilità dei motori
In un motore brushless le uniche cose che si possono usurare sono i cuscinetti a sfere (facilmente sostituibili) con una durata di decine di migliaia di chilometri, l’isolamento degli avvolgimenti che si può ipotizzare resista a decenni di funzionamento e il distacco dei magneti (che sono incollati) che dipende fortemente dalla qualità del motore ma che si può comunque pensare avvenga dopo almeno un decennio
I guai possono perciò derivare, con più probabilità, da ingranaggi – pignoni – catene e ruote libere per via dell’usura (specie se questi componenti non sono di buona qualità o di giusta dimensione) e per via di rotture meccaniche di perni, alloggiamenti e chiavette di fissaggio
Ecco perché ho indicato come soluzione più affidabile (ma come abbiamo visto, non esente da altri svantaggi) quella del motore a mozzo “gearless”
Beninteso, queste valutazioni sull'affidabilità dei motori sono in relazione ai loro principi di funzionamento ma non alla loro concreta realizzazione, che può variare di molto a seconda della qualità costruttiva.
Inoltre va tenuto presente che il motore è uno tra i molti componenti - elettrici e meccanici - delle pedelec, e che le prestazioni e l'affidabilità di queste ultime dipendono anzitutto dalla qualità del progetto in cui i vari componenti sono integrati e dalla sua realizzazione.
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Pix su Frisbee Atlas, su pieghevole 20" Kawasaki con kit Bafang centrale e su Cargo muscolare "artigianale"
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