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pixbuster
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11787 Messaggi

Inserito il - 08/04/2008 : 11:21:58  Mostra Profilo Invia a pixbuster un Messaggio Privato
Ovvero: Come il motore elettrico fa girare la ruota

Vorrei provare a fare un riassunto dei cinematismi delle bici elettriche che si conoscono

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 … 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 semplice è quello dei motori a mozzo “brushless” (cioè senza spazzole) “gearless” (cioè senza riduttore)

Gli avvolgimenti sono fermi e i magneti sono fissati ai raggi della ruota e girano con essa

Immagine:

79,87 KB

Qui si vede la sola parte rotante, quella dotata dei magneti e che è collegata ai raggi della ruota

Immagine:

27,45 KB

(l'ho ritoccata pesantemente per chiarezza)

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 piuttosto grande, ma c’è il vantaggio della semplicità e perciò grande affidabilità
Il lato negativo (oltre alla dimensione e al peso) è il basso rendimento di questi motori rispetto a quelli più veloci

Questi tipi di motore spesso non hanno un sistema di ruota libera che perciò costringe i magneti a ruotare quando si procede solo a pedali
Ciò provoca un po’ di attrito e perciò un maggior sforzo di pedalata senza motore

Esempio tipico di questo tipo: i motori dei kit Crystalyte

Faccio notare che questo tipo di soluzione può essere realizzata SOLO con motori “brushless”, mentre le altre soluzioni possono utilizzare anche motori “brushed” (cioè con le spazzole)
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

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Per aumentare il rendimento e rendere i motori più piccoli, si adotta la soluzione dei motori “brushless geared” (cioè senza spazzole e dotati di un riduttore)
Si usano motori costruiti come il precedente tipo (piatti) con velocità intorno ai 1500 g/min, accoppiati generalmente ad un riduttore epicicloidale

Immagine:

54,55 KB

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

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

In realtà, il vantaggio del maggior numero di giri del motore viene un po’ ridimensionato dagli attriti degli ingranaggi epicicloidali, ma il bilancio complessivo è favorevole a questa soluzione rispetto a quella “gearless”

L’affidabilità è un po’ minore (più parti che si muovono e che possono usurarsi) e il costo è un po’ maggiore

Esempi tipici di questo tipo di cinematismo: le Frisbee e i Nano-motor

Qui si vede la differenza di diametro fra un motore “gearless”

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e un “geared”

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Ma attenzione: grosso diametro non è garanzia di motore “gearless”;
ci sono anche dei motori con le spazzole (brushed) che hanno un grosso diametro come questa Frisbee di vecchio modello, pur avendo il riduttore epicicloidale

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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

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Cinematismo con motore che agisce sulla catena

Questa soluzione è quella adottata sulle Flyer e con i kit Cyclone
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, 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 della Flyer, 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 del motore a mozzo, a causa del percorso della catena
Anche viaggiando senza assistenza da parte del motore, la catena deve eseguire un percorso più tortuoso dato che si deve avvolgere sul pignoncino e passare da un rinvio, aumentando un po’ gli attriti
Nelle Flyer (che sono dotate di motore 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

L’affidabilità di questo sistema è un po’ minore di quella dei motori al mozzo per la presenza di riduttore nel motore e la contemporanea presenza del pignone-rinvio sulla catena
In caso di guasto a questo rinvio, 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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Cinematismo con motore che agisce sui pedali

Questa soluzione è adottata sulle Microbike ed era usata sulla Aprilia Enjoy e non mi pare usata da altri Costruttori
Essendo necessario mantenere la velocità dei pedali intorno ai 60-70 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 adottata dalla Aprilia è piuttosto complessa e fa agire pedali e motore su un sistema di ingranaggi di tipo differenziale (sempre di tipo epicicloidale) che, fra l’altro, fa girare la corona che porta la catena a velocità doppia rispetto a quella dei pedali; questo meccanismo (che francamente non sono riuscito a comprendere del tutto) integra anche il sistema del controllo dello sforzo esercitato sui pedali tramite le controspinte che si manifestano sull’ingranaggio fisso del ruotismo epicicloidale
Il motore in questo caso gira a velocità dell’ordine dei 1000-1500 giri al minuto, ma può avere dimensioni “generose” perché montato 90° rispetto all’asse dei pedali

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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)

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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 giri al minuto)

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Il motore può così ruotare a circa 2000 giri al minuto, garantendo un buon rendimento e dimensioni molto contenute

Anche questo tipo di cinematismo sfutta 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

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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 (come in questa applicazione sperimentale di Daniele)

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O 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, 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 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 e 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

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Ultimo sistema che prendo in esame è quello 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, ma come amo dire: le vie della tecnica sono infinite) 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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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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se ne è discusso QUI

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data ultima modifica 30/10/2007 15:19

Pix su Frisbee Atlas, su pieghevole 20" Kawasaki con kit Bafang centrale e su Cargo muscolare "artigianale"
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