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Valutazione delle prestazioni di trasmissioni innovative per biciclette elettriche

Università di Firenze

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Abstract
Sul mercato esistono diverse tipologie di biciclette elettriche che si differenziano soprattutto per la posizione del motore elettrico. La scelta di collocare il motore centralmente rispetto al posizionamento nel mozzo delle ruote rappresenta la soluzione più innovativa e prestante, capace di sfruttare al meglio le potenzialità dell’assistenza elettrica. Poiché risulta necessario combinare la coppia e la potenza del motore con quella dell’utente, esistono due configurazioni di trasmissione possibili: serie e parallelo.
Il problema principale che si riscontra su questo tipo di installazione è una maggior usura della catena e dei pignoni della ruota posteriore; essa rimane infatti sempre sotto carico, sforzando e quindi allungando le maglie durante la cambiata; si ha così il fenomeno del saltellamento della catena, la quale non riesce più a trasmettere correttamente la coppia erogata dal ciclista e dal motore. 
 
La differenza maggiore fra le due configurazioni la possiamo esprimere attraverso il rapporto di trasmissione finale tra velocità di rotazione dei pedali e quella della ruota, che nel caso di trasmissione in serie rimane costante, e pari al rapporto tra guarnitura centrale e pignone posteriore. Diventa per questo necessario inserire un cambio per permettere l’utilizzo ottimale in ogni condizione di funzionamento. Nella configurazione parallelo invece tale rapporto varia in funzione della velocità di rotazione del motore, funzionando così anche da cambio automatico.
 
Modellazione
Sono state quindi modellate le due tipologie attraverso il software ADAMS/View per poter confrontare le prestazioni e valutarne pregi e difetti, pensando di installarla su una bicicletta single speed, la quale permette di limitare, se non eliminare, il problema sopra esposto. Le prestazioni sono state valutate sia in termini di massima pendenza superabile, sia in termini di assistenza in pianura. È stata inoltre studiata a fondo anche la parte biomeccanica inerente i valori di coppia e potenza sviluppabile dall’essere umano, tenendo conto della tipologia di esercizio da sostenere durante l’attività in bicicletta e della durata della stessa.
Sono stati creati 4 modelli:
- Standard: riproduce una trasmissione di una bicicletta standard, senza aiuto del motore
- Serie: riproduce uno dei modelli presenti in commercio, considerato top di gamma
- Parallelo primo layout: riproduce un prototipo progettato dal DIEF dell’Università degli Studi di Firenze
- Parallelo secondo layout: riproduce lo stesso prototipo ma con un layout modificato.
Nel layout del modello serie, il movimento del motore viene ridotto da una cascata di ingranaggi; l’ultimo di questi corrisponde alla guarnitura centrale, sul quale agiscono anche i pedali, collegati attraverso una ruota libera. Nel secondo layout invece sono presenti due riduttori epicicloidali, uno semplicemente per demoltiplicare la velocità e l’altro che ha la funzione di combinare il moto dei pedali, del motore e del corpo su cui ingrana la catena; è proprio questo riduttore che permette di variare la velocità di rotazione della guarnitura al variare della velocità del motore, a parità di velocità di rotazione dei pedali.
 
Figura 1 – Modelli utilizzati durante le simulazioni
 
Test e analisi risultati
Le performance dei due modelli sono state valutate attraverso le seguenti tre prove, registrando le coppie e potenze erogate dal ciclista e dal motore:
- Pianura con una velocità di regime 20km/h
- Pianura con rampa di velocità 0-25km/h
- Salita con una velocità di regime di 10km/h
 
Queste simulazioni hanno permesso di verificare che il rapporto tra la velocità di rotazione dei pedali e quella della ruota varia nel caso di trasmissione con configurazione parallelo, che assume così la funzione di cambio automatico, di grande utilità su di una bicicletta single speed. Si vede infatti come a basse velocità si ottiene un rapporto corto che facilita le ripartenze in mezzo al traffico cittadino, e va poi ad aumentare fino ad arrivare al pari di quello della bicicletta a scatto fisso.
 
Figura 2 - Rapporto tra la velocità di rotazione dei pedali e quella della ruota
 
Figura 3 - Massima pendenza superabile
 
Da quest’altro grafico vediamo invece come, a parità di massime prestazioni del ciclista e del motore, la configurazione parallelo con layout modificato permette di superare una pendenza maggiore, risultando così la più adatta ad un uso a 360°, mostrando infatti prestazioni simili in pianura alla configurazione serie, assistendo sempre il ciclista sia in coppia che in potenza.
 
Tratto dal lavoro di tesi di: Riccardo del Carria, studente del Dipartimento di Ingegneria Industriale 
Relatori: Prof. Ing. Renzo Capitani, Prof. Ing. Marco Pierini, Ph.D. Ing. Claudio Annichiarico