Tutorial

Bici elettrica
con

Motore Centrale

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Come progettare e costruirsi una bici a motore centrale


La foto in apertura può sembrare emblematica e poco attinente all'argomento, ed invece è la chiave di volta su cui è stato possibile costruire il resto.

INDICE

  • Si parte da lontano....
  • Il motore
  • I riduttori tipo "Planetario"
  • La trasmissione
  • La scelta della Guarnitura
  • Uso non convenzionale della Guarnitura
  • Lo sviluppo dei rapporti
  • Le prime prove
  • Il regolatore di velocità
  • Gli assorbimenti
  • Da sinistra a destra, il cambiamento di trazione
  • La ruota libera
  • La centratura delle ranelle...
  • Trasformazione ruota libera da 1/2"x1/8" a 1/2"x3/32"
  • Montaggio del motore e determinazione lunghezza catena.
  • Applicazione barra di contrasto coppia motore
  • Modifica deragliatore
  • Costruzione batteria LiFePo4 - 24V 8Ah
  • Modifica BMS da 48V a 24V
  • Modifica Caricabatteria da 60V a 30V
  • Nuovo regolatore di velocità
 
  • Si parte da lontano....
    • La storia: Come ogni progetto che si rispetti il tutto non nasce dall'oggi al domani, alle volte le gestazioni durano anche anni con riflessioni che alle volte portano a strade differenti per poi ritornare sui propri passi.

      Nell'estate del 2007 il primo
      esperimento di bici elettrica , questa esperienza mi ha portato a ricercare qualche motore più potente facendomi addentrare nel mondo delle bici elettriche, scoprendo così che erano già state trovate molte soluzione ed alcune di esse per nulla convenzionali.

      Trovandomi davanti a tante idee, oltre la scelta, poi il problema era reperire i pezzi senza "svenarmi".
      Per la maggior parte si trattava di parti vendute oltreoceano o nell'est Asiatico.

    • Quello che sembrava essere una soluzione più adatta sembrava essere un motore utilizzato in un kit della Currie®, solo che per il prezzo elevato ho tralasciato di acquistarlo.



    • Nota: per l'impiego del motore come nelle immagini sopra occorre un mozzo a doppia filettature 42 TPI
      come quello sotto, dove si andrà a montare la ruota libera anche sul lato sx per permettere di pedalare senza trascinare il motore. La catena è 1/2"x1/8"



      Poi l'uscita sul mercato europeo di un kit di motore hub molto più economico a confronto con il kit Currie®, ha fatto si che l'idea iniziale fosse abbandonata seguendo quella dell'hub, ed ormai su questo sito penso che lo avrete visto come mio compagno di numerosi report.

    • Ma come ho scritto in apertura alle volte si ritorna sui propri passi e ci si vuole togliere lo sfizio o il famoso "sassolino dalla scarpa". Dopo due anni di prove, discussioni, pensate varie, l'idea del motore centrale è ritornata, facendomi riscoprire le vecchie idee. Già nel 2007 avevo visto una variante dell'impiego di un motore con riduttore di giri implementato da una ditta Svizzera,



      il motore era simile a quello dei kit d'oltreoceano, già all'epoca avevo chiesto la quotazione di questo kit Svizzero agli esordi, ma come sempre prezzo al di fuori dei miei "canoni" di pensiero. Da notare che il kit è dotato di doppia ruota libera sia sul motore che sulla guarnitura centrale.

      In questo modo è possibile sia avere i pedali fermi mentre il motore gira, oppure a motore fermo pedalare senza che si faccia ruotare il motore.

      Questa è la soluzione migliore nell'impiego di un motore centrale, ma anche la più costosa. Esiste comunque la possibilità di averlo anche senza la ruota libera sulla guarnitura.

      Sotto è visibile il dettaglio della ruota libera sulla guarnitura. Come si può osservare la pedivella di dx che normalmente è collegata alle corone, qui è staccata e dotata di una filettatura sulla testa con passo 42TPI (salvo errori di mia interpretazione) che va ad avvitarsi alla ruota libera posta in centro alla foto e sulla quale poi vanno fissate le corone. In questo modo i pedali rimangono indipendenti dalle corone , permettendo di rimaneri fermi con i pedali mentre il motore sta ruotando.

      Questo fa in modo che utilizzando un PAS se si smette di pedalare il motore possa arrestarsi, soddisfacendo le normative vigenti.

      Per contro occorre mettere in conto di dover cambiare il movimento centrale.



  • Il motore
    • La rete però può alle volte riservare sorprese, così scoprendo nei siti web di ricerca Cinesi il motore sciolto similare ai due menzionati sopra, mi sono dato da fare per procurarmelo, e dove se non in Cina! .





      Non chiedetemi dove, non lo saprei nemmeno io, visto che nella ditta dove lo avevano non parlavano
      Inglese ho pensato bene di mettere di mezzo un Cinese di Shanghai che già doveva spedirmi della merce, in modo che curasse lui i dettagli per mio conto , cogliendo così "due piccioni con una fava"!

    • Avere in mano il motore forse è stata la cosa più semplice, il perchè ho scelto questo motore è stato sostanzialmente per questi motivi:
    • PRO
      1) le dimensioni e il peso di poco superiore ai 2kg
      2) possibilità di fissaggio , per lo meno, la mia versione ha una solida staffa piana con 4 fori che facilita il fissaggio al telaio della bici.
      3) il fatto di disporre di riduttore di velocità incorporato (di norma i motori in continua hanno un regime di rotazione attorno ai 3000giri o superiori, velocità inadatte ad accoppiarsi a una guarnitura di una bici che ruota al massimo a 100 giri al minuto)
      4) il fatto di disporre di serie di un pignone per catena da 3mm ovvero adatto a catene 1/2"x1/8", per intenderci sono le catene utilizzate sulle bici da paseggio senza cambio.
      5) Motore in continua a spazzole, semplicità nella regolazione della velocità con regolatore PWM.
      6) in teoria maggior coppia disponibile visto l'impiego dei rapporti del cambio della bici
      7) non si va ad intaccare la ciclistica rotante della bici, per cui si mantiene inalterata la scorrevolezza della bici originale, idem nel caso si abbiano freni idraulici .
    • CONTRO
      1) maggior complessita meccanica
      2) maggior rumorosità
      3) probabili maggiori consumi se sollecitato
      4) minor efficienza (rendimento) del motore fra energia fornita e resa.
      5) estetica del complesso che può non essere piacevole.





  • I riduttori tipo "Planetario"
    • Come già avete visto si inizia a comprendere che non tutti i motori sono adatti per una trazione a motore centrale, a meno che di disporre di un normale motore a cui si aggiunga un riduttore di velocità di tipo "Planetario" come questo sotto in figura



      oppure a secondo della configurazione dell'albero motore può essere anche di forme differenti, come questo sotto della Currie® adatto per alberi con sezione a stella a 11 punte.



    • Logico che prima di imbarcarsi in accoppiamenti fra motori e Planetari occorre aver ben chiaro:

      1) il numero di giri del motore
      2) che tipo di albero ha il motore
      3) che tipo di attacco ha il planetario in entrata
      4) che tipo di attacco dispone il planetario in uscita
      5) il rapporto di riduzione del planetario
      6) che tipo di pignone dentato monta alla sua uscita
      7) il numero di denti e la sua eventuale intercambiabilità con altri per numero diverso di denti
      8) senza poi sottovalutare l'ingombro trasversale del motore + riduttore di giri + pignone

  • La trasmissione
    • Stabilito che il motore c'è occorre passare al passo successivo come trasmettere il moto ai pedali, e qui incominciano i primi problemi.
    • Il pignone in dotazione è un 9 denti con spessore 3mm adatto a catene da 1/2"x1/8" quindi una catena normale in dotazione alle bici con cambio 1/2"x3/32" non salirebbe sul pignone, infatti sono larghe
      all'interno 2,38mm contro i 3mm del pignone. Allo stesso modo se si usasse una catena da 1/2"x1/8"
      adatta al pignone da 3mm poi avrebbe troppo gioco sulla corona della moltiplica che è spessa solo 2mm.

      E allora che si fa? visto che un pignone come questo con foro da 11mm H7 e chiavetta da 2x4 già sarebbe difficile trovarlo, figuriamoci poi con spessore da 2mm per catene da 1/2"x3/32".

      L'alternativa è solo una ed è la più economica, togliere il pignone e tornirlo di 0,5mm su ambo i lati, oppure rettificarlo, io ho scelto il tornio.
    • Risolto il problema del pignone occorre procurarsi una catena, nel caso consiglio di trovarne una usata per i primi esperimenti ed anche per trovare il giusto posizionamento del motore sul telaio, con relativo accorciamento della catena per darle la corretta tensione.

  • La scelta della guarnitura
    • Superato l'ostacolo del pignone si pone ora il problema su quale corona della guarnitura andare a collegare la trasmissione. Nel mio caso avrei potuto scegliere di utilizzare la corona dx della bici cavia, una vecchia City bike, con cambio a 12 rapporti.

      Ma un provvidenziale "rottame" proveniente da una MTB di un mio amico che voleva disfarsene, mi ha permesso di optare per una soluzione differente.

      In pratica non sapendo ancora quale rapporto di trasmissione sarebbe stato meglio impiegare ho utilizzato la guarnitura a tre rapporti della MTB in modo da potere disporre a scelta delle tre corone rispettivamente di 50-38-28 denti contro i 9 denti del motore.
    • Come sempre però ne ho fatto un impiego non usuale, ovvero visto che si trattave di prove , non mi andava di sostituire la guarnitura esistente sulla bici, per cui per maggior libertà ho optato per il montaggio sul lato sx.

  • Uso non convenzionale della Guarnitura
    • Ed ecco come si presentava il montaggio della guarnitura a sx. , una piccola osservazione:
      la pedivella essendo prevista per l'impiego dx, ha il filetto per il pedale destrorso, ma montata sul lato opposto come ho fatto io risulta che il pedale avvitato si sviterebbe con l'uso, ma vista che era una prova non c'erano problemi.
      Nota: Al limite un po' di frenafiletti risolve il problema.
    • Come già scritto il vantaggio di questa soluzione non convenzionale e di non intaccare la parte dx della guarnitura originale, potendo sfruttare tutti i rapporti del cambio, ma non solo, in pratica il totale dei rapporti a disposizione per le prove sono nel mio caso di 3x12=36 rapporti disponibili, chi invece disponesse in origine di un cambio a 27 rapporti il totale dei rapporti ammonterebbe a 3x27=81 rapporti di cambio! direi una cifra per nulla disprezzabile per dei test!

      Per contro volendo testare le corone diverse, occorre munirsi di catene di diversa lunghezza e riallineare lo spostamento trasversale del motore.
    • Come si può osservare il fissaggio del motore è stato fatto in modo provvisorio su una tavola di legno compensato a sua volta fissata al telaio con delle piastre in ferro.

      Nel mio caso provvidenziale è la conformazione del telaio che ha facilitato questo tipo di operazioni.

  • Lo sviluppo dei rapporti
    • Nel caso specifico ho utilizzato la corona con 38 denti che con il pignone da 9 denti sul motore da luogo ad una riduzione di 4,22. Ciò vuol dire che al regime max di rotazione del motore di 3712 RPM si ottiene ai pedali un RPM di 89, valore più che ottimo per un normale utilizzo.

      La guarnitura originale ha un range di utilizzo con uno sviluppo in metri alla ruota da 8m a 3,2m.

  • Le prime prove
    • Premessa:
      le prove eseguite non sono state esaustive per una serie di fattori, per prima cosa non disponevo di un regolatore di velocità, avevo quindi solo due modi di erogazione della potenza, ovvero alimentavo direttamente a 12V o a 24V. Questo non permetteva di calibrare l'intervento del motore come avrei voluto io, altra cosa il fatto di avere sempre i pedali in presa al motore e non potendo nemmeno pedalare senza che trascinassi anche il motore era un altro motivo di limitazione.

    • Ma l'intento iniziale era verificare che il cinematismo funzionasse, che il rapporto di trasmissione non creasse problemi ed in ultimo verificare se in effetti si avvertisse una spinta concreta in salita.

      Per quanto breve sono state le prove i capisaldi sono stati rispettati e il più importante , quello della spinta, senza dubbio ha superato le aspettative, o per lo meno confermato gli obiettivi iniziali e che quindi la strada intrapresa era corretta ponendo una base su cui progredire con altri esperimenti.

    • Da queste prime prove è emerso che la corrente assorbita dal motore se non regolata, può assumere valori di picco molto rilevanti, infatti dando la tensione di 12V o 24v senza valori intermedi, il modo più appropriato di utilizzo e meno deleterio per le batterie, ( per la cronaca delle semplici piombo gel 12V 7Ah ), era quella di portarsi a delle velocità tali che l'inserimento della alimentazione del motore a 12 o 24V non ingenerasse sforzi tali al motore da assorbire molta corrente. Avendo inserito un strumento che misurava Volt-Amper e Watt, il controllo era abbastanza agevole cercando di limitare gli assorbimenti a non più di 8A di picco e nella norma a 4A, quindi fra i 100 e 200Watt.

  • Il regolatore di velocità
    • Seguendo un semplice schema trovato in rete ho costruito un regolatore di velocità in modalità PWM, avendo sottomano dei componenti Mosfet di potenza adatti a sopportare i dati di targa del motore mi sono fidato a montarli e per esagerare ne ho messi due in parallelo, momentaneamente senza dissipatore, tanto era solo per provare se il regolatore funzionava.



    • Questa leggerezza mi è costata cara perche dopo aver realizzato, con bici appesa, che il tutto girava bene a vuoto, ho pensato di fare una breve prova su strada di un centinaio di metri, solo che alla prima apertura del regolatore di velocità, l'assorbimento è schizzato a 35A il doppio dei valori di targa del motore. Questo ha provocato una dissipazione di ben 21W sui mosfet che senza dissipatore ne ha provocato giustamente la loro prematura dipartita.
      Unica magra consolazione, ho provato un'accelerazione bruciante, si ,come i Mosfet andati in fumo!
    • Purtroppo questo valore così elevato, non era nelle mie previsioni e a posteriori mi hanno fatto capire che sarebbero stati ingestibili per delle semplici batterie di quel tipo, per cui ho pensato bene di astenermi nel prolungare gli esperimenti fintanto che non realizzassi un regolatore di velocità variabile, sia adatto a sopportare gli assorbimenti in gioco ma soprattutto che si potesse limitare la corrente assorbita dal motore .

  • Gli assorbimenti
    • Questo fattore inaspettato mi ha un pò spiazzato perchè il mio obiettivo era cercare anche di limitare gli assorbimenti a valori pressochè proporzionali a quelli ottenuti fino ad ora con i motori Hub.

      Infatti per chi non lo sapesse a parità di tipo di batteria impiegata , meno intensità di corrente si preleva alla batteria e meglio è. Un valore di 35A di picco significherebbe per batterie date per un tasso di scarica a 2C dover impiegare minimo una 8Ah, e limitare la scarica continua a non più di 16A.

      Va da sè che la batteria debba essere di buona qualità altrimenti per mettersi le "spalle coperte " sarebbe meglio optare o per una batteria garantita a 3C di tasso di scarica oppure una 2C ma di 15Ah, questo per non stressare gli elementi e per sfruttare a dovere il motore quando dovesse servire.

  • Da sinistra a destra, il cambiamento di trazione
    • Stabilito che il cinematismo funzionava, che il tiro c'era, rimaneva un altro scoglio da superare: la ruota libera Alla fine c'era da scegliere dove posizionarla e cosa utilizzare.
    • Dove posizionarala:
      In pratica come ho già spiegato un po' sopra ci sono due possibilità per le ruote libere , posizionata sull'albero motore o sulla guarnitura.

      La soluzione "già pronte" che poi sostanzialmente nel mio caso si riducevano solo ad una e riguardava la Guarnitura centrale qui sotto in foto, da un lato potrebbe andare bene perchè dispone di 3 corone , l'esterna per la trazione e le due interne per la trasmissione alla ruota posteriore usufruendo dei rapporti del cambio.
      Chiesto ad un amico la quota della guarnitura in oggetto, risultava 7,3mm più spessa rispetto alla Guarnitura tripla in mio possesso. Avrei dovuto sostituire il perno centrale, o già che c'ero il movimento centrale, magari con uno a cuscinetti, ma la sfortuna vuole che pur essendo una bici Italiana monta il movimento centrale di tipo Inglese, per cui a quel punto decisi di sospendere la sostituzione con questa tripla.



  • La ruota libera
    • Piano B
      Questo piano si focalizzava sulla ruota libera da montarsi sul motore, anche qui la cosa sembrava abbastanza semplice se nonchè di pronto e già fatto non ho trovato nulla. L'unica cosa che si poteva avvicinare era un adattatore trovato oltreoceano, di per se semplice e non molto costoso, solo che disponibile per un albero motore più grande del mio, e quindi nulla da fare anche su questo fronte.



    • Senza per forza rivolgermi dall'altra parte del l'oceano, ho cercato nella mia zona , ma prezzi esorbitanti mi hanno fatto desistere da ogni buon proposito.

    • Non rimaneva che la soluzione "fai da te", le alternative erano quelle di trovare un tornio disponibile e mettersi a farlo , oppure inventarsi qualche cosa di fattibile fatto in casa.



    • La prima soluzione a cui avevo pensato era quella di partire da un oggetto già adatto in parte all'impiego, e cosa c'è di meglio di un mozzo da ruota di biciletta con già il suo filetto 42TPI già belle pronto?

      La risposta è stata semplice bastava procurarselo, ovviamente non nuovo, ne usato , ma rotto , quindi visita dal biciaio amico e recupero del pezzo. Il mozzo in oggetto era di acciaio giusto perchè se si sfosse reso necessario saldarlo, lo si poteva fare.

    • Passo successivo , separare le parti A da B in modo da sfruttare la parte filettata da adattare poi all'albero motore. Separare le due parti senza rovinare la parte A non è stata una impresa semplice. In pratica ho dovuto ridurre l'esterno del perno che è montato per interferenza e poi ribordito sulla parte A.

      Ho dovuto consumare una fresetta del Dremel per poterne venire a capo, della serie chi la dura la vince! e la parte in oggetto era ben dura, senza alcun dubbio. del resto se pensiamo che sorregge il peso della bici e di noi sopra..

    • A separazione avvenuta ho ricavato un tubetto adattattore di riduzione che si incastrasse nel foro ora rimasto libero dal perno, in modo da adattarlo al perno del motore, giusto per poterlo montare e vedere gli ingombri.



    • Questo è il risultato del lavoro, la ruota libera montata sull'albero motore, in modo sufficiente per stabilire gli ingombri. Purtroppo la prova è stata negativa, la ruota libera è risultata troppo sporgente , costringendo l'arretramento del motore per ritrovare la linea della catena, ma nel contempo il fondo del motore andava a interferire con la rotazione del pedivella sx.

    • In questo modo di applicare la ruota libera si avrebbe la funzione in cui mentre il motore gira è possibile stare fermi con i pedali, in sostanza come nell'impiego originale dove la ruota posteriore della bici gira e si vuole stare fermi con i pedali, per contro quando si vuole pedalare si trascina il motore.

    • Sia per il fatto appena descritto, cioè trascinare il motore mentre si pedala, e per gli ingombri eccessivi, occorreva pensare a qualche altra soluzione, e qui entrano in gioco le famose ranelle che ho posto in apertura di questa pagina. Vi domandrete cosa c'entrano le ranelle ed ecco spiegato il perchè:




    • Per realizzare una bussola adatta all'albero come quella in figura sopra, non basta disporre di un tornio per realizzarla, ma occorre disporre anche di una macchina detta brocciatrice, che permette di ricavare la cava che serve a far entrare la "chiavetta" posta nella corrispondente cava sull'albero, in modo da renderli solidali durante la rotazione.

      Per questo motivo non tutte le officine attrezzate hanno questo tipo di macchina, se non quelle che fanno questo tipo di lavorazioni di routine, ovvero chi fabbrica ingranaggi o pulegge.

      Quindi per ovviare a ciò ho dovuto pensare alle ranelle.



    • Per prima cosa ho cercato fra quello che disponevo nel box, ed è saltata fuori la ranella più grande di acciao inox 35x2,5x6,5 rispettivamente diametro esterno,spessore,diametro foro interno.

    • Il materiale inox era adatto per uniformarsi al materiale della ruota libera durante la successiva saldatura.
      Le operazioni eseguite sulla ranella sono state: allargamento del foro centrale al diametro 10,5 mm, successivo allargamento a 11H7 utilizzando una fresetta-mola montata sul Dremel.
      Questa operazione va fatta con assoluta cura, con continue prove sull'albero motore, in quanto occorre raggiungere la tolleranza H7 ovvero la ranella deve salire sull'albero motore con il minimo gioco possibile.

      Ovviamente la cosa richiede un lavoro certosino e una buona manualità, cercando di distribuire la fresatura in modo uniforme su tutto il diametro interno del foro.

      Terminata questa opera è stato il momento di ricavare la cava adatta alla "chiavetta" , ho utilizzato un paio di limette per questo lavoro, una piatta ed una quadra, fino a che inserita la chiavetta nell'albero motore sono riuscito ad inserire alla perfezione la ranella.

      Con la stessa procedura adottata sopra ho eseguito lo stesso lavoro su una delle due ranelle da 21x2,2x10,7 mentre per la ranella da 24x2,6x13 non è stato necessario allargare il foro centrale ma ho dovuto creare solo un accenno di cava per la chiavetta. La quarta ranella invece non va lavorata.

    • Il perchè ho utilizzato queste ranelle è molto semplice, la somma degli spessori fanno esattamente 9,1mm che sono la misura esatta dello spessore del pignone originale che occorre sostituire.

  • La centratura delle ranelle
    • Forse questo è stato il lavoro più lungo e difficoltoso. Si è trattato di montare le ranelle sull'albero motore, per prima la più grande poi la media , la prima delle ranelle più piccole con la cava per la chiavetta ed in fine quella non lavorata.



    • Con il pacco così formato occorreva stringere il dado che di norma teneva stretto il pignone originale e far ruotare l'albero per verificare la centratura dellle ranelle lavorate a mano e sperare che non vi fossero troppi difetti di centratura.

      Alla fine di tutte le ranelle l'unica che va ed andava centrata è solo la più grande.
      In effetti facendo girare il motore, è sufficiente una batteria da 12V, si può disporre di un "simil tornio", ovvero il motore ha la riduzione , per cui una buona coppia sull'albero, le ranelle da sistemare sono ben posizionate sull'albero, per cui con lime o dremel munito di mola è possibile operare sulla ranella per portarla alla dimensione voluta.

    • Come operare:
      Il diametro esterno della ranella più grande deve risultare concentrica al foro e per fare la verifica, a parte osservarla direttamente, è possibile anche utilizzare ad esempio la punta di un cacciavite o di una matita, appoggiandola ad un supporto, in modo da calibrare l'accostamento al pezzo in rotazione.

      Posizionandosi poi in modo da traguardare il "gap" lo spazio, fra la matita e la circonferenza esterna della rondella ci si potrà rendere conto dell'entità di errore di concentricità.

      Se l'errore è poco in questa fase ci si può limitare a ridurre il diametro esterno in modo da farlo coincidere con il diametro interno filettato della ruota libera.




      Per ridurre il diametro procuratevi una lima da "mazzo" in gergo sono le famose lime per cui esiste l'espressione : " mi sono fatto un mazzo così" si tratta di lime da sgrossatura di dimensioni superiori delle solite lime e abbastanza pesanti ed usate in attrezzeria o nelle officine meccaniche quando occorre togliere parecchio materiale dal pezzo.

      Questa lima con il suo tagliente è adatta a questo scopo, basta posizionarla come nel disegno sottostante, con il senso di rotazione del pezzo verso di voi e voi che agite con la lima contro il senso di rotazione.

      In questo modo con pazienza riuscirete a togliere il materiale in eccesso, tenete conto che la ranella deve incastrarsi alla perfezione all'interno della ruota libera, come in figura sopra. La ranella deve risultare a filo con il bordo della ruota libera.

      Un consiglio che vi do è quello di saldare assieme le ranelle, una volta verificato che si inseriscono tutte in modo perfetto sull'albero. Porre attenzione ad utilizzare l'elettrodo corretto per la saldatura della ranella più grande che è in acciaio inox con le restanti che non lo sono. La saldatura finale della ranella alla ruota libera verrà fatta con l'elettrodo per l'acciaio inox.



    • Non aspettatevi che tutto fili liscio, occorrerà senz'altro sistemare anche la concentricità. Per fare questo occorre ricorrere al sistema della matita, sostituendola con un pennarello e facendo ruotare la ranella accostare la punta del pennarello con mano ferma sino a che toccherete leggermente la circonferenza esterna della ranella. In questo modo riuscirete a segnare la parte eccentrica che andrà limata.



      Per togliere l'eccesso del materiale vi consiglio di usare il Dremel o strumento similare con una moletta da far scorrere sul pezzo segnato .

      Questo lavoro va ripetuto più volte togliendo e rimettendo il pacco ranelle in modo da verificare con mano l'inserzione corretta nella ruota libera e nel contempo che sia centrata con verifica sull'albero motore.
      Vi ricordo che in meccanica a togliere materiale si è sempre a tempo, ma una volto tolto ...... il guaio è fatto! Per cui prendetevi tutto il tempo necessario per fare un ottimo lavoro.

    • Dovrete riuscire a fare in modo che la ranella si incastri nella ruota libera in modo ben saldo tale da riuscire poi a mettere il tutto sull'albero per la verifica della concentricità, lo so è più un lavoro da orologiai, ma visto che questa è l'alternativa per chi non ha il tornio, e che è la scommessa da vincere con se stessi, datevi da fare!

    • Attenzione:
      Ricordatevi che se si vuole mantenere la possibilità di pedalare senza trascinare il motore, come ho già scritto all'inizio, il pacco ranelle va saldata nella parte anteriore di come si presenterebbe una ruota libera montata normalmente sul mozzo posteriore di una bicicletta. La saldatura va eseguita con elettrodi per l'acciaio inox.

    • A lavoro ultimato ecco nella foto sotto come si presenta montato, (a sx) a confronto con la soluzione precedente che adottava il mozzo della bici. È evidente la differenza di sporgenza indicata dalle frecce in verde, come avevo già scritto prima questa soluziona si è resa necessaria per contenere l'ingombro trasversale, tanto da non andare ad interferire con le pedivelle e mantenere un allineamento della linea catena pignone/guarnitura.



  • Trasformazione ruota libera da 1/2"x 1/8" a 1/2"x 3/32"
    • Il lavoro sulla ruota libera comunque non è ancora terminato, ora occorre trasformare la ruota libera in modo che sia adatta a montare una catena standard da 1/2x1/8" utilizzata su bici con il cambio, in pratica c'è da ridurre lo spessore dei denti, come fare?

    • Le alternative sono tre: Tornio, Rettifica e in mancanza di queste attrezzature ... tornio + rettifica a mano.
      Già ma avevo scritto che il tornio non l'avevo, giusto, però ora il tornio lo si ha e non è altro che il motore con già montato il pezzo, più di così cosa si vuole? , bhè non rimane che procurarsi una mola tangenziale di quelle che si usano per troncare o smerigliare i metalli, di norma con dischi da 120mm.

    • Come operare:
      Fissare bene il motore ad un tavolo da lavoro o in morsa, alimentarlo con una batteria da 12 o 24V, il senso di rotazione deve risultare coincidente al senso di rotazione della mola.

    • La mola va posizionata come in figura, e va montata una mola da smeriglio e non da taglio.
      AVVERTENZE ! : Naturalmente tutte le precauzioni del caso sono necessarie, come indossare guanti protettivi, maschera in plexiglas, o occhiali protettivi antifortunistici, e tutti gli altri accorgimenti idonei a mettervi in sicurezza. Chiaro che una simile operazione richiede una mano ferma, buona vista e capacità lavorative nell'uso di questo tipo di utensili, che maneggiati da persone inesperte possono causare non pochi danni. Ovvio in questo caso non mi assumo responsabilità per le indicazioni operative fornite.

    • Consci dell'uso che occorre fare dell'attrezzo, occorre procedere in modo da asportare 0,5mm da ambo i lati del pignone, riducendo lo spessore dai 3mm nominali ai 2÷2,2mm. La mola, penso sia superfluo scriverlo, va mantenuta parallela e tangente alla parte dei denti da molare. Usate un calibro per verificare il materiale asportato dalla mola.

      Quando si passa a molare il lato opposto occorre invertire il senso di rotazione del motore.



    • Tenendo a portata di mano uno spezzone di catena, fra una limata e l'altra provatela sino a che la catena salirà agevolmente sul pignone senza impuntamenti.

       



  • Montaggio del motore e catena
    • Ora si può passare al montaggio del motore cercando di trovare un posizionamento che soddisfi la modalità di fissaggio dello stesso motore e nel contempo che si rispetti: la linea della catena, e le varie interferenze con le pedivelle in rotazione, il telaio e non d'ultimo il deragliatore.

    • Può sembrare banale ma non lo è affatto, far coincidere il tutto non è per nulla semplice.
      La prima condizione essenziale e irrinunciabile è soddisfare la line catena , ovvero il pignone e la guarnitura devono essere per forza di cose allineati e giacenti sullo stesso piano ideale.
      per fare questo ci si può aiutare con un profilato angolare di ferro o alluminio da fissare sulla corona con dei morsetti, e fatto combaciare con l'assetto del pignone ruota libera.

    • Per facilitare queste operazioni di allineamento se possibile conviene utilizzare morsetti a molla come quelli nella foto che rendono le operazioni più semplici.

    • stabilita la linea catena si fa uso di uno spezzone di catena per stabilire la distanza fra il centro della corona e il centro del pignone in modo da avere una corretta tensione sulla catena. La catena avendo un passo di 12,7mm non permette di avere molto margine di movimento

    • Una volta messa in tensione la catena avrete la possibilità di spostamento nel telaio come raffigurato nella foto sotto. In pratica il motore può spostarsi lungo la linea in rosso della circonferenza descritta dalla lunghezza del raggio che intercorre fra il centro della corona e il centro del pignone ruota libera.
      Come vedete anche questa condizione non permette un posizionamento a casaccio o preferenziale, ma si è legati per forza di cose alla lunghezza della maglia della catena, in sostanza potremo allungare od accorciare l'ampiezza della circonferenza dove si posizionerebbe il motore.



    • C'è però un'altra considerazione da tenere conto in questo contesto, se osservate bene il percorso della catena a sx va ad interferire con il deragliatore, che peraltro ho dovuto abassare (indicato dalle frecce verdi) per far fronte al cambiamento della guarnitura. La linea in rosso indica la parte che va ad interferire con la catena e che dovrà essere tagliata.


    • Si sarebbe potuto evitare di andare ad interferire con il deragliatore, ma si sarebbe dovuto posizionare il motore più in basso e fuori dal telaio.


    • Stabilito il posizionamento del motore sono passato a confezionare la catena della giusta lunghezza,
      aggiungendo un ulteriore spessore di compensazione al motore. Gli spessori sono provvisori in attesa di qualche cosa di definitivo.
      Un altro "passo" è stato fatto


    • Ripresa dei lavori dopo la pausa invernale, da una breve prova su strada mi sono accorto che, pur avendo in partenza la catena del motore tesa, mentre il motore era in tiro la catena fletteva.
      In pratica facendo delle verifiche al banco, mentre il motore esercitava una coppia, i tubi del telaio superiore dove è appeso e fissato il motore flettevano verso il basso, come indicato dalla freccia di colore giallo, inducendo l'allentamento della catena.




    • Come rimedio ho dovuto aggiungere una barra di contrasto sotto il motore ( frecce di colore rosso) e fissata ad un collarino sul tubo del telaio.

    • Un ulteriore problema da risolvere, ma di cui già ero consapevole in fase di progetto, è stata la rimozione di una parte del deragliatore ( l'ho disegnata in rosso ed indicata dalla freccia di colore verde). Questo per permettere al deragliatore di non interferire con la catena di trasmissione del motore, quando si deraglia per la catena sulla corona centrale, come nella foto sopra.

  • Costruzione batteria LiFePo4 - 24V 8Ah
    • Con il motore che funziona a 24V si è resa necessaria la realizzazione di una batteria da 24V.
      Avendo dei residui di vecchie batterie dimesse per difettosità su alcuni elementi, ho cercato di recuperare gli elementi migliori per poter assemblare una batteria da 24V 8Ah. Gli elementi sono tutte delle celle da 4Ah LiFePo4.

    • Ho colto l'occasione anche per sperimentare il recupero di celle "swollen" come quella nella foto sotto.




    • Per assemblare le celle ho dovuto realizzare due strisce di circuito stampato per effettuare i collegamenti fra le celle. La configurazione della batteria è 2P-8S

    • Sotto la batteria assemblata, manca il BMS



       

  • Modifica BMS

    • Ovvio che per fare funzionare la batteria serve anche un BMS che sovraintenda le fasi di carica-scarica e nello stacco dalla batteria dal carico in presenza di sovra e sotto tensioni, sovracorrenti.

    • Assieme alla vecchia batteria mi è rimasto anche un BMS per batterie da 48V guasto.
      Pensavo di riuscire a ripararlo in toto, ma sia perchè alcuni componenti sono obsoleti e non si trovano sul mercato, ma anche perchè non avrebbe avuto senso, alla fine me ne sarebbe servito solo metà del circuito. Per cui ho sostituito soltanto un integrato facendo le opportune modifiche al circuito per farlo diventare un 24V.



    • Per verificare se il BMS funziona a dovere occorre per forza di cose servirsi di un simulatore di batteria. La semplice batteria non servirebbe allo scopo. Infatti occorre che ad ogni ingresso del BMS sia presente una tensione stabilizzata identica e allo stesso tempo che sia possibile variarla contemporaneamente su tutti gli ingressi in modo da verificare le soglie di intervento del BMS.

    • Valori di soglia del BMS
      - Tensione Max. 32V (Equivalente a 4V x cella)
      - Tensione di ripristino da Tensione Max. 30,32V (Equivalente a 3,79V x cella)
      - Tensione di intervento equalizzazione 3,81V
      - Tensione di ripristino ricarica da Equalizzazione 3,75V
      - Tensione Minima 19,32V (Equivalente a 2,41V x cella)
      - Tensione di ripristino da Tensione Minima 20,1V (Equivalente a 2,51V x cella)



    • Dopo la modifica al BMS, ho fatto un ulteriore modifica, tagliando il circuito stampato ed eliminando 4 sezioni, di fatto ne utilizzo solo 8, le rimanenti le ho lasciate perchè mi serviva avere il connettore intero.

    • Con il circuito stampato più corto ora ho meno difficoltà nel costruire un adeguato involucro protettivo.

    • Questo lavoro di recupero celle lo sconsiglio perchè occorre avere molto tempo a disposizione, nel selezionare, testare più volte, accoppiare le celle sino ad ottenere un risultato accettabile e non sempre i risultati sono poi tali da compensare il tempo speso, nel mio caso visto che è tutto un esperimento, il tempo impiegato sul complessivo fa poca differenza! e poi a non tutti penso capiti di avere a disposizione delle celle!

    • Nota: Sconsiglio anche il fatto di acquistare nuove celle sfuse per fare un assemblaggio. Di fatto la non certificata qualità della merce che si trova sul mercato , che in genere sono scarti delle produzioni delle aziende produttrici o peggio di piccoli distributori , fa si che una volta montate le celle senza una preventiva caratterizzazione , sia sufficiente una cella difettosa o al di sotto delle caratteristiche di targa per vanificare il lavoro svolto, costringendo a disassemblare la batteria per la riparazione e quanto ne consegue.

    • Per esperienza acquisita quello delle batterie è la questione più ostica da affrontare perchè il meglio sarebbe acquistare prodotti direttamente dal fabbricante, solo che questo non è possibile ed occorre per forza di cose barcamenarsi con le offerte messe in rete da sedicenti pseudo assemblatori. In sostanza l'acquisto di una batteria per bici elettrica oggi è un po' un terno al lotto, a meno di ricorrere alle classiche e pesanti batterie al piombo.

  • Modifica Caricabatteria
    • Dopo aver assemblato la batteria occorre ricaricarla, la soluzione più semplice sarebbe quella di acquistare un caricabatterie dedicato alle LiFePo4 24V, l'altra quella di riciclare un caricabatterie già in possesso.



    • Avendo un caricabatterie per LiFePo4 ma da 48V ho scelto di provare la strada della modifica.
      Per effettuare le modifiche occorre aprire il caricabatteria , come fare lo si può vedere
      qui . Dimezzare la tensione di uscita di un caricabatteria non è proprio una cosa fattibile in un attimo, occorre avere un carico variabile elettronico da collegare al caricabatterie ed effettuare la taratura della tensione in uscita e della corrente erogata.



    • Altro problema da risolvere è la velocità di rotazione della ventola di raffreddamento che dimezzando la tensione di uscita dimezza la sua velocità di rotazione e il più delle volte non parte. Questo ovviamente può provocare un bel arrosto al caricabatterie. Occorre quindi provvedere a ridare la corretta tensione di alimentazione. La cosa non è semplice perchè senza schema elettrico e di montaggio occorre procedere con un po' di misure.



      Per fare questo però occorre vedere dove sono collegati i fili della ventola al circuito stampato, la sfortuna vuole che non sia visibile il punto se non dissaldando l'ampio radiatore che ricopre tutto il caricabatteria e dissaldare un transistor di potenza fissato sul radiatore.

      Una volta visto dove è collegata la ventola ho seguito le tracce dello stampato sino ad arrivare a due transistor di comando , solo che per controllare le tensioni ho dovuto rimontare il radiatore con relativo transistor ruotando il tutto di 180° per potermi garantire la visuale sui componenti.

      Alla fine misurando la caduta di tensione sulle resistenze limitatrici , la tensione sulla ventola e calcolando la corrente assorbita ho potuto calcolare delle resistenze da aggiungere e riportare così una tensione corretta sulla ventola.



    • Risolto questo problema ho rimesso il tutto nel contenitore facendo delle prove di funzionamento collegando un carico elettronico e controllando che la temperatura non salisse oltre il normale.
      Ora i nuovi dati di targa sono: Vout 30V - 2A

  • Nuovo regolatore di velocità
    • Come avrete già letto, l'ultimo Regolatore di Velocità che avevo sviluppato, non era molto indicato come prestazioni e in più si è aggiunto il fatto che mi sono reso conto che con questo tipo di trasmissione occorre per forza utilizzare un regolatore che preveda l'impiego di un acceleratore a manopola con ritorno a molla.

    • Il perché è molto semplice: non potendo utilizzare un sistema PAS visto che il motore è collegato direttamente alla guarnitura centrale, va da sé che una volta accelerato il motore, come succede su una moto o su un'auto, occorre che vi sia una molla che riporti l'acceleratore a zero nel caso in cui il guidatore non sia in condizione di farlo, questo ovviamente per la più elementare norma di sicurezza.

    • Per fare questo ho dovuto impiegare una delle manopole acceleratore che sono standard nella fornitura dei kit con motori per e-bike e che appunto sono dotate di molla di ritorno. Il problema che è nato è stato quello dell'interfaccia elettrica fra la manopola acceleratore e il circuito elettronico del Regolatore di Velocità.
      In effetti i due precedenti circuiti che ho sviluppato non erano in grado di gestire questo tipo di acceleratore.

      Ho cosí dovuto per forza di cose trovare un circuito integrato PWM che si potesse interfacciare con la manopola e sviluppare un nuovo regolatore.

    • Pensavo fosse molto semplice trovare un circuito integrato PWM per motori DC adatto allo scopo, ma invece è stato tutt'altro che facile, dovendo recuperare un integrato non certo di recente costruzione.

    • Dopo una prima implementazione su test board e valutato con un motore DC che uso nei vari test, ho capito che i risultati erano nettamente migliori dei circuiti precedenti, con fronti di salita più ripidi e puliti e soprattutto sono riuscito a farlo funzionare perfettamente con la manopola acceleratrice a sensori di Hall.

    • La fase successiva è stata quella di progettare uno stampato che accogliesse tutti i componenti e che permettesse le successive prove con le forti correnti in gioco, 35A non sono valori trascurabili e non certo adatti da far passare su una test board !

    • Sulla carta a conti fatti mi sarebbe potuto bastare uno dei nuovi FET che nel frattempo ho ordinato ed aspettato per più di un mese che mi arrivassero. Quindi per precauzione ho previsto l'implementazione di due finali di potenza. Alla fine il circuito è uscito leggermente grande, 70x90mm e non avendo sottomano preventivamente un contenitore con dissipatore dove collocarlo, ho pensato bene di costruirmene uno ad hoc.

    • Di norma ho il difetto di fare le cose sempre a misura, cosi che se dovesse servire di aggiungere qualche altra funzione con ulteriori componenti non troverei lo spazio dove collocarli, questa volta ho voluto abbondare, visto che poi è un prototipo.

       

    • In effetti avrei potuto fare il contenitore un po' più basso, comunque sia questo è ciò che ne è uscito, le dimensioni senza dissipatore sono: 120x72,5x45 mm.



    • L'inviluppo del segnale PWM direttamente sul motore, il filmato mostra come cambia il segnale in funzione dell'apertura dell'acceleratore.


  • Prova su strada
    • Dopo aver costruito tutto quello che occorreva, fatte le prove al banco, è venuta l'ora di fare una prova su strada di una trentina di km giusto per testare il tutto e ricavarne le impressioni.

    • Le prime sensazioni di utilizzo, molti raffronti li ho fatti con la motorizzazione Hub anteriore che ho sulla MTB.

      Come ci si avvia, senza far funzionare il motore non ci si accorge di avere il motore se non per un leggero ticchettio della ruota libera posta sul motore stesso.

      La cosa che lascia un po' disorientati all'inizio è che fermandosi con i pedali, non si può mandare indietro i pedali se non con un certo sforzo, in effetti occorre vincere lo sforzo per far ruotare gli ingranaggi ridotti del motore.

      La scorrevolezza della bici, restando inalterate le ruote, rimane tale e quale e non sono certo quei 5kg in più a farsi sentire, lo stesso vale per il peso complessivo di cui si avverte poco l'incremento come masse aggiunte in quanto posizionate al centro della bici.

    • Come si accelera e il motore supera il regime di rotazione dei pedali, si avverte subito un leggero rumore di ingranaggi che incominciano ad andare in presa, il rumore cresce leggermente all'aumentare della coppia richiesta, rumore che decresce subito non appena si rilascia l'acceleratore, ovviamente con un HUB gearless al contrario non si sente quasi nulla.


      Il comando dell'acceleratore è morbido e l'aumento di rotazione del motore è molto controllato e fluido, pronto a seguire il comando impostato sia in accelerazione che in decelerazione.

      La prima differenza che salta all'occhio con confronto con una motorizzazione di tipo HUB a presa diretta è l'effetto di accelerazione se si dovesse spalancare l'acceleratore, nel motore centrale significa in funzione del rapporto innestato al cambio avere una accelerazione fino ad una velocità massima X, dopo di che come in una moto si innesta il rapporto superiore e via, via fino ad esaurire tutti i rapporti. Nell' HUB invece spalancare l'acceleratore significa dover rincorrere velocemente con il cambio il motore che tenderà a raggiungere il suo massimo dei giri.

      E' vero, la stessa cosa sarebbe possibile anche con il motore centrale, basta lasciare l'acceleratore al massimo e continuare a cambiare, in tal caso il rumore sembra quello della F1 :-).

    • Sono comunque due sensazioni differenti, come ho scritto, con il centrale, il motore è subordinato al rapporto del cambio, e proprio come nelle auto o moto ad ogni rapporto si può disporre di tutto l'arco di rotazione del motore, cosa che con un HUB non si ha. L'esempio è quando si ha innestato il rapporto più corto e si procede a 4km/h in salita, con il motore centrale spalancando l'acceleratore al limite si andrebbe ad incrementare la velocità di pochi km/h ma con una coppia maggiore, cosa che invece non succederebbe con l'HUB , che all'opposto se supportato da una batteria con molti Ampere in teoria tenderebbe a raggiungere il suo regime massimo di rotazione corrispondente alla velocità massima.

    • Ma come si sa, una velocità bassa in salita ed alto regime di rotazione del motore sta solo a significare lo sviluppo di una elevata coppia.

    • Per questo tipo di funzionamento subentra però un altro problema, riuscire a gestire l'assorbimento in Ampere di un motore centrale non è molto semplice come lo sarebbe con un HUB , qui le cose vanno in modo differente ed occorre avere un controllo millimetrico per mantenere i valori che ci prefiggiamo di ottenere. Quindi la facilità di erogare coppia va di pari passo con l'assorbimento in crescita.

    • Resta il fatto che comunque un motore centrale non influisce minimamente sulla scorrevolezza originale della bici, quindi tante volte si può anche fare a meno di far intervenire il motore , cosa che con un HUB gearless non sempre è possibile se non a fronte di un maggiore sforzo sulla pedalata.
      L'impressione che ne sto ricavando è di una pedalata più leggera anche se c'è da dire che con i rapporti attuali è ben difficile superare i 25km/h se non andando ad un regime ben sopra gli 85 RPM.

    • Per i pesi concentrati al centro e in basso, Ne risulta una bici neutra in confronto al tradizionale Hub con motore anteriore e batteria posteriore. Già dai primi km ci si accorge che il motore può essere un di più e in effetti , nei primi 15km il motore è stato quasi sempre spento, altro fatto positivo nel confronto con l'Hub è che nel risalire un sottopasso non occorre fare molto uso del cambio, è sufficiente al massimo scalare un rapporto, con l'Hub gearless occorre scalare anche 3 rapporti nello stesso punto, mentre con la bici da corsa , non si scala proprio.

    • Anche in piano se si vuole sentire un leggero aiuto, non servono molti Watt , 70-100Watt sono sufficienti.

  • Prova in salita.
    • Come prova sulla salita (circa 12%) ho messo il rapporto più corto disponibile, già così anche senza motore si sale senza eccessivo sforzo, e dando un leggero aiuto di motore si sale tranquillamente, il motore ha una resa maggiore come tiro in salita rispetto all'Hub specie in salite lente o partenze da fermo.

    • Il mio Hub inizia ad esprimere un centinaio di Watt a 6km/h, il motore centrale posso affermare che lo fa subito appena si mette a girare, quindi già in partenza da fermo si avverte una spinta, tanto che con il rapporto più corto è possibile divertirsi a fare del trial anche a due tre km/h in fuoristrada, il controllo è millimetrico, si può procedere anche a 0,5km/h, basta stare in quilibrio naturalmente! , l'accelerazione è assolutamente lineare e priva di buchi , incertezze o altro, e il tiro è apprezzabile anche senza esagerare con i Watt.

    • Ripetendo lo stesso percorso il giorno dopo con l'HUB si è confermata la differenza di scorrevolezza e peso complessivo in favore del motore centrale. Con l'HUB spesso e volentieri si deve fare molto uso del cambio, anche con un semplice rallentamento è consigliabile scalare uno o due rapporti

       



    • La salita nel filmato è¨al 12%, la prima prova consiste nel salire al minimo di potenza 70-100Watt per verificare se si avvertiva comunque la spinta, nella seconda prova con un altro tester, la salità è stata affrontata con più brio 150-200Watt , in ambo i casi il motore non ha avuto problemi a spingere
       
    • Fino a qui i risultati posso dire che sono apprezzabili, certamente si tratta di un esperimento su cui ci sarebbe ancora molto da fare volendo ottimizzare le cose , direi che un primo grosso traguardo l'ho ottenuto e l'esperienza accumulata mi potrà servire per fare ulteriori migliorie.
       Lavori in Corso ! - Work in progress! - Travaux en cours! - Trabajo en marcha! -


       

 

Un foto racconto di Cadore designer © 2008
pagina creata: 18-11-2009
ultimo aggiornamento: 02-04-2010
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