Αισθητήρες ροπής στα ηλεκτρονικά ποδήλατα: Σκοπός, αρχή λειτουργίας, πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα και εφαρμογές

Ως Regen, λαμβάνουμε συχνά ερωτήσεις από πελάτες και συνεργάτες σχετικά με τους αισθητήρες ροπής - τι είναι, πώς λειτουργούν και γιατί έχουν τόσο μεγάλη σημασία στα ηλεκτρονικά ποδήλατα και τα ποδήλατα φορτίου. Οι αισθητήρες ροπής είναι ένα από εκείνα τα κρυφά εξαρτήματα που μπορεί να μην παρατηρήσετε με την πρώτη ματιά, αλλά διαμορφώνουν θεμελιωδώς την εμπειρία οδήγησης, την απόδοση του κινητήρα, ακόμη και την ασφάλεια των ποδηλάτων με ηλεκτρική υποβοήθηση.

Σε αυτό το άρθρο, θα εξερευνήσουμε λεπτομερώς τους αισθητήρες ροπής: τι κάνουν, πώς λειτουργούν, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους και πού χρησιμοποιούνται. Θα συνδέσουμε επίσης το ρόλο τους με ευρύτερες εκτιμήσεις σχεδιασμού ποδηλάτων φορτίου, όπως η επιλογή ροπής του κινητήρα και τα πρωτόκολλα επικοινωνίας στο ηλεκτρικό σύστημα.

Τι είναι ο αισθητήρας ροπής;

Ο αισθητήρας ροπής είναι μια συσκευή που μετρά το ποσό της ροπής (περιστροφική δύναμη) που εφαρμόζεται σε έναν άξονα ή άξονα. Σε ένα ηλεκτρονικό ποδήλατο ή ποδήλατο φορτίου, βρίσκεται συνήθως στο βραχίονα πυθμένα, πίσω εξώφυλλο ή άξονα στροφάλου. Όταν ο αναβάτης ασκεί πίεση στα πεντάλ, ο αισθητήρας ροπής ανιχνεύει τη δύναμη στρέψης και στέλνει σήμα στον ελεγκτή του κινητήρα. Ο ελεγκτής ρυθμίζει στη συνέχεια αναλογικά την υποβοήθηση του κινητήρα.

Αυτό διαφέρει σημαντικά από αισθητήρες βηματισμού, τα οποία απλώς ανιχνεύουν αν κάνετε πετάλι ή όχι, χωρίς να μετρούν πόσο δυνατά κάνετε πετάλι. Ενώ οι αισθητήρες ρυθμού τείνουν να παρέχουν μια πιο δυαδική, "on/off" αίσθηση βοήθειας, οι αισθητήρες ροπής επιτρέπουν μια ομαλότερη, πιο φυσική εμπειρία πετάλισης.

Ορισμός:

Ροπή = Δύναμη × απόσταση (μετρούμενη σε Newton-metres, Nm).

Εάν ασκήσετε δύναμη 100 N σε έναν βραχίονα στροφάλου 0,17 m, η ροπή που προκύπτει είναι 17 Nm.

2. Πώς λειτουργούν οι αισθητήρες ροπής;

Οι περισσότεροι αισθητήρες ροπής που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά ποδήλατα και ποδήλατα φορτίου είναι με βάση το μετρητή τάσης. Ας αναλύσουμε την αρχή λειτουργίας:

2.1 Μέθοδος του μετρητή τάσης

1. Η άτρακτος ή ο άξονας της μανιβέλας περιστρέφεται ελαφρώς όταν ο αναβάτης κάνει πετάλι.
2. Μετρητές τάσης-μικρά στοιχεία ηλεκτρικής αντίστασης- είναι συνδεδεμένα με την άτρακτο.
3. Καθώς η άτρακτος παραμορφώνεται, οι μετρητές τάσης αλλάζουν αντίσταση.
4. Αυτές οι αλλαγές ενισχύονται μέσω ενός κυκλώματος γέφυρας Wheatstone και μετατρέπονται σε ηλεκτρικό σήμα.
5. Ο ελεγκτής του κινητήρα ερμηνεύει αυτό το σήμα ως προσπάθεια του αναβάτη και ρυθμίζει ανάλογα την απόδοση ισχύος.

2.2 Μαγνητοελαστική μέθοδος

Ορισμένοι αισθητήρες ροπής υψηλών προδιαγραφών χρησιμοποιούν μαγνητοελαστικές αρχές:

• Ο χάλυβας του άξονα αλλάζει τη μαγνητική του διαπερατότητα όταν βρίσκεται υπό στρέψη.
• Οι αισθητήρες μαγνητικού πεδίου ανιχνεύουν αυτές τις αλλαγές χωρίς φυσική επαφή.
• Το όφελος: λιγότερη φθορά, καθώς δεν υπάρχουν καλώδια ή δακτύλιοι ολίσθησης σε κινούμενα μέρη.

Διάγραμμα ενός αισθητήρα ροπής ηλεκτρονικού ποδηλάτου

Αισθητήρας ροπής έναντι αισθητήρα ταχύτητας : Ποιο είναι καλύτερο;

Με απλά λόγια, πρόκειται για έναν έμπειρο οδηγό έναντι ενός μαθητευόμενου οδηγού.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την αναλογία ενός έμπειρου οδηγού που οδηγεί και ενός μαθητευόμενου οδηγού που οδηγεί:

Ο αισθητήρας ροπής είναι σαν ένας "έμπειρος οδηγός"

• Ο έμπειρος οδηγός θα ελέγχει ομαλά την ισχύ του οχήματος ανάλογα με τις οδικές συνθήκες και τη δύναμη του γκαζιού:
• Αν ανεβαίνετε ανηφόρα, το γκάζι θα αυξηθεί αυτόματα (μεγαλύτερη βοήθεια από τον κινητήρα).
• Εάν κατεβαίνετε προς τα κάτω ή πατάτε ελαφρά το γκάζι, η ισχύς θα μειωθεί (εξοικονόμηση ενέργειας και ασφάλεια).
• Η όλη εμπειρία οδήγησης είναι ομαλή και φυσική και η αίσθηση ασφάλειας είναι έντονη.

Ο αισθητήρας ταχύτητας είναι σαν "μαθητευόμενος οδηγός"

• Ο μαθητευόμενος οδηγός έχει μόνο μια γενική αντίληψη του διακόπτη του γκαζιού:
• Μόλις πατηθεί το γκάζι, δίνεται όλο το γκάζι, ανεξάρτητα από τις συνθήκες του δρόμου.
• Η αντίδραση είναι αργή και το γκάζι είναι είτε πλήρως ανοιχτό είτε κλειστό.
• Είναι εύκολο να έχετε απότομη επιτάχυνση και επιβράδυνση κατά την οδήγηση, ειδικά όταν είστε φορτωμένοι. Δεν είναι ασφαλές.

Περίληψη: Αισθητήρας ροπής = έξυπνη έξοδος κατά παραγγελία, αισθητήρας ταχύτητας = σταθερή έξοδος (διακοπή αν δεν πιέζει κανείς, πλήρης ισχύς αν πιέζει)

Αισθητήρες ροπής (με βάση τη δύναμη του πεντάλ)

• Μέτρο πόσο δυνατά κάνετε πετάλι ανιχνεύοντας την περιστροφική δύναμη που ασκείται στο στρόφαλο, στο κάτω στήριγμα ή στο πίσω εξάρτημα.
• Η βοήθεια είναι αναλογική: όσο πιο δυνατά κάνετε πετάλι, τόσο περισσότερη ισχύ αποδίδει ο κινητήρας.

Αισθητήρες ταχύτητας ή ταχύτητας (με βάση την ταχύτητα πεντάλ)

• Μέτρο αν και πόσο γρήγορα κάνετε πετάλι χρησιμοποιώντας μαγνήτες και έναν αισθητήρα στο στρόφαλο.
• Η βοήθεια είναι δυαδικό/on-off: Μόλις αρχίσετε να κάνετε πετάλι και φτάσετε σε έναν καθορισμένο ρυθμό, ο κινητήρας ενεργοποιείται με προκαθορισμένη ισχύ (όχι ανάλογη της δύναμης).

Βασικές διαφορές Πίνακας με μια ματιά

Ποιο είναι καλύτερο για ποδήλατα φορτίου;

Για ποδήλατα φορτίου, αισθητήρες ροπής είναι σχεδόν πάντα η καλύτερη επιλογή:

1. Ομαλή παράδοση ισχύος: Όταν μεταφέρετε παιδιά ή εμπορεύματα, χρειάζεστε σταθερότητα στις εκκινήσεις και τις στάσεις. Οι αισθητήρες ροπής παρέχουν προβλέψιμη, αναλογική βοήθεια.
2. Αποδοτικότητα μπαταρίας: Οι στόλοι παράδοσης και εφοδιασμού επωφελούνται από τη μεγαλύτερη εμβέλεια ανά φόρτιση.
3. Έλεγχος στους λόφους: Οι αισθητήρες ροπής διευκολύνουν τις εκκινήσεις σε ανηφόρες, επειδή ο κινητήρας ανταποκρίνεται άμεσα στη δύναμη που ασκείτε.
4. Ασφάλεια: Οι ξαφνικές αυξήσεις ισχύος από τους αισθητήρες ταχύτητας μπορεί να προκαλέσουν ταλαντεύσεις ή ακόμη και ανατροπή σε βαριά φορτωμένα ποδήλατα.

(Μπορείτε να διαβάσετε το άρθρο μας σχετικά με Πόση ροπή χρειάζεστε για το ποδήλατο φορτίου σας; για να δείτε πώς οι αισθητήρες ροπής συνδέονται με την επιλογή του κινητήρα.)

3. Πλεονεκτήματα των αισθητήρων ροπής σε ποδήλατα E-Bikes και ποδήλατα φορτίου

3.1 Φυσική εμπειρία ιππασίας

Επειδή η κινητική υποστήριξη είναι ανάλογη με το πόσο δυνατά κάνετε πετάλι, αισθάνεστε σαν να έχετε "βιονικά πόδια". Το ποδήλατο ανταποκρίνεται διαισθητικά στις κινήσεις σας, κάτι που είναι ιδιαίτερα σημαντικό για ποδήλατα φορτίου που μεταφέρουν βαριά φορτία. Οι αναβάτες αισθάνονται περισσότερο ελεγχόμενοι σε χαμηλές ταχύτητες, όταν κάνουν ελιγμούς γύρω από εμπόδια ή όταν ξεκινούν σε ανηφόρα με παιδιά ή εμπορεύματα.

3.2 Αποδοτική χρήση της μπαταρίας

Οι αισθητήρες ροπής επιτρέπουν στον ελεγκτή να ρυθμίζει λεπτομερώς την έξοδο του κινητήρα:

• Αν κάνετε πιο δυνατό πετάλι, ο κινητήρας αποδίδει περισσότερη ισχύ.
• Αν χαλαρώσετε, ο κινητήρας μειώνει τη βοήθεια. Αυτή η δυναμική απόκριση συμβάλλει στην εξοικονόμηση ενέργειας της μπαταρίας σε σύγκριση με τα συστήματα που βασίζονται στον ρυθμό πορείας, όπου ο κινητήρας μπορεί να παρέχει περιττή ισχύ κατά περιόδους.

3.3 Βελτιωμένη ασφάλεια

Στα ποδήλατα φορτίου, οι ξαφνικές αυξήσεις ισχύος μπορεί να είναι επικίνδυνες, ιδίως όταν είναι πλήρως φορτωμένα. Οι αισθητήρες ροπής αποτρέπουν την απότομη επιτάχυνση, προσαρμόζοντας την ισχύ του κινητήρα στην προσπάθεια του αναβάτη. Αυτό κάνει τις εκκινήσεις και τις στάσεις πιο ομαλές και συμβάλλει στη διατήρηση της σταθερότητας.

3.4 Συμβατότητα με σύγχρονους ελεγκτές

Οι αισθητήρες ροπής ενσωματώνονται καλά με Δίαυλος CAN ή άλλα πρωτόκολλα επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά συστήματα ηλεκτρονικών ποδηλάτων. Τα δεδομένα που παρέχουν μπορούν να διαμοιραστούν με άλλα εξαρτήματα, όπως οι μονάδες απεικόνισης και τα συστήματα διαχείρισης μπαταριών, για βελτιστοποιημένη απόδοση.

4. Μειονεκτήματα και προβληματισμοί

Ενώ οι αισθητήρες ροπής προσφέρουν πολλά οφέλη, έχουν επίσης ορισμένα μειονεκτήματα που αξίζει να σημειωθούν:

1. Υψηλότερο κόστος: Σε σύγκριση με τους απλούς αισθητήρες βηματισμού, οι αισθητήρες ροπής είναι πιο ακριβοί λόγω της πολυπλοκότητάς τους.
2. Απαιτήσεις βαθμονόμησης: Πρέπει να βαθμονομούνται με ακρίβεια για να εξασφαλίζουν ακριβείς ενδείξεις.
3. Ευαισθησία: Επειδή μετρούν μικρο-εκτροπές, οι εξωτερικές δονήσεις και οι μεταβολές της θερμοκρασίας μπορούν να επηρεάσουν την απόδοση, εάν δεν αντισταθμιστούν.
4. Δυνατότητα φθοράς (τύποι μετρητών τάσης): Με την πάροδο του χρόνου, οι μηχανικές καταπονήσεις μπορούν να υποβαθμίσουν τους αισθητήρες που βασίζονται σε μετρητές τάσης, αν και αυτό είναι σπάνιο με ποιοτικά εξαρτήματα.

Για τους κατασκευαστές ποδηλάτων φορτίου OEM/ODM όπως εμείς, αυτοί οι παράγοντες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την ανάπτυξη προϊόντων. Για παράδειγμα, επιλέγουμε προσεκτικά τα συγκροτήματα βραχίονα πυθμένα που συνδυάζουν ανθεκτικότητα με ακριβή ανίχνευση ροπής.

5. Εφαρμογές των αισθητήρων ροπής

Οι αισθητήρες ροπής χρησιμοποιούνται σε μια ευρεία ποικιλία βιομηχανιών, αλλά ο ρόλος τους στην ηλεκτρονικά ποδήλατα και ποδήλατα φορτίου είναι ιδιαίτερα μετασχηματιστική.

5.1 Συστήματα υποβοήθησης με πεντάλ

• Οι αισθητήρες ροπής είναι η ραχοκοκαλιά των υποβοήθηση πεντάλ (pedelec) λειτουργικότητα.
• Διασφαλίζουν ότι η υποβοήθηση ισχύος είναι φυσική και αναλογική.

5.2 Ποδήλατα μεταφοράς φορτίου βαρέως τύπου

• Για τα ποδήλατα φορτίου Long John, Longtail και trike, η ακριβής ανατροφοδότηση της ροπής είναι απαραίτητη για τη σταθερότητα και την εμπιστοσύνη του αναβάτη.
• Οι αναβάτες συχνά μεταφέρουν παιδιά, είδη παντοπωλείου ή εμπορεύματα- επομένως, η προβλέψιμη υποστήριξη του κινητήρα βελτιώνει την ασφάλεια.

5.3 Ποδήλατα στόλου και παράδοσης

• Οι εταιρείες logistics βασίζονται σε αισθητήρες ροπής για να μείωση της κόπωσης του αναβάτη και εξασφαλίζουν σταθερή απόδοση σε διάφορα εδάφη και συνθήκες φορτίου.

5.4 Άλλες εφαρμογές E-Mobility

• Τα ηλεκτρικά σκούτερ και τα μοτοποδήλατα χρησιμοποιούν παρόμοιους αισθητήρες για τον έλεγχο του γκαζιού και της αναγεννητικής πέδησης.

(Μπορείτε επίσης να βρείτε το άρθρο μας σχετικά με Μηχανισμοί διεύθυνσης Ackerman σε ποδήλατα φορτίου σχετικό, καθώς οι αισθητήρες ροπής και η γεωμετρία του τιμονιού συνεργάζονται για να παρέχουν σταθερή οδήγηση υπό φορτίο.)

6. Σύγκριση: Αισθητήρες ροπής vs.

Ετυμηγορία: Για τα ποδήλατα φορτίου, οι αισθητήρες ροπής είναι σχεδόν πάντα η καλύτερη επιλογή, επειδή παρέχουν ομαλότερες εκκινήσεις και αποδοτικότερη χρήση της μπαταρίας κατά τη μεταφορά φορτίων.

7. Ενσωμάτωση στο σχεδιασμό ποδηλάτων μεταφοράς φορτίου

Στο Regen, ενσωματώνουμε αισθητήρες ροπής κατά τη διάρκεια της φάση σχεδιασμού του βραχίονα πυθμένα, λαμβάνοντας υπόψη παράγοντες όπως:

• Γεωμετρία πλαισίου: Η ακαμψία γύρω από την περιοχή του βραχίονα πυθμένα επηρεάζει την ακρίβεια του αισθητήρα.
• Επίπεδα ροπής κινητήρα: Συνδυάζουμε αισθητήρες με κινητήρες μεσαίας κίνησης ή πλήμνης που κυμαίνονται από 60-100 Nm για τα περισσότερα ποδήλατα φορτίου.
• Ηλεκτρική αρχιτεκτονική: Τα δεδομένα του αισθητήρα ροπής επεξεργάζονται μαζί με τις πληροφορίες ταχύτητας, ρυθμού κίνησης και θερμοκρασίας του κινητήρα μέσω του διαύλου CAN.

Συνεργαζόμαστε επίσης στενά με τις ομάδες μηχανολογίας και βιομηχανικού σχεδιασμού για να διασφαλίσουμε ότι το συγκρότημα αισθητήρα ροπής παραμένει σφραγισμένο από την υγρασία και τη σκόνη (IP65 ή παραπάνω). Αυτό είναι ζωτικής σημασίας για τα ποδήλατα που χρησιμοποιούνται σε αστική εφοδιαστική, όπου η έκθεση στη βροχή και τα συντρίμμια είναι αναπόφευκτη.

8. Συμπέρασμα

Οι αισθητήρες ροπής μπορεί να μην είναι ορατοί με την πρώτη ματιά, αλλά είναι από τα πιο σημαντικά εξαρτήματα στα σύγχρονα ηλεκτρονικά ποδήλατα και ποδήλατα φορτίου. Αυτοί:

• Παρέχει μια πιο φυσική και ευέλικτη εμπειρία οδήγησης.
• Βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας.
• Ενισχύει την ασφάλεια, ειδικά όταν μεταφέρετε βαριά φορτία.

Καθώς αναπτύσσουμε εξατομικευμένες λύσεις ποδηλάτων φορτίου για πελάτες OEM/ODM, οι αισθητήρες ροπής είναι πάντα μέρος της συζήτησης. Η επιλογή του σωστού τύπου (μετρητής τάσης ή μαγνητοελαστικός), η διασφάλιση της σωστής βαθμονόμησης και η ενσωμάτωσή του με το υπόλοιπο ηλεκτρικό σύστημα είναι όλα κρίσιμα βήματα για την παράδοση ενός προϊόντος υψηλής ποιότητας.

Αν σκέφτεστε να δημιουργήσετε ένα νέο ποδήλατο φορτίου και θέλετε να συζητήσετε για τους αισθητήρες ροπής, την επιλογή κινητήρα και τη συνολική αίσθηση οδήγησης, η ομάδα μηχανικής και ID μπορεί να σας υποστηρίξει. Προσφέρουμε δωρεάν διαβουλεύσεις μέσω βίντεο, τηλεφώνου ή ηλεκτρονικού ταχυδρομείου για να σας βοηθήσουμε να πάρετε τις σωστές αποφάσεις για την αγορά-στόχο σας.

Στο τέλος

Θέλετε να μάθετε περισσότερα σχετικά με την ενσωμάτωση αισθητήρων ροπής στο επόμενο έργο σας με ποδήλατο φορτίου; Επικοινωνήστε μαζί μας για να συζητήσετε τις απαιτήσεις σας. Η ομάδα μας στο Regen ειδικεύεται σε Λύσεις OEM/ODM για ποδήλατα φορτίου, από την ανάπτυξη του πλαισίου έως την ενσωμάτωση του ηλεκτρικού συστήματος.