Sensori di coppia nelle biciclette elettriche: scopo, principio di funzionamento, vantaggi, svantaggi e applicazioni

Come Regen, riceviamo spesso domande da clienti e partner sui sensori di coppia: cosa sono, come funzionano e perché sono così importanti nelle e-bike e nelle cargo bike. I sensori di coppia sono uno di quei componenti nascosti che potrebbero non essere notati a prima vista, ma che influenzano in modo fondamentale l'esperienza di guida, l'efficienza del motore e persino la sicurezza delle biciclette elettriche assistite.

In questo articolo analizzeremo in dettaglio i sensori di coppia: cosa fanno, come funzionano, quali sono i loro vantaggi e svantaggi e dove vengono utilizzati. Inoltre, collegheremo il loro ruolo a considerazioni più ampie sulla progettazione delle cargo bike, come la selezione della coppia del motore e i protocolli di comunicazione all'interno dell'impianto elettrico.

Che cos'è un sensore di coppia?

Il sensore di coppia è un dispositivo che misura la quantità di coppia (forza di rotazione) applicata a un albero o a un asse. In una e-bike o in una bici da carico, è tipicamente collocato nella movimento centrale, forcellino posteriore o fuso della pedivella. Quando il ciclista esercita una pressione sui pedali, il sensore di coppia rileva la forza di torsione e invia un segnale al controller del motore. Il controller regola quindi l'assistenza del motore in modo proporzionale.

Questo differisce significativamente da sensori di cadenzache rilevano semplicemente se si pedala o meno, senza misurare la forza della pedalata. Mentre i sensori di cadenza tendono a fornire una sensazione di assistenza più binaria, "on/off", i sensori di coppia permettono una Pedalata più fluida e naturale.

Definizione:

Coppia = Forza × Distanza (misurata in Newton-metri, Nm).

Se si applica una forza di 100 N su un braccio della pedivella di 0,17 m, la coppia risultante è di 17 Nm.

2. Come funzionano i sensori di coppia?

La maggior parte dei sensori di coppia utilizzati nelle e-bike e nelle cargo bike sono basato sugli estensimetri. Vediamo il principio di funzionamento:

2.1 Metodo degli estensimetri

1. Il fuso o l'asse della pedivella si torce leggermente quando il ciclista pedala.
2. Estensimetri-I piccoli elementi elettrici resistivi sono incollati al mandrino.
3. Quando il mandrino si deforma, gli estensimetri cambiano resistenza.
4. Queste variazioni vengono amplificate attraverso un circuito a ponte di Wheatstone e convertite in un segnale elettrico.
5. Il controller del motore interpreta questo segnale come lo sforzo del ciclista e regola di conseguenza la potenza erogata.

2.2 Metodo magnetoelastico

Alcuni sensori di coppia di fascia alta utilizzano principi magnetoelastici:

• L'acciaio del mandrino cambia la sua permeabilità magnetica quando è sottoposto a torsione.
• I sensori di campo magnetico rilevano questi cambiamenti senza contatto fisico.
• Il vantaggio: meno usuraNon ci sono fili o anelli di scorrimento sulle parti in movimento.

Schema di un sensore di coppia per e-bike

Sensore di coppia e sensore di velocità: qual è il migliore?

In parole povere, si tratta di un autista esperto contro un apprendista.

Si può usare l'analogia tra un autista esperto e un apprendista:

Il sensore di coppia è come un "pilota esperto".

• Il conducente esperto controllerà agevolmente la potenza del veicolo in base alle condizioni della strada e alla forza dell'acceleratore:
• In salita, l'acceleratore viene automaticamente aumentato (maggiore assistenza al motore).
• Se si procede in discesa o si preme leggermente l'acceleratore, la potenza viene ridotta (risparmio di energia e sicurezza).
• L'intera esperienza di guida è fluida e naturale e il senso di sicurezza è forte.

Il sensore di velocità è come un "apprendista pilota".

• L'apprendista conducente ha solo una nozione generale dell'interruttore dell'acceleratore:
• Una volta premuto l'acceleratore, viene dato tutto il gas, indipendentemente dalle condizioni della strada.
• La reazione è lenta e l'acceleratore è completamente aperto o chiuso.
• È facile avere accelerazioni e decelerazioni brusche durante la guida, soprattutto quando si è carichi. Non è sicuro.

Sommario: Sensore di coppia = uscita intelligente su richiesta, Sensore di velocità = uscita fissa (arresto se nessuno preme, piena potenza se si preme)

Sensori di coppia (basati sulla forza del pedale)

• Misura la forza con cui si pedala rilevando la forza di rotazione applicata alla pedivella, al movimento centrale o al forcellino posteriore.
• L'assistenza è proporzionalePiù si pedala forte, più il motore eroga potenza.

Sensori di velocità o cadenza (basati sulla velocità della pedalata)

• Misura se e a che velocità si pedala utilizzando magneti e un sensore sulla manovella.
• L'assistenza è binario/on-offQuando si inizia a pedalare e si raggiunge la cadenza impostata, il motore entra in funzione con una potenza predefinita (non proporzionale alla forza).

Tabella delle differenze chiave in sintesi

Qual è il migliore per le biciclette da carico?

Per biciclette da carico, sensori di coppia sono quasi sempre la scelta migliore:

1. Erogazione fluida della potenza: Quando si trasportano bambini o merci, è necessaria la stabilità nelle partenze e nelle soste. I sensori di coppia forniscono un'assistenza prevedibile e proporzionale.
2. Efficienza della batteria: Le flotte di consegna e logistica beneficiano di una maggiore autonomia per carica.
3. Controllo sulle colline: I sensori di coppia facilitano le partenze in salita perché il motore risponde istantaneamente all'input di forza.
4. Sicurezza: Gli improvvisi sbalzi di potenza dei sensori di velocità possono causare l'oscillazione o addirittura il ribaltamento di biciclette molto cariche.

(Potete leggere il nostro articolo su Di quanta coppia avete bisogno per la vostra cargo bike? per vedere come i sensori di coppia si collegano alla scelta del motore).

3. Vantaggi dei sensori di coppia nelle biciclette elettriche e da carico

3.1 Esperienza di equitazione naturale

Poiché l'assistenza del motore è proporzionale all'intensità della pedalata, si ha la sensazione di avere "gambe bioniche". La bicicletta risponde in modo intuitivo agli input dell'utente, il che è particolarmente importante per biciclette cargo che trasportano carichi pesanti. Il pilota ha una maggiore sensazione di controllo alle basse velocità, nelle manovre di aggiramento degli ostacoli o nelle partenze in salita con bambini o merci a bordo.

3.2 Uso efficiente delle batterie

I sensori di coppia consentono al controllore di regolare con precisione l'uscita del motore:

• Se si pedala più forte, il motore eroga più potenza.
• Se si rallenta, il motore riduce l'assistenza. Questa risposta dinamica aiuta a conservare l'energia della batteria rispetto ai sistemi basati sulla cadenza, in cui il motore può fornire potenza non necessaria in alcuni momenti.

3.3 Miglioramento della sicurezza

Nelle moto da carico, gli improvvisi sbalzi di potenza possono essere pericolosi, soprattutto a pieno carico. I sensori di coppia prevengono le accelerazioni brusche adeguando la potenza del motore allo sforzo del pilota. In questo modo le partenze e gli arresti sono più fluidi e contribuiscono a mantenere la stabilità.

3.4 Compatibilità con i controllori moderni

I sensori di coppia si integrano bene con Bus CAN o altri protocolli di comunicazione utilizzati nei sistemi elettrici delle biciclette elettriche. I dati forniti possono essere condivisi con altri componenti, come le unità di visualizzazione e i sistemi di gestione delle batterie, per ottimizzare le prestazioni.

4. Svantaggi e considerazioni

Se da un lato i sensori di coppia offrono molti vantaggi, dall'altro presentano alcuni svantaggi degni di nota:

1. Costo più elevato: Rispetto ai semplici sensori di cadenza, i sensori di coppia sono più costosi a causa della loro complessità.
2. Requisiti di calibrazione: Devono essere calibrati con precisione per garantire letture accurate.
3. Sensibilità: Poiché misurano micro-deflessioni, le vibrazioni esterne e le variazioni di temperatura possono influire sulle prestazioni se non vengono compensate.
4. Potenziale di usura (tipi di estensimetri): Nel corso del tempo, le sollecitazioni meccaniche possono degradare i sensori basati sugli estensimetri, sebbene ciò sia raro con componenti di qualità.

Per i produttori OEM/ODM di cargo bike come noi, questi fattori devono essere considerati durante lo sviluppo del prodotto. Ad esempio, selezioniamo con cura i gruppi movimento centrale che combinano la durata con un rilevamento preciso della coppia.

5. Applicazioni dei sensori di coppia

I sensori di coppia sono utilizzati in un'ampia varietà di settori, ma il loro ruolo in biciclette elettriche e cargo bike è particolarmente trasformativo.

5.1 Sistemi di assistenza a pedale

• I sensori di coppia sono la spina dorsale di pedalata assistita (Pedelec) funzionalità.
• Si assicurano che l'assistenza alla potenza sia naturale e proporzionale.

5.2 Biciclette da carico per impieghi gravosi

• Per le biciclette da carico Long John, Longtail e trike, un feedback di coppia preciso è essenziale per la stabilità e la fiducia del pilota.
• Spesso i conducenti trasportano bambini, generi alimentari o merci commerciali; pertanto, un supporto motorio prevedibile migliora la sicurezza.

5.3 Flotta e biciclette per le consegne

• Le aziende di logistica si affidano ai sensori di coppia per ridurre l'affaticamento del pilota e garantire prestazioni costanti su diversi terreni e condizioni di carico.

5.4 Altre applicazioni della mobilità elettrica

• Gli scooter e i ciclomotori elettrici utilizzano sensori simili per il controllo dell'acceleratore e della frenata rigenerativa.

(Potete trovare anche il nostro articolo su Meccanismi di sterzo Ackerman nelle biciclette da carico I sensori di coppia e la geometria dello sterzo lavorano insieme per garantire una guida stabile sotto carico).

6. Confronto: Sensori di coppia e sensori di cadenza

Verdetto: Per le biciclette da carico, i sensori di coppia sono quasi sempre la scelta migliore, perché garantiscono partenze più fluide e un utilizzo più efficiente della batteria quando si trasportano carichi.

7. Integrazione nel design delle biciclette da carico

Noi di Regen integriamo i sensori di coppia durante la fase di fase di progettazione del movimento centraleconsiderando fattori quali:

• Geometria del telaio: La rigidità dell'area del movimento centrale influisce sulla precisione del sensore.
• Livelli di coppia del motore: Abbiniamo i sensori a motori mid-drive o a mozzo da 60-100 Nm per la maggior parte delle cargo bike.
• Architettura elettrica: I dati del sensore di coppia vengono elaborati insieme alle informazioni sulla velocità, sulla cadenza e sulla temperatura del motore tramite il bus CAN.

Lavoriamo inoltre a stretto contatto con i nostri team di ingegneria e di progettazione industriale per garantire che il gruppo del sensore di coppia rimanga sigillato contro l'umidità e la polvere (IP65 o superiore). Questo aspetto è fondamentale per le biciclette utilizzate nella logistica urbana, dove l'esposizione a pioggia e detriti è inevitabile.

8. Conclusione

I sensori di coppia possono non essere visibili a prima vista, ma sono tra i componenti più importanti delle moderne e-bike e cargo bike. Essi:

• Fornisce un'esperienza di guida più naturale e reattiva.
• Migliorare l'efficienza della batteria.
• Aumenta la sicurezza, soprattutto quando si trasportano carichi pesanti.

Quando sviluppiamo soluzioni personalizzate per cargo bike per clienti OEM/ODM, i sensori di coppia fanno sempre parte della discussione. La scelta del tipo giusto (estensimetrico o magnetoelastico), la garanzia di una taratura adeguata e l'integrazione con il resto dell'impianto elettrico sono tutte fasi critiche per la realizzazione di un prodotto di alta qualità.

Se state pensando a un nuovo progetto di cargo bike e volete discutere dei sensori di coppia, della scelta del motore e della sensazione generale di guida, Il nostro team di ingegneri e ID è in grado di supportarvi. Offriamo consulenze gratuite via video, telefono o e-mail per aiutarvi a prendere le decisioni giuste per il vostro mercato di riferimento.

Alla fine

Volete saperne di più sull'integrazione dei sensori di coppia nel vostro prossimo progetto di cargo bike? Contattaci per discutere le vostre esigenze. Il nostro team di Regen è specializzato in Soluzioni per cargo bike OEM/ODMdallo sviluppo del telaio all'integrazione del sistema elettrico.