La trazione DDD nella bicicletta elettrica eSpire della Third Element GmbH. Nella foto in Home Page, la sequenza di catene iwis nella trazione DDD della Clean Mobile AG.
GmbH & Co. KG ha recentemente presentato un innovativo motore per bicicletta elettrica, sviluppato insieme a Clean Mobile AG, produttore di motori elettrici per veicoli a due ruote. In virtù dei componenti meccanici ed elettronici sapientemente combinati tra loro, all’interno del motore da 1.200 W, che raggiunge una coppia di 150 Nm sulla catena, l’efficienza complessiva del sistema è dell’80%. Questa soluzione di motorizzazione, completamente esente da emissioni e da rumore, permette, data la sua ampia autonomia, un’accelerazione senza sforzi e una guida semplice, sia in città che su percorsi estremi.
di Michael Frank (*)
(*) Direttore progettuale del reparto New Business Development, presso iwis antriebssysteme GmbH & Co. KG a Monaco di Baviera, in Germania.
Il Gruppo iwis, azienda a conduzione familiare, con sede a Monaco di Baviera, è tra i leader mondiali nel settore della produzione di catene di precisione per trazione e trasporto. Tre gli ambiti commerciali: iwis motorsysteme GmbH & Co. KG che si occupa della produzione di catene di trasmissione per motori dell’industria automobilistica; iwis antriebssysteme GmbH & Co. KG, che costruisce catene a rulli di precisione e di trasporto per applicazioni industriali in meccanica e impiantistica, nei settori degli imballaggi, della stampa e alimentare, oltre che per la tecnologia di trasporto; iwis antriebssysteme GmbH, ex Flexon GmbH, che fornisce catene a rulli, catene per macchine agricole, speciali e flyer, catene a tapparella e tappeti modulari, ruote dentate motrici e accessori. Fondata nel 1916, la società che impiega oltre 1.000 dipendenti, all’ultima edizione della Fiera di Hannover ha presentato un innovativo motore elettrico per bicicletta, realizzato grazie alla collaborazione con Clean Mobile AG. Nel passato, alcuni clienti di iwis avevano espresso il desiderio di sostituire le cinghie dentate con catene di precisione. Tuttavia, fino a tre anni fa sarebbe stato assolutamente insolito montare una catena di precisione, come quelle prodotte da iwis, su una bicicletta elettrica. Cliente di iwis, Clean Mobile, era al tempo una piccola start-up, con sede non molto distante da quella di iwis, a Monaco di Baviera. Lo staff di Clean Mobile, in una precedente esperienza, aveva acquisito una buona esperienza nella produzione di biciclette elettriche per servizio postale e, dati i buoni rapporti instaurati con il personale di iwis, ha ritenuto fruttuoso far pervenire al reparto New Business Development di iwis una proposta di collaborazione.
PROGETTO INNOVATIVO
Il “progetto” sottoposto a iwis per lo sviluppo di un piccolissimo motore elettrico, caratterizzato da un numero di giri molto elevato, a basso rendimento, per bicicletta, presentava diverse variabili. Innanzitutto, il numero di giri avrebbe dovuto essere trasmesso dai pedali alla ruota posteriore. D’altro canto, il motore avrebbe dovuto“girare”, idealmente, in un range d’efficienza ottimale, con un livello di giri relativamente elevato anche a basse velocità. L’applicazione desiderata si traduceva in un triciclo cargo, con peso complessivo pari a 400 kg. Non solo, il motore avrebbe dovuto essere conforme alla norma Pedelec che regolamenta le condizioni per le biciclette elettriche con supporto alla pedalata (Pedelec = Pedal Electric Cycle).
Risultò chiaro, fin da subito, che il tutto non sarebbe stato realizzabile con un supporto alla pedalata convenzionale. Poiché gli sviluppatori di iwis e Clean Mobile erano esperti nella tecnologia per motocicli, venne definita, in tempi ristretti, la suddivisione tra rapporto di trasmissione primario e secondario. Allo stesso modo, risultò facile capire che sarebbe stato necessario un riduttore primario per eseguire la riduzione sul numero di giri dei pedali. Questo avrebbe poi permesso di realizzare la trasmissione secondaria con un comune interruttore. Furono queste, in estrema sintesi, le riflessioni e le valutazioni effettuate prima dello sviluppo del sistema di motorizzazione.
DALL’IDEA ALLA REALTÀ
La soluzione proposta da iwis è stata “trasformata” in un motore Direct Dual Drive (DDD) di Clean Mobile. L’albero dei pedali e un motore a monte sono stati “smontati” con tre sequenze di catene che generano nell’insieme un rapporto di riduzione pari a 1:38. Appositi calcoli hanno permesso di valutare gli influssi dei diversi numeri di denti delle ruote dentate motrici sul rispettivo tratto di catena e gli effetti sugli ulteriori tratti, con una valutazione finale della trasmissione complessiva risultante. Sulla base dei calcoli eseguiti, dal portafoglio prodotti iwis è stato possibile scegliere tipologie di catene che rispondevano ai valori di resistenza a fatica necessari nei singoli tratti della catena. Nell’interazione delle tre sequenze di catene è stato quindi ridotto il numero di giri massimo del motore, con 3.600 giri a una frequenza pedale applicabile. Al fine di evitare che il conducente si affaticasse troppo, una volta esaurita la batteria, il meccanismo a ruota libera è stato studiato in modo tale da garantire che la “forza umana” esercitata sui pedali permettesse il funzionamento della bicicletta, evitando che il motore venisse “trascinato”. Un secondo meccanismo a ruota libera è stato previsto per sbloccare i pedali quando il conducente non avesse più voluto pedalare.
La bicicletta elettrica eSpire di Third Element.
TEST SORPRENDENTI
La cattedra di “Tecnologia delle trasmissioni e sistemi d’attuazione” della Bundeswehrhochschule, l’Università dell’esercito tedesco di Neubiberg, nelle vicinanze di Monaco di Baviera, ha confermato per il motore un grado d’efficienza molto elevato, pari a circa l’80 % in numerose situazioni di funzionamento. Per sicurezza, tutte le rilevazioni sono state eseguite una seconda volta, ma i dati hanno sempre confermato i risultati della prima misurazione. Un contributo importante all’elevato grado d’efficienza è fornito, in particolare, dalle catene, con le loro forze di trazione che agiscono nella direzione di marcia. Nel caso di utilizzo di un ingranaggio cilindrico con dentatura elicoidale, per la necessaria riduzione del rumore, andrebbero considerate anche le forze laterali, che determinerebbero una riduzione del grado d’efficienza complessivo.
Il sistema viene oggi impiegato non solo nelle ruote cargo di vari uffici postali in Europa. L’interazione di tutti i componenti meccanici ed elettrici del sistema funziona talmente bene che, nel 2010, una bicicletta elettrica dotata di sistema di trazione DDD ad alta efficienza ha vinto il primo campionato del mondo ufficiale di E-Bike. La bicicletta ibrida con nome eSpire, del produttore Third Element GmbH di Monaco di Baviera, ha vinto la gara organizzata nell’ambito di Intermot, la fiera mondiale di cicli e motocicli svoltasi nell’ottobre 2010 a Colonia, con ben sei giri di vantaggio sulla seconda classificata.
BINOMIO DI SUCCESSO
Dopo l’accordo di successo d’inizio 2011, iwis e Clean Mobile hanno avviato una collaborazione strategica e finanziaria. La collaborazione prevede, in particolare, la produzione di componenti industriali e l’assemblaggio del sistema a trazione DDD. Non solo, nel progetto è inclusa anche la produzione e l’assemblaggio di un’altra tipologia di sistema a trazione, denominato Trasmissione a Catena Armonica (HCD).
Le due imprese sono convinte di avere le tecnologie e le migliori condizioni per affrontare al meglio i progetti futuri. “Sono in fase sviluppo sia sistemi con potenze maggiori che varianti a potenza ridotta, combinate con l’impiego di componenti in plastica. Le richieste degli utenti dei settori dei veicoli a due, tre e quattro ruote confermano il grande interesse verso questi nuovi motori”, ha affermato con soddisfazione Michael Frank, Direttore progettuale del reparto New Business Development di iwis, che ha partecipato allo sviluppo della soluzione raccontata. “Il nuovo sistema motorizzato ha rivoluzionato il mercato delle due ruote. Si tratta di uno sviluppo fedele al nostro motto aziendale “iwis muove il mondo”. Adesso iwis muove anche il mondo dell’e-mobility!”.
L’azienda di Monaco di Baviera produce sistemi di trazione sulla base di catene di precisione e, tramite gli stabilimenti di Monaco e Landberg am Lech, rifornisce i produttori di automobili di tutto il mondo con 38.000 sistemi di trazione al giorno. Oltre al settore automobilistico, iwis produce catene a rulli di precisione per l’industria meccanica e l’impiantistica, per le applicazioni nei settori cartotecnico, degli imballaggi, del convogliamento, della meccanica in generale e delle macchine agricole. A chiusura del 2011, iwis prevede un fatturato pari a 260 miliardi di euro. Oltre ai siti produttivi in Germania – Monaco di Baviera, Landsberg am Lech, Wilnsdorf e Sontra –, nella Repubblica Ceca, in Cina e negli USA, ha sedi in Brasile, Inghilterra, Francia, India, Italia, Canada, Corea, Paesi Bassi, Svizzera e Sudafrica. Complessivamente, il gruppo iwis è rappresentato in 45 sedi a livello mondiale.
Michael Frank, Direttore progettuale del reparto New Business Development di Iwis antriebssysteme GmbH & Co. KG, a Monaco di Baviera.