IT201700010575A1 - Bicicletta con freno motore - Google Patents

Description

“Bicicletta con freno motore”

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda sotto un aspetto più generale le biciclette servoassistite, vale a dire biciclette dotate di mezzi motori che consentono di ridurre lo sforzo dell’utilizzatore per pedalare.

Come è noto, le biciclette attuali sono ormai sempre più evolute da un punto di vista tecnologico e ciò vale sia per quelle destinate ad un uso sportivo o da competizione, che per quelle destinate al tempo libero o la semplice mobilità urbana delle persone.

E’ quindi sempre più diffuso l’impiego sulle biciclette di apparecchiature elettroniche, che in alcuni casi sono veri e propri piccoli elaboratori (i.e. computer) di bordo che forniscono al ciclista informazioni sulle sue prestazioni, sul percorso, la velocità, i dislivelli superati e quant’altro.

L’impiego di queste apparecchiature elettroniche ha anche favorito l’applicazione di sistemi di funzionamento servoassistito delle biciclette e/o di loro componenti, quali il cambio, le sospensioni, i freni, i pedali, la sella ecc.

Un esempio di questo stato della tecnica relativo ai componenti delle biciclette è noto dai brevetti americani US 9,381,974 e US 9,399,500, in cui viene descritto un sistema di controllo senza fili (c.d. wireless) dei componenti della bicicletta, nella fattispecie il deragliatore (c.d. dérailleur) che muove la catena per metterla in presa con il pacco di pignoni sulla ruota posteriore.

Per quanto riguarda la pedalata assistita delle biciclette, cioè il loro azionamento combinato pedali-motore oppure anche solamente a motore per ridurre lo sforzo di un ciclista nel caso di salite o di affaticamento, esistono diverse soluzioni.

Anche qui si può fare riferimento alla copiosa letteratura tecnica e brevettuale in materia, come ad esempio le domande di brevetto americane US 2016/0121730 e US 2015/0352973 entrambe a nome Shimano Inc.; di solito questi sistemi di servo azionamento delle biciclette prevedono un motore elettrico alloggiato nel telaio della bicicletta in prossimità della pedaliera, che opera sull’albero o perno dei pedali preferibilmente tramite l’intermezzo di un ingranaggio riduttore.

Il motore elettrico è associato ad una frizione o altro simile innesto o organo di collegamento unidirezionale, il quale evita che il motore venga trascinato in rotazione quando la persona pedala, ma consente la trasmissione della coppia dal motore all’albero quando è richiesta coppia motrice.

Il motore elettrico è alimentato da delle batterie elettriche che sono preferibilmente disposte in un apposito vano di alloggiamento per proteggerle dagli agenti ambientali esterni; esse sono operativamente collegate ad un controllore che ne gestisce il funzionamento in modo da ottimizzarne il consumo, a seconda del regime di crociera della bicicletta.

A tal fine sono possibili molteplici soluzioni in funzione del tipo di batterie (es. litio, nichel, ecc.), delle loro dimensioni e del numero, oltre che della bicicletta e degli altri eventuali dispositivi (luci, cambio, elaboratore di bordo) alimentati elettricamente dalle batterie.

Ad esempio, nella soluzione descritta nella pubblicazione US 2015/0352973 sono previste una serie di batterie elettriche, ciascuna associata ad un rispettivo controllore che a sua volta è collegato ad un controllore generale di potenza, il quale gestisce le batterie in funzione del loro livello di carica e della energia da fornire al motore elettrico.

Quest’ultimo assiste la pedalata del ciclista in funzione delle condizioni di viaggio della bicicletta, in salita, in pianura o in discesa, ovvero in funzione della coppia richiesta all’albero (cioè il perno dei pedali); a tal fine la bicicletta è dotata di un sensore di forza della pedalata, che rileva lo sforzo del ciclista ed al raggiungimento di una soglia prefissata, il controllore di potenza attiva il motore elettrico per assistere la pedalata. La batteria e, più in generale, il sistema di pedalata assistita vengono accesi o spenti dall’utilizzatore tramite un interruttore, che può essere disposto sulla stessa batteria o sul manubrio; peraltro, in aggiunta al motore che assiste la pedalata, nella bicicletta della pubblicazione US 2015/0352973 è previsto anche un attuatore elettrico per il cambio collegato alla batteria. L’attuatore può comandare un deragliatore nel caso dei cambi usuali per le biciclette, oppure un variatore nel caso di soluzioni più simili ai ciclomotori. Da quanto esposto sinora si può comprendere come vi siano alcune controindicazioni che limitano l’operatività e l’efficienza delle biciclette a pedalata assistita, o comunque dotate di mezzi motori, note nella tecnica anteriore di cui è a conoscenza l’odierno richiedente. Ad esempio il primo di essi riguarda il fatto che i mezzi motori, che comprendono almeno il motore elettrico ed il relativo riduttore o trasmissione, sono generalmente disposti nel telaio della bicicletta in prossimità della pedaliera per poter essere cinematicamente collegati all’albero dei pedali, e/o alla corona cui è accoppiata la catena della bicicletta. Ciò comporta dei limiti alle dimensioni del motore, e quindi alla coppia motrice che esso può fornire, perché gli spazi che sono disponibili nei telai in prossimità dei pedali sono ristretti è quindi se si aumentano le dimensioni del motore e della trasmissione, si rischia di intralciare i movimenti del ciclista e/o delle pedivelle.

In altri termini si può dire che vi sono dei limiti fisici intrinseci ai mezzi motori noti delle biciclette, che ne limitano la loro applicabilità.

Conclusioni simili valgono anche nel caso in cui il motore venga accoppiato al mozzo della ruota posteriore, secondo un’altra disposizione nota nella tecnica.

Inoltre, il mozzo della ruota posteriore serve di solito per il supporto dei pignoni dentati del cambio e pertanto l’alloggiamento di un motore nel mozzo posteriore comporta un adattamento di quest’ultimo, che lo rende difficilmente compatibile con il cambio manuale.

Inoltre, da questa rassegna sullo stato generale della tecnica discende come corollario il fatto che il motore elettrico delle biciclette non è utilizzabile come generatore per ricaricare le batterie; infatti, come spiegato sopra in relazione alla pubblicazione US 2015/0352973, il riduttore e/o la trasmissione che lo collegano all’albero o al mozzo posteriore sono dei meccanismi unidirezionali, i quali evitano che il motore venga trascinato in rotazione quando si pedala.

Ne consegue pertanto che i mezzi motori e le batterie sono generalmente sfruttabili solo per un tempo limitato rispetto all’impiego complessivo che può avere una bicicletta, risultando di fatto per lunghi intervalli di tempo un peso addizionale che zavorra la bicicletta quando non viene usato il motore.

Alla luce di questa analisi dello stato dell’arte si può quindi affermare che un problema tecnico che si pone alla base dell’invenzione, sia quello di mettere a disposizione una bicicletta a pedalata assistita, servoassistita o similari, comprendente dei mezzi motori, preferibilmente elettrici ma non necessariamente tali o solo elettrici, con caratteristiche di struttura e funzionamento tali da superare i limiti sopra delineati con riferimento alle biciclette note.

In altri termini si può dire che l’invenzione ha tra i suoi scopi quello di predisporre una bicicletta in cui i mezzi motori, o almeno una parte di essi, siano utilizzabili anche quando non è richiesto di assistere lo sforzo della persona che pedala, così da essere sfruttati al meglio durante tutto il funzionamento della bicicletta.

Un ulteriore scopo del trovato è quello di predisporre una bicicletta dotata di mezzi motori che siano atti a funzionare anche come mezzi generatori elettrici, così da poter ricaricare le batterie durante l’uso della bicicletta, ad esempio in discesa.

L’idea per risolvere il problema tecnico anzidetto e/o conseguire uno o più degli scopi appena richiamati, è quella di predisporre una bicicletta in cui i mezzi di assistenza alla pedalata possano operare anche come mezzi di assistenza alla frenatura: in questa maniera essi risultano operativi non solo durante nelle fasi di aiuto allo sforzo di chi pedala, ma anche in quelle di funzionamento o andatura normale della bicicletta, cioè non assistita, per rallentarne la corsa.

Vantaggiosamente questa caratteristica può essere sfruttata anche per convertire l’energia cinetica della bicicletta in energia elettrica, utile per ricaricare le batterie.

Infatti, utilizzando dei mezzi motori appropriati i quali siano in grado di operare anche come mezzi generatori elettrici, il lavoro meccanico fatto nella fase di frenatura può essere trasformato in energia elettrica (secondo il ben noto principio della dinamo) da inviare alle batterie.

Le caratteristiche dell’invenzione sono enunciate più specificamente nelle rivendicazioni annesse a questa descrizione.

Tali caratteristiche, gli effetti che ne derivano e i vantaggi conseguiti dall’invenzione risulteranno maggiormente dalla descrizione che viene di seguito riportata di un suo esempio indicativo e non limitativo di realizzazione, mostrato nei disegni allegati nei quali:

- Fig.1 e 2 mostrano delle viste in prospettiva da rispettive angolazioni, di una bicicletta in accordo con l’invenzione;

- Fig.3 mostra un dettaglio della parte anteriore della bicicletta precedente;

- Fig.4 mostra un dettaglio della parte posteriore della bicicletta precedente;

- Fig.5 è una vista dall’altro del manubrio della bicicletta precedente;

- Fig.6 mostra un particolare della bicicletta precedente e di un dispositivo freno-motore anteriore secondo l’invenzione;

- Fig.7 è un ingrandimento del dispositivo freno-motore della figura precedente;

- Fig. 8 è uno schema a blocchi relativo ad una unità di controllo del dispositivo frenomotore delle figure precedenti;

Fig. 9 è uno schema a blocchi relativo ad una variante dell’unità di controllo della figura precedente.

Prima di procedere oltre nella disamina dell’esempio mostrato nelle figure, conviene premettere che il termine “comprende” ed i sui derivati come “comprendente”, “comprensivo” e simili, impiegati in questa sede, deve essere inteso in modo aperto per specificare che la presenza degli elementi, caratteristiche, componenti, gruppi, fasi operative menzionati, senza escludere tuttavia quella di altri elementi, caratteristiche, componenti ecc., che non sono menzionati esplicitamente o comunque considerati nel dettaglio.

Lo stesso vale per verbi come “includere”, “avere” ed i loro derivati, nonché anche per sostantivi o termini come “parte”, “sezione”, “porzione”, “membro”, “elemento”, i quali possono essere usati al singolare o al plurale, per indicare una singola parte o un insieme a meno che non risulti diversamente dal contesto.

Ulteriormente, particolari configurazioni e/o strutture e/o caratteristiche di seguito descritte a fronte dell’esempio non limitativo, possono essere considerate singolarmente o combinate in ogni modo adeguato tra loro o con altri elementi, in una o più forme di attuazione dell’invenzione, anche differenti da quelle qui esemplificate; inoltre, i riferimenti numerici utilizzati nel seguito sono soltanto per comodità e non definiscono o limitano l’ambito di tutela o la portata delle varie forme di attuazione. Alla stessa stregua i riferimenti e spaziali e/o definizioni come “superiore”, “inferiore”, “sopra”, “sotto”, “alto”, “basso” sono da intendersi collegati alle figure esemplificative e non devono quindi essere intesi in senso limitante o tale da escludere diverse posizioni dei singoli elementi.

Infine si tenga presente che per brevità e chiarezza in questa sede si descriveranno solo le parti o gli elementi necessari o utili alla comprensione dell’invenzione, tralasciando quelli che non rilevano a tal fine; così, trattando in questo caso di una bicicletta si potrà fare riferimento per maggiori ragguagli sull’argomento, a quanto rientra nelle comuni conocenze tecniche delle persone (anche non particolarmente) esperte su questo veicolo di trasporto.

Tenendo a mente questa premessa, si può vedere come nei disegni una bicicletta secondo l’invenzione è complessivamente indicata con il riferimento numerico 1; essa comprende un telaio 2 che in questo caso è del tipo chiuso, a tubi 2a, 2b, 2c, uniti tra loro, ad esempio mediante saldatura nel caso essi siano metallici (acciaio, alluminio, titanio o leghe), oppure con altri procedimenti appropriati (stampaggio, termoformatura, incollaggio, o altro) nel caso essi siano in altri materiali, compresi quelli sintetici quali fibra di carbonio, PVC e quant’altro.

La bicicletta 1 comprende poi una forcella anteriore 5 ed una posteriore 6 destinate al montaggio delle corrispondenti ruote 7 e 8 a raggi; la forcella posteriore 5 è una struttura solidale con il telaio 2 di cui costituisce in pratica una appendice formata da delle aste, mentre quella anteriore 7 è associata al telaio 2 ed è collegata al manubrio 10 della bicicletta in maniera di per sé nota (cioè con un cannotto dello sterzo, cuscinetti volventi, ecc.), per la sua rotazione intorno ad un asse Z preferibilmente inclinato rispetto alla verticale per la guida della bicicletta.

Quest’ultima comprende poi un sellino 12 ed una pedaliera 13, con due pedali 13a, 13b che fanno girare la ruota posteriore 8 mediante la trasmissione a catena 15. la quale collega una corona anteriore 16 ed un pignone posteriore 17; la bicicletta 1 è inoltre dotata sulle ruote 7 e 8 di rispettivi freni 18 e 19 a pattino o tampone, comandati da corrispondenti leve 20, 21 sul manubrio 10 a cui sono collegati dai consueti cavi flessibili. I freni 18, 19 sono supportati sulle forcelle anteriore e posteriore 5 e 6, da delle staffe 22, 23

Si noti che tutti questi componenti della bicicletta (telaio, pedaliera, catena, ruote, freni, ecc.) possono essere vantaggiosamente di tipo noto oppure essere quelli presenti nelle comuni biciclette, soprattutto nel caso di applicazione del trovato a biciclette già esistenti. Infatti questo è un aspetto particolarmente vantaggioso dell’invenzione: essa può venire applicata anche su biciclette già esistenti, rendendole delle biciclette dotate di mezzi motori senza doverle cambiare o modificare ed ampliando quindi le possibilità di diffusione del trovato.

Questo vale per tutte le biciclette, non solo quelle simili a quella mostrata nei disegni che è puramente indicativa; si potranno quindi avere applicazioni dell’invenzione su biciclette da strada o da fuoristrada, da adulti o da ragazzi, biciclette con telai rigidi oppure pieghevoli, con cambio o senza cambio, e quant’altro ancora.

In accordo con una forma preferita dell’invenzione, la bicicletta 1 comprende un dispositivo freno-motore 100 associato o attivo sulle ruote 7, 8; si tratta comunque di una soluzione preferenziale, perché il dispositivo freno-motore potrebbe essere associato o attivo su una sola delle ruote, ad esempio quella davanti 7 o quella dietro 8.

Per questo motivo, oltre che per comodità di descrizione, in questo esempio realizzativo del trovato si assumerà che i dispositivi freno-motore 100 di ciascuna ruota 7, 8 siano uguali tra loro.

Essi potranno comunque essere differenti tra loro, a seconda delle esigenze, del tipo di bicicletta o altro.

Il dispositivo freno-motore 100 comprende una unità di controllo 101, che nell’esempio è applicata sul manubrio 10 per i motivi che risulteranno meglio dopo, ma che potrebbe comunque essere disposta in altre parti della bicicletta quali il telaio 2 oppure un eventuale portapacchi, nel caso esso sia presente.

L’unità di controllo 101 comprende essenzialmente un involucro o contenitore esterno 102, avente configurazione sostanzialmente scatolare, nella quale sono alloggiate le batterie 104; queste ultime sono di preferenza del tipo ad alte prestazioni in relazione al peso, come ad esempio le batterie al litio o polimeri di litio.

Sugli altri componenti della unità di controllo 101 si tornerà meglio nel seguito, in quanto risulteranno più chiari dopo aver esposto le altre parti del dispositivo freno-motore 100, il quale comprende una pluralità di rotori 110, 111, 112, 113 disposti a coppie in prossimità delle ruote anteriore 7 e posteriore 8.

I rotori 110-113 sono i rotori di corrispondenti motori elettrici senza spazzole 110a, 111a, 112a, 113a (c.d. brushless) del tipo a cassa rotante, ovvero in cui l’elemento rotante sul quale sono disposti i magneti permanenti è la parte esterna del motore, cioè il rotore per l’appunto.

Prima di procedere oltre è solo il caso di precisare che in questa descrizione e nelle successive rivendicazioni, si farà riferimento principalmente ai rotori 110-113 per definire gli elementi del dispositivo freno-motore 100 per motivi di chiarezza in quanto, come si vedrà, a seconda delle fasi di marcia della bicicletta, i motori 110a-113a senza spazzole possono funzionare anche come generatori di corrente e quindi ciò potrebbe causare dei malintesi o comunque limitare l’ambito dell’invenzione.

D’altra parte le caratteristiche meccaniche ed elettriche dei motori (e generatori) senza spazzole di cui i rotori 110-113 fanno parte, possono variare a seconda di molteplici parametri quali la applicazione ovvero il tipo di bicicletta (grande, piccola, da strada o fuoristrada, ecc.), della potenza richiesta per assistere la pedalata, e quant’altro.

Tipicamente i rotori 110-113 hanno diametro esterno compreso tra 15 e 50 millimetri, ed altezza tra 10 e 40 millimetri; anche i relativi motori (o generatori) elettrici senza spazzole 110a-113a hanno potenza che può essere diversa da una applicazione all’altra, ma che solitamente è nell’ordine di alcune centinaia di Watt, da 100 a 5-600 Watt.

Motori (generatori) elettrici senza spazzole con queste caratteristiche sono oggi commercialmente disponibili, ad esempio presso la azienda cinese Hobbyking (sito internet www.hobbyking.com) oppure quella italiana Modeltoy Srl (www.modeltoy.it). Si tratta di motori elettrici normalmente utilizzati per altre applicazioni quali gli asservimenti di dimensioni medio-piccole per azionamento di parti meccaniche, il oppure per modellismo e/o l’azionamento di veicoli aerei a comando remoto (i cosiddetti droni). Non si ritiene pertanto di doversi soffermare oltre sulla tecnologia e sulle caratteristiche strutturali (avvolgimenti, magneti permanenti, ecc.), elettrotecniche (alimentazione in CC) e di funzionamento di questi motori (generatori) senza spazzole, rinviando per maggiori ragguagli alla numerosa letteratura tecnica e scientifica esistente in materia. Fatta questa premessa è quindi possibile comprendere come in questo esempio i rotori 110-113 (con i relativi motori/generatori 110a-113a) sono vantaggiosamente disposti sulle stesse staffe 22, 23 che servono per il supporto dei freni 18, 19, come nell’esempio mostrato nei disegni; a tal fine si può sfruttare il lato delle staffe 22, 23 opposto rispetto a quello dei freni 18, 19, dove peraltro sono di solito presenti dei fori appositamente previsti fissare altri elementi.

Indipendentemente da ciò, i rotori 110-113 sono montati su rispettive leve 116, 117, 118, 119, oscillanti elasticamente, simili a quelle dei freni, e comandate a due a due (cioè quelle sulla ruota anteriore 7 e posteriore 8) tramite rispettivi cavetti 120, 121 collegati a delle ghiere o manopole di comando 122, 123 sul manubrio 110.

In particolare, le ghiere o manopole 122, 123 comandano lo spostamento delle leve 116-119 in modo da spostare i corrispondenti rotori 110-113 da una condizione non operativa in cui sono distanziati dalle ruote 7, 8 della bicicletta, ad una condizione operativa in cui i rotori 110-113 sono accostati, preferibilmente mantenendoli premuti, contro le ruote 7, 8.

In particolare, l’orientamento dell’asse di rotazione X-X dei rotori 110-113 è sostanzialmente trasversale a quello di rotazione della relativa ruota 7, 8, di modo che la velocità periferica dei rotori nel punto di contatto con la ruota sia sostanzialmente parallela a quella periferica di quest’ultima.

In altri termini si può dire che l’azionamento dei rotori 110-113 supportati dalle leve 116-119 e comandati con i cavetti 120, 121 e le ghiere 122, 123 sul manubrio 10, è tutto sommato simile a quello dei freni 18, 19 comandati con le leve 20, 21 sul manubrio: tuttavia vi è la differenza che nel caso dei rotori 110-113 la loro condizione operativa nella quale sono premuti contro le ruote 7, 8, viene mantenuta stabilmente fino a quando non viene rimossa operando sulle ghiere 122, 123 di comando.

Ciò al fine di consentire alla persona che è sulla bicicletta di continuare a viaggiare normalmente, anche quando la sua pedalata è assistita dal dispositivo freno-motore 100. I rotori 110-113 sono preferibilmente dotati esternamente di uno strato sporgente di gomma 126, che ha lo scopo di favorire l’attrito con la rispettiva ruota 7, 8 quando sono nella condizione operativa premuti contro di essa.

Lo strato in gomma 126 favorisce quindi il rotolamento del rotore 110-113 sulla ruota 7, 8 similmente al pneumatico di una automobile sulla strada, e di preferenza può essere sostituito quando usurato così da assicurare il mantenimento delle condizioni ottimali di funzionamento e contatto ruota-rotore.

Nella circostanza, ricollegandosi a quanto premesso in precedenza, sembra opportuno a questo punto dare alcune spiegazioni sull’unità di controllo 101 e le modalità controllo dei rotori 110-113, con l’ausilio dello schema a blocchi di fig.8.

Come si vede, l’unità di controllo 101 comprende un gruppo gestione 130 dell’andatura della bicicletta (in termini anglosassoni “ride controller”), collegato ad una serie di regolatori elettronici 132, 133 della velocità; questi ultimi sono alimentati dalle batterie 104 e sono a loro volta collegati ai motori elettrici senza spazzole 110a-113a associati ai rotori 110-113.

In figura 8 sono mostrati solo i due rotori 110, 111 e motori 110a, 111a della ruota anteriore 7 della bicicletta con i regolatori 132, 133, ma ovviamente le stesse cose valgono anche per quelli posteriori 112, 113, che sono uguali e sono accoppiati con rispettivi controllori (non mostrati in fig.8).

Nella condizione operativa di assistenza alla pedalata del dispositivo freno-motore 1, i regolatori elettronici 132, 133 gestiscono la velocità dei rotori 110, 111, fornendo la corrente elettrica necessaria ai rispettivi motori 110a, 111a secondo le modalità stabilite dal gruppo di gestione 130.

In pratica i regolatori elettronici 132, 133 ricevono dal gruppo di gestione 130 dei segnali elettrici, che preferibilmente sono di tipo modulato digitale (es. Modulazione di Impulso di Posizione, Position Pulse Modulation o PPM) sotto forma di una onda quadra, con una frequenza elevata che è funzione della velocità di rotazione dei rotori: tanto maggiore è la velocità, quanto più grande sarà la frequenza, che può raggiungere valori di alcune migliaia di cicli al secondo (kHz).

Nello schema a blocchi, ciascun regolatore 132, 133 ha in entrata i cavi 134 di alimentazione che lo collegano alle batterie 104, ed in uscita i cavi (tipicamente tre quante sono le fasi degli avvolgimenti dello statore) 136, 137 che portano la corrente ai motori senza spazzole 110a-113a associati ai rotori 110, 111.

La linea 140 che collega il gruppo di gestione 130 con i regolatori 132, 133, è di tipo bidirezionale ovvero atta a trasmettere segnali dal primo verso i secondi e viceversa, a seconda delle fasi di funzionamento della bicicletta di cui si dirà dopo.

Il gruppo di gestione può essere alimentato autonomamente da una delle batterie 104 ed un relativo cavo oppure, preferibilmente, essere dotato di un circuito interno che consenta la sua alimentazione elettrica attraverso uno dei regolatori 132, 133 e la linea di collegamento dati 140.

Un simile circuito (che può essere integrato nella scheda del gruppo di gestione 130) permette di alimentare l’elettronica di bordo evitando di dover predisporre una batteria secondaria appositamente per il gruppo di gestione 130.

Quest’ultimo è inoltre collegato ad altri sensori o apparati presenti a bordo della bicicletta, come in questo caso un generatore di impulsi 143 (c.d. “encoder”) applicato alla pedaliera 13 per rilevare il numero di pedalate; altri sensori che si possono collegare al gruppo di gestione 130 sono dei rilevatori di coppia e/o della velocità della bicicletta 1, un accelerometro per determinare le variazioni di velocità nel tempo, un inclinometro per conoscere la pendenza della strada, oppure un ultracapacitore o supercondensatore. Tali sensori non sono mostrati nei disegni ma possono essere già presenti nella bicicletta oppure essere incorporati direttamente nella unità di controllo 101.

Il funzionamento della bicicletta 1 e del dispositivo freno-motore 100 sopra descritti, avviene come segue.

Quando durante la un viaggio una persona ha bisogno di assistenza nella pedalata, ad esempio perché la strada è in salita oppure in caso di stanchezza, esso comanda l’attivazione sul dispositivo 100 della funzione motore mediante la unità di controllo 101; contestualmente i rotori 110, 111 e 112, 113 vengono portati nella condizione operativa in cui sono premuti contro le ruote 7 e 8, operando sulle ghiere 122, 123 al manubrio. Si noti tuttavia che essendo vantaggiosamente indipendenti i rotori anteriori 110, 111 e quelli posteriori 112, 113, è possibile azionare eventualmente solo una coppia di essi. In questa condizione operativa, l’unità di controllo 101 riceve dal sensore 143 posto nella pedaliera o da altri eventuali sensori presenti sulla bicicletta, le informazioni sul numero di pedalate, la velocità della bicicletta, l’eventuale accelerazione o decelerazione, la pendenza della strada e quant’altro.

Sulla base di tali informazioni il gruppo di gestione 130 elabora la potenza elettrica necessaria da fornire ai motori elettrici 110a-113a senza spazzole associati ai rotori 110 113, affinché questi assistano la pedalata della persona sulla bicicletta.

Più propriamente, i rotori 110-113 girano ad una velocità rotatoria (giri/minuto) prefissata così da avere una velocità periferica (cioè quella lineare data dal prodotto tra la velocità ω ed il raggio r) leggermente maggiore di quella periferica delle ruote 7, 8: in questo modo i rotori 110-113 applicano una coppia di trascinamento sulle ruote 7, 8, favorita dall’attrito tra esse e lo strato di gomma 126 presente sui rotori 110-113.

Si noti come nell’esempio i rotori 110-113 sono attivi sul cerchione 7a, 8a delle ruote 7, 8 dato che questa soluzione risulta la più affidabile, non dipendendo dal livello di gonfi aggio delle camere d’aria o lo stato del copertone. Non sono comunque da escludere soluzioni in cui i rotori 110-113 siano attivi sui copertoni delle ruote, che assicurano un buon attrito con i rotori e lo strato di rivestimento 126, essendo realizzati in gomma. La corrente elettrica fornita ai motori senza spazzole associati ai rotori 110-113 viene regolata dai regolatori 132, 133 sulla base dei segnali digitali ricevuti dal gruppo di gestione 130: in questo modo si ottiene una gestione ottimale della corrente proveniente dalle batterie 104, capace di adattarsi tempestivamente alle variazioni delle condizioni di marcia della bicicletta.

Quando l’utente non desidera più avere assistenza alla pedalata, esso comanda il rilascio dei rotori 110-113 mediante le ghiere 122, 123 del manubrio.

Questa variazione di condizione operativa causa un improvviso aumento di velocità di rotazione dei rotori 110-113, che viene prontamente rilevato dai regolatori 132, 133 i quali comandano quindi il taglio della corrente salvaguardando così la carica elettrica delle batterie 104.

Quando invece la bicicletta marcia in discesa o comunque l’utilizzatore non vuole l’assistenza alla pedalata, esso può impostare sull’unità di controllo 101 la modalità di funzionamento del dispositivo 100 come freno.

In tale condizione il dispositivo 100 diventa un freno ausiliario rispetto a quelli normali 18, 19, che rallenta la corsa della bicicletta sfruttando il funzionamento dei rotori 110-113 e dei relativi motori senza spazzole 110a-113a, come generatori di corrente elettrica. E’ infatti noto che il principio di funzionamento di tali motori consente di operare in maniera reversibile anche come macchina generatrice di corrente, sfruttando il movimento dei rotori 110-113 su cui sono disposti i magneti permanenti per indurre delle correnti negli avvolgimenti statorici.

Pertanto in questo caso quando l’utilizzatore comanda, mediante le ghiere 122, 123 sul manubrio 10, l’accostamento dei rotori 110-113 alla relativa ruota 7, 8 nella condizione di contatto di cui si è già detto sopra (fig.7), la rotazione delle ruote 7, 8 causa quella dei rotori 110-113 così che i magneti permanenti di questi ultimi inducono corrente negli avvolgimenti dei rispettivi generatori 110a-113a senza spazzole.

La corrente circola quindi nei regolatori elettronici 132, 133 ed inviata alle batterie 104; in questo contesto il gruppo di gestione 130 elabora i valori di tensione e corrente in funzione delle condizioni di rotazione dei rotori 110-113, ovvero del numero di giri e/o della coppia trasmessa, così che i regolatori elettronici 132, 133 possano fornire l’energia elettrica alle batterie nelle condizioni (tensione e/o corrente) richieste per la loro ricarica. Da quanto sinora descritto è possibile comprendere come la bicicletta 1 con il dispositivo freno-motore 100, risolva il problema tecnico che è alla base dell’invenzione.

Infatti, per quanto riguarda l’assistenza alla pedalata, i rotori 110-113 (con i relativi motori senza spazzole) forniscono una azione di trascinamento delle ruote 7, 8 della bicicletta che allevia lo sforzo della persona che sta pedalando.

Occorre sottolineare come questo risultato sia ottenuto applicando una forza perifericamente rispetto alla ruota 7, 8, in particolare sul cerchione 7a, 8a e/o sul vicino copertone, così che è possibile ottenere diversi effetti vantaggiosi da questa caratteristica. Il primo è quello delle ridotte dimensioni dei mezzi motori impiegati, vale a dire i rotori 110-113 con i relativi motori senza spazzole 110a-113a, a parità di condizioni (coppia trasmessa e/o energia fornita dalle batterie) rispetto ai sistemi di pedalata assistita noti, in cui i mezzi motori operano in corrispondenza della pedaliera o del mozzo della ruota posteriore delle biciclette.

E’ infatti agevole comprendere come la disposizione periferica dei rotori 110-113 in corrispondenza del cerchione e/o del copertone, permette di ottenere con una forza relativamente bassa da essi applicata e legata ai giri dei rotori stessi ed anche all’attrito con le ruote 7, 8, una coppia efficace per assistere la marcia della bicicletta.

E’ infatti noto dalle leggi della fisica che la coppia risultante è proporzionale alla distanza del punto di applicazione della forza, dall’asse di rotazione della ruota (C= F x R dove C è la coppia, F la forza e R la distanza che in questo caso coincide con il raggio della ruota). Da questa migliore efficienza deriva come logico corollario il fatto che anche i consumi di energia elettrica delle batterie 104 vengono ridotti in proporzione, a parità di condizioni: è evidente che minore è la forza da applicare, minore sarà la corrente elettrica da fornire ai motori 110a-113a necessaria per ottenerla.

Riducendo i consumi è inoltre possibile ridurre anche la capacità delle batterie, che sono quindi più leggere e ciò non è trascurabile per le biciclette, dove è sempre sentita l’esigenza di ridurre i pesi superflui.

Ulteriormente la disposizione periferica dei mezzi motori, cioè dei rotori 110-113 e dei motori senza spazzole 110a-113a non richiede alcuna modifica strutturale alla bicicletta, né tanto meno alle sue ruote 7, 8 o alla pedaliera 13, diversamente da quanto accade nelle biciclette note.

Come si è detto inizialmente, i sistemi di pedalata assistita noti prevedono la presenza di motori in corrispondenza della pedaliera o del mozzo della ruota posteriore; ciò richiede una realizzazione apposita di questi componenti, adatta ad alloggiare i motori (elettrici) che operano in corrispondenza dell’asse di rotazione dei pedali o della ruota stessa. La breve distanza dall’asse di rotazione implica che i motori noti abbiano comunque una certa dimensione per poter fornire una coppia accettabile.

La presente invenzione è invece attuabile senza dover modificare la struttura delle varie parti della bicicletta, così da poter essere applicata anche su biciclette esistenti (c.d. retrofitting) con evidenti vantaggi in termini economici e di diffusione.

Inoltre il dispositivo freno-motore 100 secondo l’invenzione è in grado di funzionare sia come freno che come generatore elettrico per la ricarica delle batterie 104: questo fatto aumenta notevolmente l’efficienza dell’invenzione, che di fatto può essere sfruttata non solo per la pedalata assistita cioè nelle salite, ma anche nelle discese o comunque ogni qualvolta l’utente lo desideri.

A conoscenza del richiedente questo risultato non è noto nella tecnica anteriore, dove i mezzi motori per la pedalata assistita risultano di fatto un peso morto da trasportare per buona parte del tempo di marcia delle biciclette.

Naturalmente sono possibili varianti dell’invenzione rispetto a quanto è stato sinora descritto.

Già si è detto che si potranno avere cambiamenti in funzione delle differenti biciclette cui è applicata l’invenzione (da strada o fuoristrada, per adulti o bambini, ecc.); ne consegue che i comandi sul manubrio che nell’esempio mostrato sono delle ghiere 122, 123 di uso comune sulle biciclette, potranno essere configurati diversamente ad esempio come dei pulsanti o delle leve oppure anche essere assenti.

Si pensi al caso in cui i rotori 110-113 possano essere spostati nelle condizioni operative manualmente da un utilizzatore, similmente a quanto avveniva con le dinamo sulle biciclette di qualche decennio fa.

In questi casi si avrà un supporto per i rotori (con i relativi motori senza spazzole) del tipo a leva oscillante, ma con un fermo almeno per la condizione operativa di contatto con la ruota della bicicletta.

Anche per quanto riguarda i componenti dell’unità di controllo 101 quali il gruppo di funzione 130 ed i regolatori elettronici 132, 133 si potranno avere differenti soluzioni, anche tenendo conto che si tratta comunque di apparati elettronici incorporabili in circuiti di varia natura (es. processori, PCB, schede, firmware ecc.).

A tale proposito una variante di particolare interesse è quella mostrata in figura 9, che riporta uno schema a blocchi simile a quello già considerato sopra, dal quale differisce principalmente per il fatto la unità di controllo 101, o almeno una parte di essa, è allocata in un terminale mobile di telecomunicazioni, quale un telefono cellulare o satellitare, una lavagna elettronica (c.d. tablet) oppure un navigatore satellitare, o similari.

Come si vede, il gruppo di gestione 130 dell’esempio precedente è sostituito in questo caso dal terminale mobile 130’, il quale ne svolge le funzioni già descritte in precedenza oltre a quelle che sono rese possibili da un terminale mobile preferibilmente di nuova generazione o un c.d. smartphone.

Infatti, grazie alle funzioni di localizzazione geografica del terminale 130’ ed alla sua connessione alla rete di telecomunicazioni (schematicamente rappresentata in figura 9) è possibile rilevare in tempo reale la posizione della bicicletta 1 e la strada che sta percorrendo, così da sapere se si devono incontrare delle salite o delle discese lungo il percorso e quando, con una determinata andatura, è previsto di incontrarle.

Per queste e le altre funzioni è possibile realizzare delle specifiche applicazioni per terminali mobili, cioè dei programmi che un utilizzatore può avviare con semplicità (ad esempio con una icona sullo schermo tattile del terminale mobile).

Ulteriormente il terminale mobile 130’ è in grado di calcolare la velocità della bicicletta rilevando la sua posizione geografica nel tempo; questo può essere fatto in accordo con quanto avviene con i sistemi di navigazione satellitare, nel caso il terminale mobile 130’ sia del tipo adatto a ciò, oppure sfruttando la localizzazione dell’apparecchio con la rete di telefonia cellulare.

In ogni caso se il terminale 130’ è in grado di rilevare la velocità della bicicletta, non è necessario che quest’ultima sia dotata di mezzi tachimetrici o altri sensori che abbiano questa funzione (es. il generatore di impulsi 143 o altri).

Ulteriori possibili varianti dell’invenzione da tenere in considerazione, sono connesse al miglioramento delle prestazioni della bicicletta, integrando il dispositivo freno-motore 100 con ulteriori funzioni, quali le seguenti.

La prima è quella di prevedere un sensore di forza o pressione sulle ghiere o manopole 122, 123 di comando del dispositivo freno-motore 100, oppure sulle relative leve 20, 21 al manubrio dei freni 18, 19; il sensore di forza o pressione, che può essere di qualunque tipo noto come ad esempio un quarzo piezoelettrico, permette di rilevare la forza di frenatura applicata e quindi di gestire il funzionamento dei rotori 110-113, potendo modulare la loro azione di frenata rigenerativa (cioè quando operano come generatori elettrici) similmente ad un dispositivi frenante di tipo ABS per il campo automobilistico. Una seconda variante è quella legata all’impiego di un ultracapacitore o superconsensatore nella unità di controllo 101: in pratica si tratta di aggiungere uno di tali supercondensatori e collegarlo al gruppo di gestione 130 (visibile negli schemi di fig.8 e 9) in parallelo alle batterie, in modo che le correnti di picco generate dai rotori 110-113 vengano assorbite da tali componenti circuitali e trasferite alle batterie, così da aumentare il rendimento di carica del dispositivo freno-motore 100 per assistere la pedalata.

Infine, i rotori 110-113 ed i motori 110a-113a possono essere associati ad ingranaggi o meccanismi riduttori di tipo meccanico (riduttori assiali o epicicloidali) per migliorare le prestazioni di frenata e assistenza alla pedalata.

Tutte queste varianti possono essere facilmente implementate anche sulle biciclette elettriche esistenti, oltre che quelle normali.

Queste ed altre varianti rientrano tuttavia nell’ambito delle rivendicazioni che seguono.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Bicicletta comprendente mezzi motori (100, 110-113) per l’assistenza alla pedalata, caratterizzata dal fatto che tali mezzi (100, 110-113, 110a-113a) sono attivi in corrispondenza di punti sostanzialmente periferici di almeno una ruota (7, 8) della bicicletta.
2. 2. Bicicletta secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi motori (100, 101, 110-113, 110a-113a) sono attivi sul cerchione (7a, 8a) e/o il copertone della ruota (7, 8).
3. 3. Bicicletta secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui i mezzi motori (100, 101, 110-113, 110a-113a) sono atti ad operare una azione di frenatura della ruota (7, 8) quando la bicicletta marcia in discesa o comunque non è richiesta assistenza alla pedalata.
4. 4. Bicicletta secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi motori comprendono almeno un rotore (110-113) di un motore elettrico (110a-113a) del tipo a corrente continua senza spazzole.
5. 5. Bicicletta secondo la rivendicazione 4, in cui detto almeno un rotore (110-113) è esterno al rispettivo motore elettrico (110a-113a) ed è disposto rispetto alla ruota (7, 8), in modo che la sua velocità periferica sia sostanzialmente parallela a quella periferica del punto della ruota (7, 8) con cui è in contatto.
6. 6. Bicicletta secondo le rivendicazioni 4 o 5, in cui i rotori (110-113) sono mobili tra una posizione operativa in cui sono in contatto perifericamente con la ruota (7, 8), ed una posizione non operativa in cui sono allontanati dalla ruota (7, 8).
7. 7. Bicicletta secondo la rivendicazione 6, in cui i rotori (110-113) con i relativi motori elettrici (110a-113a) sono disposti su leve (116-119) o simili elementi oscillanti tra dette posizioni operativa e non operativa.
8. 8. Bicicletta secondo le rivendicazioni 6 o 7, comprendente organi di comando (122, 123) quali ghiere, leve o similari, disposti sul manubrio (10), per comandare lo spostamento dei rotori (110-113) tra dette posizioni operativa e non operativa.
9. 9. Bicicletta secondo una qualunque delle rivendicazioni da 4 a 8, in cui i mezzi motore (100, 101, 110-113) comprendono una unità elettronica di controllo (101) in cui un gruppo di gestione (130) è atto ad elaborare informazioni relative alla pedalata e/o velocità della bicicletta, per regolare la velocità dei rotori (110-113).
10. 10. Bicicletta secondo la rivendicazione 9, in cui i mezzi motore (100, 101, 110-113, 110a-113a) comprendono un regolatore elettronico (132-134) operativamente collegato ad un rispettivo motore elettrico (110a-113a) di un rotore (110-113), al gruppo di gestione (130) e ad una batteria (104), atto a regolare la corrente di alimentazione fornita al, o generata dal, motore elettrico (110a-113a).
11. 11. Bicicletta secondo le rivendicazioni 9 o 10, in cui le funzioni della unità di controllo (101) sono almeno in parte svolte da un terminale mobile (130’) per telecomunicazioni.
12. 12. Bicicletta secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, comprendente un sensore di forza o pressione, atto a rilevare la forza di frenatura applicata alla bicicletta, così da gestire il funzionamento dei mezzi motori (100, 101, 110-113, 110a-113a) con una azione di frenatura modulata sostanzialmente come i dispositivi frenanti di tipo ABS.
13. 13. Bicicletta secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi motori (100, 101, 110-113, 110a-113a) comprendono una batteria elettrica (104) ed almeno un componente circuitale del tipo supercondensatore operativamente collegato alla batteria elettrica, in modo che le correnti elettriche generate dai mezzi motori (100, 101, 110-113, 110a-113a) vengano assorbite da tale supercondensatore e la carica elettrica trasferita alla batteria.