Pubblicato il

Il mitico sensore di coppia

Chiamatelo sensore di coppia, torque sensor, sensore di sforzo, torsiometro o come altro volete, si parla sempre di un dispositivo atto a rilevare e trasmettere alla centralina del sistema la misura istantanea della spinta che il ciclista sta esercitando sui pedali.

Fig.1 Sensore bilaterale di coppia (e cadenza) Bafang, per movimento centrale BSA, con ragno per il montaggio delle corone

È presentato spesso come alternativa al sensore di cadenza, ovvero di velocità della pedalata (a volte chiamato per motivi misteriosi PAS) ma questo non è corretto: tutte le bici con sensore di coppia hanno anche il sensore di cadenza. Di fatto si tratta di una informazione in più per la centralina che, se ben sfruttata, può sensibilmente cambiare il comportamento del sistema.

Fig.2 Sensore di cadenza a 32 poli Bafang

 

Diciamolo subito, gli esseri umani si distinguono in due categorie ben separate: quelli che amano il sensore di coppia (o almeno lo amerebbero se lo conoscessero) e quelli che, se non lo odiano, quantomeno ne fanno volentieri a meno.

Questa rigida ripartizione del mondo corrisponde a due modi di intendere la bicicletta a pedalata assistita.
Semplificando un bel po’ si può dire che ama i sistemi con torsiometro chi ama la bicicletta in quanto tale e chiede all’assistenza di togliere solo l’eccesso di fatica, lasciando il più possibile invariato il resto.
Per contro chi vuole faticare il meno possibile, meglio ancora non faticare affatto, chi considera la bici solo un mezzo di trasporto, alternativa ecologica/economica al motorino, preferisce di gran lunga le bici che hanno (solo) il sensore di cadenza.

Come è possibile che un dettaglio come questo possa portare ad una così netta separazione di campo? Cerchiamo di capirlo esaminando in dettaglio i vantaggi del torsiometro, o meglio di un sistema che lo utilizzi correttamente.

PRO

  1. Maggiore modulabilità della potenza: ogni livello di assistenza prescelto diventa una fascia di utilizzo all’interno della quale la potenza effettivamente erogata è proporzionale alla spinta del ciclista sul pedale. Questo diventa fondamentale quando si deve controllare la bicicletta in passaggi difficili, tipicamente in fuoristrada, con rapidi cambi di pendenza e scarsa aderenza
  2. Maggiore reattività: avendo a disposizione una informazione in più (il pedale si sta muovendo e su di esso è applicato uno sforzo) il sistema può partire più rapidamente, di fatto quasi istantaneamente, ed erogare subito tutta potenza se richiesto. Di nuovo questo risulta fondamentale in situazioni come una ripartenza in salita, magari su terreno fortemente irregolare. Altrettanto rapidamente il sistema può decidere di fermarsi
  3. Maggiore naturalezza nell’uso della bici: è una conseguenza dei punti precedenti, e nei sistemi migliori arriva a far percepire la potenza erogata dal motore come una amplificazione della propria, piacevolmente percepibile ma modulabile e non invasiva
  4. Consumi più contenuti, per il semplice fatto che una pedalata “simbolica” non è più possibile ed il ciclista è tenuto a dare il suo contributo
  5. Sistema più allenante, per lo stesso motivo. Non solo il ciclista è tenuto a fare la sua parte, in relazione variabile con quella del motore in funzione del livello di assistenza prescelto, ma è anche stimolato a farlo. Questo perché l’effetto amplificante del controllo basato su torsiometro esalta l’impegno del ciclista. Eesattamente l’opposto di quello che avviene senza torsiometro: specialmente andando ad alta assistenza il proprio contributo finisce per diventare poco rilevante, il che è un bello stimolo alla pigrizia

Così stando le cose ci si potrebbe chiedere come mai una tale meraviglia non sia presente su tutte le biciclette. Per capirlo vediamo gli aspetti negativi o problematici del sistema.

CONTRO

  1. Maggior costo: un buon sensore determina un aumento del 10-20% sul costo della motorizzazione
  2. Maggiore complessità: a differenza del sensore di cadenza il torsiometro si basa su tecnologie sofisticate, con segnali debolissimi che devono essere adeguatamente amplificati ed interpretati. Questo rappresenta indubbiamente un ulteriore elemento di vulnerabilità del sistema e-bike
  3. Maggior impegno richiesto al ciclista. Questo è l’esatto rovescio della medaglia di alcuni PRO: non tutti e non sempre si ha voglia di contribuire allo sforzo della pedalata, per quanto modulabile sia il contributo richiesto. È un dato di fatto: così come ci sono ciclisti “puristi” per i quali la maggior motivazione ad andare in bici sembra essere il faticare, e perciò tipicamente disdegnano le e-bike, ci sono molti altri per i quali la motivazione principale dell’uso di una e-bike sia quella di NON faticare affatto, o farlo in dosi omeopatiche. Si tratta di una aspirazione del tutto legittima, soprattutto se comunque associata all’uso di un mezzo ecologico e non invasivo come la bicicletta. Come dire meglio pigri in bici che pigrissimi in automobile. Intanto (ri)cominciamo ad andare in bici. Il torsiometro magari lo metteremo nella prossima…
  4. Scarsa adattabilità. Un dato torsiometro è però stabilmente contraddistinto da un livello minimo e massimo di pressione sul pedale (e quindi torsione sull’asse) all’interno dei quali il suo segnale d’uscita varia proporzionalmente alla sollecitazione di ingresso (vedi le modalità costruttive a seguito). Al di sotto e al di sopra di questi limiti variazioni di pressione non produrranno variazioni di segnale. Molto importante è il limite superiore, che occorre raggiungere per richiedere al motore di erogare massima potenza. Si capisce bene che un limite troppo basso vanificherà l’obiettivo di avere una potenza graduabile, avvicinando la risposta all’ON/OFF dei sistemi sprovvisti di torsiometro. Per contro un limite troppo alto renderà la massima potenza difficilmente ottenibile da chi è dotato di minore forza fisica. In questo secondo caso il problema tende perdipiù ad autoalimentarsi: chi non è sufficientemente allenato potrebbe aver difficoltà a ricevere una adeguata assistenza, con la conseguenza di stancarsi anzitempo e… ricevere ancor meno assistenza!
    Alto e basso sono ovviamente termini relativi, un torsiometro perfetto per un campione sarà inadatto ad un principiante e viceversa, almeno finché l’elettronica di controllo non sarà progredita al punto di adattare automaticamente la risposta del sistema alle caratteristiche del ciclista.

Risulta chiaro da queste considerazioni che un sistema basato su torsiometro è sicuramente prezioso e raccomandabile per biciclette destinate ad un uso sportivo, specialmente e-MTB, ma va in ogni caso verificato, se possibile nella pratica, che ci sia una buona compatibilità fisica e attitudinale con la persona a cui la bici è destinata. Ciò dimostra ancora una volta come una buona e-bike vada scelta o costruita avendo ben chiaro caratteristiche e preferenze del destinatario.

Sicuramente i migliori motori centrali (Bosch, Yamaha, Brose e pochi altri), ovviamente dotati di sensore di coppia incorporato, hanno sviluppato delle logiche di controllo in grado di massimizzare i benefici del controllo di coppia minimizzandone gli effetti collaterali. Sono quindi applicabili e largamente applicati con successo anche a bici stradali e cittadine, ma la loro convenienza rispetto ai classici sistemi PAS/motore alla ruota è in questi casi tutta da dimostrare.

Fig.3 Sensore del motore centrale TSDZ2.
Anche sui motori centrali per retrofit come questo è oggi disponibile un eccellente controllo di coppia

 

Bene, potete fermarvi qui. Oppure proseguire a vostro rischio e pericolo nel magico mondo dei sensori di coppia e beneficiare di alcune semplici…

OSSERVAZIONI COSTRUTTIVE

Il torsiometro è un trasduttore che traduce una pressione variabile sul pedale in un segnale elettrico variabile, tipicamente una tensione, inviato alla centralina della bici, la quale si spera ne farà buon uso, associandolo a tutte le altre informazioni di cui dispone per pilotare in modo ottimale la potenza del motore.

Vogliamo infatti parlare solo dei sensori usati nelle e-bike, tralasciando quelli, concettualmente analoghi ma di gran lunga più sofisticati e costosi, impiegati nelle bici agonistiche per scopi biometrici.

Senza voler troppo entrare nel dettaglio tecnico, ma solo allo scopo di orientarsi nella scelta del sistema, è utile notare che ci sono due strade per misurare lo sforzo di pedalata: rilevare la deformazione negli elementi della trasmissione, oppure misurare le sollecitazioni indirette a cui vengono sottoposti gli elementi del telaio.

La prima modalità, che da origine al torsiometro propriamente detto, ha il vantaggio di essere più accurata e meno sensibile a sollecitazioni di altra natura, ad esempio il peso del ciclista sul pedale in un momento di pausa.

Fig.4 Lo sforzo di pedalata (Fp) è bilanciato dalla resistenza della catena (Fr).
Ne derivano due coppie opposte (Cp e Cr che generano una torsione sull’asse del movimento centrale (rotante) rilevata dal sensore

La seconda ha il vantaggio di poter posizionare i sensori, tipicamente piccole celle di carico, in parti statiche della struttura, il che ovviamente facilita molto la captazione e trasmissione del segnale risultante dato che l’elemento sensibile e l’elettronica di misura non sono fisicamente disgiunti come nel primo caso.

Fig.5 Le forze Fp e Fr si compongono nella risultante F che è compensata dalla reazione R del telaio.
Tale reazione può essere misurata da un apparato statico.
Il problema è che la direzione di R ed il suo punto di applicazione variano nel corso della pedalata e al variare della corona utilizzata

Nelle realizzazioni più economiche della prima modalità il sistema si basa su elementi elastici che consentono uno sfasamento angolare tra pedivella e corona, proporzionale allo sforzo esercitato, che  viene misurato tramite sensori ottici. La rotazione relativa tra pedivella e corona produce però uno sgradevole effetto di pedalata “gommosa”. Si tratta di un sistema oramai superato, un buon indicatore per NON prendere in considerazione quella bicicletta.

Fig.6 In questo sensore economico una fotocellula misura lo sfasamento relativo tra pedivella e corona causato dallo sforzo

Un grosso passo avanti è stato fatto rilevando le impercettibili deformazioni torsionali dell’asse dei pedali mediante l’effetto della magnetostrizione, ovvero il cambiamento delle caratteristiche magnetiche di un corpo ferromagnetico sottoposto a sollecitazione. Questo debolissimo segnale di una parte rotante può essere rilevato senza contatto dalla circuiteria statica posta attorno all’asse. Tutto questo senza modificare le caratteristiche meccaniche dell’insieme e la dinamica della pedalata. O quasi… In realtà un normale asse dei pedali è sottoposto a torsione solo quando è sollecitato dal pedale sinistro, mentre lo sforzo sul pedale destro tramite la guarnitura viene direttamente trasmesso alla catena. Affinché un sensore collocato nel movimento centrale possa “sentire” la torsione causata dalla spinta sul pedale destro occorre che la pedivella destra sia separata dalla corona, a cui la spinta del ciclista giunge dopo essere passata per il sensore interno.

Fig.7 Ancora il torsiometro bilaterale Bafang.
Notare come la pedivella destra sia indipendente dalle corone

Quindi se un torsiometro, filo elettrico a parte, si presenta come un normale movimento centrale, tipicamente a perno quadro, su cui va montata una normale guarnitura, allora le possibilità sono due:

La prima è che sia un sensore unilaterale, come lo storico Thun X-CELL RT, “cieco” alla pedalata destra. Questo buco nel flusso dei dati è compensato dal software della centralina, ma chiaramente comporta dei ritardi ed una perdita di reattività che risulta oramai incompatibile con le aspettative che si hanno verso i sistemi di fascia alta.

Fig.8 Sensore di coppia unilaterale (sinistro) Thun X-Cell RT

La seconda è che non sia un vero torsiometro, ma un dispositivo che misuri la coppia solo indirettamente, ovvero che rilevi con sensori di pressione statici (celle di carico) la sollecitazione che il telaio deve sopportare per compensare la pedalata. Il problema con questo approccio è che la misura è solo approssimativa, potendo variare di molto la direzione ed il punto di applicazione della risultante delle forze. Il montaggio del sensore/movimento centrale è inoltre più complicato dovendo essere garantito un preciso allineamento.

Fig.9 Sensore di coppia bilaterale indiretto TDCM. Il suo corretto orientamento all’interno del telaio è critico per la correttezza della misura.

Il principio della rilevazione indiretta ha trovato comunque molte altre applicazioni, dato che lo ritroviamo in sensori applicati alla catena, ai forcellini posteriori della bici, e addirittura dentro ad alcuni motori centrali (es.: Bosch di nuova generazione).

Fig.10 All’interno del motore Bosch si trova un sensore indiretto (A) che misura la sollecitazione sul pendolo (B).
Quest’ultimo ospita gli ingranaggi di moltiplica della pedalata tipica del Bosch

Se l’integrazione nei motori centrali è perfettamente funzionale e collaudata, altre applicazioni presentano il limite di condizionare la struttura della bici e di essere sensibili a sollecitazioni indipendenti dalla pedalata. Questo ne ha determinato il quasi totale abbandono nelle biciclette più aggiornate.

Fig.11 In questa realizzazione la cella di carico che misura le sollecitazioni sul telaio è inclusa nella piastra d’alluminio montata sugli speciali forcellini

9 pensieri su “Il mitico sensore di coppia

  1. Come sempre molto professionale sia nella forma che nel contenuto.

  2. Bell’articolo. Consiglio di leggerlo a tutti quelli che stanno pensando di acquistare una e-bike

  3. Buongiorno,
    un articolo fatto bene. Aggiungerei che il sensore di sforzo tipo quello della fig. 11 che ho anch’io sulla mia e-bike, tra i molto vantaggi ha anche l’inconveniente di causare una pedalata “a piccoli strappi” a cui ho fatto l’abitudine ma che potrebbe essere non tollerata da tutti.

  4. Ciao,ho comprato un kit bafang per trasformare la bici in una bici elettrica,sto cercando delle soluzioni visto che il venditore cinese continua a ignorare,nel kit c’è un sensore di coppia tipo 7/8 figura,in più una farfalla manuale che può dare gas senza pedalare.
    Il problema è :
    Accelerando con la farfalla la ruota gira,pedalando la bici non ha nessun impulso,ho provato a dare tanto sforzo in salita ma niente,questo kit ha anche dei sensori che vanno collocati ai freni,ma sinceramente ancora non sono montati,qualcuno mi può aiutare a risolvere questo problema?

    1. Buonasera Amedeo. In base alle cose che dice non è possibile capire se il problema derivi da un errore di configurazione del kit, piuttosto che un errato montaggio, o addirittura un componente difettoso.
      Per poter effettuare una diagnosi e risolvere il problema dovremmo avere la bici in laboratorio.

      1. Ciao e grazie x la risposta immediata,il problema è che abito in svizzera,se vuoi lasciami un contatto tel o una email così magari ti posso inviare qualche foto

        1. Buongiorno, trova tutti i nostri riferimenti nella pagina Contatti

  5. Si puo guastare il torsiometro ? Il mio tsdz2 é morto, ho scritto ai cinesi ma inutilmente, non rispondono

    1. Be’, tutto si può guastare… Comunque non è detto che sia quella la causa del problema al suo motore.
      Riguardo all’assistenza dipende da chi/dove l’ha comprato, ma anche il più serio di venditori avrà difficoltà a darle supporto dalla Cina

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *