Электронный переключатель скоростей для велосипеда своими руками

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 05.10.2024

Как выбрать контроллер для электровелосипеда, какие контроллеры бывают и в чём их разница?

Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте разберёмся, зачем вообще нужен контроллер.

Для чего электровелосипеду контроллер

Наверняка почти каждый любознательный представитель мужской половины человечества в детстве имел дело с моторчиками, установленными в детских игрушках, например, электрических машинках или лодках.

Эти моторчики представляли собой двигатели постоянного тока. Для вращения к ним достаточно было подключить батарейку, и направление вращения менялось в зависимости от полярности подключения.

В том случае обмотки ротора (вращающейся части электродвигателя) подключаются к источнику питания по очереди через пару графитовых щёток, таким образом ротор приводится во вращение.

В электровелосипедах же используются бесщёточные моторы, а точнее трёхфазные асинхронные двигатели, которым недостаточно просто подать напряжение питания от батареи. На первый взгляд кажется, что всё только усложнилось, но дело вот в чём.

Во-первых, двигатели постоянного тока имеют узел, который требует обслуживания и периодического ремонта - это как раз те самые щётки и коллектор, по которому они скользят.

Во-вторых, КПД этих двигателей ниже, а вес больше. В третьих, они имеют ограниченный диапазон скоростей вращения. Всех этих недостатков трёхфазные асинхронные двигатели лишены.

Но последним требуется контроллер - устройство, обеспечивающее коммутацию обмоток строго по определённому алгоритму.

В зависимости от типа двигателя (с датчиками положения ротора или без) от контроллера к двигателю идёт либо только три силовых провода, либо к ним добавляются 5 или 6 тонких проводов.

Силовые провода - это те, которые непосредственно подключены к обмоткам двигателя. А тонкие (слаботочные) провода - это провода питания и сигналов с датчиков положения.

На фото силовые провода (синий, зелёный и жёлтый) спрятаны в стеклоармированных трубках, а слаботочные видны: синий, зелёный и жёлтый - это сигналы с датчиков положения, красный и чёрный - это питание датчиков, а белый - с датчика температуры, который спрятан под платой ближе к обмоткам.

Мотор-колеса, особенно в скоростных версиях (с трехвитковой обмоткой), способны развивать высокие обороты (до 1500 об/мин), что на практике, при установке таких моторов в колесо, попросту не позволяет раскрыть их потенциал. Уже половина от максимально возможных оборотов обеспечивает байку очень высокую скорость, которая не нужна для выполнения поставленной задачи - езды вне дорог, к тому же требуются уже мотоциклетные узлы. На низких же оборотах мотор-колесо работает в неэффективном режиме и может быстро перегреваться. Установка такого мотор-колеса в раму и использование понижающей трансмиссии позволили использовать почти весь потенциал мотора и снизить зону низкого КПД, тем самым получив еще более высокий крутящий момент на колесе, избавиться от проблем с перегревом и добиться ювелирной дозировки скорости.

Цепная передача от мотор-колеса к колесу имеет передаточное отношение 2:1, то есть колесо вращается в два раза медленнее мотора. Во время наших заездов в лесу, по тяжелому слипшемуся снегу, мотор на ощупь стал еле теплым. Илья как знаток дела утверждает, что у обычного электромопеда он бы в таких условиях разогрелся весьма сильно. Установка мотора в базе машины обеспечивает развесовку по осям, максимально приближенную к соотношению 50:50.

Итак, мотор-колесо номинальной мощностью 3 кВт вращается в два раза быстрее, чем ведущее колесо - это главное. Цепь использована мотоциклетная, стандарта 420. Вместе с звездочками - это единственные не велосипедные детали в конструкции, поэтому обслуживать и ремонтировать мопед можно в любой велосипедной мастерской. Для натяжки цепи служит специальная маленькая звездочка с подвижной осью. Колеса - от фэтбайка, размерностью 20x4 дюйма. Втулка передней вилки с подшипниками - также от велосипеда, подобрана по нагрузке. Основа мопеда - рама и передняя вилка - полностью самодельная. Указанные детали сварены из изогнутых труб с использованием стали СТ 20, наружный диаметр трубы 22 мм, но толщина стенки разнится в зависимости от места. Если на ненагруженных частях рамы труба тонкостенная, всего 1,5 мм, то на вилке толщина стенки составляет уже 6 мм. Можно заметить, что средние продольные трубы рамы спилены на половину диаметра - это нужно для монтажа/демонтажа мотор-колеса, для этого достаточно только снять заднее колесо.

Поначалу, еще не зная, как покажет себя новая концепция размещения мотора, и просто из интереса Илья экспериментировал с системой переключения передач. КПП, как у мототехники, конечно, не планировалась - использовалась система переключения передач от велосипеда, перекидывающая цепь на оси заднего колеса между звездочками различного диаметра. Но для оффроуда она оказалось совершенно непригодной - беспрерывно отказывала. Такая система полезна при использовании тягового, менее оборотистого мотора, но бессмысленна, если поставить высокоскоростной мотор. Мотор-колесо с передачей на колесо дает на последнем тягу, с которой комфортно чувствуешь себя в любых дорожных условиях. Любопытно, что большинство падений неопытных ездоков, решивших опробовать электромопед Ильи на ходу, связано с переворотом через заднее колесо при слишком резком старте с места. Такой значительный крутящий момент передается на колесо!

О текущем состоянии аккумуляторов информирует яркий цифровой вольтметр на правой рукоятке руля. Поворотная рукоятка акселератора, выполнена не под всю ладонь, как на мотоциклах, а под хват большого и указательного пальцев. Таким образом, можно крепко держать руль и не бояться ненароком добавить или сбросить газ, что актуально при активной езде по пересеченной местности.

Подвески машина не имеет, вся амортизация происходит только за счет мягких объемных шин, и тут важно правильно подобрать давление. Тормоза -велосипедные, дисковые. Специальные колодки с металлическими накладками не так подвержены износу при езде по грязи, как обычные.

Не всем нравится крутить педали, чтобы добраться на работу или совершить поездку на природу. В этом случае выручит сборка электровелосипеда своими руками. Такой гаджет обойдется дешевле заводского аналога.

Составляющие электровелосипеда

Основные части конструкции — электрическая и механическая. Сначала определяются с требуемой мощностью мотора, от которой во многом зависит скорость:

малая — максимальная скорость составляет 40 км/ч;
средняя — до 60 км/ч;
высокая — до 100 км/ч.

Существует несколько типов моторов:

Кареточный — сложное устройство с обгонной муфтой. Удобно тем, что устанавливается на каретку. Имеет недостаток: сильно нагружает привод, цепь со звездочками быстро изнашивается.
Прямого хода. Мощность средняя и высокая, долговечный, потому что в конструкции нет шестеренок. Недостатки: тяжелый, крупный, небольшой крутящий момент на малых оборотах.
Редукторный. Отличается легкостью и компактностью. Со встроенным планетарным шестеренчатым редуктором.

Из аккумуляторов выбирают те, что с напряжением 36-48 В. Наилучшая энергоемкость у литиевых батарей, они компактные, легкие. Свинцово-кислотные — тяжелые, громоздкие. Из литиевых лучше железо-фосфатные, хотя они большие и дорогие. Литий-ионные дешевле, легче, умельцы собирают батарею из элементов 18650, добиваясь нужной емкости. Например, для мотора мощностью 350 Вт требуется около 15 А∙ч. С такими показателями без заряда можно преодолеть по городу расстояние в 50 км. Их недостатки: плохо работают на морозе, выносят до 1 тыс. циклов заряда.

Для управления двигателем и всей электросистемой нужен контроллер, если нет механического переключения скоростей. Он подает напряжение, величина которого зависит от требуемой мощности и скорости, а также обрабатывает сигналы датчиков.

Для изготовления электрического варианта в качестве базы лучше использовать спортивный велосипед. Можно собрать его из дорожного, но в таком случае необходима немного другая схема. Преимущество спортивного велобайка в прочной раме, усиленных ободах. К тому же у него много скоростей, которые легко переключаются. Рама во всех случаях требуется только стальная, не стеклопластик и сплавы.

Требования к устройству

Самодельный электровелосипед должен отвечать требованиям, к которым относятся:

Возможность проехать нужное расстояние без подзарядки. В зависимости от этого выбирают аккумуляторы, обеспечивающие запас хода.
Планируемая скорость. Если сделать ее немного больше, чем у неэлектрического велосипеда, будет достаточно. Можно существенно повысить скорость за счет мотора и АКБ, но это будет уже другая техника.
Вес машины, особенно важный для городских жителей. После переделки велосипед должен оставаться такой массы, чтобы можно было занести его в квартиру, погрузить в багажник автомобиля, перевезти в автобусе, троллейбусе.
Правильное размещение двигателя и аккумулятора. Если выбрать для них место, после установки на которое сместится центр тяжести или сильно возрастет нагрузка на ось, управлять транспортным средством будет напросто.

Электровелосипеду требуются более мощные тормоза: с гидроприводом, большим диском, износоустойчивыми колодками. Штатным трудно справляться с нагрузкой, они быстро стираются. Специальные тормозные системы для электрических велосипедов только появляются, поэтому часто оставляют стандартные или приспосабливают тормоза от минибайка.

Вилки подбирают в зависимости от стиля езды и местности, где будет использоваться транспортное средство, его веса и мощности. Если агрегат тяжелый, для езды по бездорожью ставят двухкоронную вилку для даунхилла. Передвигаться по асфальту с ней неудобно — слишком мягкая. В большинстве случаев устанавливают стандартные велосипедные амортизаторы.

Инструменты для работы

Чтобы сделать хороший электровелосипед, требуются токарные работы. Понадобится станок или возможность заказать изготовление деталей. Кроме того, в распоряжении мастера должны быть такие инструменты:

сварочный инвертор;
слесарный набор (молоток, плоскогубцы, ножовка, надфили, напильники и т.д.);
большой штангенциркуль;
электродрель и сверла;
головка на 15 для трещотки;
болгарка;
инструмент для нарезания резьбы.

Могут понадобиться фрезерный или плоскошлифовальный станок, что зависит от комплектующих: требуется ли их переделать, доработать.

Подбор материалов

Для механической части необходимы:

2 шкивы от автомобильного генератора;
ремни от него же:
2 звездочки по отдельности или в комплекте;
вал с подшипниками в каретку.

Кроме этих деталей, запасаются железным уголком. Понадобится болванка, чтобы выточить промежуточный вал, если он не закуплен вместе со звездочкой. Необходимы болты, гайки, шайбы для крепления двигателя. Чтобы разместить аккумулятор, покупают специальные кассеты или делают ящик из подручных материалов, используют подходящую тару.

Для монтажа электрической части понадобится проводка, клеммы. Необходима тщательная изоляция. Дополнительно к изоленте или вместо нее пользуются термоусадочными трубками, горячим клеем.

Пошаговая инструкция

Невозможно дать подробную инструкцию по сборке электровелосипеда. У каждого мастера свои комплектующие детали с разными габаритами, но придерживаться основной схемы стоит, чтобы избежать ошибок.

Монтаж механики

Конструкция механической части зависит от расположения двигателя и варианта привода. Самый удачный способ — это когда мотор размещают на трубе рамы под сидением. От него идет ременная передача на промежуточный вал, установленный в каретке на 2 подшипниках. На нем и двигателе монтируют шкивы под ремни. За шкивом на валу устанавливается ведущая звездочка.

От звездочки идет цепная передача на заднее колесо. На его втулке 4-6 болтами с контргайками закрепляют большую звездочку. Для работы используется болгарка и электрическая дрель. Подгонка выполняется с помощью надфилей, напильников.

В приводе используется ременная и цепная передачи. Такая схема имеет преимущества: исключаются резкие рывки в начале движения, передача вращения от колеса на двигатель.

Крепление двигателя

Мастера советуют изготовить картонный макет крепления, который поможет найти мотору место для размещения. По возможности его располагают за штырем под сидением. По макету после примерки и уточнений вырезают железное крепление. На нем размечают места под пазы для скоб. Их по два с каждой стороны двигателя, резьбовая часть должна свободно входить, но не болтаться. Прорезать пазы удобно торцевой фрезой. Если нет такой возможности, по краям сверлят отверстия, затем делают прорези болгаркой.

Для двигателя изготавливают кронштейн из уголков. В нем высверливают отверстия под скобы, которые должны совпадать с пазами на плите. Болтами U-образного вида охватывают мотор, продевают в отверстия уголков, затем — в пазы пластины, прикручивают гайками. Для некоторых двигателей уголки не нужны.

К раме навесное крепление приваривают. Ее стенки тонкие, поэтому дугу направляют преимущественно на плиту. Приварив 1 сторону, дают металлу остыть, чтобы его не повело.

Сборка ременного привода

На шкивы электродигателя и промежуточного вала надевают ремень. Чтобы он не перекручивался во время работы, выставляют оба шкива на 1 линии. Об этом заботятся, когда приваривают пластину к стояку. Обеспечивают натяжение ремня, перемещая двигатель в пазах. Он должен немного пружинить. Прогиб при нажатии с небольшим усилием — 15 мм.

Подключение к аккумулятору

Для подключения к аккумулятору используют медный провод толщиной 3 мм, который выдерживает 30 А. Если такого нет, сматывают несколько жил сечением 0,75-1,0 мм. Толще, чем на выводах двигателя, брать не стоит. Если за основу берется спортивный велосипед, контроллер не нужен, потому что у него есть переключатель скоростей. Подключение осуществляют через тумблеры, способные выдержать 10 А.

Схема электровелосипеда

Для конструкций на основе обычного велосипеда нужен контроллер. Его 2 толстых провода подключают к аккумулятору, соблюдая полярность. Выводы желтого, зеленого, синего цветов — к соответствующим контактам двигателя. Если он начнет вращаться не в ту сторону, меняют местами 2 любых провода. Зажигание подключают тонким красным проводом, ручку газа — пучком из 3 жил.

Соединения делают надежными, скручивания не допускаются, применяется пайка. Удобно пользоваться разъемами ХТ60. Они выдерживают вибрацию, тряску, ток до 60 А. В полости внутри заводят припой, затем провода.

Для велосипеда с механическим переключателем скоростей контроллер не используют. Устанавливают тумблер на 3 позиции, 10 А. Им подключают разное количество батарей, чтобы изменять скорость.

Для питания низковольтного оборудования дополнительно потребуется преобразователь. Без него можно обойтись, если вывод на фары и звуковой сигнал сделать отдельно от аккумулятора на 12 В.

Проверка и устранение неполадок

Сначала проверяют работу электрической схемы. Если двигатель не вращается, проблема — в блоке питания или электрической цепи. Берут мультиметр, проверяют провода. Если недостаточная емкость аккумулятора, ставят на зарядку.

Проверяют скорость вращения колеса. Увеличенная или недостаточная скорость объясняются неправильно выбранным передаточным числом. Чтобы уменьшить его, увеличивают размер шкива на промежуточном валу. Другой способ — уменьшить диаметр шкива на двигателе. При повышенных оборотах поступают наоборот.

Известно, что большинство велосипедов с электрическим приводом, имеют, как и обычные велосипеды, несколько передач. Эти передачи позволяют регулировать усилие на педали, передаваемое затем на колеса. Хотя принципы использования передач схожи, как для обычных велосипедов, так и для электрических, есть и несколько отличий.

Как использовать передачи на электрическом велосипеде? Используйте левый переключатель передач для переключения уровней электрической помощи. Используйте правый переключатель передач для переключения механических передач. Сначала установите уровень передачи электрической помощи. Затем подбирайте механическую передачу, чтобы достигнуть оптимального уровня усилий на педали.

Часто возникают и дополнительные вопросы. Что такое электрические передачи? Что такое механические передачи? Сколько всего передач на электровелосипеде? Существует ли лучшая техника переключения передач?

Давайте потратим несколько минут, чтобы разобраться в системе переключения передач электровелосипедов и в том, как их использовать.

Какие устроены передачи для электровелосипедов?

Передачи это то же самое, что и скорости — велосипед с 24-мя передачами — это 24-скоростной велосипед. Электрические велосипеды обычно имеют 1, 3, 18, 21, 24, 27, 32 или даже 40 скоростей. Меньшие числа — это низкие передачи, а большие числа — высокие передачи. Первая передача — низшая. Двадцать четвертая передача — самая высокая. До сих пор все довольно просто.

Переключение передач происходит с изменением одной передачи на другую. Вы переключаете передачи, сдвигая или нажимая на переключатель на руле. При этом цепь переключается на кассету другого размера (или увеличивает/уменьшает выходную мощность электроэнергии).

На электробайке левый переключатель чаще всего отвечает за переключение уровней электрической помощи, а правый — за переключение механических передач.

Для механических передач правый переключатель подключен к тросу, который скрыт в защитном корпусе. По мере того, как вы нажимаете (или поворачиваете) передачу, этот трос натягивается и ослабляется, прилагая больше или меньше усилий к механизму, который перемещает цепь вашего электрического велосипеда по передней кассете или по задней звезде.

Как работают передачи электрической помощи?

Уровень электрической помощи регулируется с помощью блока управления, установленного на руле. Обычно, с левой стороны. Этот блок управления обычно имеет комбинацию кнопок Вверх (Плюс) и Вниз (Минус).

До сих пор нет единого стандарта. Различные системы электрической помощи имеют немного различную терминологию. В двух словах, всегда есть низкий, средний и высокий уровень помощи. Уровень Up (или Plus) дает больше электрической помощи, а Down (или Minus) снижает электрическую помощь.

Например, у системы электро помощи Bosch есть уровни: OFF > ECO > TOUR > SPORT > TURBO, в то время как Shimano использует OFF > ECO > NORMAL > HIGH.

Каждая электрическая система помощи (Bosch, Yamaha, Shimano или другая) дает вам дополнительную мощность, предоставляя Вам больше электроэнергии в зависимости от того, как сильно вы нажимаете на педали, и в зависимости от выбранного уровня помощи.

Как понять цифровые значения передач?

Одна из самых трудных вещей в изучении того, как переключать передачи — это терминология. Остальное — только практика. Давайте с самого начала изучим терминологию на простом уровне.

Низкая передача — на ней легко крутить педали, что хорошо подходит, например, при подъеме в гору. Низкая передача использует самую большую мощность электрической помощи и самую большую шестерню на кассете заднего колеса (задняя или механическая передача). В этом положении педалями работать просто, чтобы достичь этого положения, вы снижаете уровень передачи.

Высокая передача — самая тяжелая при прокрутке педалей, что хорошо для спуска. Что сбивает с толку, так это то, что самая высокая электрическая передача на вашем велосипеде — это когда нет электрической помощи вообще. Когда электрическая помощь отключена. Это, на мой взгляд, нелогично.

Самая высокая механическая передача использует самую маленькую шестерню на кассете заднего колеса (задняя или механическая передача). В этом положении, при нажатии на педали нужно прилагать максимальное усилие. Это позволит, например, разогнаться на спуске. Чтобы попасть в это положение, вы увеличиваете передачу.

Понятие задней передачи относится к электрическим велосипедам с двигателями среднего и переднего привода, которые представляют собой значительное количество электрических велосипедов, выпускаемых сегодня.

Переключение передач на электрическом велосипеде

Для каждого уровня электрической помощи большинство моделей электровелосипедов имеют несколько соответствующих механических передач. Например, электровелосипед моей жены имеет восемь механических скоростей для каждого режима электрической помощи. Четыре режима электрической помощи и восемь механических скоростей дают 32 различные комбинации скоростей. Это уже не так мало!

Например, даже на первом уровне электрической помощи (режим ECO), когда электрическая помощь минимальна, можно использовать восемь различных скоростей, которые подойдут для различных участков местности и уровней подготовки велосипедиста.

Как только вы начнете движение на электровелосипеде с использованием электрической помощи, двигатель очень быстро (обычно, уже после первого оборота педалей) начнет помогать вам на заданном вами уровне.

Когда скорость вращения педалями (она также называется частотой вращения) повысится выше комфортного уровня, переключите механическую передачу (на правой части руля) на следующий уровень (более тяжелый), продолжая при этом работать педалями. Не забывайте крутить педали при переключении передач.

Вы услышите, как двигатель временно снижает мощность пока выполняется переключение. После этого двигатель перезапустится. Это временное снижение мощности защищает двигатель. После этого электродвигатель быстро возобновит свою работу.

Продолжайте вращать педали и, когда скорость вращения педалей достаточно увеличится, снова переключайте передачи. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока не достигнете скорости с которой вам удобно ехать.

Какую передачу использовать — электро или механическую?

Какой переключатель следует использовать, когда вы крутите педали? Когда использовать левый (механический), а когда правый (электрический)?

Легкое правило таково: если вам нужно сильно изменить уровень усилий, используйте левый переключатель (электрический), то есть измените уровень электрической помощи. Если вам нужно незначительно подкорректировать усилия на педали (механика), используйте правый переключатель, что означает переключение механических передач.

По мере того, как вы будете больше практиковаться и чувствовать себя более комфортно при езде на своем велосипеде, вы будете лучше чувствовать, нужна ли вам существенная или незначительная регулировка.

Преодоление подъемов на электровелосипеде

Естественно, вы почувствуете, когда вам будет нужно увеличить уровень электрической помощи при подъеме. Если вы начали подъем на низком уровне электирической помощи, скорость вашего движения, скорее всего, начнет снижаться по мере того, как вы начнете подниматься.

Чтобы преодолеть это замедление, продолжая вращать педали переключайтесь на более низкую механическую передачу (ту, на которой легче педалировать). Затем увеличьте уровень электрической помощи (например, с ECO на TOUR).

По мере того, как вы начинаете спуск, сначала уменьшите уровень электрической помощи (например, обратно с TOUR на ECO), а затем повысьте механические передачи (правое управление на руле). Это позволит вам нажимать на педали медленнее, но с большей силой (что, естественно, будет проще на спуске).

Остановка на электровелосипеде

Есть ли какие то особенности остановки во время езды на электрическом велосипеде?

Чтобы подготовиться к моменту остановки, начинайте переключение на более легкие механические передачи при замедлении. Хорошей практикой является оставаться на правильной передаче до остановки. Отрегулируйте уровень электрической помощи прежде чем остановиться. Хотя, это также можно сделать, уже остановившись

И, не в последнюю очередь, не забывайте использовать тормоза!

Что нужно и чего нельзя делать при переключении передач?

Перед остановкой переключитесь на низкую механическую передачу

Если ваш е-байк оснащен задней коробкой передач, вам необходимо переключиться на более низкую передачу, прежде чем вы полностью остановитесь.

При переключении на более низкую передачу необходимо продолжать вращать педали, чтобы убедиться в том, что передача полностью включена. Это также можно сделать во время спуска с горы езды до остановки, пока вы работаете педалями.

Не переключайте механические передачи в неподвижном состоянии

Если вы забыли или не успели переключиться на более низкую передачу перед остановкой, вам придется стартовать на более высокой передаче. Это не большая проблема. Как только вы тронетесь на велосипеде, вы сможете уменьшить усилие на педали переключившись на более легкую передачу.

Да, вы можете переключать режимы электрической помощи, когда остановились.

В отличие от механических передач, нет проблем с изменением уровня электрической помощи во время остановки. Например, если вы остановились на светофоре во время движения в режиме SPORT, вы можете в момент остановки понизить передачу до ECO и начать движение на более комфортной скорости.

Или наоборот, вы можете увеличить уровень электро помощи до TURBO, если вы хотите статтовать как можно быстрее, когда свет загорится зеленым.

Есть ли лучшая техника переключения передач?

Я обнаружил, что поддержание равномерного усилия на педали и частое переключение передач для подбора комфортного режима вполне может быть лучшей техникой работы с передачами на электрическом велосипеде.

Некоторые велосипедисты предпочитают прикладывать слишком много усилий на педали, когда поднимаются на крутой склон. Или использовать слишком легкую передачу для спуска. Для облегчения езды, вашей целью должно быть поддержание как можно более равномерной скорости вращения педалями.

Для этого нужно сохранять баланс между электрической мощностью и вашей собственной силой нажима на педали. Это, в свою очередь, предполагает использование разных уровней электрической помощи и механических скоростей, и частого их переключения для повышения эффективности во время езды.

Начните переключаться на более легкие механические передачи с самого начала езды. Это поможет вам поддерживать постоянный ритм педалирования. Помните, что ваша правая рука предназначена для работы с передачами для небольших изменений.

При переключении механических передач, прикладывайте немного больше усилий в ход педали перед переключением передач. Затем, уменьшите усилие на педали во время переключения. Это поможет механизму переключения передач вашего велосипеда снизить нагрузку на цепь в момент переключения.

Надеюсь, эти советы вам будут полезны. Счастливой поездки и успешного овладения техникой переключения передач с целью использования всего потенциала как электрических так и механических режимов передач!

Читайте также: