كيف تعمل الدراجات الكهربائية؟

كيف تعمل الدراجات الكهربائية؟

في عالم يُشجع فيه النقل النشط ويمكن تجنب وسائل النقل العام الجماعي لفترة بسبب المخاوف الصحية المتعلقة بالجائحة، تزدهر الدراجة الكهربائية. ولكن ما هي المبادئ والقيود التقنية؟ وكيف سيؤثر ازدهار نمو الدراجات الكهربائية على خيارات ركوب الدراجات الخاصة بك في المستقبل القريب؟

فكرة المساعدة بالبطارية للدراجات ليست جديدة، لكن مشكلتين أعاقتا تطوير الدراجات الكهربائية: قابلية نقل الطاقة وتكامل مجموعة نقل الحركة. قبل عقد من الزمن، لم تكن تكنولوجيا البطاريات موجودة ببساطة لإنتاج بطاريات خفيفة وصغيرة بما يكفي، مع كثافة طاقة مرضية وتسعير معقول.

كان دمج مجموعة نقل الحركة في الدراجة الكهربائية صعبًا أيضًا. يمكن أن تؤدي الزيادات المفاجئة في الطاقة التي تفسد إيقاع دواساتك إلى تجربة ركوب غير طبيعية، ومعايرة حركة المحرك الكهربائي وإيقاع الراكب يمكن أن تكون أمرًا صعبًا.

من بين جميع الشركات المصنعة، تتمتع Shimano بتأثير هائل في عالم ركوب الدراجات. تنتج الشركة اليابانية كتالوجًا ضخمًا من المكونات ولكنها تشتهر بأنها واحدة من اثنين من الموردين الرئيسيين لمجموعات القيادة – والآخر هو SRAM.

عندما تتحرك Shimano نحو اتجاه منتج جديد، يكون ذلك مهمًا بسبب الحجم الهائل لموارد البحث والتصنيع تحت سيطرة العلامة التجارية اليابانية. مع الكشف عن محرك EP8 الجديد للدراجات الكهربائية، تشير Shimano إلى التزامها بحركة الدراجات المدعومة بالبطارية.

العمل الداخلي للدراجة الكهربائية

تقيس المستشعرات مدخلات عزم الدوران وإيقاع الدواسات والسرعة، وتجري أكثر من ألف عملية حسابية في الثانية. بمجرد أن تكتشف مستشعرات الدراجة الكهربائية حاجة للمساعدة بالبطارية، وتتفاعل مع خوارزمية رئيسية تتحكم في النظام بأكمله، يتم إطلاق الطاقة من حزمة البطارية لتنشيط المغناطيسات الكهربائية في المحرك.

لم يعد الخانق ينشط مدخلات المحرك، ففي أفضل الدراجات الكهربائية اليوم، يتم تضخيم مدخلات الدواسات الخاصة بك بواسطة المحرك. يوفر هذا رحلة pedelec سلسة، بدلاً من أسلوب الدراجة النارية “لف واذهب”.

يحتوي محرك الدفع الأوسط للدراجة الكهربائية على مغناطيسات دائمة وكهربائية، حيث يتم تنشيط الأخيرة بواسطة الطاقة المسحوبة من حزمة البطارية.

توجد المغناطيسات الدائمة في مركز محرك الدفع الأوسط، بينما تحيط المغناطيسات الكهربائية (التي يمكن التعرف عليها بسبب الأسلاك الملفوفة حولها) ببقية الغلاف. تعالج الترانزستورات قطبية هذه المغناطيسات الكهربائية، مما يدير العمود ويضيف مساعدة الدواسات إلى رحلتك.

إلى جانب جودة برمجة البرامج الخاصة بك، فإن اتجاه وجودة هذه المغناطيسات هي ما يجعل نظام قيادة الدراجة الكهربائية يؤدي أداءً جيدًا. الحيلة هي جعل قوى التنافر والجذب بين المغناطيسات تعمل بأفضل شكل ممكن، وهو ما قد يكون صعبًا.

يمكن أن يؤدي استخدام مغناطيسات نيوديميوم عالية الجودة، وهي قوية جدًا، إلى تحسين أداء نظام المحرك ومداه، دون الحاجة إلى بطارية ذات سعة أعلى.

من حيث التغليف كميزة أداء، يمكن لطريقة مصفوفة هالباخ في توجيه المغناطيسات الدائمة مضاعفة الطاقة، لكن ربط المغناطيسات بهذه الطريقة يمثل تحديًا، خاصة في تكوين محرك دفع أوسط مضغوط. كما أن تكاليف التصنيع باستخدام طريقة مصفوفة هالباخ غالبًا ما تكون باهظة.

صنع أفضل محرك دفع أوسط

كانت صناعات الإلكترونيات الاستهلاكية والسيارات محركات مهمة لتطوير بطاريات خفيفة الوزن وعالية الكثافة، مثالية لتوفير الطاقة والكتلة المطلوبة في تطبيق الدراجة الكهربائية.

مع توفر كيميائيات بطاريات أقوى، أصبح المصممون أخيرًا قادرين على تغليف الأجزاء المميزة للدراجة الكهربائية بطريقة أنيقة وعملية. بعض الدراجات الكهربائية الحالية يصعب جدًا تمييزها عن إطار غير مدعوم. تتبادر إلى الذهن دراجة Ribble Endurance SL e كمثال.

مفهوم تصميم الدراجة الكهربائية ليس معقدًا بشكل مفرط من حيث المبدأ. على عكس الدراجة النارية، توفر الدراجة الكهربائية مساعدة الدواسات من خلال محرك العمود السفلي، حسب الحاجة. لا تحتوي على خانق يتحكم فيه الراكب، وهو فرق حاسم.

فيما يتعلق بأفضل دراجات الطرق الكهربائية، فإن عمودك السفلي والجزء السفلي من الأنبوب السفلي هما أكثر مناطق الإطار أهمية من الناحية الهيكلية. يتم إيواء البطارية كجزء من الأنبوب السفلي، وجميع الدراجات الكهربائية تقريبًا مصممة لاستخدام تكوين محرك الدفع الأوسط، الذي يقع في عمودك السفلي، بين الكرنكات.

تحول المحركات الكهربائية بدون فرش طاقة البطارية إلى مساعدة الدواسات، لكنها تدور بسرعة دوران أعلى بكثير من إيقاع ركوبك. تستخدم محركات الدفع الأوسط تروسًا داخلية للتوسط بين خرج الطاقة وإيقاع ركوبك، مما يتيح للراكب ومصدر الطاقة على متن الدراجة تحقيق التزامن في الدواسات.

ما يميز الدراجة الكهربائية المثالية عن الدراجة غير المريحة في الركوب، هو تعقيد برنامج التحكم في محرك الدفع الأوسط الخاص بها. الدراجات الكهربائية المجهزة بأسطر من التعليمات البرمجية التي تمت معايرتها واختبارها بدقة للتحكم في استجابتها لضربة الدواسة وإيقاع الركوب تسير بطريقة أفضل بكثير.

تقيس المستشعرات مدخلات عزم الدوران وإيقاع الدواسات، ثم تحسب الخطية المناسبة لمساعدة المحرك المطلوبة. يجب ألا تشعر أفضل الدراجات الكهربائية أبدًا بأنها كهروميكانيكية بشكل مصطنع، مما يقوض الرحلة بزيادات في الطاقة عندما يتغير منحدر التضاريس فجأة أو تقوم بتغيير التروس.

يقوم مديرو المنتجات في قطاع الدراجات الكهربائية بقياس الشعور بالركوب مع رياح خلفية كالمثالي. يخلق الجيل الأحدث من خوارزميات برامج التحكم في الدراجات الكهربائية إحساسًا بالانزلاق بسرعات أعلى، مع الحفاظ على إيقاع طبيعي.

منظر منفصل لدراجة Specialised’s Turbo Creo يوضح تكوين الدراجة الكهربائية الحديثة (حقوق الصورة: Specialised) (حقوق الصورة: Specialised )

المستقبل: أفضل، أخف، أصغر

المنافسة تدفع الابتكار والحجم يقلل التكلفة. مع زيادة الطلب على الدراجات الكهربائية في جميع تخصصات ركوب الدراجات، قد يبدأ موردو المكونات في تقديم بطاريات ومحركات قيادة أفضل بأسعار أكثر معقولية.

تضمن طبيعة المساعدة بالبطارية للدراجة الكهربائية أن راكبي الدراجات من غير المرجح أن يشهدوا “معركة خرج طاقة” بين الموردين – بسبب عدم وجود خانق يدوي وخطر تفعيل لوائح السرعة والسلامة الحكومية الصارمة.

كما هو الحال مع مجالات أخرى من ركوب الدراجات، فإن تقليل الكتلة وزيادة الكفاءة هو الهدف. ستؤدي كثافة الطاقة المحسنة في أنظمة البطاريات إلى تحسين المدى مع كتلة أقل بشكل مكافئ، بدلاً من سعي المهندسين لتحقيق سرعة وتسارع أعلى بمحركات أكثر قوة وحزم بطاريات أكبر.

محرك Shimano الجديد EP8 هو دليل على هذا النهج ويحقق مكاسب ملحوظة في دورة تطويره التي استمرت أربع سنوات منذ إطلاق نظام محرك القيادة الأصلي E8000 STEPS. إنه أقوى بنسبة 21% من نظام E8000، وانخفضت كتلته بنسبة 10% وهو أصغر بنسبة مماثلة من حيث الحجم الإجمالي، مما يجعله أقل عائقًا للتغليف لمصممي الإطارات الذين يرغبون في دمج وظائف الدراجة الكهربائية في خط طراز حالي أو جديد.

التزام Shimano المستمر بتطوير محرك الدفع الأوسط وبرامج تكامل مجموعة نقل الحركة لا يمكن إنكاره مع إطلاق نظام EP8 الجديد.

من بين جميع العلامات التجارية التقليدية لمكونات ركوب الدراجات، أظهرت Specialised أكبر استعداد للاستثمار في تكنولوجيا الدراجات الكهربائية، مع ممتلكاتها الهندسية الخاصة. يجب أن يؤدي نظام Shimano الجديد EP8 أيضًا إلى إثارة منافسة أوسع بين شركات ركوب الدراجات الكبرى هذه، مما يفيد العميل في النهاية من حيث الاختيار وتنوع الأسعار.

لا تتوقع أن تكون دراجتك الكهربائية المستقبلية قوية بشكل هائل وقادرة على سرعات فاحشة. لم يكن هذا أبدًا هدف إيقاع الدواسات المدعوم بالبطارية. ولكن إذا كنت بحاجة إلى شيء لهزيمة تلك الرياح المعاكسة المسائية الرهيبة أو ربط بعض التسلقات شديدة الانحدار على طريق في ضوء خافت، فإن التنافس المتزايد في سوق الدراجات الكهربائية سيوفر لك رحلة مدعومة بالبطارية أفضل بكثير.