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2015年8月 8日 (土)

旧基準の電動アシスト自転車

我が家のもう一台の電動アシスト自転車が旧基準のアシスタスーパーリチウム。これ、2004年頃のモデルだから相当に初期のモデル。当然、新基準ではなく旧基準の等倍アシスト仕様。そして、アシスト量の制御も、基本はトルクセンサーのみの最もシンプルなタイプである。新基準のトルク、スピード、クランク位置制御のトリプルセンサーはおろか、旧基準でもS.P.E.C.3といった低いギアポジションでもアシストを継続させるという機能(SPS)は有していません。検出トルクでアシスト力を制限し、アシストスプロケットを駆動するモーター回転数等でアシスト上限速度に制約を掛けるという構造です。モーターの作動時間は、トルクセンサーで負荷を検出している間ということですので、クランク上死点から下死点迄の区間とのこと。理論的には、アシスト最大値はクランクが水平位置時となります。

制御的には検出信号が少ないのが特徴。利用する検出情報が少ないということは、いろいろと改造できる可能性もありそうで、少し、遊んでみたいような気もします。最新の電動アシスト自転車では、こういう改造は難しくなりますが、旧規格旧世代車なら、規制の範囲で遊べる可能性もありそうです。
自転車の改造といえば、チェーンリング歯数、ドリブンスプロケット歯数でギア比を換える事が一般的ですが、電動アシスト自転車では、この部分の変更は、アシスト上限速度、漸減開始速度が変わるくらいで、実用通常走行(常用ギア比が不変ならば)時の通常負荷状態では全く変化しません。電動アシスト自転車ではアシスト比率が変わらないと体感の変化は乏しいものでしょう。

旧基準の電動アシスト自転車の構造を考えてみると、ギア比自体は(チェーンリング/リアスプロケット)×変速ギア比と言う構造で、一漕ぎで進む距離が決まります。モーター出力は、クランク側の検出トルクと等倍のトルクをアシスト軸(アウトプットシャフト)から掛ける構造ですが、最終的に駆動力としてチェーンを送り出す力は、アシストスプロケットの歯数に依存します。
スプロケットの歯数を大きくするとチェーンを送る力は弱まりますが、スプロケットの歯数を小さくすればチェーンを送る力が強くなります。つまり、最終的なアシスト比率が変化することになります。
このようにアシスト系は、検出したトルクから演算されたモーター駆動力をチェーンに伝える部分で、この駆動系のギア比はアシストスプロケットの歯数のみによって決まります。
因みに、旧基準車での速度検出は、モーター回転数を検知しているらしいので、速度上限を高めるには、モーター回転数を抑える事、つまりアシストスプロケットの歯数を増やす事で対応可能かもしれません。勿論、チェーンを送る上でのアシストギア比はハイギヤード化するのでアシストトルクは低下することとなります。

速度をホントにモーター回転数から検出しているのならば、アシストギア比を変更することで、アシストトルクと、アシスト上限速度は次のように変化すると考えられます。

アシストトルク比率=(標準アシストスプロケット歯数/改造アシストスプロケット歯数)
アシスト速度比率=(改造アシストスプロケット歯数/標準アシストスプロケット歯数)

つまり、標準9Tスプロケットを8Tに小さくすれば、トルクは1.125倍、上限速度は、24km/hから21.3km/hとなり、逆に標準8T車を9Tにすれば、トルクは0.89倍、速度上限は27km/hとなる訳です。
なお、アシスト軸トルク自体は、クランクを踏んだ時に作用する最大のトルクを検出している筈なので、制御系統に手を加えない限りは変わりません。アシスト軸トルクをアシストギア比で増幅しているに過ぎません。

まぁ、仮説ですが、モータートルクが検出トルクに応答して、モーター回転数を計測しているという前提です。

注意すべきは、トルク検出系と、アシスト系は別個であるということです。トルク検出系は、従来の自転車の部分です。これは、チェーンリング歯数/ドリブンスプロケット歯数、走行負荷によってきまります。ここでモーター出力が決まります。アシスト比1:1の範囲で、漕げば漕ぐ程スピードを出したいとか、アシスト速度の上限を高めたいとか、急な坂道を上りたいという要望の場合は、チェーンリング歯数、リアスプロケット歯数の変更が鍵ですが、小さい力で漕いで大きなアシストを得たい場合は、何の役にも立ちません。

アシスト比の変更はモーターの機械的減速比で駆動力を増やす方法が一番簡単ですが、検出トルクからモーター出力を決める部分、つまり制御系に電気的に手を加えれば、更に増幅率を高める事が可能となります。

方法は二種類で、一つは検出トルク数値を大きくする方法、もう一つは制御側のモーター出力自体を大きくする方法です。前者はアナログのセンサー部分の改造、後者は回路の改造が必要でハードルが高くなりそうです。

簡単なのは前者です。方法としてはトルクセンサーからの信号を小さくすれば良い訳です。通常のアナログセンサーではアナログ出力を電流もしくは電圧で吐き出しているので、その吐き出しているラインの抵抗を小さくして大きな数値を吐き出させれば、信号を受ける側は大きなトルクが検出されていると判断する筈です。抵抗を半分にすれば、恐らくアシスト比率は二倍になる筈です。アシスト比率自体は、モーターの出力側でも制御されている筈なので、トルク検出側でアナログ出力値を可変抵抗等で可変化させるのは今一かもしれません。基盤を見るとチップ抵抗がありますので、それを小さな抵抗に換えるのが良いかも知れません。そうすれば、モーター出力が大きくなるように制御される筈です。
幸い、トルクセンサーと接続されている基盤はカプラーで脱着可能な小基盤なので、ジャンクユニットあたりを調達して基盤のみ改造して交換して試すのが良いかも知れません。

賢い方法としては、後者の制御系の解析ですが、これはチョット方法が思い付きません。

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