E-bike aandrijvingen – Deel 2

‍

In deel 2 van onze reeks over E-bike aandrijvingen gaan we dieper in op de verschillende parallel hybride systemen die vandaag op de markt zijn. Elk van deze systemen heeft een aantal duidelijke voordelen maar ook een aantal lastige nadelen. Zoals we zullen zien is er geen zaligmakende oplossing en is het vooral belangrijk dat het juiste systeem wordt gekozen voor de juiste toepassing.

Krijg je na dit artikel maar niet genoeg? Lees meer over andere systemen in E-bike aandrijvingen - Deel 1 en Deel 3.

Hoeveel verschil kan er zijn?

Dit is een logische vraag wanneer je deel 1 van de reeks al hebt gelezen. Het gaat hier in deel 2 immers alleen nog over parallel hybrides. Hoe verschillend kunnen die systemen dan nog zijn? Wel, meer dan je denkt. Het feit dat een aandrijving een parallel hybride is betekent immers alleen maar dat de trappers van de fietser nog rechtstreeks gekoppeld zijn met het achterwiel van de fiets. De motor kan dus nog op een heel aantal verschillende manieren bijdragen tot de aandrijving van de E-bike. De grootste verschillen zitten in de keuze van het elektrisch aangedreven wiel (vooraan of achteraan) en in of de motor voor of achter het versnellingsapparaat van de pedelec staat. Zoals we zullen zien, hebben die keuzes een belangrijke impact op het gebruik van je elektrische fiets.

Enkele basisbegrippen

Om goed te begrijpen wat de impact is van de ontwerp keuzes die hierboven vernoemd zijn, is het belangrijk om een aantal basisbegrippen goed te begrijpen: koppel, vermogen en tractie.

Koppel

Het koppel is de roterende kracht van een motor of een as die verbonden is met een motor. Eenvoudig gezegd geeft het koppel aan hoe "sterk" een motor is. Een draaiende as waarop een hoog koppel wordt uitgeoefend is moeilijker tegen te houden dan een as waarop een laag koppel wordt uitgeoefend. Een motor met een hoog koppel heeft dan ook minder moeite om op gang te komen tegen een weerstand in dan een motor met een laag koppel. Daarom is het koppel van de motor vaak bepalend voor het klimvermogen van een E-bike, of zijn acceleratievermogen bij vertrek.

Vermogen

Vermogen is de hoeveelheid energie die een motor kan leveren per seconde. Het is ook de vermenigvuldiging van het koppel van een motor met zijn draaisnelheid. Het vermogen zegt dus op zich niks over hoe "sterk" een motor is. Een motor met hoog koppel die erg traag draait heeft niet per se meer vermogen dan een motor met een heel laag koppel die erg snel draait. De omvorming van het motorvermogen naar het juiste koppel en toerental aan het fietswiel gebeurt via versnellingen: in een kleine versnelling draait het wiel van de fiets traag met een hoog koppel terwijl het in een hoge versnelling net andersom is. Bij naafmotoren (motoren die in de naaf van het wiel zijn verwerkt) is de versnelling vooraf bepaald in het ontwerp en is ze niet schakelbaar. Bij middenmotoren maakt de motor gebruik van het versnellingssysteem van de fiets en is de verhouding dus wel schakelbaar. Het vermogen van een E-bike motor is bepalend voor de maximale snelheid die een (speed) pedelec kan halen, omdat de motor daarvoor een aanzienlijk koppel moet leveren terwijl hij op hoge snelheid draait.

Tractie

De tractie is het maximale koppel dat je op een wiel kan uitoefenen vooraleer het gaat spinnen omdat de band zijn grip verliest. De tractie is afhankelijk van het type band en de ruwheid van het wegdek maar ook van het gewicht dat op het wiel rust. Hoe harder een wiel op de grond wordt geduwd, hoe meer tractie het wiel kan bieden. De tractie van het elektrisch aangedreven wiel moet groter zijn dan het koppel dat de motor op het wiel uitoefent, anders gaat het wiel spinnen en dat kan zorgen dat je valt. Ook heeft het geen zin om een sterke motor met hoog koppel te bevestigen aan een wiel met weinig tractie, want de motor zal daardoor nooit zijn maximale koppel kunnen benutten.

De voorwielmotor

Een eerste mogelijkheid om de elektrische motor in parallel te plaatsen met de trappers is de voorwielmotor. Door de motor in het voorwiel te verwerken, blijft de volledige aandrijflijn achteraan onveranderd. Een voorwielmotor is dus een eenvoudige en elegante oplossing. Typisch is een voorwielmotor bovendien uitgerust met een vrijloopkoppeling waardoor de motor alleen gekoppeld is met het voorwiel wanneer de motor vermogen levert. Zodra de motor wordt uitgezet rijdt de fiets dus volledig als een klassieke mechanische fiets. Door een interne reductie in te bouwen in de motor kan hij bovendien klein en licht gemaakt worden zodat hij de fietser zo weinig mogelijk hindert.

Een nadeel van de voorwielmotor is dat hij steeds in dezelfde versnellingsverhouding met het wiel gekoppeld is. Er is immers geen versnellingssysteem tussen de motor en het voorwiel. Omdat de motor is afgestemd op de maximale fietssnelheid, staat hij eigenlijk in een te hoge versnelling om efficiënt bergop te kunnen rijden. Bovendien heeft het voorwiel in een klassieke fiets, zeker tijdens een beklimming, te weinig tractie om er een hoog motorkoppel op uit te oefenen. Daarom zie je voorwielmotoren typisch in Hollandse fietsen. Die krijgen immers weinig met hellingen te maken.

De achterwielnaafmotor

De elektrische motor kan ook in het achterwiel geplaatst worden in plaats van het voorwiel. Mechanisch is dit iets complexer omdat het versnellingssysteem dat de trappers met het achterwiel verbindt mee geïntegreerd moet worden. Voor een derailleur is dit nog relatief eenvoudig maar naafversnellingen zie je nauwelijks in combinatie met een naafmotor. Ook de achterwielmotor heeft het nadeel dat hij zonder versnellingen gekoppeld is en dus niet optimaal is afgesteld voor steile beklimmingen, maar omdat het achterwiel zwaarder belast wordt en dus meer tractie biedt tijdens een beklimming kan de motor wel groter gekozen worden en een hoger koppel uitoefenen op het wiel. Achterwielmotoren zijn typisch zogenaamde direct drive motoren zonder vrijloopkoppeling, wat wil zeggen dat ze altijd verbonden zijn met het wiel, ook wanneer de motor uit staat. Dat maakt fietsen zonder elektrische ondersteuning erg moeilijk maar maakt het wel mogelijk om energie te recupereren tijdens het afremmen.

Achterwielnaafmotoren zie je meestal in speed pedelecs met hoog vermogen, omdat er in het achterwiel veel ruimte is voor een grote motor en omdat het achterwiel voldoende tractie biedt voor het hoge koppel van deze motoren.

De middenmotor

In plaats van de elektrische motor rechtstreeks aan een van de fietswielen te koppelen kan je er ook voor kiezen om hem met de trappers te verbinden. Dit concept wordt middenmotor genoemd omdat de motor aan de trapas gemonteerd zit. Eerder dan het wiel rechtstreeks aan te drijven, zet de motor extra kracht op de trapas die je zelf ook met je benen aandrijft. Het versnellingssysteem van je E-bike dient zo dus niet alleen om je eigen trapfrequentie te kiezen, maar ook om te zorgen dat de motor altijd optimaal afgestemd is op de belasting die hij te verwerken krijgt. Wanneer je op een steile helling in een kleine versnelling schakelt, wordt het koppel van de elektromotor versterkt en komt er meer koppel op het achterwiel zodat de E-bike makkelijker de berg oprijdt.

Omdat het optimale motortoerental zo gekozen is dat het overeenkomt met de optimale trapfrequentie van de fietser schakel je in één klap niet alleen jezelf maar ook de motor in zijn optimale versnelling. Het feit dat de elektromotor nagenoeg altijd aan zijn optimale toerental draait is meteen het grootste voordeel van de middenmotor. Het zorgt ervoor dat een relatief kleine motor steeds zijn volledige vermogen kan benutten, zowel wanneer je snel rijdt op een vlakke weg als wanneer je een steile helling oprijdt. Omdat echter al het elektrische motorvermogen ook door je versnellingssysteem gaat, duurt het niet lang vooraleer dat systeem versleten is, zeker bij speed pedelecs. De middenmotor kan daarom ook niet zo krachtig worden gemaakt als een achterwielmotor. Het versnellingssysteem van je E-bike kan zo'n hoog vermogen immers niet verwerken en bovendien is er aan de trapas maar weinig ruimte voor een grote motor. Middenmotoren zijn dan ook erg populair bij 25 km/u E-bikes, die beperkt zijn tot 250W vermogen, maar ze moeten de achterwielmotoren laten voorgaan in de speed pedelec markt waar veel hogere vermogens nodig zijn.

Een ander nadeel van de middenmotor is dat hij slecht omkan met lage trapfrequenties. Dat komt omdat de motor afhankelijk is van je trapfrequentie om zijn vermogen te kunnen leveren. Naafmotoren daarentegen kunnen hun vermogen afgeven ongeacht of je trappers bewegen of niet, zolang het wiel maar draait.

Wat is het beste systeem?

Elk van de drie systemen die we hebben besproken heeft een duidelijk voordeel voor een specifiek gebruikerstype. Wil je liefst een E-bike die zoveel mogelijk lijkt op een gewone fiets maar af en toe toch een extra duwtje in de rug? Dan is de voorwielnaafmotor een elegante, eenvoudige en efficiënte oplossing.

Heb je daarentegen graag een krachtiger E-bike die de steilste hellingen met je opkan maar toch compact en licht is, dan is de middenmotor waarschijnlijk ideaal voor jou. Geen ander systeem haalt meer functionaliteit uit een 250W motor momenteel.

Ga je voor een speed pedelec en heb je het vermogen nodig om comfortabel 45 km/u te kunnen aanhouden, dan ga je maar beter voor de achterwielnaafmotor. Maar nog beter voor Ellio natuurlijk, want over ons eigen systeem hebben we het nog niet gehad. Daarover meer in het derde en laatste deel van deze reeks!

Heb je vragen of opmerkingen over deze post? Laat ze voor ons achter via het contactformulier of op ons mailadres info@intuedrive.com.

‍