I segnali di un gimnoto: generazione di energia piezoelettrica con una bicicletta high-tech

Nel Dipartimento di Meccanica, Ingegneria Automobilistica ed Aeronautica dell'Università di Scienze Applicate di Monaco di Baviera, gli studenti stanno lavorando con intenti innovativi sulla bicicletta. Sfruttando il campo dei materiali intelligenti, nel progetto ”Electric Eel“ ("Anguilla Elettrica". il leggero materiale carbonio viene combinato con ceramica piezoelettrica. Le vibrazioni del telaio della bicicletta producono il trasferimento di cariche elettriche quale risultato della deformazione meccanica (l'effetto piezoelettrico).

L'energia elettrica generata in questo modo può essere usata per svariate applicazioni, senza alcuna sorgente addizionale di energia. Il principio è simile a quello del gimnoto, anguilla elettrica che emette impulsi di corrente mediante organi elettrici.

Due temi di indagine

  1. Usando la CRP (plastica rinforzata con fibre di carbonio), la forcella posteriore oscillante munita di ceramica piezoelettrica ed il segnale elettrico generato dall'irregolarità del suolo, dovrebbe controllare gli ammortizzatori nel telaio completo di sospensioni.
  2. Venne esaminato un sistema di monitoraggio delle sollecitazioni delle forcelle e del manubrio. I segnali dei moduli piezoelettrici erano usati per registrare i sovraccarichi. Le luci di allarme sul manubrio indicavano, ad esempio, quando la bicicletta doveva essere ispezionata.

"In un contesto di aspetti di sicurezza e garanzia, l'importanza del sistema di monitoraggio dei carichi è in drastica crescita in molte aree della costruzione di macchinari e di veicoli, con l'intento di ottimizzare i cicli di manutenzione.

A seconda dell'applicazione, sono appropriati vari tipi di sensore. Considerando che attualmente le indagini vengono effettuate per applicazioni di ingegneria meccanica con estensimetri, il vantaggio dell'effetto piezoelettrico è principalmente quello di evitare le pesanti batterie" Prof. Dr. Alexander Horoschenkoff, Leader Progetto all'Università di Scienze Applicate di Monaco di Baviera.

La deformazione determina il posizionamento

Prima di montare i moduli piezoelettrici si misurarono le deformazioni dei componenti sotto differenti carichi (saltellando, pedalando alti sul sellino, frenando) mediante estensimetri lineari ed a rosetta. I componenti di carbonio furono accuratamente levigati con tela smeriglio fino alla comparsa in superficie delle prime fibre di carbonio, e poi furono installati gli estensimetri con collante indurente a freddo Z70. Per registrare le deformazioni delle forcelle e del manubrio furono impiegati due amplificatori Spider8 ed il software catman®.

Banco prova

Per sviluppare il telaio, gli studenti progettarono un banco prova del tipo a rulli che permettesse di esaminare il controllo della valvola di ammortizzazione. Furono misurati la deformazione del CRP della forcella oscillante posteriore, lo spostamento durante la deflessione ed il segnale piezoelettrico.

Per la prova furono impiegati estensimetri, trasduttori di spostamento, trasduttori di forza, amplificatori di misura e software forniti dalla HBM.

Il telaio del "gimnoto"…

… è un complesso sistema meccatronico che non dovrebbe richiedere alcuna sorgente esterna di energia. La costruzione del banco prova del tipo a rulli è la premessa per una indagine informativa sull'iterazione fra la deflessione, l'azionamento della valvola e l'effetto di ammortizzazione.

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