Field data acquisition during downhill and assisted pedalling events for the fatigue life prediction of modern e-MTB components

The bicycles, equipped with an electric motor, also known as e-bikes, have become protagonists in the two-wheeler sector in the last few years because they have allowed an ever-growing public to interface with this sport. The reason for this rise is linked to the fact that there are very different types of e-bikes which can be used both by the most demanding athletes and the most inexperienced or with limited physical preparation people. Thanks to the assistance of the motor electric, the physical effort of the cyclist is considerably less. This vast catchment area obliges manufacturers to carry out careful evaluations during the design phase in order to ensure reliable, safe, light and performing bicycles. Throughout this work, particular attention was paid to the e-MTB segment in order to identify the main loads acting on the frame and swingarm during normal use. For this reason, once the strain gauges were applied on the components which are taken under examination, outdoor tests were performed with a professional cyclist in order to study better the main stresses acting on the bicycle during off-road use and, above all, the heaviest events, which can severely compromise its fatigue life with their frequency. In parallel, using instrumented crankarms, it was possible to determine the torque and power introduced by the cyclist during the pedalling phase, considering the effect of the slope of the track: these quantities are very useful in the design phase because, if the torque introduced by the electric motor is known, it is possible to carry out static and fatigue analysis of the components. The electric input torque was determined through applied sensors: strain gauges on right chainstay were used as torque meter. Finally, the data acquired during the outdoor tests were used both for the creation of representative load histories for the category of e-MTB under investigation and to perform a comparison with the stresses that occur during the tests which were performed following the reference ISO standards. Finally, the foundations were laid for the construction of instrumented crowns that allow the study of the total torque introduced, the sum of the component coming from the motor and that introduced by the rider. These instruments acquire signals from strain gauge bridges, sending the recorded data via Bluetooth technology.

Le biciclette dotate di motore elettrico, anche note come e-Bike, negli ultimi anni sono diventate protagoniste del settore delle due ruote ed hanno permesso ad un pubblico sempre più vasto di interfacciarsi a questo sport. Il motivo di questa ascesa è legato al fatto che esistono tipologie di e-Bike molto differenti tra loro che possono essere utilizzate sia dagli atleti più esigenti che dalle persone più inesperte o con preparazione fisica limitata e, grazie all'assistenza del motore elettrico, lo sforzo fisico del ciclista è notevolmente inferiore. Un bacino di utenza così vasto obbliga i costruttori ad eseguire delle attente valutazioni in fase di progettazione per assicurare delle biciclette affidabili e sicure, ma anche leggere e performanti. All’intero di questo elaborato si è posta particolare attenzione al segmento e-MTB, con l’obiettivo di individuare i principali carichi agenti sul telaio e sul triangolo posteriore durante il normale utilizzo. Per questo motivo, una volta applicati estensimetri in corrispondenza dei componenti in esame, sono stati eseguiti test outdoor con un ciclista professionista, in modo tale da poter studiare al meglio le principali sollecitazioni agenti sulla bicicletta durante l’uso fuoristradistico e, soprattutto, gli eventi più significativi per il veicolo stesso, la cui frequenza può compromettere fortemente la vita a fatica. In parallelo, attraverso l’utilizzo di pedivelle strumentate, è stato possibile determinare la coppia e la potenza introdotta dal ciclista durante la fase di pedalata, tenendo in considerazione l’effetto della pendenza del tracciato: queste grandezze risultano molto utili in fase di progettazione perché, nota la coppia introdotta dal motore elettrico, è possibile eseguire verifiche statiche e a fatica dei principali componenti. La coppia input del motore Brose è stata stimata all’interno dell’elaborato utilizzando gli estensimetri posti sul carro posteriore, I dati acquisiti durante i test outdoor, poi, sono stati utilizzati sia per la realizzazione di storie di carico rappresentative per la categoria di e-MTB in esame, sia per eseguire un confronto con le sollecitazioni che si registrano durante i test eseguiti in accordo con le normative ISO 4210-6 di riferimento. Infine, si sono poste le basi per la realizzazione di corone strumentate che consentano lo studio della coppia totale introdotta, somma della componente proveniente dal motore e quella introdotta dal ciclista. Questi strumenti acquisiscono i segnali provenienti da ponti estensimetrici, inviando i dati registrati tramite tecnologia Bluetooth.