Conoscere l’elettronica, specialmente quella di potenza, consente di scoprire diversi orizzonti e dona la possibilità di costruire macchine interessanti, in modo indipendente. Un progettista elettronico questo lo sa e, nella maggior parte dei casi, egli può realizzare con le proprie mani quasi la totalità dei dispositivi esistenti. Specialmente oggi, con la disponibilità di microcontrollori sofisticati, di elementi e interruttori di potenza e altri componenti all’avanguardia, egli può disporre di apparecchiature e gadget molto divertenti e utili. Questo articolo si focalizza sulla realizzazione e la costruzione di un Go Kart per bambini. Il divertimento di tutti è assicurato.
La trazione elettrica
La trazione elettrica oggi è molto diffusa grazie anche all’adozione degli accumulatori agli ioni di litio. Essa è sempre vista come una eterna promessa e, senza dubbio, costituisce una forma di energia estremamente pulita e non inquinante. Le automobili elettriche sono sempre più numerose e nel mondo, negli anni, stanno soppiantando quelle a benzina. Anche nel settore dei Go Kart la tecnologia offre soluzioni sempre più interessanti, economiche ed innovative. Viste le basse velocità in gioco, almeno per i modelli dedicati ai bambini, la soluzione della costruzione in casa è realmente fattibile. Per un piccolo veicolo elettrico, se aumentano le dimensioni, il peso e la velocità, il fabbisogno di potenza cresce in maniera esponenziale. Viceversa, limitando la velocità di molto, per consentire solamente un puro divertimento, i vantaggi si moltiplicano. La trazione elettrica permette di ottenere questi benefici. In più il motore elettrico è vantaggioso perché consuma di meno alle basse velocità e con una riserva di potenza aggiuntiva può raddoppiare le sue prestazioni.
I materiali necessari
La costruzione di un veicolo elettrico, seppur di bassa potenza e per un uso ludico destinato ai bambini, non è banale e implica una buona conoscenza di elettronica e di meccanica. Per le parti meccaniche è possibile acquistarle nuove oppure recuperarli da vecchi telai a buon prezzo. Se si sa lavorare il ferro si può realizzare il telaio con le proprie mani. In linea di massima, occorrono i seguenti materiali:
- telaio di ferro;
- kit del motore;
- catena;
- voltmetro e amperometro;
- interruttore;
- pannello;
- luci e lampade;
- tubi per le ruote;
- batteria;
- contenitore per batteria e per supporto del motore;
- paracatena;
- sedile;
- controller buck.
Non possiamo fornire il prezzo esatto dell’intero progetto perché alcune parti si possono trovare gratuitamente oppure realizzate in casa con materiali di recupero.
Il telaio
Per il telaio sono possibili diverse soluzioni. A meno che siate ottimi fabbri, la soluzione migliore è quella di procurarsi un vecchio telaio usato, senza il motore. E’ possibile trovarlo, con un po’ di fatica, presso negozi di questo genere o presso qualche centro sportivo. Se si è fortunati si può trovare il telaio con le ruote a buon prezzo, compreso lo sterzo e il freno funzionante (vedi figura 1). La struttura, ovviamente, deve essere portata a nuovo, tramite delle operazioni di levigatura e di verniciatura. L’eventuale pedale dell’acceleratore può essere eliminato, in quanto sarà utilizzato il nuovo acceleratore a disposizione con il kit motore. Se invece non si riesce a trovare il telaio occorrerà costruirlo di sana pianta e questo comporta delle spese, nonché molta conoscenza in termini di meccanica. Le parti mobili dovranno essere realizzate partendo da zero. A ogni modo, le soluzioni sono davvero tante e ognuno può decidere la direzione da prendere per la sua realizzazione. Ricordiamo che, anche se si tratta di un piccolo mezzo che useranno i bambini, devono essere rispettati tutte i criteri di sicurezza e di precisione. Dopo un’attenta pulizia del telaio si può passare alla sua verniciatura. Le soluzioni e le fantasie sono infinite. Si consiglia di rivestire con il nastro adesivo di carta le parti che non necessitano della verniciatura. Prima di proseguire con i successivi passi, la vernice applicata deve essere perfettamente asciutta.
Figura 1: alcune soluzioni per il telaio del Go Kart
Creare il sedile riutilizzando una cyclette reclinata
Come per il telaio, anche per la realizzazione del sedile, le idee e le soluzioni sono tante. In questo caso è possibile realizzare una struttura del sedile in legno robusto o in ferro, per poi imbottirla di materiale morbido come stoffa o gomma piuma. Quest’ultima idea è importante specialmente se il Kart non dispone di adeguate sospensioni. Anche in questo caso la soluzione più comoda è quella di procurare un sedile da altri macchinari come, ad esempio, di una cyclette reclinata (vedi figura 2). Il suo sedile è perfetto per il progetto. Occorre smontare dalla sua struttura solo la parte relativa al sellino. E’ possibile trovare una cyclette reclinata usata e non funzionante presso qualche negozio sportivo oppure nei negozi online. E’ possibile prevedere una regolazione di massima, per permettere l’utilizzo alle persone di diversa misura oppure bloccare la regolazione e rendere il sedile fisso e solidale al telaio. In questa maniera il sedile è fisso ma l’intero lavoro risulta più semplice.
Figura 2: il sedile di una cyclette reclinata è ideale per essere utilizzata con il Kart
Il kit motore
Il cuore del veicolo è, naturalmente rappresentato dal motore (vedi in figura 3). E’ alquanto difficile trovarne uno usato e funzionante. Si consiglia, pertanto, di acquistarlo nuovo e si può reperirlo presso i più importanti negozi online del settore. Quello utilizzato nel progetto ha le seguenti caratteristiche:
- tensione di funzionamento: 48 V;
- potenza nominale 1800 W;
- velocità: CC 4500 RPM;
- regolazione velocità: con controller;
- peso: circa 7 Kg;
- misure: 26 cm x 25 cm x 21 cm;
- tipologia: motore senza spazzole.
Si tratta di un set molto affidabile per motore elettrico universale senza spazzole, da 48 V CC 1800 W con controller, pedale dell’acceleratore e relativo cablaggio. L’efficienza di conversione è del 95%. Dispone di un pignone per catena T8F e velocità nominale di 4500 RPM. Esso risulta particolarmente adatto a Go Kart, scooter, e-bike, ATV, bicicletta motorizzata, ciclomotore, mini bike, pocket bike e dirt bike elettriche. Il controller ha 8 connettori ed è compatibile con molte bici da 48 V. La relativa confezione comprende:
- motore CC da 48 V e 1800 W;
- controller;
- pedale dell’acceleratore;
- cablaggi.
Il controller, inoltre, dispone dei seguenti collegamenti:
- batteria;
- motore;
- freno;
- luce del freno;
- spia luminosa;
- accensione;
- caricatore;
- acceleratore;
- inversione.
Il pedale dell’acceleratore è in realtà un potenziometro montato su una molla. Il suo funzionamento è molto affidabile e può essere migliorato aggiungendo un pad in gomma per renderlo ancora più robusto.
Figura 3: il kit motore utilizzato per il Kart
La catena
La catena (vedi in figura 4) deve essere perfettamente allineata al motore. Essa deve essere adatta al tipo di puleggia del motore e può essere trovata facilmente su Internet. Essa deve risultare abbastanza stretta e si deve prevedere solo una minima flessione.
Figura 4: la catena utilizzata per la trasmissione del motore
Il voltmetro e l’amperometro
Questo dispositivo non è indispensabile, ma può risultare molto utile per controllare l’assorbimento del motore e la tensione della batteria a vuoto e sotto carico. Il mercato mette a disposizione tantissimi modelli di tali strumenti di misura, alcuni anche integrati in un unico dispositivo, come visualizzato in figura 5. Ricordiamo, inoltre, che le misure in qualsiasi circuito elettrico si effettuano nei seguenti modi:
- misura di tensione (V): si effettua collegando il voltmetro in parallelo con il generatore;
- misura di corrente (A): si effettua collegando l’amperometro in serie alla linea.
Non collegate mai un amperometro in parallelo a un generatore di tensione. Per la sua bassa resistenza interna, lo strumento si distruggerà immediatamente.
Figura 5: in un solo dispositivo sono raccolti un voltmetro, un amperometro e un wattmetro: si osservino attentamente i metodi di misura della tensione e della corrente
Le luci
Un tocco di classe che contribuisce a migliorare esteticamente il Go Kart è l’implementazione di un sistema di luci. Il mezzo di trasporto, ovviamente, deve essere utilizzato di giorno, con la luce del sole, ma le luci notturne aumentano la sua bellezza estetica. Dal momento che la batteria genera una tensione di 48 V, occorre prevedere un sistema di illuminazione in grado di gestire questo valore oppure si potrebbe optare per un abbassamento del voltaggio. La soluzione adottata nel progetto prevede un controller buck DC-DC che abbassa la tensione da 48 V a 5 V.
In figura 6 è possibile osservare lo schema generico di un convertitore Buck, che abbassa la tensione da 48 V a 5 V. La tensione di uscita è determinata dai valori dei componenti utilizzati, ma in principale modo dal duty cycle del treno di impulsi sul “gate” del MOSFET, utilizzato come interruttore elettronico switching. Nel caso specifico, il “duty cycle” è del 13%. Il suo funzionamento è dedicato all’accensione delle luci.
Figura 6: lo schema generico di un convertitore Buck da 48 V a 5 V, con “duty cycle” del 13%
Con tale valore si trovano in commercio catene di luci di tutti i generi. Luci colorate, lampeggianti, giochi luminosi ed effetti speciali a ritmo di musica e suoni possono essere ottenuti facilmente con una alimentazione di soli 5 V (vedi la soluzione proposta in figura 7). E’ sufficiente collegare il controller buck alla fonte di alimentazione di 48 V tramite un interruttore in modo da poter accendere e spegnere le luci con assoluta libertà. La disposizione delle luci può seguire qualsiasi soluzione, secondo la propria fantasia e le proprie esigenze. Una possibile disposizione potrebbe prevedere le luci posizionate attorno al kart.
Figura 7: le luci utilizzate, il convertitore Buck e la suggestiva illuminazione del Kart
Le batterie
Dal momento che il motore funziona a 48 V per una potenza di 1800 W, le batterie devono essere dimensionate e adeguate per tale carico. Se si dispongono a casa tante batterie usate (ma efficienti) è possibile utilizzarle collegandole, eventualmente, in serie e in parallelo al fine di raggiungere la potenza richiesta. In alternativa è possibile acquistare una o più batterie nuove, ovviamente agli ioni di litio. Per il collegamento si consigliano brevi spezzoni di filo elettrico di almeno 10 AWG (vedi tabella delle equivalenze AWG in figura 8). E’ necessario, ovviamente, prevedere un adeguato alloggio che possa ospitare gli accumulatori. Tale contenitore potrebbe avere due funzionalità principali: tenere la batteria in modo sicuro e fornire un punto solido su cui montare il motore. Può essere realizzata in legno o metallo. Le idee e le soluzioni, in tal senso, sono molte.
Figura 8: le corrispondenze AWG dei cavi elettrici
Il cablaggio del regolatore di velocità elettronico, del motore e delle batterie
Prima di collegare tutte le parti tra loro è necessario utilizzare un tester in posizione “prova di continuità” per controllare i vari dispositivi. Spesso, infatti, i cavi del controller non sono etichettati. Una volta identificati i fili del motore, si può effettuare una prova di funzionamento per controllare il corretto verso di rotazione. Il cavo dell’acceleratore va collegato al cablaggio di accoppiamento sul controller del motore. Si può effettuare, infine, la crimpatura dei connettori sui cavi e del cablaggio corretto dell’interruttore.
Il sistema dei freni
Far muovere qualcosa regala tante soddisfazioni ma è molto importante prevedere anche un sistema di frenatura. Sebbene il kart abbia già un freno a nastro occorre essere sicuri che la frenatura avvenga perfettamente. Il controller del motore ha due ingressi digitali per lo spegnimento completo del motore. E’ sufficiente usare un piccolo interruttore in modo che quando si premono i freni, il motore si spegne fino a quando non si rilascia il freno stesso.
Conclusioni
Nel realizzare il veicolo proposto, non si devono dimenticare alcune accortezze per la sicurezza. Per esempio è opportuno che la catena di trasmissione sia perfettamente coperta e isolata, per evitare di essere feriti o risucchiati dalla stessa. Si deve realizzare, pertanto, una copertura della catena di sicurezza con delle strisce di metallo curve, in modo da adattarsi all’ingranaggio inferiore. Esse possono essere, poi, montate sul telaio tramite delle viti. Prima di testare e collaudare il veicolo, occorre controllare bene tutte le parti e tutti i sistemi del computer e della batteria. Si accertino la bontà dei cavi e la carica completa della batteria. Alla fine è possibile fare un giro di prova, per un divertimento assicurato.
Riferimenti
https://www.instructables.com/The-Bolt-an-Electric-Go-Kart-Homeschool-STEM-Proje/
