Dynamischer Rollwiderstand: Ursache?

[Christoph Moder]

Doping für die Fahrradreifen link auf junge-wissenschaft

Da geht es nicht um Reifen, sondern vor allem um den Gummi, und wie man chemisch dessen Eigenschaften verändern kann. Von der Geometrie der Reifen und was den Rollwiderstand verursacht steht da aber nichts. Und die Experimente scheinen mir einen eher akademischen Charakter zu haben; hier wird nur auf die Eigenschaften des Gummis geschaut, aber nicht, was das für Auswirkungen auf das Fahrverhalten hat.

Kraftfahrtechnisches Taschenbuch von Robert Bosch GmbH (Hrsg.)​

und
Das Kleingedruckte beim Radfahren (Autor: Peter Appeltauer)

Beides sind dicke Wälzer und nicht ganz billig. Wurden an anderer Stelle im Forum schon erwähnt, im Rahmen einer Diskussion zum gleichen Thema, falls die Erinnerung nicht trügt.

Im ersten sind Haftreibung, Rollreibung und deren Geschwindigkeitsabhängigkeiten (zumindest für Autoreifen) sehr gut erklärt.
Im Kleingedruckten sind die mikroskopischen Vorgänge rund um die Auflagefläche eines Fahrradreifen schön dargestellt.

Ich habe mir jetzt das Kraftfahrtechnische Taschenbuch gekauft. Da finde ich aber nichts über die Geschwindigkeitsabhängigkeit des Rollwiderstands. Nur allgemein, dass der Reibungskoeffizient bei Gummi abhängig von der Frequenz ist und man einen niedrigen Wert bei niedriger Frequenz will, um den Rollwiderstand zu reduzieren, und einen hohen bei hohen Frequenzen, um die Haftung zu erhöhen. Aber hier geht es um ganz andere Frequenzbereiche als zwischen verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten. Und der Rollreibungskoeffizient wird hier als Konstante angegeben, keinerlei Angabe, wie er sich mit der Fahrgeschwindigkeit ändert.

Der Wert lag 2015 bei besten PKW Reifen noch bei 0.008 , ich glaube nicht das die inzwischen besser geworden sind.
Quelle: Dr. Glaeser BaSt

In obigem Buch findet man dazu:

Diese Lösung brachte in den späten 1990er-Jahren die Einführung von Silica [...] als graupulvriger Füllstoff [...] Zusammen mit Bindungshilfsstoffen, den Silanen, ließ sich der Interessenskonflikt zwischen Rollwiderstand, Haftung und Abriebfestigkeit auf ein hohes Kompromissniveau heben.

Außerdem:

Übliche Werte von cRR für PKW-Reifen auf Asphalt belaufen sich auf 0,006 bis 0,012.

Kurz gesagt: Werte aus einer Studie von 1995 sind hoffnungslos veraltet.

 

[Christoph Moder]

Und noch ein Nachtrag: bei bicyclerollingresistance gibt es ein neues Special: Rollwiderstände bei verschiedenen Geschwindigkeiten (4 m/s bis 10 m/s). Details sind nur für zahlende Mitglieder zu sehen.

CRR Speed Test | Bicycle Rolling Resistance

CRR of bicycle tires at different speeds

www.bicyclerollingresistance.com

Vergleichen wir mal die Zahlenwerte:

• Bicyclerollingresistance kommt auf eine durchschnittliche Rollwiderstandszunahme von 11.6% zwischen 4 und 10 m/s. Dabei sind die meisten Reifen bei gut 10%, nur der Conti GP 5000 S liegt mit 6.6% deutlich darunter.
• @carbono hat ebenfalls Messungen auf dem Rollenprüfstand gemacht und kommt dabei auf eine Erhöhung des Rollwiderstandskoeffizienten von 0.000041 pro km/h. Bezogen auf die 21.6 km/h Geschwindigkeits-Unterschied bei Bicyclerollingresistance wäre das eine Zunahme um 0.0008856; und wenn ich bei den dort getesteten Reifen von einem durchschnittlichen Rollwiderstandskoeffizienten von 0.0035 ausgehe, dann wäre das eine Zunahme um 25.3%.
• Walter Zorn hat in seinem Kreuzotter-Rechner einen Koeffizienten von 0.1 eingebaut. Aus dem berechnet sich die zusätzliche Rollwiderstandskraft, indem man ihn mit der Geschwindigkeit in m/s multipliziert. Einen Rollwiderstandskoeffizienten erhält man, indem man durch das Gewicht teilt. Wenn ich ein Systemgewicht von 110 kg annehme, ergibt sich bei einer Zunahme der Geschwindigkeit um 6 m/s eine Zunahme des Rollwiderstandkoeffizienten um 0.1 * 6 m/s / (110 kg * 9.81 m/s^2) = 0.00056; bei einem durchschnittlichen Rollwiderstandskoeffizienten bei 4 m/s von 0.0035 wäre das eine Zunahme von 15.9%.

Ganz schön weit auseinander, oder?

 

[ottaxel]

Hier noch mal mein Senf dazu:
Rollwiderstand bzw. besser: Verlustleistung entsteht durch Abführung von Antriebsenergie aus der beabsichten Bewegungsrichtung. Meistens ist das mit Reibung und Wärmeproduktion verbunden (Für die Informatiker: auch Entropieerhöhung). Mikroskopisch ensteht das dadurch, daß irgendwelche Mechanismen inelastisch angeregt werden, d.h. vor der reversiblen Abregung in andere Kanäle abgeleitet werden (Stichwort Thermalisierung). Bei Gasen unter 1000K ist das relativ leicht a priori zu berechnen, bei Festkörpern etwas schwieriger, bei deformierbaren Medien, noch dazu bewegten, aussichtslos. Deswegen verwend

 

[AusNigeria]

Je schneller du wirst desto mehr Kräfte(Gewicht) wirken auf die Reifen, somit erhöht sich der Rollwiderstand. Usain Bolt drückte 489kg mit rechtem Bein beim Start und 422kg mit linken, der wiegt aber keine 400+kilo, nur weil der so schnell ist wirken da enorme kräfte. Wenn du 1200w wie @Kid Karacho drückst dann fliegste auch 90km/h über die Strecke.

 

[jensNBG]

Vielleicht habe ich es ja überlese, aber ich vermisse noch ein paar Effekte beim Rollwiederstand:

- Asphaltwelle: jedes Fahrzeug schiebt durch das Einfedern der Straße eine mini Strassenwelle vor sich her. Gut zu erklären mit der Wälzlagertheorie. Bei LKW sehr ausgeprägt, daher sind die Autobahnen meist auf der rechten Spur defekter als auf der linken Spur. Schmale Fahrradreifen erzeugen eine hohe Pressung, ähnlich dem LKW.
- Mikroverzahnung: Die Rauigkeit von Straßen und Reifen führen zu einer Mikroverzahnung, je weicher der Reifen oder je rauher die Strasse, desto größer der Effekt. Kennt jeder, hier mal die Extreme: Holzradrennbahn vs. Straße mit aufgezogener Splitschicht.
- Schlupf: Gummi ist nachgiebig, also wird bei der Mikroverzahnung auch Schlupf entstehen, je höher die Leistung, desto mehr Schlupf. Extrem hier sind Motorräder mit großer Motorisierung. Da kann bei Vollgas schon Schlupf schon zweistellig sein (Prozent).

Ich behaupte mal, diese Effekte sind abhängig von Gewicht, Geschwindigkeit und Leistung. Wobei in der Geschwindigkeit schon die Leistung enthalten ist.

 

[Gear7Lover]

Naja. Die Rennpellen haben zwar einen ähnlichen Reifendruck wie LKW, und damit dieselbe Flächenpressung, aber keine 13t Achslast. Ich würde davon ausgehen dass die Strasse gegen Fahrradreifen unendlich steif ist.

Schlupf ist bei cruise speed auch vernachlässigbar (und zumindest vordergründig betrachtet nicht geschwindigkeitsabhängig).

Ändern die Effekte der Strassenrauhigkeit mit der Geschwindigkeit? Bei den Autos hilft sie Lärm zu reduzieren. Klatsch mal mit gespreizten Fingern.

 

[Kurbel]

Wie stark der Einfluss des Fahrbahnbelags sein kann, ahnt man, wenn man über frisch gelegtes Pflaster fährt, bei dem sich die einzelnen Steine noch minimal bewegen können.

Wenn sich erstmal alles gesetzt hat und verdichtet ist, ist es wahrscheinlich nah genug an „idealelastisch“ gegenüber Fahrrädern. Bei LKW merkt man an den schneller auftretenden Schäden, dass es da nicht so „ideal“ ist.

 

[Christoph Moder]

Rollwiderstand bzw. besser: Verlustleistung entsteht durch Abführung von Antriebsenergie aus der beabsichten Bewegungsrichtung. Meistens ist das mit Reibung und Wärmeproduktion verbunden

Captain Obvious hat gesprochen!

Je schneller du wirst desto mehr Kräfte(Gewicht) wirken auf die Reifen, somit erhöht sich der Rollwiderstand. Usain Bolt drückte 489kg mit rechtem Bein beim Start und 422kg mit linken, der wiegt aber keine 400+kilo, nur weil der so schnell ist wirken da enorme kräfte. Wenn du 1200w wie @Kid Karacho drückst dann fliegste auch 90km/h über die Strecke.

Nein. Um spürbar schwerer zu werden, müsste ich sehr viel schneller sein.

Im Ernst: Bei 1200 W und 90 km/h ergibt sich eine Vortriebskraft von 48 N, also umgerechnet 4.9 kg. Davon dürfte der weitaus größte Teil in den Luftwiderstand gehen, d.h. die Reifen werden mit recht kleinen Kräften geschert.

Vielleicht habe ich es ja überlese, aber ich vermisse noch ein paar Effekte beim Rollwiederstand:

Kann schon sein, dass alles Mögliche reinspielt, wenn auch nur kaum messbar.

Aber was mich interessiert:

• Was verursacht den dynamischen Rollwiderstand? (D.h.: Was ist der dominierende Effekt?)
• Nimmt er linear mit der Geschwindigkeit zu? Oder mit einer anderen Potenz? Warum?
• Warum ist er bei unterschiedlichen Reifen stark unterschiedlich? (Das spricht dafür, dass es vor allem vom Reifen abhängt, und nicht z.B. von der Fahrbahn.)
• Warum sind die drei Zahlenwerte, die ich oben zitiert habe, so unterschiedlich?
• Warum ist bei Autoreifen der Rollwiderstand offenbar nicht oder kaum geschwindigkeitsabhängig?
• Weiß jemand, was die Fachliteratur dazu sagt?

 

[Kettcar]

Instinktiv würde ich die Härte des Reifengummis dafür verantwortlich machen.
Ich vermute das sich ein weicher Reifen stärker aufheizt.
Weich, bezogen auf die Gummimischung, nicht auf den Reifendruck.

Ich vermute also, das sich Grip und Dynamischer Rollwiderstand analog verhalten.

 

[tieflieger]

Ich wurde eher auf die kombinierte harte von Gummi und Faden, aus demm der Reifen aufgebaut ist tippen. Das faden Material, Nylon, Baumwoll, Seide, was weiss ich. Die beide machen zusammen aus wie leicht sich denn Reifen verformt. In der regel werden die Leichtere, Feinere materiale auch mit die bessere Gummi variante gemischt.

Denn Reifen verformt wenn er zwischen Felge und Strasse sitzt, moglich auch kurz davor/ danach. Dan geht er wieder in die ausgangszustand. Bei hohere geschwindigkeit folgen sich diese bewegungen rascher. Die unerklarliche Werte sehe ich als eine mogliche indication das es zwei optionen gibt um eine niedrige rollwiederstand zu erzeugen. Einerseits mit ein sehr steifen Reifen, der nur wenig verformt, und deswegen kaum rollwiederstand verursacht, und anderseits mit ein sehr flexibelen Reifen wo es nur sehr wenig kraft kostet um denn Reifen zu verformen.

Bei Autoreifen geht es eher in die Richtung sehr Steif, und deswegen verformt er kaum. Bei hochwertige Rennreifen geht es voll ins andere extrem.

 

[berbr]

Ich vermute, dass sich der Verformungswiderstand aus mehreren Komponenten zusammensetzt.
- Die eigentliche Reibung zwischen den sich bewegenden Teilchen
- Eine Art Haftreibung beim Beginn der Verformung
- Eine relative Beschleunigung der Teilchen zueinander.

Während die eigentliche Reibung konstant zunimmt, könnte das bei der Haftreibung und bei der Beschleunigung anders aussehen.
Zusätzlich könnte die Haftung für eine verzögerte Bewegung und somit kurz danach für eine stärker ansteigende Beschleunigung sorgen.

 

[AusNigeria]

Hatte Butyl drauf 53km/h, jetzt Latex 59km/h, wie sich die Reifen verformen spielt eine sehr wichtige Rolle.

 

[kotty]

OK. Dann sage mal bitte, was du denkst, was da anzupassen ist.
Wir fahren jetzt in unseren Mehrspurer VMs auch Reifen, die für Einspurer gebaut sind. Und es scheint zu funktionieren.
Die sind auch nicht dafür konstruiert.

So wie vor Urzeiten auch PKW noch mit Diagonalreifen gefahren sind.
Reifen sind erst mal Reifen. Die haben Vor- und Nachteile. Grip, Seitenführung, Robustheit, Rollwiderstand.
Dass es überhaupt nicht geht, kann ich mir nicht vorstellen.
Dass man sich den geringen Rollwiderstand mit ein paar negativen Eigenschaften (schlechtere Seitenführung?) erkauft, könnte sein.
Aber vielleicht überwiegen ja die Vorteile - so wie sie es bei Autos auch tun?

Ich fände es super spannend, wenn mal ein Hersteller einen Radialreifen hätte und man den testen könnte.
Idealerweise ein Conti GP 5000. Auch für 406. Das wäre spannend und großartig...

Genau.
Übrigens, in einem wesentlichen Punkt geht die Diskussion Diagonal vs. Radial an der Sache vorbei: Entscheidend ist der Gürtel, also die Null Grad Lage.
Die Gürtellage ist das Entscheidende. Hat der Reifen einen Gürtel, bildet sich ein Zylinder, der weniger Verformung und damit weniger innere Reibung hat als ein Kugelausschnitt.
Die Gürtellage hat einen großen Umfang, die Wandspannung nimmt mit dem Umfang zu, deshalb nimmt man beim Auto gerne dafür Stahlfäden (50x so hohes E-Modul als Nylon), Ich würde Carbonfasern präferieren, die sind leichter als Stahl aber das E-Modul ist ähnlich hoch (240MPa), die Haftung im Gummi ist besser.
Noch etwas: Die Breite zählt! Breit ist besser, das weiß jeder Mantafahrer. Wer eine Begründung möchte, kann ich gerne liefern (Das benötigt ein wenig Schulphysik, 9. Klasse)

Ganz provokativ: Was ist mit einem Diagonalreifen (den man ja in allen möglichen Varianten bekommt) MIT einem Gürtel obendrauf?
Selber basteln geht auch, sogenannte Flat belts 1mm dick kann man in jeder Abmessung bestellen, für ein 20" Rad kostet der Spaß etwa 25€. Leider haben diese eine Nylonkarkasse und Null Profil, aber für einen Versuch schon mal gut.
https://www.top-industrieteile.de/flachriemen-1350-x-1-x-35-mm-megaflat-t150.html -zum Beispiel für einen 26"x50mm Reifen
Einen Gürtel auf einen fertigen Diagonalreifen aufzuspannen und festzukleben, stellt auch kein Sicherheitsrisiko dar und erhöht sicherlich die Laufleistung des Reifens (die bei schnellen Reifen mit 1-2000km ja nicht sonderlich viel ist).
Ausprobieren?
Bei Interesse kann ich einen Flachriemen mit Fahrradprofil in Carbon/Reifengummi nach Maß herstellen.
Grüße von Pete

 

[smö]

Als mehr oder weniger ahnungslos in dem Bereich kann ich mir nicht vorstellen wieso die Bastellösung irgendwas bringen soll. Ich sehe vor meinem inneren Auge nur mehr Material, insgesamt dickerer Reifen und einen drunterliegender Diagonalreifen, der rund sein möchte, aber vom festgeklebten Mantel platt gezogen oder gedrückt wird. Sorry, das ist jetzt alles sehr mit Bauchgefühl.

Wie schafft man es, dass der Gürtel richtig auf den Reifen passt? Welche Reifen wären überhaupt eine gute Basis?

Wäre toll, wenn es jemand probieren würde.

 

[ChristianW]

Ganz provokativ: Was ist mit einem Diagonalreifen (den man ja in allen möglichen Varianten bekommt) MIT einem Gürtel obendrauf?
Selber basteln geht auch, sogenannte Flat belts 1mm dick kann man in jeder Abmessung bestellen, für ein 20" Rad kostet der Spaß etwa 25€. Leider haben diese eine Nylonkarkasse und Null Profil, aber für einen Versuch schon mal gut.
https://www.top-industrieteile.de/flachriemen-1350-x-1-x-35-mm-megaflat-t150.html -zum Beispiel für einen 26"x50mm Reifen
Einen Gürtel auf einen fertigen Diagonalreifen aufzuspannen und festzukleben, stellt auch kein Sicherheitsrisiko dar und erhöht sicherlich die Laufleistung des Reifens (die bei schnellen Reifen mit 1-2000km ja nicht sonderlich viel ist).
Ausprobieren?

Für den geringen Einsatz klingt das nach einem spannenden Experiment.
Profil haben die aktuellen Rennreifen ja ohnehin nicht - ich denke, es kommt auch mehr auf die Gummimischung an (Grip in Kurven und/oder bei Nässe).

Bei Interesse kann ich einen Flachriemen mit Fahrradprofil in Carbon/Reifengummi nach Maß herstellen.

Auch spannend. Was auch immer "Fahrradprofil" sein soll (außer für Citybikes / MTB / Gravel braucht es für Straße ja eigentlich kein Profil).
Du sitzt an der Quelle vermute ich?

 

[Mistral]

Genau.
Übrigens, in einem wesentlichen Punkt geht die Diskussion Diagonal vs. Radial an der Sache vorbei: Entscheidend ist der Gürtel, also die Null Grad Lage.
Die Gürtellage ist das Entscheidende. Hat der Reifen einen Gürtel, bildet sich ein Zylinder, der weniger Verformung und damit weniger innere Reibung hat als ein Kugelausschnitt.

Die Diskussion Radial vs Diagonal läuft hier bereits. Tipps zum Selberbauen sind gern gesehen, wobei die Profis davon ausgehen, dass das nicht so einfach ist.
Hier der Faden: Radialreifen-Fertigung

 

[winido]

... Leider haben diese ... Null Profil, ...

Da ich ahnungslos bin: Warum leider? Wozu genau braucht es bei Fahrrad Profil?

 

[ChristianW]

Da ich ahnungslos bin: Warum leider? Wozu genau braucht es bei Fahrrad Profil?

Eigentlich nur wenn man durch Matsch/Gravel/Laub/Schnee etc. fahren will.
Straßenreifen brauchen kein Profil. Bei Fahrradreifen gibt's auch kein Aquaplaning (bzw. nicht innerhalb der erwartbaren Geschwindigkeitsbereiche)

 

[winido]

Danke! Dann fahr ich weiterhin völlig profillos .

 

[Mistral]

Flat belts 1mm dick kann man in jeder Abmessung bestellen, für ein 20" Rad kostet der Spaß etwa 25€. Leider haben diese eine Nylonkarkasse und Null Profil, aber für einen Versuch schon mal gut.
https://www.top-industrieteile.de/flachriemen-1350-x-1-x-35-mm-megaflat-t150.html -zum Beispiel für einen 26"x50mm Reifen

Der verlinkte Riemen kostet aber 50€ und angegeben ist Neopren als Material, das radiert doch weg wie nix, oder sehe ich das falsch. Wie steif ist der Riemen denn bei Belastung in Normalenrichtung zur Oberfläche? Biegt den ein straff aufgepumpter Reifen nicht einfach krumm?