Rollwiderstandsbeiwert als Funktion der Last

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Hallo liebe Forumslesende,

Bekanntlich ist der Rollwiderstandsbeiwert abhängig von den Reifenparametern, der Temperatur, der Geschwindigkeit, und ganz besonders dem Fülldruck, bei den üblichen Luftreifen, oder der Härte, bei Reifen bzw. Rädern aus vollem Material. Die Abhängigkeit von der Last FN wird kaum je thematisiert oder gemessen und ausser bei Tandems oder Lasträdern ändert sie ja auch wenig. Da der Rollwiderstand FR = CR x FN selbst bei konstantem CR linear mit der Last steigt, fallen geringfügige Unterschiede von CR auch kaum auf.

Trotzdem sagt die Reifenlatschtheorie, dass CR mit der Grösse des Reifenlatsches (Reifenaufstandsfläche) wachsen muss, und der Reifenlatsch muss bei zunehmender Last grösser werden. Genauer geht es um das Verhältnis FN / P (Last zu Reifendruck). Nun gibt es ja unzählige Messungen, die eine grosse und schöne Abhängigkeit von P bei konstantem FN belegen, aber kaum solche, welche FN um mehr als drei oder so Werte varieren, obwohl das bei konstantem Druck recht einfach wäre, und schon gar nicht bei konstantem Verhältnis FN / P, was die Frage rasch klären könnte.
Eine Messreihe bei immerhin sechs verschiedenen Belastungen findet sich in Gordon, John et al. (1989). “Tests of two new polyurethane foam wheelchair tires”. Journal of Rehabilitation Research and Development Vol . 26 No . 1 Winter 1989. https://www.rehab.research.va.gov/jour/89/26/1/pdf/Gordon.pdf
Hier geht es zwar um Vollreifen für Rollstühle, aber ein Luftreifen wird auch vermessen. Ich habe aus den Daten (für die Geschwindigkeit 3 Meilen pro Stunde) folgende Plots gemacht:

gordon2.png


Beim Luftreifen bei vermutlich 4 bar sinkt CR mit der Last! Beim Vollreifen aus geschäumtem Polyurethane steigt es jedoch wie erwartet. Was ist wohl los?

Meine Vermutungen:
  1. Die üblichen Plots von CR als Funktion von P gehen bei Normallast von sehr niedrigen bis zu hohen Drucken, also von einem sehr grossen bis zu einem kleinen Reifenlatsch. Hier ändert sich CR kaum mehr. Werden jedoch bei Normaldruck Messungen bei niedrigeren Lasten gemacht, ist der Reifenlatsch noch kleiner, es ändert sich im Plot CR als Funktion von FN kaum etwas: die Kurve ist flach. Dort wo die Kurve steiler wäre, bei niedrigem Druck und hoher Last, wird nicht gemessen, da man das in der Praxis ja nicht will; der Reifen geht kaputt.
  2. Bei hoher Last ist der Energieverlust entsprechend gross: Der Reifen erwärmt sich, der Luftdruck nimmt zu, der Latsch verkleinert sich, CR nimmt ab, wenigstens dort wo die Kurve bereits flach ist. Beim Vollreifen ist es umgekehrt: die höhere Temperatur macht den Elastomer weicher, und CR nimmt zu, da der Latsch grösser wird.
Das sind nur meine Hypothesen, um diese Daten zu erklären. Wären sie anders, hätte ich vielleicht eine andere Erklärung gefunden. Bewiesen kann ich nichts. Aber meine Frage an euch: sind die Begründungen plausibel? Ist 1) überhaupt verständlich? Hat jemand eine andere Erklärung? (Ich werde die Messungen von Leonardi auch so plotten, aber es scheint mir etwa dasselbe.)

Viele Grüsse, Theo Schmidt
 
Ich kann den Link nicht öffnen.
Wenn wir annehmen, dass bei den Schaumreifen der Rollwiderstand mit der Auflast steigt, dann ist der 5. Messpunkt ein Ausreißer in der Messreihe. Wurden Wiederholungsmessungen gemacht?
Wenn wir davon ausgehen, dass der Ausreißer in der orangenen Messreihe ganz gut die Messtoleranz abbildet, dann können wir daraus folgern, dass alle Messungen vom Luftreifen etwa um den Wert 0,0100 ± 0,0005 schwanken. Also eine nicht brauchbare Messreihe (zumindest für uns).
Oder hab ich was übersehen?

Übrigens hab ich mir mal eine Exceltabelle mit Reifendrücken nach Achslast und Reifenbreite gemacht. Und wenn ich für jemanden ein Fahrrad aufbaue, bekommt derjenige auch immer die für sein Gewicht passenden Reifendrücke von mir.

Grüße,
der hering
 
Danke, Hering.
Ich habe den Link überprüft, er geht. Dein Browser muss natürlich PDF können oder weiterleiten, und es dauert einige Sekunden, bis die 1.2 MB heruntergeladen sind. Sonst versuche es mit dem Kontext-Menu (z.B. rechte Maustaste -> Speichern unter...) In der Quelle sehen die Messpunkte etwas besser aus. Ich versuche dann noch die anderen Messreihen (von noch kleineren Geschwindigkeiten) zu erfassen. Aber auch wenn man die Messpunkte "fittet" statt verbindet, ist die Tendenz klar.
Gruss, Theo
 
Ich werde die Messungen von Leonardi auch so plotten
Ich habe <hier> den Cr für verschiedene FN dargestellt. In <diesem Betrag> mit anliegendem Excel-Messwerten (2016_06_14 Crr Durano ...) . Zu einer Grundlast von 0,35 kg (Stange für Gewichtaufnahme mit Drahtseil) habe ich verschiedene Gewichte aufgelegt und halb automatisiert gemessen.
Das die Kurven nicht ganz genau aufeinander liegen, liegt daran, das bei meiner Vorrichtung bei bestimmten Geschwindigkeiten Resonanzen auftreten. Den Luftwiderstandsanteil (Ventillationsverlußte) habe ich schon von den ganzen Werten abgezogen. Nach meinen Messungen stimmt die Gleichung F
R = CR * FN sehr genau, für Luftreifen.

Gordon.pdf habe ich grob überflogen, man soll hier bedenken, das der Rollwiderstand gerade bei solch geringen Geschwindigkeiten besonderes schwer zu messen ist. Durch den "unrunden Reifen" kommt es zu starken Schwingungen und zusätzlich wird es bei Bandlaufprüfständen besonders schwierig, die Schwingung zu unterdrucken. @gyps hat mal einen bauen lassen, da waren die auftretenden Schwingungen beim Messen ein großes Problem.

"unrunde Reifen":

@TheoS bei dem Luftreifen muss es sicher eine blaue Gerade bei Deinem Diagramm bei etwa Cr=0,01 sein. Man sieht z.B. im Diagramm von Gordon dass das vorletzte Dreieck für den Pneumatic Reifen aus der Reihe tanzt, unterhalb des zu erwartenden Wertes liegt. Und das erste und zweite Dreieck zu weit oberhalb liegt.

Polyurethanschaum habe ich nicht gemessen, wahrscheinlich korrekt, das der Cr dort mit der Auflast steigt - keine Ahnung. Aber man sieht, das auch dort Schwingungen bzw. unerwünschte Schwankungen bei den Messwerten zu finden sind.

Gruß Leonardi
 
Zuletzt bearbeitet:
@hering habe ich nun die Daten für 1.5 und 2 Meilen pro h von Gordon 1989 auch reingenommen. Die Messreihen sind nicht so schlecht, aber mit einigen Ausrutschern. Würde man die Messpunkte statistisch verwursteln statt einfach zu verbinden würde es besser aussehen. Beim PU-Schaum Reifen ergibt sich eine klare fast lineare Steigung, beim Pneu eine weniger eindeutige ganz leichte Senkung. In Gordon hat es noch einen zweiten PU-Schaum Reifen mit anderem Profil und besseren Werten und einen besonders schlechten Elastomer Reifen mit Luftkern, weder Fisch noch Vogel; die nehme ich nicht.

GordonDatza.png

@Leonardi habe ich noch deine Daten sehr grob reingenommen. Ein ähnlicher Trend: ganz leichte Abnahme. Für mich immer noch ein Rätsel, falls meine offensichtlich unverständlichen Annahmen nicht zutreffen. Ich vermute bei Lasten gegen 100 kg würden die Kurven steigen.

Ich denke nicht, dass die niedrigen Geschwindigkeit bei Gordon schwieriger zu messen sind, da sich die Unrundheiten auf dem Laufband einfach ausmitteln. Jedoch ist das Band selbst ja etwas weich und liefert wohl zu hohe Werte. Ich habe übrigens gestern meine Mutter auf ihrem Rollstuhl (2 schlechte Pneus mit 2 bar und 2 schlechte runde Vollgummi Rollen ca. 20 cm) und ihrem Rollator (4 etwas bessere eher zylindrische .PU-Rollen ca. 20 cm) mit einer Federwage grob gemessen: CR Rollstuhl deutlich über 0.01 auf Laminat, deutlich über 0.015 auf Teppich, CR Rollator deutlich unter 0.01 auf Laminat.

Gruss, Theo
 
Ich habe jetzt noch mal die Cr für alle Geschwindigkeiten mit allen FN in ein neues Tabellenblatt transponiert. Der Trend ist zu sehen, es war mir bisher noch gar nicht so aufgefallen, das bei Normalkräften um 350 N der Reifen am Besten ausgenutzt wird, zumindest gegen Rolle d=360mm.

Cr_Fn.jpg

Excel anliegend. Bei höheren Geschwindigkeiten 50,60 und 70 km/h "springt" der Reifen bei geringer Auflast beim geringsten Höhenschlag. Trotz mechanischer Masse-Dämpfer und Waage mit Tierfunktion kommt es dann zu Schwankungen in den Messkurven. Vielleicht zukünftig noch besser den Höhenschlag wegmachen.

***
Gut das mich TheoS drauf gebracht hat, hier genauer hin zu sehen. Für Trennung Luft- und Rollwiderstand muss ich dann auch den Reifen des Messwagens mit gleichen Gewichten belasten wie das Velomobil. Ich muss dabei auch berücksichtigen, das die Auflast auf die Reifen beim VM und Messwagen auch von der Steigung der Ausrollstrecke abhängt.

Gruß Leonardi
 

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Übrigens hab ich mir mal eine Exceltabelle mit Reifendrücken nach Achslast und Reifenbreite gemacht. Und wenn ich für jemanden ein Fahrrad aufbaue, bekommt derjenige auch immer die für sein Gewicht passenden Reifendrücke von mir.
(y)
Ich kenne nur die von Jan Heine ("15 % tire drop").
Die Drücke erscheinen mir etwas gering. ind bei 37mm Reifenbreite ist Schluss.
upload_2018-1-30_8-25-53.png
Ist Deine Excel Tabelle anders?

Gruß
Christoph
 
Ich habe jetzt noch mal die Cr für alle Geschwindigkeiten mit allen FN in ein neues Tabellenblatt transponiert. Der Trend ist zu sehen, es war mir bisher noch gar nicht so aufgefallen, das bei Normalkräften um 350 N der Reifen am Besten ausgenutzt wird, zumindest gegen Rolle d=360mm.

Leonardi, ich habe mir erlaubt, deine Messwerte nochmals "zurückzutransponieren" und den Wertebereich der Y-Achse auf Cr(v) min = 0.006 zu beschränken. Mir gefällt diese Darstellung auch besser, weil die X-Achsen-Skala Messwerte (proportional) und nicht Rubriken (kardinal) zeigt.
Ich weiss Cr(v) ist nicht Inhalt dieses Fadens aber @TheoS : man kann dadurch beide Sachverhalte Cr(v) und Cr(Last) intuitiv in einer Grafik darstellen . Ich erkenne so:

- der Cr(Last) des Fahrzeugreifens ist im ihm zugedachten Lastbereich (298 N - 543 N ) praktisch konstant. Tendenziell sinkt der Cr ganz leicht bei stärkerer Auflast.
- bei geringer Last < 298 N und speziell bei Geschwindigkeiten > 40 km/h scheinen Vibrationen der Messapparatur zu erhöhten Rollwiderstandswerten zu führen.
- Der Rollwiderstand ist relativ stark von der Geschwindigkeit abhängig Cr(v)
- Bei Rollenprüfständen (zumindest mit kleinen Rollen) ist Cr(v) (Abhängigkeit des Rollwiderstandes von der Geschwindigkeit) nicht linear.

==> Leonardi, Daniel Fenn und auch ich haben leider nur kleine Prüfstandrollen und deshalb können wir das Gemessene nicht einfach auf Velomobile, die auf ebener Strasse fahren übertragen. @TheoS : Interessant wäre also, eine geeignete Funktion zu finden, die sozusagen den auf kleiner Rolle gemessenen Cr auf Rollen mit unendlichem Radius umrechnet....


Cr_Fn.jpg


Anregung für zukünftige Messungen: der Durano ist zwar weit verbreitet, aber ich denke die einzelnen Produktionschargen (Jahrgänge) und damit die Cr können ziemlich variieren. Deshalb sollte man reflexartig bei jeder Messung nach dem (!)einmaligen(!) 20" Conti GP LTD alias Erlkönig greifen und ihn mitmessen. So liessen sich auch nachträglich noch Messresultate eichen.

@TheoS : Hast du den Titel des Treads bewusst so eng gewählt? oder liesse sich der auf Cr(xy) erweitern um nicht immer OT abzudriften.

Carbono
 
@carbono: Man erkennt aus einer Kurvenschar zwar zwei Abhängigkeiten, aber gut nur eine davon in Y vs X. Man könnte es wohl 3D darstellen, aber ich weiss nicht wie, und leicht ablesbar ist es auch nicht. Deshalb brauchen wir wohl verschiedene Plots, je nachdem welche Grösse interessiert. Es gibt ja noch weitere Abhängigkeiten. Was ich noch nie gesehen habe ist Cr als Funktion von F/P.

Für die Velomobil-Praxis ist es gut zu wissen, dass Cr(Last) sehr flach ist. Aber der Forscher in mir möchte wissen, weshalb es scheinbar eher eine flache Schale ist und nicht wie erwartet eine dauernd steigende Funktion.

Wie im PM gesagt, habe ich dank deiner Hilfe die Formel von Schuring 1977 für eine Aussentrommel (Autoreifenprüfstand) gefunden:

Cr(Ebene) = Cr(Trommel) / (1 + Raddurchmesser/Trommeldurchmesser)^½

Du hast gefragt Cr(Trommel) bei welcher Geschwindigkeit nehmen? Ich denke bei jeder Geschwindigkeit. Es ist wohl auch nichts tiefschürfendes, sondern einfach eine Formel, die mehr oder weniger passt.

Das ist jetzt schon OT, gehört in einen Thread über Rollenprüfstände. Ich hatte den Titel dieses Treads bewusst so eng gewählt, damit man ihn beim alphbetischen Suchen leichter findet. Ich nehme nicht an, dass er sich jetzt generalisieren lässt.

Gruss, Theo
 
Ist Deine Excel Tabelle anders?
nein, sie baut nur darauf auf. Ich hab ein bisschen reverse Engineering gemacht und mit der Formel kann ich dann beliebige Lasten und Reifenbreiten eingeben.
Die Werte passen ganz gut zu dem, was mbi03 erzählt hat: Luft raus, draufsetzen, Pumpen und dabei beobachten, ab wann sich die Felge vom Boden hebt. Dann den Druck mal 5 nehmen. Bei leichten Fahrern am Vorderrad kann man auch einfach anstelle den Druck abzulesen, die ganzen Hübe zählen und dann mit 5 multiplizieren, das kommt aufs gleich raus und ist ein bisschen genauer.

Damit hat man Durchschläge bei 5G Belastung.
Bei einem großen Schlagloch hatte ich damit mal drei ausgerissene Speichen aber kein Durchschlag. Sonst wärs mir wie dem liegenden Robert ergangen ;-)
 
Physical characteristics and resistance parameters ...
Dein Link zeigt nur das Abstrakt (=Kurzfassung/Inhalt)
Hier der volle Text: https://www.tandfonline.com/eprint/ucXXMIAgBSxIcFQSJfIV/full

Trotzdem kann ich auf den Ersten Blick nichts wichtiges aus der Veröffentlichung herausziehen, denn es wurde alles auf der falschen Grundannahme aufgebaut, das Cw*A konstant wäre, Auszug:
rjsp_a_1458587_m0001.gif


Und auch der Rollwiderstand bzw. Cr geschwindigkeitsunabhängig wäre.

Gruß Leonardi
 
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Wenn ich die Einleitung richtig verstanden wurden der Feldversuch deshalb durchgeführt um Alltagsrelevante Daten zu erhalten. Das mag mit so einem Feldversuch vermutlich gehen.
Nur bei 500 Alltagsradlern als Versuchsobjekte dürften die systematischen Fehler zu hoch sein um daraus die Rollreibung zu berechnen.

Als typische Fehlerquellen kommen mir auf die schnelle in den Sinn.
Unrund aufgezogene Reifen
Höhenschlag in der Felge
Bremsplatten
Schleifende Bremsen
Kaputte Kugellager

Die groben Fehler dürfte aber in der vereinheitlichung der Aerodynamik liegen.
Cw wurde vermutlich angenommen
Frontfläche aus BMI und Körpergröße berechnet. (Rückenneigung, Frontflaeche Gepäck und Verwirbelung Anbautteile nicht beachtet)

Aus sowas die Rollreibung zu berechnen ist gelinde gesagt gewagt.
 
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Entdecke leider erst jetzt diesen Thread.
Für Trennung Luft- und Rollwiderstand muss ich dann auch den Reifen des Messwagens mit gleichen Gewichten belasten wie das Velomobil.
Damit wird es doch immer schwieriger überhaupt eine Rollwiderstandszahl Cr zu definieren.
Inzwischen habe ich auch auf die Anmerkung von @gyps geschrieben, dass es neben einer geschwindigkeitsabhängigen Zunahme der Rollwiderstandskraft auch eine Abnahme derselben bei höheren Geschwindigkeiten durch Auftrieb geben könnte.
 
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dass es neben einer geschwindigkeitsabhängigen Zunahme der Rollwiderstandskraft auch eine Abnahme derselben bei höheren Geschwindigkeiten durch Auftrieb geben könnte.
Man müsste 1.) rechnerisch (vergleichbares Profil, notfalls Flügelprofil) abschätzen, wie groß die Auftriebskraft sein könnte. Vielleicht kann man sich auch Markierungen ans Federbein machen und diese mit Video mitschneiden. Könnte sein, das man eine Änderung auch mit dem Auge gut erfassen kann, wenn es ein gutes Video ist.

Wenn wesentlich, dann 2.) die Auftriebskraft an den Federbeinen indirekt durch mittleren Einfederungswert (z.B. durch Linear-Poti ) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit erfassen.

Zu 1.) http://walter.bislins.ch/aviatik/index.asp?page=Berechnung+des+Auftriebs .... was setzen wir ein ?

Gruß Leonardi
 
Es gibt noch mehr Belege für die Entlastung der Räder:
Was ich beim Quest bei starkem Wind regelmäßig spüre: Dass die Luft das runde Oberteil wie eine Tragfläche umströmt und dabei enlastet. Das hat den unangenehmen Effekt, dass man beim Parieren einer Böe schon mal mit eingeschlagenen Rädern geradeaus fährt, weil einfach mal kurzzeitig keine Last drauf ist.
Liegt villeicht am Milan, aber ich konnte einhändig bergab von 112 auf 70 km/h abbremsen, bis ich die andere Hand vom Deckel nehmen konnte, den der Seitenwind aufblasen wollte.
Seitenwind mit 70km/h wird er ja nicht gehabt haben - also kam die Kraft eindeutig durch die Anströmung von vorn !
 
also kam die Kraft eindeutig durch die Anströmung von vorn !
Falsch. Die kam schon von der Seitenwindkomponente, die so bei ca. 50 km/h lag. Fahrtwind drückt den Deckel zu, sobald er gehoben wird, nicht auf.
Die Kraft war dabei gering, weniger als 20 N, also zu vernachlässigen.

Gruß,

Tim
 
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