Over de technische achtergronden van de fiets - the technical background of the bicycle
Home » 16

Rolweerstand

 

   Strikt genomen is de constructie van het wiel pas klaar, als de buitenband eromheen zit.  De rolweerstand van een wiel neemt theoretisch af met het groter worden van de diameter. Onder wieldiameter wordt hier verstaan: de buitenmaat van de opgepompte band. Kleine wieltjes hebben dus een grotere rolweerstand, tenminste als de bandconstructie en banden-spanning identiek zijn. Een voorbeeld waar dat goed te zien is, zijn de Swallow Stelvio banden; de rolweerstand van de 28 inch versie is 40% lager dan de 20 inch versie.

  Ook de rolweerstand van bredere banden is theoretisch lager, maar omdat de druk gewoonlijk ook lager is, verdwijnt dit voordeel weer. Sommige fabrikanten maken van hetzelfde ontwerp meerdere bandbreedtes, b.v. 20, 23 en 25mm; de 25mm versie heeft dan een wat lagere rolweerstand bij dezelfde druk.  Naast rolweerstand heeft een band ook luchtweerstand en gewicht; hier is de smalle band in het voordeel!

   Het ontwerp van de band (niet zichtbaar en niet goed meetbaar) en de druk, vormen de belangrijkste factoren voor de rolweerstand. De minst belangrijke waarde voor de rolweerstand is de bandbreedte! Het aantal wielen is theoretisch ook niet belangrijk; bij een driewieler is de belasting per wiel gewoon 16,7% lager. 

  Let op: er zijn hele grote verschillen tussen de diverse bandenconstructies; bij eenzelfde druk en bandbreedte kan de ene band, een tweemaal zo hoge rol-weerstand hebben als de andere, door een stugge en dikke wand en dito loopvlak. De soepelste band is meestal de lichtste en lichtst lopende. Wat betreft lekrijden en slijtage is dit niet optimaal.

  Ook de ondergrond telt mee: ruw asfalt en slecht wegdek kunnen de rolweerstand meer dan verdubbelen!  Zeker voor kleine wielen geldt, dat de rolweerstand bij ruw wegdek enorm toeneemt. De rolweerstandscoëfficiënt Cr op een gladde betonvloer ( b.v. een sportzaal ) is voor de volgende banden ongeveer:

Clement Seta tube 22mm met 8 bar =0,002       Goede raceband 23 mm met 7 bar = 0,003     ATBband grof 47 mm met 2,5 bar = 0,009             Antilekband 37 mm met 5 bar =0,007 Antilekband 37 mm met 3 bar = 0,010.     

Op gewoon wegdek, is 0,005 een reële waarde voor een goede 23mm raceband.

 Zeker anti-lekbanden hebben vaak een relatief hoge rolweerstand; ook losse anti-lekstrips leveren extra rolweerstand op. De keuze voor een (te) smalle velg, geeft ook een hogere rolweerstand. Bij bredere banden horen bredere velgen; de binnenmaat zou circa de helft van de bandbreedte moeten zijn. Bij de laatste twee waardes in de tabel zien we het belang van de bandenspanning. Dit is bij stugge, dikke banden niet direct te voelen; ze hebben Cr-waarden in de buurt van een gewone autoband ( 0,011- 0,012).

  Zoals aangegeven, worden deze waardes gemeten in het laboratorium, op gladde beton of op een grote rol. Die cijfers zijn voor onderzoekers goed te reproduceren; bij een willekeurig wegdek ontstaan verschillen. Ook de omgevingstemperatuur heeft invloed: hoe kouder, hoe stugger de band, hoe hoger de rolweerstand. 

  De rolweerstand Rrol = m * g * Cr   Voor het opgenomen vermogen door rolweerstand moeten we dit vermenigvuldigen met snelheid v (in m/s) en delen door het rendement van de aandrijving (95%= 0,95). Voorbeeld: fietser 70 kg + stadsfiets van 20 kg met antilekbanden bij 24 km/u : Prol= 90 * 9,81 * 0,007* 6,67/0,95= 43W. Zet dezelfde fietser nu eens op een echte racer van 8 kg bij dezelfde snelheid: Prol= 78 * 9,81 * 0,003 * 6,67/0,95= 16W. Juist bij lage snelheden is de rolweerstand van grote invloed!

   In het algemeen zal een hard opgepompte band een lagere rolweerstand hebben, maar hier is de bodem een belangrijke factor. Als we met onze racefiets op een rul zandpad terechtkomen, staan we binnen enkele meters stil. De rolweerstand neemt enorm toe; de vervorming van het zand door onze bandjes slokt zoveel energie op! Als we op een ATB met 2 bar in de noppenbanden over een asfaltweg gaan, lijkt het alsof er iemand permanent aan het truitje trekt. De vervorming van de banden, door het drukken op de contactplaats met het asfalt, vreet energie en levert dus een hoge rolweerstand op. Wanneer we met deze fiets over het rulle zandpad rijden merken we nauwelijks verschil met het rijden op de weg. De druk per vierkante centimeter contactoppervlak ligt veel lager. Het zand zal maar weinig vervormen, omdat de contactplaats van de band met de ondergrond veel groter is. De rolweerstand van de ATB noppenbanden met 2,5 bar op zand is dus lager dan die van de 8 bar Clement Extra Seta racetube. Ook door stuiteren kan er een aanzienlijk energieverlies ontstaan. Als je met keiharde bandjes over de kasseien knalt, is dit goed voelbaar; naast loszittende fietsonderdelen en vullingen van je gebit, gaat er ook veel energie verloren. Een wat bredere band met een wat lagere druk, houdt contact met de weg en kan op kasseien lichter lopen dan een acht bar superlichte racetube. 

     In FIG.1 zien we de invloed van het terrein, op de rolweerstand bij diverse soorten ondergrond van een 47mm semi-slick ATB-band. Duidelijk is te zien, dat de rolweerstand op de weg lineair afneemt, met de toename van de bandenspanning. Zachtere onder-gronden hebben een hogere rolweerstand door vervorming van de bodem. In het zand (rode lijn) loopt de weerstand sneller op dan op de veldweg (de blauwe lijn loopt vlakker). Hoe smaller de band, hoe steiler de rode en blauwe curve omhoog lopen. De minimale Cr in het terrein ligt bij 2,5 bar. Dit is dan ook een druk die door veel ATB'ers gebruikt wordt; bij brede tubelessbanden mag er nog wel 0,5 tot 1 bar af. Als er veel asfalt in de route voorkomt, kun je wat meer druk gebruiken; dit geldt ook bij een bevroren ondergrond.

   Montage van 'n noppenband in plaats van de semi-slick, levert in elk terrein een toename van de rolweerstand met 10% op. Uiteraard zorgen die noppen er wel voor, dat je bij dat modderige klimmetje, je kracht kwijt kunt aan de ondergrond. Een keer doorslippen met de semi-slick band en je staat stil.

   Vervorming neemt dus energie op. In de jaren negentig was er een firma “Greentire”, die banden met een vaste polyurethaan schuimvulling verkocht. Nooit lek, gingen heel lang mee; zolang zelfs, dat ik ze maar heb weggegooid voor ze versleten waren. De rolweerstand was gigantisch door energieopname van het schuim. Dit was goed te demonstreren door het wieltje te laten stuiteren op de vloer van de werkplaats. Een racewieltje komt tot dezelfde hoogte terug; het vaste bandje kwam amper tot de helft. Antilekbanden bezitten een wapening tegen inrijden van scherpe deeltjes. Wolber koos vroeger voor een metalen gaas onder het loopvlak; tegenwoordig kiest men een laag sterke vezel als Kevlar of Vectran; of een extra taaie kunststoflaag, zoals bij Dutchtire en Schwalbe. De nieuwste generatie racebandjes gebruikt een wapening van grafeen, een materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Dit belooft qua gewicht, rolweerstand en lekbestendigheid, een ongeëvenaard product op te leveren. De beste verhalen over nieuwigheden hoor je altijd bij de introductie; de marketingjongens beloven altijd meer dan de ingenieurs waar kunnen maken. Het spul zal moeten bewijzen dat het de aanzienlijke extra kosten waard is.

   Bij een noppenband zullen op asfalt de noppen ver naar binnen gedrukt worden. Het profiel van een band leidt dus ook tot vervorming. Voor een harde ondergrond zal een band met gesloten middenrille een lagere rolweerstand hebben. Natuurlijk zal zo’n band eerder door slaan in een modderige klim, maar hier kunnen we door het kiezen van een lagere spanning, de band grip laten houden via de noppen aan de zijkant van het profiel. Ondergrond, rijstijl, gewicht en persoonlijke voorkeur spelen een grote rol bij de juiste bandenkeuze

.

   De vervorming van een smalle raceband is relatief veel groter dan die van een brede band, zie FIG.2. Aan de voorzijde van een rollende band ontstaat iets dat op een boeggolf lijkt; de rolweerstand neemt daardoor extra toe. Bij een hogere bandendruk neemt dit effect af.

  Bij smalle racebandjes is de druk per vierkante centimeter contactoppervlak met de weg zo hoog, dat de invloed van het profiel nihil is. Een zeer belangrijke factor bij de rolweerstand van banden is de soepelheid van de zijwand. Dit wordt bepaald door de keuze van de draad voor het karkas. Hoe dunner de draad, hoe meer draadjes per centimeter, hoe soepeler de band, hoe lager de rolweerstand. In ouderwetse tubes werd hier voor Egyptische katoen gekozen of zelfs voor pure zijde, als lichtgewicht en soepelheid belangrijker waren dan de prijs. Moderner is de keuze voor Kevlar; dit is wel sterker, maar ook iets stijver dan katoen of zijde; het vervangt in de duurdere banden ook de staaldraad, waardoor de banden opvouwbaar worden. Vectran HT is een betere vezel voor banden; bij Continental en Swallow verwerken ze dit in hun duurste racebandjes. Grafeen belooft Vectran van de troon te stoten; qua prijs gaat dat zeker lukken.

   De gebruikte rubbersoorten hebben ook invloed; de moderne “silica” rubbers hebben meer grip op het wegdek (zeker in de regen), maar de rolweerstand wordt daardoor iets hoger. Bijna versleten banden hebben last van draadbreuk en zijn daardoor minder stijf. Ze hebben bovendien weinig profiel; om deze redenen lopen ze dus lichter dan nieuwe exemplaren. 

   Zelfs iets als een binnenband beϊnvloedt de rolweerstand. Het lichtst, het soepelst en het best bestand tegen lekrijden, zijn ouderwetse latex binnenbanden. Dit natuurrubber heeft echter het nadeel, dat het langzaam druk verliest. Elke dag oppompen werkt uitstekend, maar niet iedereen vindt dat leuk; butylrubbers zijn iets stugger maar luchtdicht. Moderne butylrubber mengsels zijn trouwens minder goed te verlijmen, dan die ouderwetse binnenbandjes; de plakbaarheid van moderne bandjes is matig! In de ATB-wereld zijn er momenteel tubelessbanden; dat wordt voor alle fietsen de toekomst. Het wiel zal er anders uit gaan zien in komende jaren; de velg wordt lichter, omdat schijfremmen het remvlak overbodig maken. Men gaat luchtdichte tubeless velgen maken; de nippels verdwijnen mogelijk uit het velgbed. Door toepassing van schijfremmen zal de uitvalnaaf vervangen worden door de steekas (thru-axle).

 

 NAWOORD

  Alleen onderzoeken volgens dezelfde meetmethode zijn echt vergelijkbaar. Metingen van rolweerstanden worden op veel plekken op het internet en in fietsbladen gepubliceerd. Er ontstaan verschillen in gegevens. Toch zal een band die goed presteert volgens methode A, ook volgens methode B de meeste concurrentie achter zich laten. De bandenfabrikanten brengen steeds nieuwe types uit; dit geeft de testen een tijdelijke waarde. Kijk eens in de archieven van Fiets of de NVHPV.

 Rolling resistance

 

   Strictly speaking, the construction of the wheel is not finished until the tire is wrapped around it. The rolling resistance of a wheel theoretically decreases with increasing diameter. Wheel diameter here means: the outer size of the inflated tire. Small wheels therefore have a higher rolling resistance, at least if the tire construction and tire pressure are identical. An example where this is clearly visible are the Swallow Stelvio tires; the rolling resistance of the 28 inch version is 40% lower than the 20 inch version.

   The rolling resistance of wider tires is theoretically also lower, but because the tirepressure usually decreases, this advantage disappears again. Some manufacturers make multiple tire widths from the same design, e.g. 20, 23 and 25mm; in this case the 25mm version has a somewhat lower rolling resistance at the same pressure. In addition to rolling resistance, a tire also has air resistance and weight; here the narrow tire has the advantage!

   The design of the tire (not visible and not easy to measure) and the pressure are the most important factors for rolling resistance. The least important value for the rolling resistance is the tire width! The number of wheels is theoretically unimportant; a tricycle, has a load per wheel that is simply 16.7% lower.

   Note: there are very big differences between the various tire constructions; at the same pressure and tire width, one tire can have twice as high a rolling resistance as the other, due to a stiff and thick wall and tread. The most flexible tire is usually the lightest and smoothest running. This is not optimal in terms of punctures and wear.

  The surface also counts: rough asphalt and bad road surfaces can more than double the rolling resistance! Especially for small wheels, the rolling resistance increases enormously on rough road surfaces. The rolling resistance coefficient Cr on a smooth concrete floor (e.g. a sports hall) for the following tires is approximately:

Clement Seta tubelar 22mm at 8 bar =0,002         Good racing tire 23 mm at 7 bar = 0,003     ATB knobby tire 47 mm at 2,5 bar = 0,009           Puncture-proof tire 37 mm at 5 bar =0,007  Puncture-proof tire 37 mm at 3 bar = 0,010.     

    On a regular road, 0,005 is a fair value for a good 23mm racing tire.

Certainly anti-puncture tires often have a relatively high rolling resistance; anti-puncture strips also provide extra rolling resistance. Even the choice for a (too) narrow rim gives a higher rolling resistance. Wider tires require wider rims; the inner size should be about half the tire width. The last two values show the importance of the tire pressure. This cannot be felt directly with stiff and fat tires; they have Cr values close to an ordinary car tire (0,011-0,012).

   As indicated, these values are measured in the laboratory, on smooth concrete or on a large roll. Those figures are easy to reproduce for researchers; differences arise with any road surface. The temperature also has an influence: the colder, the stiffer the tire, the higher the rolling resistance.

   The rolling resistance Rrol = m* g* Cr . For the power absorbed by rolling resistance, we must multiply this by speed v (in m / s) and divide by the efficiency of the drivetrain (95% = 0,95). Example: cyclist 70 kg + city bike of 20 kg with anti-puncture tires at 24 km / h: Prol = 90* 9,81* 0,007* 6,67 / 0,95 = 43W. Now put the same cyclist on a real 8 kg racer at the same speed: Prol = 78* 9,81* 0,003* 6,67 / 0,95 = 16W. Especially at low speeds the rolling resistance has a major impact!

   In general, a hard-inflated tire will have a lower rolling resistance, but the soil is an important factor here. When we end up on a sandy path with our racing bike, we come to a halt within a few meters. The rolling resistance increases enormously; the deformation of the sand by our racing tires consumes so much energy!

   When we ride on an asphalt road with an ATB and 2 bar in the knobby tires, it seems as if someone is permanently pulling our jersey. The deformation of the tires, by pressing on the contact point with the asphalt, consumes energy and thus produces a high rolling resistance. When we ride this bike from the tarmac onto the sandy path, we hardly notice any difference. The pressure per square centimeter of contact surface is much lower. The sand will not deform much, because the contact patch of the tire with the soil is much larger.

So the rolling resistance of the ATB knobby tires with 2 bar on sand is lower than that of the 8 bar Clement Extra Seta racing tube. Bouncing can also cause significant energy losses. If you hit the cobblestones with rock-hard tires, this is clearly noticeable. In addition to loose bicycle parts and dental fillings, a lot of energy is lost. A slightly wider tire with a slightly lower pressure, keeps in contact with the road and will run lighter on cobbles than an eight bar super light racing tubular.

    In FIG.1 we see the influence of the terrain on the rolling resistance of various types of surfaces of a 47mm semi-slick ATB tire. It can clearly be seen that the rolling resistance on the road decreases linearly with the increase in tire pressure. Softer surfaces have a higher rolling resistance due to deformation of the soil. In the sand (red line) the resistance increases faster than on the field road (the blue line is flatter). The narrower the tire, the steeper the red and blue curves rise. The minimum Cr in this case is 2,5 bar. This is also a pressure that is used by many ATB'ers; with wide tubeless tires, 0,5 or 1 bar less can be still ridable. If there is a lot of asphalt in the route, you can use a little more pressure; this also applies to a frozen surface.

    Fitting a knobby tire instead of the semi-slick increases in rolling resistance by 10% on any terrain. Of course those knobs ensure, that you can deliver your power to the surface, during that muddy climb. Slip once with the semi-slick tire and you will stand still.

   Distortion absorbs energy; in the nineties there was a company “Greentire”, which sold tires with a solid polyurethane foam filling. Never leaking and lasting a long time; too long, I threw them away before they were worn out. The rolling resistance was enormous due to the energy absorption of the foam. This could be well demonstrated by bouncing the wheel on the floor of the workshop. A racing wheel returns to the same height; the solid tire barely reached half of it. Anti-puncture tires have a reinforcement against penetration by sharp parts. Wolber used to opt for a metal mesh under the tread; nowadays they choose a layer of strong fiber such as Kevlar or Vectran; or an extra tough plastic layer, like Dutchtire and Schwalbe use.

   The latest generation of racing tires uses a reinforcement of graphene, a material made up of a single layer of carbon atoms. This promises to deliver an unparalleled product in terms of weight, rolling resistance and puncture resistance. You always hear the best stories about novelties at the introduction; the marketing guys always promise more than the engineers can deliver. The stuff will have to prove it's value and the significant extra expense during competition and everyday use.

   With a knobby tire, the knobs will be pushed inwards on asphalt. The tread and profile of a tire therefore also lead to deformation. For a hard surface, a tire with a slick profile will have a lower rolling resistance. Of course, such a tire is more likely to fail on a muddy climb, but by choosing a lower tire pressure, we can allow the tire to maintain sufficient grip via the knobs on the side of the tread. 

Terrain, riding style, weight and personal preference play a major role in the right tire choice. 

 

.

 

  The deformation of a narrow racing tire is relatively high, much greater than that of a wide tire, see FIG. 2. Something resembling a bow wave is created at the front of a rolling tire; the rolling resistance increases as a result. This effect decreases with higher tire pressure.

   Narrow racing tires have a high pressure per square centimeter of contact surface with the road; so high that the influence of the profile is nil. A very important factor in the rolling resistance of tires is the flexibility of the sidewall. This is determined by the choice of wire for the carcass. The thinner the fiber, the more fibers per centimeter, the more flexible the tire, the lower the rolling resistance. In old-fashioned tubulars, Egyptian cotton was chosen here, or even pure silk, if lightweight and suppleness were more important than price. The choice for Kevlar is more modern; this is stronger, but also slightly stiffer than cotton or silk; it also replaces the steel wire in the more expensive tires, making the tires foldable.

    Vectran HT is a better fiber for tires; at Continental and Swallow they use this in their most expensive racing tires. Graphene promises to dethrone Vectran; in terms of price, that will certainly succeed.

   The modern “silica” rubbers used in tires, have more grip on the road surface (especially in the rain), but the rolling resistance is slightly higher. Almost worn tires suffer from fiber breakage, so they are less stiff. They also have less profile; for these reasons they run better than new ones.

    Even something like an inner tube influences rolling resistance. The lightest, smoothest and most puncture resistant are old-fashioned latex inner tubes. However, this natural rubber has the disadvantage that it slowly loses pressure. Inflating every day works great, but not everyone likes that; butyl rubbers are slightly stiffer but airtight. Modern butyl rubber mixtures, by the way, are less easy to glue than those old-fashioned inner tubes; the patches don't  stick very well! In the ATB world the tubeless tires are taking over; that will be the future for all bicycles. The wheel will look different in the coming years; the rim becomes lighter, because disc brakes make the braking surface superfluous. They are going to make airtight tubeless rims; the nipples may disappear from the inside of the rim. By using disc brakes, the dropouts in the frame will be replaced and new parts especially for diskbrakes and the modern thru-axle hubs.

 

EPILOGUE

Rolling resistance measurements are published in many places on the internet and in bicycle magazines. Only studies using the same measuring method are really comparable. This creates differences in data. Nevertheless, a tire that performs well according to method A will also leave most of the competition behind according to method B.

Tire companies release new tires every year, so results will be temporary. Look in archives os cycling magazines or organisations like Human Power.

NATUURKUNDE PROJECT
Word – 15,0 KB 98 downloads

<   Het is mogelijk om met beperkte hulpmiddelen een meting van de rolweerstandscoëfficiënt te doen. Dit is een aardige methode voor een natuurkunde project op de middelbare school. Voor het gemak is het via een Word file te downloaden.