woensdag, januari 16, 2008

rolweerstand meetproef

De energie die een fietser levert wordt voornamelijk door twee zaken geabsorbeerd: rolweerstand en luchtweerstand. De luchtweerstand kan nauwelijks worden beïnvloed. De rolweerstand wel, bijvoorbeeld door de banden optimaal op spanning te houden. Bij een gestroomlijnde fiets, zoals een Quest, vormt de rolweerstand een relatief groot aandeel van de verliezen. De luchtweerstand is namelijk al geminimaliseerd door de constructie. Door diverse personen zijn er in de afgelopen jaren testen uitgevoerd om de rolweerstand van fietsbanden te bepalen. Daarbij wordt meestal één van de volgende methodes gebruikt:
  • De te testen band wordt met een kracht tegen een rol aangedrukt. De energie die nodig is om de rol een bepaalde snelheid te geven is een maat voor de rolweerstand. Het bezwaar tegen deze methode is dat de kromming van de rol veel kleiner is dan het vlakke wegdek.

  • Er wordt een karretje met drie wielen, met een belasting erop, over een vlak oppervlak gereden. De afname van de snelheid is een maat voor de rolweerstand. Hier is het bezwaar dat het gladde oppervlak niet bepaald lijkt op een normale weg.

In beide gevallen zal de ondergrond niet dezelfde eigenschappen hebben als de laag asfalt waarop meestal wordt gefietst. Het voordeel van bovenstaande methoden is dat er onder “laboratorium omstandigheden” wordt getest. De resultaten zijn daarmee goed reproduceerbaar. Het nadeel is dat de resultaten niet direct zijn te vertalen naar de praktijk: hoe presteert een bepaald band op een klinkerwegdek? Of hoe groot is de rolweerstand op een nat asfalt wegdek?

De uitrolproeven zijn bovendien erg kortstondig, het is misschien beter als data over een langere periode wordt uitgemiddeld. Soms zijn er ook andere aspecten die de resultaten beïnvloeden zoals de luchtweerstand. Wanneer een uitrolproef vanaf een heuvel wordt uitgevoerd neemt de snelheid eerst toe om daarna weer af te nemen. De luchtweerstand neemt toe met het kwadraat van de snelheid en is daarmee een factor van betekenis. Naarmate de rolweerstand minder is wordt de snelheid hoger. Hiermee neemt de luchtweerstand weer toe en zal het effect van de lage rolweerstand worden tegengewerkt


Luchtweerstand

Rolweerstand

Fl = ½ * A * Cw * ρ * v^2


A = frontaal oppervlak ( m^2)

Cw = lucht weerstand coëfficiënt

Ρ = luchtdichtheid

V^2 = snelheid in het kwadraat

Fr = Cr * m * g


Cr = rolweerstand coëfficiënt

M = massa

G = valversnelling (9,81 m/s^2)

(een Quest heeft een frontaal oppervlak van ca 0,3m^2 en een Cw van 0,22)


Het zou dus beter zijn wanneer de snelheid constant wordt gehouden. Dit kan bijvoorbeeld door een motor in de Quest te plaatsen zodat precies kan worden gemeten hoeveel vermogen nodig is om de fiets een bepaalde constante snelheid te geven. De verliezen (luchtweerstand, verlies van de motor, lager wrijving, etc) zijn hiermee constant. Dit zou ook kunnen door het trapvermogen te meten met een SRM meter (erg kostbaar).

Deze testopstelling is nogal bewerkelijk. Ik heb daarom een eenvoudiger alternatief bedacht waarbij de te testen band achter een auto aanrolt. De band zit om een wiel dat in een houder is vastgezet. Het wiel wordt met een laag geplaatst gewicht belast, bijvoorbeeld 30Kg (dit is een reële waarde, in een Quest zal de belasting per wiel niet veel anders zijn). De rolweerstand verliezen zorgen voor een trekkracht naar achteren. Deze kracht, die evenredig met de rolweerstand is, moet worden gemeten.


De constructie wordt met een stang met de trekhaak van een auto verbonden. Het wiel kan alleen op en neer bewegen, zijdelings speling wordt door de constructie geminimaliseerd anders zou het wiel kunnen kantelen. De kracht die nodig is wordt met een load-cel gemeten. Op het wiel is een snelheids-opnemer gemonteerd, deze geeft bij elke omwenteling een puls. Een laptop registreert per tijdseenheid (bijvoorbeeld elke seconde) de kracht op de loadcel, het aantal pulsen van de afgelopen seconde en eventueel de data-output van een GPS ontvanger (tijd, locatie, snelheid, enz) ter referentie.

Het voordeel van een constructie met één wiel is dat slechts één band nodig is voor de test. Bovendien kunnen de randvoorwaarden sneller worden gewijzigd (type band, druk, type binnenband, eventueel anti-leklint, talkpoeder in de band, enz). De gemeten gegevens hebben direct betrekking op de testband, terwijl bij meerdere wielen nog andere factoren een rol kunnen spelen (uitlijning van de wielen, spoorvorming, enz).

Terwijl de test loopt kunnen de testvoorwaarden worden aangepast zoals de druk, het type wegdek, de snelheid en eventueel de belasting (nominaal 30Kg).

De belasting wordt zo laag mogelijk aan weerskanten het wiel gemonteerd zodat het zwaartepunt laag is en het wiel niet kantelt. De constructie moet geschikt zijn om ook grotere wielen te monteren (tot 28”).

Realisatie:

De constructie spreekt voor zich en zal niet veel problemen opleveren. De elektronica is mijn vakgebied, dus dat zou zeker moeten lukken. De load-cel moet ik nog zien te krijgen, waarschijnlijk gebruik ik daarvoor de opnemers uit een oude personen weegschaal, een professionele load-cel is namelijk veel te duur. De informatie van de loadcel en de pulsgever moet worden gedigitaliseerd en op een lap-top worden verwerkt. Hiervoor kan ik een applicatie maken in bijvoorbeeld “matlab”, een wiskundig rekenprogramma. Met dit zelfde programma kan ik de berekeningen uitvoeren en de resultaten opslaan.



Met deze opstelling moet het mogelijke zijn om korte tijd een groot aantal metingen uit te voeren. Hiervoor zal ik een meetprogramma moeten maken. Ik ben vooral benieuwd hoe de banden waarop ik reed (en rij) presteren ten opzichte van banden die goed uit andere testen zijn gekomen. Daarnaast zijn proeven over een bepaald traject met wisselende omstandigheden interessant. Maar zover is het nog lang niet....

7 opmerkingen:

jack zei

Eduard,

De vereniging heeft een professioneel meetapparaat in de vorm van een trekveer. Deze is bij de Taco in beheer. Als ik jouw verhaal zo lees zou je volgens mij met heel interessante informatie naar voren kunnen komen. Niet gehinderd door enig gebrek aan kennis van zaken zou ik je willen aanraden eens contact op te nemen met Bert Hoge,

Groeten,
Jack Dekker, redactie ligfiets.net

H@rry zei

Pas ook op met de temperatuur. Die moet constant zijn. Ik rol vrijwel elke avond uit vanaf een bruggetje en als het kouder is neemt de uitrolafstand dramatisch af. Meten op verschillende dagen of zelfs verspreid over 1 dag is dan ook niet betrouwbaar.

Anoniem zei

Geweldig dat je er zo mee bezig kan zijn. Ben reuze benieuwd naar je bevindingen in vergelijking met andere testen.

Groet, Ed

Thomas zei

Hoi Eduard,

Interessante materie!

Ik zie nog een paar andere bezwaren in je meting; namelijk de luchtweerstand van je constructie. Zoals je weet is het achter een auto een groot zog van wervelende lucht. Dit zog kan zelfs stuwkracht aan je karretje leveren! Dit zal je meting natuurlijk negatief beinvloeden.

Mijn voorstel zou dan ook zijn om hem of voor de auto te bevestigen, of minimaal een meter naast de auto (ongestoorde stroming). Daarnaast zal je een "nulmeting" moeten doen; rij met het karretje met draaiend wiel, en elimineer de rolweerstand door het karretje op te tillen, de luchtweerstand van het karretje (met draaiend wiel!!) kan je nu meten en aftrekken van de totale meting zodat je alleen de rolweerstand overhoudt. Je zal voor elke band/wiel combinatie opnieuw een nulmeting moeten doen om betrouwbare data te genereren.

Ben erg benieuwd naar je resultaten.

Met vriendelijke groet,

Thomas

p.s. Er valt wel degelijk nog iets aan de stroomlijn van de Quest te verbeteren (voor de puristen), al is dat voor de minder handige knutselaar misschien niet te doen (of ontbreekt de kennis en kunde van aerodynamica).

Andries zei

Hallo,

Ik moet voor een profielwerkstuk ook een wrijvingscoëfficiënt weten, alleen dan van een rc-auto. Is het geen mogelijkheid om het toerental te meten, en de auto aan een veer (die Newtons aangeeft) te laten trekken? Heeft niemand een optie? Welke berekening volgt er nadat je wat nodige gegevens weet?

(dirty.klute@gmail.com)

Bij voorbaat dank!

Andries

johan zei

Wij rijden op een tandem {een MTB uitvoering}op maat gemaakt.
Sinds kort hebben wij een nieuwe en nu zijn wij van mening dat deze zwaarder fietst dan zijn voorganger.
De tandem is exact hetzelde met allen dit verschil dat de oude 26 inch wielen had en deze heeft 28 inch wielen.
Ik ben nu aan het expermiteren met verschillende banden.
Maar dat is nog niet zo eenvoudig omdat we dat op gevoel doen en je zit met verschillende omstandigheden enz.
Wie kan mij helpen c.q. adviseren in deze.

Groeten
Johan Roeleveld
Wilma-johan@versatel.nl

johan zei

Wij rijden op een tandem {een MTB uitvoering}op maat gemaakt.
Sinds kort hebben wij een nieuwe en nu zijn wij van mening dat deze zwaarder fietst dan zijn voorganger.
De tandem is exact hetzelde met allen dit verschil dat de oude 26 inch wielen had en deze heeft 28 inch wielen.
Ik ben nu aan het expermiteren met verschillende banden.
Maar dat is nog niet zo eenvoudig omdat we dat op gevoel doen en je zit met verschillende omstandigheden enz.
Wie kan mij helpen c.q. adviseren in deze.

Groeten
Johan Roeleveld
Wilma-johan@versatel.nl