Parte 2: La rigidez de los neumáticos (más ancha es más rígida/más dura?)

En Parte 1 Discutimos el ancho real del neumático, específicamente cómo se vio afectado por el ancho del asiento del borde, y también cómo generalmente no era igual al número impreso en la pared lateral.  

En la Parte 2 vamos a ver específicamente cómo el ancho de los neumáticos afecta la rigidez midiendo la rigidez vertical (más específicamente la fuerza vertical en un desplazamiento dado) de varios neumáticos montados e inflados.

¿Más ancho es más rígido/más duro?

El diseño inicial de esta prueba era mostrar que los neumáticos de mayor diámetro son en realidad más rígidos/menos cómodos cuando se inflan a la misma presión.  Esto se debe a un efecto conocido como "tensión de la carcasa" y es causada por la presión interna del aire que actúa sobre una superficie más grande en el neumático más grande.  Esencialmente, la misma presión que actuar en más superficie hace que la mayor tensión de la carcasa.  La mejor explicación de la tensión de la carcasa que hemos visto fue realizada por nuestros amigos de Flo Wheels y se puede encontrar AQUÍ ¡si estás interesado!

Para esta parte de la discusión, utilizamos una máquina Instron para ver la fuerza requerida para desviar neumáticos a varias presiones y anchos.  Para mantener las cosas (relativamente) simples, nos referiremos a los neumáticos por el número impreso en la pared lateral al tiempo que mencionamos la presión utilizada y el ancho del asiento de la cuenta de borde.  Puede consultar el gráfico en la Parte 1 si está interesado en el tamaño real para comparar con otros modelos y marcas de neumáticos. 

Una máquina Instron es un gran equipo de laboratorio en forma de H que puede conducir el haz central de la H hacia arriba y hacia abajo con extrema precisión mientras se mide la tensión o la compresión en el objeto en el medio.  Lo más probable es que si alguna vez ves a alguien decir que la Parte A es x% más rígida/más fuerte/más elástica que la Parte B, los números se generaron en una de estas máquinas.

 

 

La máquina de prueba con yunque de 8 mm en su lugar (foto no tomada durante las pruebas reales)

Para esta prueba, utilizamos un accesorio de mantenimiento de ruedas de acero sólido atornillado a la base de la máquina, y 3 yunques de prueba diferentes para empujar los neumáticos.  Probamos la rigidez del neumático contra una superficie plana, superficie de adoquines de radio de 8 cm y superficie de protección de radio de 8 mm.

A continuación se muestran las mediciones reales de los 3 neumáticos en el borde utilizado para la prueba.  Tenga en cuenta que continuaremos usando el tamaño impreso en la carcasa para referirnos a los neumáticos, ya que es mucho menos confuso que usar las mediciones reales, aunque las mediciones reales serán importantes para determinar las presiones óptimas.  Además, 17c es el estándar de la industria para un cordón que mide 16.5 mm-17.5 mm.  El borde que estamos usando es un borde de 17c que mide 17.5 mm, por favor, considere intercambiables para los fines de esta prueba.

 

 

Datos de superficie plana

Nuestro primer estudio fue solo observar las diferencias entre 3 anchos de neumáticos diferentes en la misma rueda con una cuenta interna de 17.5 mm a la misma presión.

 

 

Neumáticos de 23, 25, 28 mm en la misma rueda de ancho de cuentas de 17.5 mm - superficie plana

 

 

 

 

 

Lo primero que debe notar aquí es que el neumático más ancho (28 mm) es en realidad Verticalmente rígido que el neumático de 25 mm que a su vez es más rígido que el neumático de 23 mm.  La respuesta más común que obtenemos a este gráfico es "Eso no es posible, pasé de 23 a 28 y es notablemente mejor". 

Mis pensamientos iniciales sobre esto fueron que la "diferencia notable", que es el cambio más pequeño que los humanos pueden notar con precisión, es entre el 10 y el 15%para la rigidez de la conducción (gran parte del trabajo en esto fue realizado por Damon Rinard , mencionado en la Parte 1 y su trabajo sobre este tema con Cervelo se puede encontrar AQUÍ) .. y la diferencia aquí entre el neumático de 23 y 28 mm es solo alrededor del 8-9%.  

A menudo he visto en las pruebas que si un jinete cree que algo es cierto, muy a menudo "sentirá" que en la prueba, particularmente si el efecto en cuestión es relativamente pequeño.  Entonces, según este primer datos, parecería que la percepción y las expectativas pueden estar impulsando algunas de las creencias "más rápidas" (suponiendo las mismas presiones de los neumáticos). Sin embargo, claramente hay mucho más que aprender.

Entonces, con estos datos en la mano, realizamos una hoja de datos completa de los 3 neumáticos en las 3 presiones en el borde de 17.5 mm.  Utilizamos 6bar, 7bar y 8bar (87psi, 101psi y 115psi) para construir este conjunto de datos, ya que nos dio un gran rango total de presiones comúnmente ejecutadas en neumáticos de estos tamaños.

 

 

23, 25, neumáticos de 28 mm en el mismo borde de ancho de cuentas de 17.5 mm a 3 presiones - superficie plana

Este gráfico realmente ayuda a preparar el escenario para las diferencias relativas que estamos viendo.  A medida que las presiones de los neumáticos se cambiaron en incrementos de 1 bar (14.5psi), puede tener una idea de las magnitudes de diferencia entre los cambios de ancho, en este caso aumentando de 23 mm a un neumático de 28 mm a 7 bares aumentó la rigidez en un 9%, mientras que aumenta la presión En 1bar aumentó la rigidez más del 21%.  La agrupación de datos está dominada principalmente por presiones de neumáticos, por lo que claramente los efectos de estos cambios de ancho de 2-3 mm están por debajo del delta delta de 1bar en el cambio de presión utilizado para la prueba.

Para llevar realmente este estudio al siguiente nivel, decidimos no solo presionar los neumáticos con la superficie plana, sino también mirar una piedra de adoquines simuladas (radio de 8 cm) y un labio de pavimento simulado (radio de 8 mm) para ver qué La rigidez efectiva del neumático sería contra esas superficies.

 

 

Visualización de 3 yunques de prueba diferentes utilizados para las pruebas

Datos de superficie 'adoquín' (radio de 8 cm)

Aquí están los datos de los mismos 3 neumáticos en el borde de ancho de cuentas de 17.5 mm en las mismas 3 presiones, solo el "yunque" en la máquina de prueba ahora es una pieza mecanizada de acero con radio de 8 cm para imitar la corona de un adoquín.  

 

 

23, 25, neumáticos de 28 mm en el mismo borde de ancho de cuentas de 17 mm a 3 presiones - superficie de adoquines

Es de destacar que el yunque de impacto redondeado "el adoquín" resultó en una fuerza considerablemente más baja en el desplazamiento de 15 mm que la superficie plana.  Este es en gran medida el resultado de cuánto del neumático puede deformarse en el parche de contacto entre el yunque y el neumático. 

Curiosamente, con la cabeza de impacto de adoquines, la rigidez radial todavía está dominada principalmente por la presión de los neumáticos, aunque las diferencias entre los anchos y las presiones de los neumáticos se han condensado un poco.  Claramente, la forma del objeto que se empuja hacia el neumático hace una gran diferencia en la rigidez de los neumáticos.  Con este conjunto de datos estamos comenzando a ver algunas superposiciones, por ejemplo, el neumático de 23 mm a 8BAR es casi idéntico en rigidez al neumático de 28 mm a las 7 bares.

Datos de 'labio de pavimento' (radio de 8 mm)

Queriendo impulsar esto aún más, observamos las mismas condiciones con un yunque de radio de 8 mm, que simula un labio de concreto, roca o objeto similar que su neumático puede golpear.  Como el radio de este yunque es considerablemente más pequeño que cualquiera de los neumáticos, estábamos interesados ​​en ver cómo cambiarían los datos ... y wow ... ¿cambió!

 

 

23, 25, neumáticos de 28 mm en el mismo borde de ancho de cuentas de 17.5 mm a 3 presiones - Radio de 8 mm

Mire de cerca y verá que los resultados se han separado por completo por la presión del aire y que los diferentes neumáticos de ancho se han vuelto casi idénticos entre sí cuando están a la misma presión.  Parece que para este pequeño radio, el tamaño del neumático es de pequeño factor en comparación con la presión del aire.

Entonces, ¿qué ha pasado para impulsar esto?  Parece que los cambios en la presión del aire están haciendo diferencias similares a estudios previos, sin embargo, el ancho del neumático no contribuye de la misma manera.  Seguro que hay más que aprender aquí, pero en este punto parece que para los golpes más pequeños que el diámetro del neumático, la forma y el tamaño de la protuberancia están impulsando la rigidez más que el ancho efectivo del neumático en sí.

Consulte el post-script de este documento sobre por qué creemos que esto es cierto, pero manteniéndolo simple en función de los datos que hemos visto aquí, ciertamente parece que los neumáticos más anchos son tan buenos o mejores para absorber pequeños golpes e imperfecciones que neumáticos más estrechos a la misma presión.  ¡Este ciertamente no es el resultado esperado del estudio tal como lo planeamos cuando comenzamos, pero ciertamente es fascinante!

Convertirlo en rigidez vertical

Hasta este punto, hemos estado usando la frase 'rigidez' para explicar estos gráficos que en realidad son gráficos de desplazamiento de fuerza.  La rigidez en realidad se define por la pendiente de la línea en el gráfico, ¡pero agregó que los gráficos hicieron que los gráficos fueran más desordenados y difíciles de leer!  A continuación se muestran los valores de rigidez calculados reales de estas pruebas.  Estos valores se volverán importantes en la Parte 3, donde observamos cómo la rigidez de los neumáticos afecta la calidad de conducción de todo el sistema de bicicletas.

 

 

Rigidez vertical de 3 neumáticos y 3 presiones contra 3 geometrías de superficie

Resumen y recomendaciones

Lo que podemos decir es que todas aquellas personas que sienten que sus neumáticos más grandes son más cómodos, es posible que tengan razón para golpes más pequeños que el radio de 8 mm ... No podríamos medir eso, por lo que es difícil saberlo, pero para radios más grandes, usted, usted, usted, usted es mejor reducir un poco su presión de aire para aprovechar realmente los anchos de neumáticos más grandes.

El aspecto más emocionante de este estudio es que ha comenzado a señalarnos en la dirección de cuánta presión necesitamos perder con aumentos de ancho de neumáticos, y aún mejor sugiere que, si bien esa presión más baja proporcionará una comodidad de conducción similar en la mayoría de las superficies, Probablemente mejorará la comodidad en pequeños baches.  

Nuestra recomendación es que disminuya la presión de los neumáticos en un 2-3% por cada milímetro de aumento del ancho de los neumáticos. Esto garantizará un cumplimiento similar sobre la mayoría de las superficies al tiempo que proporciona un mejor cumplimiento sobre pequeños baches y bordes.  Mantener un registro de sus experimentos de presión lo ayudará a decidir qué presiones son, en última instancia, más cómodas y más eficientes para sus superficies de peso y carretera.  Será importante saberlo a medida que comencemos a discutir la resistencia a la rodadura y la aerodinámica.

Nuestra próxima discusión de tecnología del martes cubrirá la comodidad y el cumplimiento del paseo, y cómo la presión y la rigidez de los neumáticos afectan a todo el sistema de bicicletas.

Posdata

Tengo que decir que en este punto, ciertamente no tenemos las respuestas para las preguntas traídas por estos datos, pero consideramos que es una teoría razonable de que hay algo que está sucediendo en la interfaz entre el yunque pequeño y el neumático que es. Agregando aparente rigidez a los datos de neumáticos de ancho más pequeño.  Este podría ser el resultado de la rigidez de la carcasa, la distorsión localizada, la fricción superficial u otros factores.  Claramente, hay más trabajo por hacer en esto.

Además, para el propósito de este estudio, solo estamos mostrando la fuerza a 0 y 15 mm de desplazamiento.  Esto es en parte para mantener los datos limpios, pero también para simplificar la lectura del gráfico.  Encontramos para cada prueba que los primeros milímetros de desplazamiento no eran lineales y luego los gráficos se volverían más o menos lineales.  En aras de mantener nuestra cordura trabajando con los datos, elegimos asumir que las curvas son totalmente lineales.  Sin embargo, con el yunque de 8 mm, los datos mostraron una sección no lineal más grande, por lo que esto probablemente se deba a las desviaciones y las deformaciones localizadas relativamente extremas requeridas dentro del neumático en estos grandes desplazamientos.  

Se eligieron 15 mm como el punto de datos de deflexión para garantizar que ninguno de los neumáticos comenzara a fondo en el borde.  Más de 15 mm, los datos de fuerza para los neumáticos de 23 mm comienzan a doblarse hacia arriba a medida que las desviaciones de la carcasa se vuelven extremas y luego los materiales del tubo interior se pellizcan dentro del sistema.  Tomar datos de rigidez de la deflexión de 0-15 mm aseguró que los datos de la fuerza representaran el efecto de la rigidez de la carcasa y solo el resorte de aire.