Messerspeichen und Seitenwind

[Derivator22]

Hast du Probefahrten gemacht mit identische Felgen und verschiedene Speichen, dieselbe Strecken, Windrichtung und -starke?

Nein, ich habe dies nicht so wissenschaftl. betrieben, sondern meine Shimano WH-R501 gegen Miche Reflex RX5 getauscht. Ein signifikanter Anstieg der Empfindlichkeit der LR gegenüber Seitenwind zog damit einher.

 

[Dukesim]

Ganz so einfach ist es ja nun nicht, es ist nicht allein die Fläche ausschlaggebend. Die Speichen drehen sich - im Prinzip wie Propeller. Der Anströmwinkel ist da auch noch von Bedeutung. Strömungsdynamik ist eine ziemlich komplizierte Sache.
Die Ergebnisse aus dem Windkanal können schonmal überraschend sein. Noch besser sind nur eigene praktische Erfahrungen.

Vom Prinzip her stimmt das, was du sagst, man muss aber die Auswirkungen relativieren: Die aerodynamische Wirkung wird mit der Fläche skaliert. Eine flache Felge samt Reifen hat eine seitliche Fläche von ca. 0,1m², 20 Messerspeichen eine Fläche von ca. 0,017m². Ob nun ein für die Seitenwindanfälligkeit relevante CW-Wert der Speichen 0,3 oder 0,5 ist, macht dann nicht so mehr viel aus. Einen Unterschied kann man ggf. fühlen, wirklich relevant ist dieser aber nicht.
Praktische Erfahrung habe ich dazu auch: Wo ich mit meinem Hed 3C schon längst im Graben liegen würde, kann ich mit dem Shimano WH-7801 Carbon (30mm Felgenhöhe, 20 Stahl-Messerspeichen mit 2,6x1,4mm Profil) noch ziemlich entspannt fahren
, trotz Scheibenrad hinten. Das zeigt einem zwar nicht den Unterschied zwischen den unterschiedlichen Speichenformen, dafür zeigen es, dass ein Laufrad mit Messerspeichen sich im Vergleich zu wirklich seitenwindanfälligen Laufrädern sehr gut fahren lässt.

Das mit der Gewöhnung stimmt auch. Diese Saison musste ich die Shimanos nur ein einziges Mal einspannen. Der Grenzwert für den Wechsel von H3C auf Shimano ist bei mir mittlerweile bei einem Windmittel von 18km/h(Böen sind dann bei ca. 50km/h). Der Grenzwert ist nicht noch höher, da ich gern in der Stadt die Hügel hoch und runter fahre und da ist der Wind an den Kreuzungen zwischen den Häusern böiger. Eigentlich kann ich dann die Shimano nie ausfahren, da der Wind vorher schon so unangenehm wird, dass man selbst vom Rad geweht wird.

 

[Dukesim]

(...) sondern meine Shimano WH-R501 gegen Miche Reflex RX5 getauscht. Ein signifikanter Anstieg der Empfindlichkeit der LR gegenüber Seitenwind zog damit einher.

Das ist ein schwieriger Vergleich, da das Felgenprofil der Reflex RX5 deutlich aerodynamisch ungünstiger ist, als die der Shimanos. D.h. ein großer Anteil der Seitenwindanfälligkeit kommt von der Felge.
Hinzu kommt, dass die Speichenform der Reflex besonders ungünstig ist (flach und breit). Insgesamt sind deine Beobachtungen also gut zu erklären.

 

[Gelöschtes Mitglied 37900]

Ein weiterer Punkt - wenn auch weniger mit Messerspeichen, sondern mit Hochprofilfelgen - ist der sog. "Segeleffekt".
Die seitliche Abdrift, die ausgeglichen werden muß (wofür also Energie aufgewendet werden muß), wird leider unter den Tisch fallen gelassen.

 

[Dukesim]

(...)
Die seitliche Abdrift, die ausgeglichen werden muß (wofür also Energie aufgewendet werden muß), wird leider unter den Tisch fallen gelassen.

Verstehe ich nicht. Kannst du das bitte etwas genauer erklären.

 

[Amigo]

Vom Prinzip her stimmt das, was du sagst, man muss aber die Auswirkungen relativieren: Die aerodynamische Wirkung wird mit der Fläche skaliert. Eine flache Felge samt Reifen hat eine seitliche Fläche von ca. 0,1m², 20 Messerspeichen eine Fläche von ca. 0,017m². Ob nun ein für die Seitenwindanfälligkeit relevante CW-Wert der Speichen 0,3 oder 0,5 ist, macht dann nicht so mehr viel aus. Einen Unterschied kann man ggf. fühlen, wirklich relevant ist dieser aber nicht.

Auch das ist vom Prinzip her richtig. Aber die Speichen sind im Gegensatz zu den rotatationssymmetrischen Felgen aerodynamisch ungünstiger, bewegen sich schneller und dort bilden sich Luftverwirbelungen, welche z.B. auch vom Speichenprofil und der Ausrichtung der Speichen abhängen. Die Speichen machen das Ergebnis schwer kalkulierbar. Wenn ein paar Speichen leicht verdreht sind, dann hat das schon signifikante Auswirkungen.
Nicht wenige Systemlaufräder mit Hochprofil haben auch schon wieder Rundspeichen, weil Messerspeichen das Handling nicht gerade einfacher machen.

 

[Dukesim]

(...)Aber die Speichen sind im Gegensatz zu den rotatationssymmetrischen Felgen aerodynamisch ungünstiger, bewegen sich schneller und dort bilden sich Luftverwirbelungen, welche z.B. auch vom Speichenprofil und der Ausrichtung der Speichen abhängen. Die Speichen machen das Ergebnis schwer kalkulierbar. Wenn ein paar Speichen leicht verdreht sind, dann hat das schon signifikante Auswirkungen.
Nicht wenige Systemlaufräder mit Hochprofil haben auch schon wieder Rundspeichen, weil Messerspeichen das Handling nicht gerade einfacher machen.

Die Verhältnisse für die Speichen ändern sich ja nicht mit deren Form. Im Wesentlichen ist es frontale Anströmung mit leichten seitlichen Anteilen.
Speichen haben im Gegensatz zur Felge übrigens eher Vorteile als Nachteile(abgesehen von dem Problem mit der Verdrehung): Man kann die Form der Speiche viel strömungsgünstiger, da freier, gestalten. Man ist nicht, wie bei der Felge, an den runden Reifen auf einer Seite gebunden. Hinzu kommt die angesprochene bis zu doppelte Geschwindigkeit: Diese sorgt für kleinere Anströmwinkel, womit die Speichen viel später ins Stalling kommen. Damit ist sowohl der Widerstand nach vorne, als auch der Widerstand zur Seite geringer. Rundspeichen stallen im Grunde genommen immer. Dieser Effekt gilt wie gesagt nur für einen Teil der Speichen, in Summe bekommt man mit Messerspeichen immer mehr Seitenkraft, als mit Rundspeichen.
Rundspeichen machen aerodynamisch in Summe(d.h. unter Berücksichtungung des Luftwiderstandes in Fahrtrichtung) nur bei sehr langsamen Geschwindigkeiten und starkem Wind Sinn. Beim Kunstradfahren im Freien oder so etwas.

Hast du konkrete Beispiele für Aerolaufräder mit Rundspeichen?

 

[Pracer]

Für mich ist eher fraglich was "Messerspeichen" letztendlich final an Energiegewinn bedeuten.

Klar gibt es jede menge schöne Diagramme zu dem Thema, diese sind aber teilweise auch unbewusst etwas auf gute Ergebnisse Optimiert.

Ich würde eher auf schön Dünne Rundspeichen setzen bei 20/24 [VR:Sapim laser, HR: Mix aus 2Dzu3D], gut ich wiege auch weniger als 70Kg.
Wenn ich überlege wie sehr meine Reifen+Felgenkombination schon die Laminarität vernichten will ich die Strömung doch eher weiter Turbulieren um zumindest am hinteren Ende des Rades Energie zu gewinnen.
Weiteres thema ist natürlich wie hier schon angesprochen verdrehte Speichen, das sollte abe mit etwas geschick zu handhaben sein.
Außerdem spielt auch das Gewicht eine gewisse Rolle. Im flachland eher weniger ein Problem bekommt man gerade an langen Anstiegen die Rechnung für übertriebenes Aero.

Wo Aerospeichen m.E.n richtig Sinn ergeben ist bei Weniger als 8 Speichen im gesamten Rad.

Gruß,

 

[Dukesim]

Für mich ist eher fraglich was "Messerspeichen" letztendlich final an Energiegewinn bedeuten.

(...)
Wenn ich überlege wie sehr meine Reifen+Felgenkombination schon die Laminarität vernichten will ich die Strömung doch eher weiter Turbulieren um zumindest am hinteren Ende des Rades Energie zu gewinnen.
(...)
Wo Aerospeichen m.E.n richtig Sinn ergeben ist bei Weniger als 8 Speichen im gesamten Rad.

Gruß,

Diese Überlegungen passen nicht zur Strömungsmechanik. Runde Profile sind grundsätzlich schlecht, wenn es eine klar dominierende Strömungsrichtung gibt. Das gilt für Speichen genau so, wie für Rahmenrohrprofile (da käme niemand auf die Idee plötzlich wieder runde statt Stromlinienkörper-förmige zu verwenden).
Weiter ins Detail:
Die Argumentation mit der turbulenten Anströmung durch die Felge ist falsch. Richtig ist, dass die Strömung nach der Felge teilweise turbulent ist, in dieser turbulenten Strömung bleibt aber das schmale und lange Profil im Vorteil (auch wenn der Vorteil in der Regel sinkt). Genau wie in laminarer Strömung reißt das bessere Profil weniger Luft zusätzlich mit sich.
Der Aspekt des Windschattens kommt hier auch nicht zum tragen, da die Turbulenzen klein sind(dissipieren schnell durch die Viskosität) und in Summe kaum gerichtet sind, wenn sie bei den weiter entfernten nachfolgenden Strukturen ankommen. D.h. man muss unbedingt den Eigenwiderstand der Speiche reduzieren.

 

[Pracer]

Etwas Älter aber immer gut für Zusätzliche Überlegungen:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/016761059290520K
+
http://www.southampton.ac.uk/~aijf197/Wheel Aerodynamics/Results and Discussion.htm
Hier sieht man dass Aerospeichen tatsächlich wirksam sind/Sein können. Auf Zweiteren Teilsatz lege ich wert.

kann dir das Buch aus bekannten rechtlichen Gründen leider nicht zukommen lassen. Mir geht es da auch eher um ein Detail bei bekannten Messerspeichen. Ich betrachte hier auch nicht die reine Aerodynamik sondern auch Gewichtsaspekte.
Der gesamte obige Text ist eher als eine Kurze Überlegung zu sehen, alles weitere wird wenn dann berechnet/in den Windkanal gestellt.

Gruß,

 

[Dukesim]

Etwas Älter aber immer gut für Zusätzliche Überlegungen:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/016761059290520K
+
http://www.southampton.ac.uk/~aijf197/Wheel Aerodynamics/Results and Discussion.htm
Hier sieht man dass Aerospeichen tatsächlich wirksam sind/Sein können. Auf Zweiteren Teilsatz lege ich wert.

(...)

Das musst du etwas ausführen. Beim oberen komme ich im Moment nicht weiter, als bis zum Abstract, welcher besagt, dass es da um "splitter plates" geht, also Platten die angewendet um die periodische Ablösung hinter zylindrischen Körpern zu unterbinden(Stichwort "karmansche Wirbelstraße"). Sowas ist für Felgen nicht zielführen, da geht es ja nicht nur um frontale Anströmung, sondern um leicht seitliche, was ganz andere Probleme mit der Ablösung auf der Lee-Seite bringt.
Das untere zeigt, so wie ich das sehe, dass weniger Speichen besser sind.
Edit: Und, dass 18 Aerospeichen besser als 18 normale, siehe Bild 8.3.
Hat beides aber keinen echten Bezug zu deinen Aussagen weiter oben?!

 

[Dukesim]

(...)Ich betrachte hier auch nicht die reine Aerodynamik sondern auch Gewichtsaspekte.
(...)

Da muss man viel rechnen. da läuft Gewicht gegen Steifigkeit und Luftwiderstand.
Vor allem entscheidend ist bei Speichen der tragende Querschnitt. Dieser ändert sich durch die Form zunächst nicht. Die besonders leichten Speichen sind aus Titan/CFK. Durch Ihre kleinere Dichte sind die Speichen aber auch dicker(bei gleichem Verhältnis aus Dicke zu Breite). Damit ist für aerodynamische Laufräder Stahl optimal. Hinzu kommt, dass man auch die Steifigkeit berücksichtigen muss: Noch geringere Querschnitte bedeuten auch weniger Steifigkeit. Rundere Speichen helfen einem nur den Querschnitt zu reduzieren ohne zu reißen (Festigkeit). (Zug-)Steifer werden die Speichen dadurch aber nicht.

 

[Amigo]

Hast du konkrete Beispiele für Aerolaufräder mit Rundspeichen?

Ich habe mir meine Bullets nochmal genauer angeschaut. Was ich für Rundspeichen gehalten habe, sind in Wahrheit Aerospeichen mit nur 1,6 mm Breite. Sorry, mein Irrtum. Bei meinen Zondas (2,0 mm) war das klarer, bei den Ksyriums (2,5 mm) erst recht. (Natürlich beides keine Aerolaufräder, nur zum Vergleich der Speichen.)
Aber da stellt sich die Frage, ab wann Speichen Messerspeichen sind?

 

[Dukesim]

(...)
Aber da stellt sich die Frage, ab wann Speichen Messerspeichen sind?

Das ist ein guter Punkt. Es gibt Angeber-Messerspeichen und Aero-Messerspeichen. Die teuren Ksyrium, Fulcrum usw. haben erstere. Die sind auch mit Absicht aus Aluminium damit sie noch größer sind (Aluminium=> geringere Dichte=> mehr tragender Querschnitt nötig). Dass das nichts mit Gewicht zu tun hat, weiß man, wenn man sich die leichtesten Laufräder auf dem Markt anschaut. Die haben entweder Stahl oder Titan-Speichen. Das Profil der Angeber-Speichen ist auch häufig einfach nur platt und gerade.
Aero-Messerspeichen sind aus Stahl und haben ein leicht gewölbtes Profil. Die sind dann auch nicht viel breiter von der Seite gesehen, sondern vor allem schmaler von vorne. Die Spaim CX-Ray haben z.B. ein 0,9 x 2,2 mm Profil, damit ist deren seitliche Fläche nur minimal größer als bei günstigen 2mm-Speichen.

 

[Pracer]

Dann will ich dich mal erlösen:

Für mich war eher die Frage ob bei Vielspeichenrädern doch eher auf die Sapim Laser anstatt die Aerolite zurückgegriffen werden sollte. am Hinterrad das gleiche, wenn ich auf einer seite Rundspeichen nehme, sollte ich das auch auf der anderen Tun. Die 3D speichen wären dann D-Light gewesen.
Das ganze hat auch ein Wenig mit den Kosten zu tun.

Die Idee dahinter: Den induzierten Widerstand durch die Runde Form zwar zu erhöhen das aber durch die Stirnfläche zu Kompensieren. Des weiteren: Ungünstige(böige-Stadtfahren) Seiten- und Rückenwinde können jeden Aerovorteil beim Beschleunigen zunichte machen, in diesm falle hätten Rundspeichen eventuell sogar Vorteile. Also zumindest die Lackierten/eloxierten.

Aber da hatte ich wohl eindeutig die falschen Werte für Speichendurchmesser im Kopf.

Leider finde ich dazu überhaupt keine Untersuchungen.
An die karmansche Wirbelstraße habe ich erinnert weil ich wissen wollte wie viel du weißt, und natürlich weil man sieht, dass eine wahnsinnig Breite Felge auch verdammt ungünstig sein kann, stchw. Laminardelle.

Das ganze ist natürlich alles sehr Theoretisch und hat mit dem was ich in der praxis Anwende relativ wenig zu tun deswegen: Nur mal eine Überglegung die man hierzu getätigt haben sollte wenn man die eigentlichen Aeroprobleme angeht.

Edith Sagt: Damit du mir nicht allzu böse bist mal was Verständlicheres:

Gruß,

 

[Dukesim]

Dann will ich dich mal erlösen:

(...)

Die Idee dahinter: Den induzierten Widerstand durch die Runde Form zwar zu erhöhen das aber durch die Stirnfläche zu Kompensieren. Des weiteren: Ungünstige(böige-Stadtfahren) Seiten- und Rückenwinde können jeden Aerovorteil beim Beschleunigen zunichte machen, in diesm falle hätten Rundspeichen eventuell sogar Vorteile. Also zumindest die Lackierten/eloxierten.

(...)

Von was willst du mich denn erlösen?

Ich glaube du hast ein etwas falsches Bild von der Anströmung die man so beim Fahrradfahren die überwiegende Zeit über hat. Diese ist vor allem von vorne mit leichter Abweichung von um den 5 -20°, je nach Randbedingungen (siehe Bild 3).
Richtig von der Seite mit 90°, oder gar von hinten kommt die Anströmung eigentlich nur im Stillstand oder bei kurzen und extrem starken Böen. Wenn man mal vom Luftwiderstand durch die Rotation der Laufräder absieht, hat man noch bei einem Rückenwind von 100km/h eine Anströmung von vorne (Weil der Verlust in der Kette und in den Reifen immer noch nicht die gesamte Tretleistung aufbraucht).
Die Aerodynamik für die kurze Zeit der Beschleunigung auszulegen ist nicht zielführend. Selbst bei meiner "stadtigsten" Runde (mit diversen Ampeln, Kreuzungen und Hügeln) verbringe ich weniger als 7% der Zeit mit Geschwindigkeiten unter 15km/h (gerade in der Statistik in SRMWin geschaut). Außerdem ist ja insgesamt wenig Luftwiderstand da in dem Geschwindigkeitsbereich.
In der restlichen Zeit kommen die besagten 5-20° zum Tragen und da ist der runde Querschnitt immer im Nachteil (Widerstand in Fahrtrichtung).

Lackiert/eloxiert? was bringt das?

 

[Gelöschtes Mitglied 37900]

Verstehe ich nicht. Kannst du das bitte etwas genauer erklären.

Zum Thema Segeleffekt hier ein Zitat von "Radplan Delta":

1)Können Scheibenräder segeln? Gibt es "Schub"?
Wenn der Wind von links kommt, muss das Segel angestellt werden, damit Schub entsteht.
Vorderräder müssen aber geradeaus fahren, der Fahrer kann das Scheibenvorderrad nicht mit z.B. 45 ° nach links anstellen, sonst macht er sich lang. Selbst ein 90° Seitenwind ist nicht neutral, er sorgt bedingt durch Schlupf für Abdrift. Das Rad fährt nicht von A nach B, sondern von A nach C. Die Reise von C "zurück", besser quer, nach B kostet neue Energie.
Seitenwind ist somit nie aufkommensneutral. Der Segeleffekt ist eine physikalische Lüge.
Jede seitliche Windkomponente bedeutet eine Mehrarbeit. Wenn die Angriffsfläche des Vorderrades grösser wird, wird auch die Abdrift und das damit verbundene "Zurückrudern" mehr.

Wie sieht´s also aus?
Gibt es den Vorteil des "Segeleffekts"? Oder nur Lüge?

 

[Dukesim]

Zum Thema Segeleffekt hier ein Zitat von "Radplan Delta":


Wie sieht´s also aus?
Gibt es den Vorteil des "Segeleffekts"? Oder nur Lüge?

Da liegt "Radplan Delta" falsch. Der Segeleffekt ist sehr wohl real. Ein reines Segeln (negativer Widerstand) tritt nur in besonderen Situationen auf, wie bei alleinstehenden speziell geformten Scheibenrädern, wie Zipp Sub 9/Super 9 oder Hed Stinger Disc. Bei anderen Komponenten, wie Hochprofillaufrädern oder Rahmen reduziert der Segeleffekt aber deutlich den Widerstand bei Seitenwind (optimal sind häufig um die 15° effektiver Anströmungswinkel, dort kommt es noch nicht zum Stalling). Der Segeleffekt ist überhaupt die einzige Erklärung dafür, dass der Widerstand mit steigendem Anströmungswinkel sinkt.

(Weiter ins Detail: Im Windkanal bleibt die Anströmgeschwindigkeit bei den Windkanaltests in der Regel konstant. Beim Anstellen des Laufrades sinkt damit die Komponente der Anströmgeschwindigkeit in "Fahrtrichtung". Damit sinken erstmal auch die gemessenen Widerstände in Fahrtrichtung. Dieser Effekt muss unbedingt aus den Ergebnissen herausgerechnet werden.)

Übrigens ist das auch nichts besonderes, die Schiffahrt segelt schon seit Jahrtausenden gegen den Wind. Da geht es nochmal deutlich besser, da das Segel eine optimalere (asymmetrische) Form hat und man sich den Anströmwinkel durch Anstellung und Kurs selbst anpassen kann. Man muss da aber auch nicht nur den Widerstand reduzieren, sondern braucht immer Vortrieb durch das Segel.
Was "Radplan Delta" mit "er sorgt bedingt durch Schlupf für Abdrift" genau meint weiß ich nicht. Eventuell ist da gemeint, dass durch die seitliche Kraft zusätzlich Schlupf an den Reifen entsteht. Das ist theoretisch richtig und auch ein interessanter Aspekt, dieser Leistungsverlust dürfte aber nicht besonders groß sein, im Vergleich zum Segeleffekt vernachlässigbar.

 

[Gelöschtes Mitglied 37900]

Kleines Gedankenspiel:
müßten sich die Effekte im vorderen und hinteren bereich der Felge nicht gegenseitig aufheben?
Was vorne für Antrieb sorgt, müßte doch hinten eher bremsend wirken?

 

[Dukesim]

Kleines Gedankenspiel:
müßten sich die Effekte im vorderen und hinteren bereich der Felge nicht gegenseitig aufheben?
Was vorne für Antrieb sorgt, müßte doch hinten eher bremsend wirken?
(...)

Dein Gedankenansatz ist noch nicht ganz vollständig. Es geht bei dem Segeleffekt weniger um die seitliche angeströmte Fläche, die irgendwie angestellt ist (weil sie es ja in der Regel nicht ist), sondern darum, was auf der anderen Seite (Lee-Seite) passiert, und wie lange dort die Strömung anliegen und umgelenkt werden kann kann.

Ein Bild dazu findet man z.B. hier ("Figure 30"):
http://www.slowtwitch.com/Downloads/TK10_SC_white_paper_lores.pdf
Da ist die Strömungsgeschwinidgkeit dargestellt (Computer-Simulation) und man sieht, dass das obere rechte Profil die Luft besonders stark ablenkt. Das andere Profil "TTX" ist auch schon relativ gut. In der Grafik darüber (29) ist der (berechnete) Widerstand dargestellt: Wo das erste Profil einen minimal negativen Widerstand hat, hat das TTX Profil noch einen gewissen positiven Widerstand(d.h. der Segeleffekt kann den Widerstand nicht ausgleichen). So stark ausgeprägt ist der Segeleffekt auch nur bei 10°
Andere Profile schaffen das viel weniger, der Widerstand bleibt immer relativ groß.
Bild 6 oben zeigt gemessene Ergebnisse, da sieht man bei bestimmten Profilen einen sehr großen negativen Widerstand bei einem Anströmungswinkel von 15°. Bei Anströmung von vorne ist der Widerstand höher, und bei sehr hohen Anströmwinkeln auch. Das kommt wegen dem Stalling, wenn die Strömung auf der anderen Seite nicht mehr anliegen kann und nicht umgeleitet wird.
Das was man da sieht ist auch nichts besonderes, dass kann man schnell simulieren und überprüfen(also dass der Segeleffekt tatsächlich vorhanden ist).