Slutrapport Automatisk däcktrycksreglering för att undvika halkolyckor med cykel Förstudie kring däcktryck KRISTOFFER LIDSTRÖM 2013-06-28
SAMMANFATTNING I denna förstudie har relationen mellan däcktryck och grepp undersökts experimentellt för tre olika däck på torrt respektive vått underlag. Försöken utfördes hos Finska Wheel Energy i en för cykeldäck speciellt utvecklad testrigg. Fyra tryck testades per däck; tillverkarens rekommenderade max- och mintryck, ett tryck under det rekommenderade samt ett tryck över det rekommenderade. Resultaten visar att lägre däcktryck generellt leder till högre uppmätt friktionskraft. Jämförelser mellan torrt och vått underlag visar på att en cyklist som väljer lägsta rekommenderade trycket vid cykling på vått underlag får nästan samma grepp som vid högsta rekommenderade trycket på torrt underlag. Vid alldaglig cykling på det använda underlaget är skillnaderna i grepp inte stora i relation till den friktionskraft som behövs vid kurvtagning. När cyklisten befinner sig på gränsen till att förlora greppet, exempelvis på hala underlag, vid kurvtagning i nedförsbacke eller vid hög hastighet kan dock skillnaderna i däcktryck få större inverkan. Förstudien syftar till att undersöka potentialen för tekniska lösningar som hjälper cyklisten välja och upprätthålla rätt däcktryck beroende på situationen. Fortsatta undersökningar kring relationen mellan däcktryck och grepp bör fokusera på att inkludera fler typer av underlag samt studera hur stora krafter som uppstår i gränssnittet cykeldäck/väg vid olika typer av cykling. Vidareutveckling av den använda testriggen för att även kunna studera icke- fasta underlag, såsom rullgrus, är ett steg i en sådan riktning. 2
INNEHÅLL SAMMANFATTNING... 2 INNEHÅLL... 3 BAKGRUND... 4 METOD OCH MATERIAL... 5 RESULTAT... 7 SLUTSATSER OCH DISKUSSION... 10 ERHÅLLEN TRAFIKSÄKERHETSNYTTA... 12 SPRIDNING AV RESULTAT... 13 EKONOMISK REDOVISNING... 13 Slutrapporten är framtagen med ekonomiskt stöd från Trafikverkets Skyltfond. Ståndpunkter, slutsatser och arbetsmetoder i rapporten reflekterar författaren och överensstämmer inte med nödvändighet med Trafikverkets ståndpunkter, slutsatser och arbetsmetoder inom rapportens ämnesområde. 3
BAKGRUND SYFTE Målsättningen med den ursprungliga ansökan Automatisk däcktrycksreglering för att undvika halkolyckor med cykel inriktade sig på att undersöka möjligheten att genom informations- och kommunikationsteknologi övervaka eller styra däcktrycket för att på så sätt förbättra cyklistens grepp på olika underlag. Efter beslut från Skyltfondens beredningsgrupp beviljades medel för att först undersöka ett mer avgränsad område; vilken effekt däcktrycket har på greppet. Försämrat grepp är en av de vanligaste orsakerna vid olyckor med cykel och ligger bakom drygt en femtedel av rapporterade singelolyckor 1. Beroende på hur däcktrycket påverkar greppet skulle, utöver tekniska lösningar, val av lämplig däcktyp och lufttryck kunna vara ett enkelt sätt för cyklisten själv att minska risken för halkolyckor. DÄCKTRYCKETS INVERKAN PÅ GREPP Sammanfattningsvis finns det begränsad mängd kvantitativ data när det gäller däcktryck och grepp för cyklister. De studier som involverar däcktryck som parameter fokuserar ofta på vilka effekter trycket har på rullmotståndet. Flertalet rekommendationer står att finna i publikationer som inriktar sig mot cykelentusiaster. Det är framförallt i gruppen tävlingscyklister som dessa frågor diskuteras, och då med fokus på förbättrad prestanda, till skillnad från säkerhetsaspekter för exempelvis pendlingscyklister. I en intervjustudie med cyklister som skadats nämner ett fåtal cyklister explicit för högt däcktryck som en bidragande orsak till halkolyckor 2. Ur ett prestandaperspektiv önskar cyklisten att så lite energi som möjligt förloras på grund av däckens egenskaper. Den största energiförlusten i ett pneumatisk däck uppstår då däcket deformeras vid kontakt med vägytan 3. Ett cykeldäck med högre tryck deformeras mindre än ett däck med lägre tryck vilket generellt innebär att mindre energi förloras. Vid högt tryck försämras dock däckets stötupptagningsförmåga vilket leder inte bara till försämrad bekvämlighet men även till energiförluster på grund av vibration. Från däcktillverkarnas sida anges ofta rekommenderat tryck samt ett minimum- och maximumtryck. Schwalbe nämner exempelvis avvägningen mellan bekvämlighet, grepp och rullmotstånd men ger ingen detaljerad information kring hur greppet förändras 1 H. Thulin, A. Niska, Tema cykel skadade cyklister Analys baserad på 2 A.Niska, S. Gustafsson, J. Nyberg, J. Eriksson, Cyklisters singelolyckor. Analys av olycks- och skadedata samt djupintervjuer, VTI rapport 779, 2013 3 D.G. Wilson, Bicycling Science, Third Edition, MIT Press, 2004 4
beroende på tryck 4. Även tillverkaren Continental nämner att lägre tryck ger bättre grepp, speciellt vid off- road cykling, men att ett för lågt tryck ger upphov till instabilitet vid kurvtagning vilket kan leda till olyckor. Rekommenderat tryck skiljer sig beroende på den last hjulen bär, vilket till större delen består av cyklisten och eventuell packning. METOD OCH MATERIAL Utvärdering av däcktryckets inverkan på grepp utfördes experimentellt hos det Finska testlabbet Wheel Energy 5 som specialiserar sig på testning av cykeldäck. Friktionen mättes med en testrigg (Fig. 1) som simulerar ett kurvtagningsscenario genom att dra ett beläggningsprov vinklat i 30 grader mot ett statiskt däck belastat med 50 kg. Figur 1. Testrigg för friktionsmätning hos Wheel Energy För varje däck testades fyra olika däcktryck; tillverkarens rekommenderade max- och min- tryck (pmax, pmin), ett för lågt tryck (pl) samt ett för högt tryck (ph). Friktionskraften mättes både på torr och våt yta. För varje parameterkombination utfördes samma test fem gånger. Tre stycken däck från tillverkaren Schwalbe valdes, vilka kan karakteriseras som tillhörandes det högre prissegmentet. Alla däcken är avsedda för cykling på väg och har 4 http://www.schwalbe.com/gbl/en/technik_info/luftdruck 5 http://www.wheelenergy.com/ 5
därför ett relativt ytligt däckmönster (tillverkarens mönsterkod är HS 420). Tre olika däckbredder valdes, 47mm, 32mm samt 23mm. Testparametrarna beskrivs i tabell 1. Däck Bredd (mm) Diameter (mm) pl (bar) pmin (bar) pmax (bar) ph (bar) A: Schwalbe Marathon 47 622 2 3 5 7 B: Schwalbe Marathon 32 622 3 4.5 6.5 8 C: Schwalbe Marathon 23 622 4 6 9 10 Tabell 1. Däckdimensioner och däcktryck Ytan som användes var ett beläggningsprov motsvarande en grövre vägbeläggning (Fig. 2). Figur 2. Beläggningsprov använt vid friktionstest 6
RESULTAT Exempel på rådata för en av parameterkombinationerna visas i Figur 3. I figuren syns hur den statiska friktionen verkar i motsatt riktning mot den av testriggen pålagda kraften. Eftersom underlaget är i vinkel mot däcket ger däckets belastning en kraft längs med underlaget om cirka 245 N och mätningen startar vid detta värde. Vid tillräckligt hög pålagd kraft övervinns den statiska friktionen, däcket släpper och kinetisk friktion uppträder. Figur 3 är representativ för mätningarna på samtliga däck i att ingen tydlig topp för den maximala statiska friktionen kan utläsas. Vi väljer därför hädanefter att redovisa medelvärdet över den uppmätta kinetiska friktionen. Figur 3. Exempel på utdata från testriggen för däck A, 3 bar, torrt underlag. Genom att ta medelvärdet av kraften i det område då kinetisk friktion råder så kan inverkan av däcktrycket enklare illustreras. Figur 4 visar medelvärdet för alla tre däck vid olika tryck på torrt underlag. Mätningarna visar att ett högre däcktryck generellt leder till försämrat grepp, men också på skillnader mellan däcken. För det bredaste däcket (47 mm) är den genomsnittliga kinetiska friktionen på torrt underlag cirka 344 N vid tillverkarens lägsta rekommenderade däcktryck (pmin = 3 bar) och cirka 327 N vid 7
det högsta rekommenderade trycket (pmax = 5 bar). Det smalaste av de tre däcken (23 mm) ger vid sina max- och min- tryck upphov till ungefär 15% lägre friktionskraft än det bredaste däcket ger upphov till vid motsvarande rekommenderade tryck. Uppmätta medelvärden anges även i tabell 2 och 3. Figur 4. Genomsnittlig dynamisk friktion för torrt underlag. Staplarna indikerar en standardavvikelse. Däck Friktion (pl) Friktion (pmin) Friktion (pmax) Friktion (ph) A 339.3N 343.9N 326.5N 318.6N B 318.8N 306.3N 297.0N 292.1N C 294.3N 289.5N 277.9N 273.3N Tabell 2. Uppmätt medelvärde för kinetisk friktion för valda däck och tryck. Torrt underlag. Däck Friktion (pl) Friktion (pmin) Friktion (pmax) Friktion (ph) A 318.4N 318N 307.8N 305.4N B 302.1N 293.5N 286.7N 282.1N C 292.4N 280.1N 268.7N 271.9N Tabell 3. Uppmätt medelvärde för kinetisk friktion för valda däck och tryck. Vått underlag. 8
Förändringen i uppmätt friktion mellan olika tryck ges för torrt underlag i tabell 4 och för vått underlag i tabell 5. Däck Förändring (pl - > ph) Förändring (pmin- > pmax) A - 20.7N (- 6.1%) - 17.4N (- 5.1%) B - 26.7N (- 8.4%) - 9.3N (- 3.0%) C - 21.0N (- 7.1%) - 11.6N (- 4.0%) Tabell 4. Förändring i uppmätt medelvärde för kinetisk friktion mellan lägsta och högsta tryck samt mellan lägsta rekommenderade och högsta rekommenderade tryck. Torrt underlag. Däck Förändring (pl - > ph) Förändring (pmin- > pmax) A - 13.0N (- 4.1%) - 10.2N(- 3.2%) B - 20.0N (- 6.6%) - 6.8N (- 2.3%) C - 20.5N (- 7.0%) - 11.4N (- 4.1%) Tabell 5. Förändring i uppmätt medelvärde för kinetisk friktion mellan lägsta och högsta tryck samt mellan lägsta rekommenderade och högsta rekommenderade tryck. Vått underlag. Vid vått underlag minskar, som förväntat, friktionskoefficienten och därmed den uppmätta friktionen för alla tre däcktyperna oavsett däcktryck. Magnituden av försämringen anges för varje däck och tryck i tabell 6. Däck Förändring (pl) Förändring (pmin) Förändring (pmax) Förändring (ph) A - 20.9N (- 6.2%) - 25.9N (- 7.5%) - 18.7N (- 5.7%) - 13.2N (- 4.1%) B - 16.7N (- 5.2%) - 12.8N (- 4.2%) - 10.3N (- 3.5%) - 10.0N (- 3.4%) C - 1.9N (- 0.7%) - 9.4N (- 3.3%) - 9.2N (- 3.3%) - 1.4N (- 0.5%) Tabell 6. Förändring i uppmätt medelvärde för kinetisk friktion mellan torrt och vått underlag vid olika däcktryck. 9
Figur 5. Genomsnittlig dynamisk friktion för vått underlag. Staplarna indikerar en standardavvikelse. SLUTSATSER OCH DISKUSSION Genom mätning av friktion mellan däck vid olika tryck på torrt och vått underlag har skillnaden i genomsnittlig kinetisk friktion illustrerats. För samma däck uppmättes den största skillnaden i friktion mellan det högsta prövade trycket och det lägsta till cirka - 8.4% (32mm däck på torrt underlag). Sett endast till tillverkarens rekommenderade tryck minskar största uppmätta skillnaden till 5.1% (47mm däck på torrt underlag). Skillnaden i friktion beroendes på förändrat däcktryck är av liknande magnitud som förändring av friktion på grund av övergången från torrt till vått underlag. Med andra ord, genom att välja lägsta rekommenderade däcktryck vid cykling på vått underlag så skulle en cyklist kunna få liknande grepp som vid cykling på torrt underlag vid högsta rekommenderade tryck. För alldaglig cykling på den typ av underlag som testats i detta projekt leder en förändring i friktionen på mindre än 10% sannolikt inte till förlust av grepp. Förenklat 10
kan den friktionskraft som krävs för att hålla cyklisten i balans vid kurvtagning beräknas enligt följande 6 : F! = mv! R! Där m är ekipagets vikt, V kurvtagningshastigheten och RT kurvans radie. Motsvarande kan lutningsvinkeln beräknas enligt: A! = tan!! V! Vid en kurvradie om 5 m, en hastighet om 15 km/h och en belastning på 50 kg motsvarar detta en kraft om 174N och en lutningsvinkel om 20 grader. De skillnader i friktion mellan olika däcktryck som uppmätts i projektet är därmed inte särskilt stora i relation till den friktionskraft som krävs för att hålla cyklisten upprätt vid kurvtagning i de flesta situationer. Det är med andra ord på underlag där risken för halkolycka redan är överhängande som ett lägre tryck kan motverka förlust av greppet. För cyklister som cyklar närmre gränsen för tapp av greppet eller i situationer där ytterligare krafter verkar i motsatt riktning mot friktionskraften (ex. kurvtagning i nedförsbacke) kan dock tryckskillnader sannolikt ha en inverkan på olycksrisken även på det testade underlaget. En intressant aspekt att vidare studera är vilka kurvtagningshastigheter, kurvradier och belastningar som förekommer vid olika typer av cykling samt hur nära maximala friktionen olika typer av cyklister befinner sig. För ett roterande cykeldäck är den kraft som är spridd över kontaktytan med vägen inte uniform. Vid kontaktytans främre del, m.a.p. färdriktningen, är kraften högre. I den typ av testrigg som använts i detta projekt, där hjulet inte roterar, återfinns därför inte denna effekt. En mer avancerad rigg där ett roterande hjul under kontrollerade former kan appliceras på ett realistiskt underlag i ett kurvtagningsscenario skulle kunna användas för att uppskatta effekten av icke- uniform tryckdistribution i kontaktytan. En testrigg med rullande hjul skulle också ge en bättre förståelse för instabilitet som uppstår framförallt vid allt för lågt däcktryck. Även om högst friktion generellt uppmättes vid de tryck som var lägre än tillverkarens rekommenderade minimumtryck så är däck med så lågt tryck instabila vid kurvtagning. Hur cyklisten anpassar sin cykelstil beroende på hur denne upplever grepp och stabilitet kan också vara intressant att studera. Anpassning av trycket beroende på cykelns last är en intressant aspekt, speciellt för cyklister som ofta cyklar med varierande last. Enligt tillverkaren Schwalbes 6 D.G. Wilson, Bicycling Science, MIT Press, 2004 gr! 11
rekommendationer bör det rekommenderade däcktrycket ökas med 1% för varje extra kilogram cykelns lastas med (där 75 kg antas vara utgångslasten) 7. För en cyklist med exempelvis barnstol innebär detta att trycket bör justeras med upp till 22% (för den högre viktklassens barnstol) beroende på om barnet tas med eller inte. Sannolikt gör de flesta av dessa cyklister inte det. Cykeldäck med automatisk justering av lufttrycket är under utveckling 8. Tekniken bygger på att en tub inbäddas i däckets slityta som vid cykling komprimeras och via en övertrycksventil höjer trycket i innerslangen. För att korrekt anpassa trycket till cykelns last krävs dock att övertrycksventilen i ett sådant däck kan styras. Sannolikt är rullmotståndet den parameter som de flesta cyklister använder sig av för att justera däcktrycket, det blir snabbt ansträngande att cykla med lågt däcktryck. Allt eftersom elcyklar blir mer populära så får motståndet mindre betydelse. Att välja ett något lägre tryck än vad som hade varit bekvämt på en icke- assisterad cykel kan då möjligtvis vara lättare att motivera för att förbättra greppet. Däckets konstruktion spelar en stor roll för dess egenskaper. De tre däck som använts i studien kommer från samma tillverkare men viss försiktighet måste iakttas vid jämförelser mellan däcken. Det är med andra ord inte säkerställt att det är just däckbredden som är den enda anledningen till skillnader i grepp mellan däcken. Skillnader i konstruktion mellan däcken kan vara en viktig parameter att undersöka, exempelvis genom en utökad studie där däck av samma dimensioner från olika tillverkare jämförs. På grund av svårigheter att uppnå repeterbarhet undersöktes inte underlag bestående av icke- fasta material, exempelvis rullgrus. Den testrigg som Wheel Energy tillhandahöll försvårar testning av lösa material då det är underlaget som vinklas mot däcket och inte tvärt om. En förbättrad testrigg bör ge möjlighet att på ett kontrollerat sätt applicera lösa material såsom rullgrus med avseende på materialtyp, exempelvis kornstorlek, och spridning. ERHÅLLEN TRAFIKSÄKERHETSNYTTA Resultaten i denna förstudie ger indikationer på vilken inverkan däcktrycket kan ha på greppet för en cyklist. Djupare insikter kring däcktryckets inverkan skulle exempelvis kunna används för att ge mer detaljerade rekommendationer till konsumenten inför ett cykelköp då tydliga riktlinjer för hur val av däcktyp påverkar greppet verkar saknas. 7 http://www.schwalbe.com/gbl/en/technik_info/luftdruck/ 8 http://www.pumptire.com/ 12
De uppmätta resultaten motiverar även vidare arbete kring tekniska lösningar som gör det lättare för cyklisten att välja, och upprätthålla, rätt tryck beroende på omständigheterna skulle kunna leda till att ett mer förutsägbart grepp kan uppnås. SPRIDNING AV RESULTAT Vid Viktoria Swedish ICT i Göteborg utvecklas i dagsläget en cykelsimulator för trafiksäkerhetsforskning kring oskyddade trafikanter. Resultaten från detta projekt är direkt tillämpliga som parametrar i den simuleringsmodell som används. Eftersom försök som skulle vara för riskabla att genomföra i verkligheten kan testas utan risk i simulatorn skulle kurvtagning på hala underlag kunna vara ett intressant studieområde. De kontakter som upparbetats med det Finländska testlabbet Wheel Energy är värdefulla för fortsatta studier kring olika däckegenskaper för oskyddade trafikanter. Diskussioner kring behov av testning av friktion även på icke- fasta underlag såsom rullgrus har förts och samarbete kring utveckling av nya testmetoder är en möjlighet. EKONOMISK REDOVISNING Aktivitet Timkostnad Kostnad Litteraturstudie 30 h a 950 kr/h 28,500 kr Försöksplanering 36 h a 950 kr/h 34,200 kr Dokumentation 30 h a 950 kr/h 28,500 kr Testmateriel 2,735 kr Mätningar (Wheel Energy) 26,007 kr Resor 5,075 kr Summa 96 h 125,017kr Bidrag Skyltfonden In- kind Viktoria 120,000 kr 5,017 kr 13