Ist ein Fat Tire E-Bike die beste Wahl? Eine physikalische Analyse

Knowledge SaleMai 16, 2024

In This Article

Fatbikes erfreuen sich wachsender Beliebtheit und begeistern Radsportbegeisterte und Fitnessfans gleichermaßen. Mit ihren charakteristisch breiten Reifen und der robusten Bauweise versprechen diese Fahrräder ein einzigartiges Fahrerlebnis.

Die Entwicklung der Mountainbike-Reifen

Jahrzehntelang galten bei Mountainbikes 26-Zoll-Räder als Synonym, die einen Reifendurchmesser von etwa 22 Zoll (559 mm) und eine Reifenhöhe von etwa 2 Zoll aufwiesen.

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Anfang der 2000er Jahre kam jedoch das „29er“ auf den Markt, eine Rad- und Reifengröße mit einem Durchmesser von 24,5 Zoll (622 mm), ähnlich dem „700c“-Rennradrad. Diese Größe gewann an Beliebtheit, weil sie das Überwinden von Hindernissen erleichterte.

Einige Fahrer bevorzugten jedoch immer noch das agile Handling von Rädern mit kleinerem Durchmesser. Die Industrie reagierte mit der Radgröße 27,5 Zoll oder „650b“, wobei ein Felgendurchmesser von etwa 23 Zoll (584 mm) einen Mittelweg darstellte.

Mit der Entwicklung der Radgrößen änderte sich auch die Reifenbreite. Fatbike-Reifen mit einer Breite von 3,8 Zoll (96,5 mm) oder mehr wurden für weichen Schnee und Sand entwickelt. „Plus-Reifen“ mit einer Breite von 2,6 Zoll (66 mm) bis 3 Zoll (76 mm) boten einen Kompromiss, bei dem ein Teil der Geschwindigkeit der ursprünglichen 29er gegen ein größeres Reifenvolumen und mehr Bodenhaftung eingetauscht wurde.

Heute stellen „29+“-Reifen die Krönung in puncto Durchmesser und Breite dar und sind auf Endurance-Mountainbiking- und Bikepacking-Enthusiasten ausgerichtet.

Gleichzeitig haben sich auch die Felgenbreiten weiterentwickelt. Traditionell waren Felgen mit einer Innenbreite von 18 oder 19 mm üblich, ähnlich denen, die bei Rennrädern verwendet werden. Im letzten Jahrzehnt haben sich die Felgenbreiten erhöht, wodurch Laufradsteifigkeit, Reifensteifigkeit, Gewicht und Festigkeit ausgeglichen wurden.

Moderne Felgenbreiten, die auf Grundlage der tatsächlichen Nutzung und Marktbenchmarks ausgewählt werden, verbessern die Leistung verschiedener Reifengrößen.

Reifenstruktur und Reibung

Die Reifenstruktur spielt eine entscheidende Rolle für Leistung und Sicherheit. Die Kontaktfläche, an der der Reifen auf den Boden trifft, verformt sich unter Belastung und erzeugt die für die Traktion erforderliche Quer- und Längsreibung.

Noppen am Reifen lokalisieren diese Scherspannungen und verbessern so die Haftung bei Manövern wie Rutschen, Sturz, Fahren und Bremsen. Selbst bei Autoreifen kann der lokale Druck je nach Profil bis zu zehnmal höher sein als der Durchschnitt.

Wenn es um Elektrofahrräder mit dicken Reifen geht, ist man allgemein der Meinung, dass breitere Reifen eine bessere Traktion bieten. Der 26×4-Zoll-Fatbike-Reifen beispielsweise hat die längste und breiteste Kontaktfläche, gefolgt vom 29×3-Zoll-Plus-Reifen, dem 29×2,3-Zoll-Stollenreifen und dem 27,5×2,8-Zoll-Reifen.

Die Länge der Aufstandsfläche hängt allerdings nicht allein vom Außendurchmesser ab, sondern auch von Faktoren wie Reifendruck, Stützlast und Reifenkarkasse.

In Bezug auf die Kontaktflächenbreite bietet ein 26-Zoll-Fat-Reifen eine breite Aufstandsfläche und sorgt für hervorragenden Grip auf unterschiedlichem Gelände.

Allerdings spielt auch die Porenzahl, also der Anteil des leeren Raums zwischen den Profilnoppen, eine wesentliche Rolle.

Ein höherer Porenanteil bedeutet besseren Grip auf lockeren Böden wie Schlamm und Schnee, während ein niedrigerer Porenanteil harte, steinige Oberflächen begünstigt.

Reifendruck bei Fatbikes

Der Reifendruck ist ein weiterer entscheidender Faktor, der die Leistung von Fatbikes beeinflusst. Ein niedrigerer Druck vergrößert die Kontaktfläche des Reifens mit dem Boden und verbessert so Grip und Komfort.

Beispielsweise bietet ein 29 x 2,3-Zoll-Stollenreifen bei 25 psi (1,7 bar) eine andere Aufstandsfläche als ein 29 x 2,3-Zoll-Slickreifen bei gleichem Druck. Der 29 x 2,3-Zoll-Stollenreifen bietet die breiteste und längste Aufstandsfläche der vier getesteten Reifen.

Eine Verringerung des Drucks verbessert auch den Fahrkomfort, da der Reifen mehr Stöße aus unebenem Gelände absorbieren kann. Allerdings kann sich dadurch der Rollwiderstand erhöhen, was das Treten erschwert, insbesondere auf glatten Oberflächen.

Umgekehrt verringert ein höherer Druck den Rollwiderstand und verbessert so die Effizienz auf befestigten Straßen, geht jedoch auf Kosten von Grip und Komfort auf unebenen Wegen.

Fahrergewicht auf dicken Reifen

Das Gewicht des Fahrers ist ein weiterer entscheidender Faktor, der die Leistung von E-Bikes mit dicken Reifen beeinflusst. Schwerere Fahrer üben mehr Kraft auf die Reifen aus, was sich auf die Größe der Aufstandsfläche, den Rollwiderstand und den allgemeinen Fahrkomfort auswirkt. Wir können dies mit Daten und Berechnungen belegen.

Berechnung der Kontaktfläche bei unterschiedlichem Fahrergewicht

Verwendung der Formel zur Berechnung der Aufstandsfläche $𝐴$ $A$ :

$𝐴 = \frac{𝑊}{𝑃}$ $A = P$

Betrachten wir zwei Fahrer: einer wiegt 700 N (ca. 157 lbs) und der andere wiegt 1000 N (ca. 220 lbs). Nehmen wir an, der Reifendruck $𝑃$ $P$ beträgt 70 kPa (ungefähr 10 psi).

Für den 700 N-Fahrer:

$𝐴 = \frac{700 N}{70, 000 {N/m}^{2}} = 0,01 M^{2}$ $A = \frac{700}{70 .000 N/m ^{2}} = 0,01 M^{2}$

Für den 1000 N-Fahrer:

$𝐴 = \frac{1000 N}{70, 000 {N/m}^{2}} = 0,0143 M^{2}$ $A = \frac{1000}{70 .000 N/m ^{2}} = 0,0143 M^{2}$

Die Kontaktflächenfläche des schwereren Fahrers ist etwa 43 % größer als die des leichteren Fahrers, was zu besserer Traktion, jedoch auch zu einem erhöhten Rollwiderstand führt.

Rollwiderstandsberechnung

Rollwiderstand $𝐹_{𝑟}$ $F$ ist gegeben durch:

$𝐹_{𝑟} = 𝐶_{𝑟} \times 𝑁$ $F = C \times N$

Nehmen Sie einen Rollwiderstandskoeffizienten an $𝐶_{𝑟}$ $C$ = 0,005.

Für den 700 N-Fahrer:

$𝐹_{𝑟} = 0,005 \times 700 N = 3.5 N$ $F = 0,005 \times 700 N = 3.5 N$

Für den 1000 N-Fahrer:

$𝐹_{𝑟} = 0,005 \times 1000 N = 5 N$ $F = 0,005 \times 1000 N = 5 N$

Die Rollwiderstandskraft beträgt beim schwereren Fahrer 5 N, beim leichteren dagegen 3,5 N. Der höhere Rollwiderstand bedeutet, dass der schwerere Fahrer mehr Kraft aufwenden muss, um die gleiche Geschwindigkeit beizubehalten.

Praktisches Beispiel

Stellen Sie sich zwei Fahrer auf demselben Fatbike-Trail vor. Der schwerere Fahrer (220 lbs) bemerkt, dass er zwar auf lockerem Untergrund mehr Traktion und Stabilität hat, es ihm aber aufgrund des höheren Rollwiderstands schwerer fällt, auf befestigten Abschnitten hohe Geschwindigkeiten zu halten. Der leichtere Fahrer (157 lbs) hingegen genießt das leichtere Treten auf glatten Trails, hat aber möglicherweise Probleme mit der Traktion auf lockerem Untergrund.

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Die Physik von Fatbikes: Detaillierte Analyse mit Berechnungen aus der Praxis

Wenn wir dies aus physikalischer Sicht analysieren, können wir besser verstehen, warum ein E-Bike mit dicken Reifen auch eine gute Wahl ist.

Traktion und Aufstandsflächendynamik

Die Traktion ist für jedes Fahrrad entscheidend und bestimmt seine Fähigkeit, auf verschiedenen Oberflächen Halt zu behalten. Bei Fahrrädern mit dicken Reifen wird die Traktion durch die größere Kontaktfläche – die Fläche des Reifens, die mit dem Boden in Kontakt ist – deutlich verbessert.

Berechnung der Kontaktfläche

Die Kontaktfläche eines Reifens kann anhand der Prinzipien der Verformung und Lastverteilung analysiert werden. Wenn ein dicker Reifen über eine Oberfläche rollt, verformt er sich unter dem Gewicht von Fahrrad und Fahrer und erzeugt im Vergleich zu schmaleren Reifen eine größere Kontaktfläche. Diese Verformung verteilt die Last auf eine größere Fläche und verringert den Druck pro Flächeneinheit.

Betrachten wir ein Fatbike mit den folgenden Parametern:

Gewicht von Fahrrad und Fahrer $𝑊$ $W$ = 1000 N (ca. 220 Pfund)
Reifendruck $𝑃$ $P$ = 70 kPa (ungefähr 10 psi)

$𝐴 = \frac{1000 N}{70 kPa} = \frac{1000 N}{70, 000 {N/m}^{2}} = 0,0143 M^{2}$ $A = \frac{1000}{70 kPa} = \frac{1000}{70 .000 N/m ^{2}} = 0,0143 M^{2}$

Somit beträgt die Aufstandsfläche etwa 0,0143 Quadratmeter.

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Rollwiderstand

Der Rollwiderstand ist die Kraft, die der Bewegung des Reifens beim Rollen über eine Oberfläche entgegenwirkt. Er hängt von Faktoren wie Reifenmaterial, Oberflächenrauheit und Verformung ab. Dicke Reifen haben aufgrund ihrer größeren Aufstandsfläche und stärkeren Verformung einen höheren Rollwiderstand.

Rollwiderstandsberechnung

Rollwiderstand $𝐹_{𝑟}$ $F$ kann modelliert werden durch:

$𝐹_{𝑟} = 𝐶_{𝑟} \times 𝑁$ $F = C \times N$

Annehmen:

Rollwiderstandskoeffizient $𝐶_{𝑟}$ $C$ = 0,005 (typisch für dicke Reifen auf harten Oberflächen)
Normale Kraft $𝑁$ $N$ = Gewicht $𝑊$ $W$ = 1000 N

$𝐹_{𝑟} = 0,005 \times 1000 N = 5 N$ $F = 0,005 \times 1000 N = 5 N$

Dies bedeutet, dass die der Bewegung des Fahrrads entgegenwirkende Rollwiderstandskraft 5 N beträgt.

Auswirkungen des Inflationsdrucks

Der Reifendruck beeinflusst die Leistung des Reifens erheblich. Niedrigere Reifendrücke, wie sie bei dicken Reifen üblich sind, vergrößern die Aufstandsfläche und verbessern die Traktion, erhöhen aber auch den Rollwiderstand. Höhere Drücke verkleinern die Aufstandsfläche und verringern den Rollwiderstand, verringern aber auch die Traktion und den Komfort.

Berechnung von Verformungen und Druckverteilungen

Bei niedrigerem Druck verformen sich dicke Reifen stärker, wodurch die Kontaktfläche vergrößert wird. Die Druckverteilung über diese Fläche folgt der Hertzschen Kontaktmechanik, wobei der Druck in der Mitte am höchsten ist und zu den Rändern hin allmählich abnimmt.

Gegeben:

Zentraler Druck $𝜎_{0}$ $σ$ = 70 kPa
Aufstandsflächenradius $𝑎$ $a$ = 0,1 m (angenommen)

$𝜎 (𝑥) = 70 kPa (1 - {(\frac{𝑥}{0,1 M})}^{2})$ $σ (x) = 70 kPa (1 - (0,1 M)^{2})$

Bei $𝑥 = 0$ $X = 0$ :

$𝜎 (0) = 70 kPa$ $σ (0) = 70 kPa$

Bei $𝑥 = 0,05 M$ $X = 0,05 m$ (auf halbem Weg zum Rand):

$𝜎 (0,05) = 70 kPa (1 - {(\frac{0,05}{0,1})}^{2}) = 70 kPa (1 - 0,25) = 52,5 kPa$ $σ (0,05) = 70 kPa (1 - (0,1)^{2}) = 70 kPa (1 - 0,25) = 52,5 kPa$

Hierdurch wird ersichtlich, wie der Druck von der Mitte zum Rand der Aufstandsfläche hin abnimmt.

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Energieableitung und Wärmeerzeugung

Wenn sich dicke Reifen verformen, wird Energie durch Hysterese im Reifenmaterial abgeführt, was zur Wärmeentwicklung führt. Der Grad der Hysterese und damit der Energieverlust ist bei dicken Reifen aufgrund ihrer größeren Verformung höher.

$𝐸_{𝑑} = \int 𝜎 𝑑 𝜖$ $E = \int σ d ϵ$

Nehmen Sie den durchschnittlichen Stress an $𝜎$ $σ$ = 50 kPa und Dehnung $𝜖$ $ϵ$ = 0,05 über die Kontaktfläche:

$𝐸_{𝑑} = 50 kPa \times 0,05 = 2.5 kPa$ $E = 50 kPa \times 0,05 = 2.5 kPa$

Bei einer Kontaktfläche von 0,0143 Quadratmetern:

$𝐸_{𝑑} \times 𝐴 = 2.5 kPa \times 0,0143 M^{2} = 0,03575 {kN/m}^{2}$ $E \times A = 2.5 kPa \times 0,0143 M^{2} = 0,03575 kN/m^{2}$

Dies stellt die pro Quadratmeter Kontaktfläche abgegebene Energie dar.

Stabilität und Manövrierfähigkeit

Fat-Reifen erhöhen die Stabilität durch ihre größere Kontaktfläche, die das Gewicht des Fahrers gleichmäßiger verteilt und für besseren Grip sorgt. Dies ist besonders auf lockeren oder unebenen Oberflächen von Vorteil. Die vergrößerte Kontaktfläche verringert die Rutschgefahr und macht E-Bikes mit Fat-Reifen auf unterschiedlichem Gelände sicherer.

Die größere Oberfläche und Masse der Reifen kann jedoch die Manövrierfähigkeit beeinträchtigen. Das Trägheitsmoment $𝐼$ $Der I-$ Wert der Räder steigt, wodurch das Einleiten und Stoppen der Drehung schwieriger wird.

Berechnung des Trägheitsmoments

$𝐼 = \frac{1}{2} 𝑚 𝑟^{2}$ $ICH = 2 Herr ^{2}$

Annehmen:

Masse des Reifens $𝑚$ $m$ = 2 kg
Radius $𝑟$ $r$ = 0,3 m

$𝐼 = \frac{1}{2} \times 2 kg \times (0,3 M)^{2} = \frac{1}{2} \times 2 \times 0,09 kg \cdot M^{2} = 0,09 kg \cdot M^{2}$ $ICH = 2 \times 2 kg \times (0,3 M)^{2} = 2 \times 2 \times 0,09 kg \cdot M^{2} = 0,09 kg \cdot M^{2}$

Dieses höhere Trägheitsmoment bedeutet, dass mehr Drehmoment zum Ändern der Drehzahl erforderlich ist, was die Manövrierfähigkeit beeinträchtigt.

Wo Sie das beste Fatbike-Elektrofahrrad kaufen können

Die perfekte Mischung aus Qualität, Leistung und Erschwinglichkeit bei Elektrofahrrädern mit dicken Reifen zu finden, kann eine Herausforderung sein. TESWAY ist eine führende Marke auf dem US-Markt für Elektrofahrräder und bietet erstklassige Produkte, die den unterschiedlichen Bedürfnissen der Fahrer gerecht werden.

Die Fatbikes von TESWAY sind mit modernen, flexiblen Scheibenbremsen ausgestattet, die ein Wegrutschen auf nassen Straßen verhindern und so bei unterschiedlichen Wetterbedingungen für Sicherheit sorgen. Ob Sie durch die Straßen der Stadt fahren oder unwegsames Gelände erkunden, TESWAY-Bikes bieten Ihnen die Stabilität und Kontrolle, die Sie brauchen.

Das Modell S7 aus der Fatbike-Reihe von TESWAY ist wegen seiner außergewöhnlichen Leistung und Erschwinglichkeit beliebt. Der zufriedene Kunde Tommy bemerkte: „Das ist das beste Fatbike, das ich je gekauft habe, und es ist mit nur 1.059,99 $ auch nicht teuer. Es erfüllt meine Anforderungen perfekt, egal ob zum Einkaufen oder für Besorgungen in der Stadt. Selbst auf langen Fahrten ist das S7 ein Kinderspiel.“

Abschluss

Die Physik hinter Fatbikes zeigt ihre Vor- und Nachteile auf. Verbesserte Traktion und Stabilität durch größere Kontaktflächen und niedrigeren Reifendruck gehen auf Kosten eines erhöhten Rollwiderstands und Energieverlusts.

Ob Sie zur Arbeit pendeln, einkaufen oder lange Reisen unternehmen, TESWAY hat das perfekte Fahrrad für Ihre Bedürfnisse. Besuchen Sie die Website von TESWAY oder Ihren Händler vor Ort, um noch heute Ihr Fahrrad zu kaufen!

FAQs

Warum spüren schwerere Fahrer bei E-Bikes mit dicken Reifen einen höheren Rollwiderstand?
Schwerere Fahrer spüren einen höheren Rollwiderstand, weil das höhere Gewicht zu einer größeren Kontaktfläche führt und dies wiederum zu stärkerer Verformung und Energieverlust beim Abrollen des Reifens führt.

Welchen Einfluss hat das Gewicht des Fahrers auf die Größe der Reifenaufstandsfläche?
Das Gewicht des Fahrers wirkt sich direkt auf die Größe der Kontaktfläche aus. Ein schwererer Fahrer erhöht die Kraft auf den Reifen, vergrößert die Kontaktfläche und verbessert die Traktion.

Wie sieht das Verhältnis zwischen Traktion und Rollwiderstand für schwerere Fahrer aus?
Schwerere Fahrer erzielen aufgrund der größeren Kontaktfläche eine bessere Traktion, müssen jedoch mit einem erhöhten Rollwiderstand rechnen, was das Treten auf glatten Oberflächen erschwert.

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