Difícilmente existe una estructura más multitarea en toda la ingeniería que la rueda de una bicicleta. Todos sus componentes son interdependientes e interactivos. Por lo tanto, no es de extrañar que la presión de los neumáticos afecte la tensión de los radios. A continuación, presentamos la primera parte de un análisis en dos partes de este fenómeno, que está alcanzando una escala preocupante en las ruedas actuales. Infle una cubierta a 90 psi (6 bares) y podría observar una caída de tensión del 20 al 50 %. ¿Por qué? ¿Es perjudicial la caída de tensión? ¿Deberían apretarse demasiado las ruedas para compensar?
Hoy nos centramos en las llantas. ¿Cuál es su papel en esta dinámica? ¿Por qué es noticia? ¡Las bicicletas llevan más de un siglo rodando con neumáticos inflados!
Las llantas son la interfaz entre la presión de los neumáticos y la tensión de los radios. Son elásticas y cambian de forma en función de la presión de los neumáticos. La clave está en comprender las diferentes fuerzas que ejercen las cubiertas de cubierta en comparación con las de tubular. Las fuerzas de las cubiertas son mayores, las de las tubulares menores. Las cubiertas de alto rendimiento son un desarrollo relativamente reciente y algunos aspectos de su historia aún no están sincronizados con el resto. Esta es la clave para la reducción de la tensión.
Las ruedas de otros vehículos (automóviles, camiones, aviones) no tienen por qué ser tan ligeras. Soportan las fuerzas de una cubierta con la masa necesaria para su elevada carga útil. En el caso de las ruedas de bicicleta, esto no es posible.
Las llantas de cubierta soportan dos fuerzas importantes sobre los neumáticos:
(1) Presión hacia afuera sobre el gancho del talón de la llanta que debe resistirse o la llanta explotará. Esto se observa si las pistas de freno están excesivamente desgastadas y la llanta se desprende del gancho del talón.
(2) Fuerza hacia adentro (hacia el centro de la rueda) cuando el aire presiona la base de la llanta.
En el caso de los neumáticos tubulares, faltan los números 1 y 2 porque el aro de la carcasa del neumático cosida soporta esas fuerzas.
La presión del talón de la cubierta (n.° 1) se puede estimar. Considere 90 psi (6,3 kgf/cm²). Esta fuerza se ejerce sobre la llanta en toda su superficie. La altura típica del talón es de 6-7 mm. La circunferencia de la llanta (para 700C) es de aproximadamente 196 cm. Superficie total de cada gancho del talón:
196 cm x 0,7 cm = 137 cm^2
Con una inflación de 6,3 kgf/cm^2:
137 cm^2 X 6,3 kgf/cm^2 = 864 kg de presión en cada gancho de cuentas
Esta fuerza desproporcionada deforma las llantas. Las llantas con pistas de freno paralelas se expanden de 2 a 5 grados. Los frenos se adaptan al ángulo mediante ajustes y la forma de las pastillas. El aluminio se adapta mediante deformación elástica, pero sin fallas prematuras. Mídelo tú mismo: coloca un vernier a lo largo de las pistas de freno antes y después del inflado. ¡El ángulo cambia!
El mayor problema para la rueda es el efecto en el resto de la llanta. Al forzar el gancho del talón hacia afuera, pivota en la banda que forma los soportes del talón. El flanco de la llanta, debajo de la pista de freno, gira hacia adentro, creando una longitud adicional en el flanco, suficiente para bajar ligeramente la cabecilla hacia el buje. Los radios de acero son elásticos, pero un pequeño cambio en la longitud produce un cambio apreciable en la tensión.
Una llanta de cubierta se abre de 2 a 5 grados, se profundiza y reduce la tensión de los radios. Para evitar esta deformación y la disminución de la tensión:
(1) Usar neumáticos tubulares, ya que no tienen ninguna de estas dinámicas de reducción de tensión. De hecho, esto no se considera una opción. La mayoría prefiere usar selladores y montajes sin cámara que pegar neumáticos tubulares.
(2) Hacer llantas más pesadas para que las deformaciones sean menores. Esta es la estrategia actual de la industria. Las cubiertas necesitan entre 100 y 200 g cada una para que las ruedas sean estables y duraderas.
(3) Diseñar llantas que resistan la presión exterior de los neumáticos sin aumentar el peso. Falta una solución tan sofisticada. Parece inaccesible para los ingenieros de la industria o se considera innecesaria. Al fin y al cabo, los conductores cargan con el peso extra voluntariamente.
Aquí se muestra una llanta metálica (para unir a una rueda de carbono) donde la deformación del flanco inducida por la presión era inaceptable. Las pistas de freno no se abren ni siquiera a 200 psi (14 bar). El diseño puede ser una solución.
La segunda deformación de la llanta es la reducción de la circunferencia total. Este cambio no es suficiente para afectar el ajuste del neumático, pero sí afecta la tensión de los radios. A diferencia de las tubulares, las cubiertas de cubierta incorporan la llanta como parte del aro.
Al hacerlo, la llanta siente presión hacia adentro. Por ejemplo, muchas llantas de carretera 700C tienen un ancho interno de 18 mm y una circunferencia en ese punto de aproximadamente 196 cm. El área del fondo de la llanta es:
196 cm x 1,8 cm = 352,8 cm^2
Infle el neumático a 90 psi (6,3 kgf/cm^2) y la llanta siente una fuerza hacia adentro:
352,8 cm^2 X 6,3 kgf/cm^2 = 2223 kg
Esta tensión circunferencial constrictiva es inevitable con las cubiertas. Por ejemplo, una llanta DT RR460 (sección transversal de 0,87 cm²) experimenta una tensión significativa:
Esfuerzo del aro = Presión X Diámetro medio/2(área de la sección)
= 6,3 kgf/cm^2 X 196 cm/2*1,74 cm^2
= 354 kgf/cm^2 = 35 MPa
Esta carga de compresión actúa sobre la elasticidad del material, encogiendo el aro:
módulo de elasticidad del aluminio = fuerza de compresión / % cambio en la longitud de la viga
7 X 10^10N/m^2 = 35MPa / % cambio de longitud
% cambio de longitud = 35 MPa / 7 X 10^10 N/m^2 = 0,0005
El acortamiento de la llanta (figura una viga de 196cm de longitud y 2223kg de carga) se calcula como:
0,0005 X 196 cm = 1 mm
Pruebas empíricas confirman una disminución de la circunferencia del aro de aproximadamente 1 mm con un inflado de 90 psi. El efecto en la tensión de los radios es significativo.
Conclusión: Las cubiertas de cubierta (con o sin cámara) sobrecargan las llantas, lo que provoca la flexión del gancho del talón y la contracción del aro de la llanta. Ambas situaciones favorecen la pérdida de tensión. Los fabricantes de llantas y cubiertas pueden abordar esta dinámica mediante el diseño, pero parece que son indiferentes o tienen poca comprensión del panorama general. Para que las cubiertas tengan éxito comercial, sus fabricantes descargan las fuerzas sobre las llantas, que responden sobrecargando la estructura de radios. En esta etapa avanzada de la ingeniería de bicicletas (cambios eléctricos, GPS, medición de potencia, materiales híbridos, aerodinámica, etc.), deberíamos estar viendo algo mejor.
El siguiente punto sobre la caída de tensión se centra en los propios neumáticos. Su efecto en las llantas varía enormemente. Revelación: esta herramienta única desempeña un papel importante en la Parte 2.
Espero que tu comprensión de la dinámica de ruedas esté creciendo. ¡Espera la segunda parte, que está disponible enseguida!
Los comentarios se aprobarán antes de mostrarse.
Corey Thompson
noviembre 02, 2021
Ric, This is fantastic! Thank you for shedding some light on the problem. I’m not an engineer, but I build a lot of wheels and have thought about this a lot for the last 4-5 years. I first became aware of the issue when building some very light tubeless road wheels. I finished them and they were “perfect,” yet the rear wheel didn’t center in the frame. I checked the dish with the tire inflated, and sure enough, it was way off. Removed the tire and it was fine… Hmmm… well, as you know, the drop in tension on a heavily dished wheel doesn’t have the same effect on both sides of the wheel. Interestingly, the same wheel and tire mounted with a tube showed less tension drop. Perhaps I’m anticipating part two here, but can you shed some light on why the problem seems so much worse with tubeless?