Aerodynamika kola Trek Madone Gen 8

Celý rok před představením modelu Madone Gen 7 a prvku IsoFlow začali naši inženýři pracovat na koncepčním návrhu příští generace lehkého modelu Émonda. Věděli jsme, že Madone je naším nejaerodynamičtějším silničním závodním kolem. S nadšením jsme proto zkoušeli zjistit, jak bychom mohli na kolo Émonda aplikovat některé poznatky z našich aerodynamických výzkumů.  

Po vytvoření prvních konceptů kol Émonda, které byly poměrně radikální, nám rychle došlo, že rozdíl v aerodynamických vlastnostech mezi modely Madone a Émonda lze podstatně snížit. Tehdy jsme začali vážně uvažovat o možnosti vytvořit jediné výkonné závodní kolo. Nejdřív ale bylo důležité dokázat, že naši sportovci a zákazníci nebudou muset při této změně dělat nějaké kompromisy.  

Hmotnost versus aerodynamika

Naše první koncepční kola nové generace Émonda byla „A1“ a „A2“. Testy v aerodynamickém tunelu a ve výpočetní dynamice tekutin (CFD) ukázaly slibné výsledky, které zmenšily rozdíl mezi předchozí generací modelů Madone a Émonda. Pokud bychom ale chtěli vyrábět jen jedno výkonné silniční závodní kolo, vyústilo by to v nepřijatelné aerodynamické ztráty.  

Dalším krokem bylo pak plně prozkoumat celý designový prostor. Vytvořili jsme další prototypy dle zlepšujícího se aerodynamického výkonu a rozšířili jsme o ně všechny řady, od té lehké A až po převážně aerodynamickou E. Po stovkách iterací CFD a strukturální analýzy jsme se s koly řady A, C a E vrátili do aerodynamického tunelu.  

Na základě výsledků z aerodynamického tunelu a předpovědí hmotnosti u všech tří prototypů jsme mohli vyzkoušet chování různých variant v řadě závodních podmínek. Se stejnými koly a plášti jsme chtěli navrhnout rám, který by na jakémkoli svahu předčil Madone Gen 7 i Émondu.

Následující graf ukazuje výkon prototypů Madone Gen 7 a Gen 8 ve srovnání s modelem Émonda v různých rovinách od 0% stoupání po poměrně strmé svahy (12% stoupání). Aerodynamický model Madone Gen 7 (v přerušované bílé čáře) je rychlejší než lehčí, ale méně aerodynamická Émonda ve stoupáních od 0 % do něco málo přes 3 %, protože rozdíl v hmotnosti má na rovinách a v mírných stoupáních malý vliv a jezdec se pohybuje vyšší rychlostí, což má větší dopad na aerodynamiku.  

Když se zaměříme na dané prototypy, je vidět, že se všechny v určitých sklonech zlepšily oproti modelům Madone Gen 7 a Émonda. Ovšem jen prototyp C3 je ve všech podmínkách rychlejší než obě kola. Lehká verze A1 hravě zvládá stoupání, ale není dobrou volbou pro rychlé sprinty po rovinkách. Nejvíce aerodynamická verze E2 je ideální na rovince. Jezdci by ale museli oželet výkon kola Émonda při stoupání.  

Na základě těchto výsledků bylo patrné, že prototyp C3 měl potenciál spojit v sobě nízkou hmotnost modelu Émonda s aerodynamikou Madone, což (po mnohem větší optimalizaci) otevřelo cestu k jedinému výkonnostnímu silničnímu závodnímu kolu: Madone Gen 8. 

Nový aerodynamický profil celého systému

Jak vytvořit koncepty jako A1 až E2, od superlehkého po superaerodynamický, bez mnoha let pokusů a omylů? Odpovědí je náš nový systém průřezů trubek – Full System Foil.  

Než jsme začali používat aerodynamické tvary Full System Foil, používali jsme převážně tvary trubek Kammtail Virtual Foil (KVF). Ve své době byly tyto tvary revoluční a měly maximalizovat aerodynamický výkon s dnes již neplatným pravidlem UCI o poměru délky a šířky trubky 3:1. Tvary Kammtail jsou velmi aerodynamické, ale jakmile se trochu vzdálíme od poměru stran 3:1 tradičnějších aerodynamických kol, dojde ke snížení výkonnosti.

S cílem vylepšit tvary KVF jsme navrhli flexibilnější generátor průřezů, který umožňuje softwaru vytvářet nejrůznější tvary využitím metody push/pull na stěnách průřezu. Poté jsme tento základní tvar spárovali s optimalizačním algoritmem, který by metodou push/pull generoval nový tvar a otestoval jeho aerodynamiku a konstrukční účinnost. Optimalizace se učí z předchozích iterací designu a po určité době a dostatečném množství výpočtů dospěje k Paretově frontě, což je množina průřezů, které představují nejlepší kombinace hmotnosti a aerodynamiky.   

Toto znázornění ukazuje skupinku některých tvarů, které optimalizační algoritmus vyzkoušel. Je patrné, že flexibilní povaha modifikace tvaru push/pull vytváří bláznivé tvary, které by nikdy nebyly praktické, což však umožňuje prozkoumat celý designový prostor, i jeho špatné části. Takto obsáhlý průzkum je důležitý, protože může vygenerovat tvary, které by samotného designéra nemusely napadnout. 

Při sledování průběhu optimalizace jsme si všimli, že generované tvary měly obecně zaoblenější konce než tvary KVF a vykazovaly lepší aerodynamické vlastnosti v reálných situacích s nestálou aerodynamikou, kdy se směr větru rychle mění. Přední části mnoha konstrukčně účinných tvarů byly relativně pravoúhlé, což dávalo smysl.  

Když nejde jen o aerodynamiku 

Dalším krokem bylo určit, kam na rámu umístit různé varianty, a to od konstrukčně účinných (lehkých) až po ty superaerodynamické. Zabýváme se tím při každé konstrukci rámu kola. U modelu Madone Gen 8 jsme tento prvek posunuli na další úroveň a pomocí tisíců simulací CFD a analýzy metodou konečných prvků (FEA) jsme pro každou variantu průřezu určili nejlepší místa na rámu.  

Například tvar dolní rámové trubky má lepší konstrukční účinnost než aerodynamiku, protože pomalu se pohybující vlna za předním kolem minimalizuje důležitost tvarů s nízkým odporem v této oblasti. Na druhou stranu jsou horní část sedlové trubky, prvek IsoFlow a sedlovka navrženy tak, aby měly velmi aerodynamické tvary, neboť dochází ke zrychlení proudu vzduchu mezi nohama jezdce, což zvyšuje odpor v této oblasti. V podstatě je každý tvar navržen s ohledem na to, jak se vzduch pohybuje přes tvary před ním a za ním.   

Válce jsou pomalé

Již dlouho víme, že válce nemají příliš dobrý aerodynamický tvar. V roce 1953 prokázal Národní poradní výbor pro letectví (NACA), který je předchůdcem NASA, že pouhá změna válce na elipsu o poměru stran 2:1 sníží odpor vzduchu o 40 %.

Jak velký odpor vzduchu vytvářejí tvary jako válce zjišťoval již v roce 1912 Gustave Eiffel (ano, přesně ten Eiffel) při svých pádových zkouškách z Eiffelovy věže.

Proč se tedy na jinak vysoce optimalizovaných aerodynamických závodních kolech používají láhve na vodu válcového tvaru? Aerodynamické láhve nejsou novým konceptem, ale kvůli použitelnosti a praktičnosti se s nimi příliš často nezávodí. Rozhodli jsme se tedy přijít s designem láhve a košíku, které budou pro tým Lidl-Trek při závodech praktické. Jezdci a členové týmu si stanovili dva požadavky: košíky na aerodynamické láhve musí být kompatibilní i se standardními láhvemi a láhve na dolní rámové trubce i sedlové trubce musí být identické/vyměnitelné.  

Kvůli těmto požadavkům nebylo možné použít superaerodynamickou láhev, jako je např. láhev na dolní trubku Speed Concept. Vykompenzovali jsme to designem průřezů dolní rámové trubky a sedlové trubky tak, aby odpovídaly průřezům rámu a kola a vytvářely aerodynamický profil. Na ukázce z našich simulací CFD je pomalu se pohybující vzduch znázorněn šedě. Rychle se pohybující vzduch vnímá tyto pomalu se pohybující vlny podobně jako pevné objekty a plynule je obtéká, čímž snižuje odpor vzduchu.  

Naše aerodynamické láhve RSL Aero ušetří 1,8 wattu při rychlosti 35 km/h oproti 621ml láhvím a jsou rychlejší než jízda bez nich.

Přestože jsou tyto láhve optimalizovány pro Madone Gen 8, byly v CFD testovány i na řadě dalších rámů. Ve všech případech snížily odpor oproti standardním láhvím.  

Návrh systému jezdce 

Kola nejezdí sama a jezdec má obrovský vliv na proudění vzduchu kolem kola. Proto testujeme celý systém jezdce (kolo, jezdec, komponenty, láhve/košíky) a do našeho aerodynamického návrhu zahrnujeme jezdce od prvních počítačových simulací až po testy ve větrném tunelu za použití šlapající figuríny Mannyho. Tento důraz na aerodynamiku jezdce vedl k vývoji různých technologií, jako je např. prvek IsoFlow na kole Madone Gen 7. Technologie IsoFlow se s nepatrnou optimalizací vrací u modelu Madone Gen 8. Zvyšuje pohodlí jezdce a zároveň poskytuje strukturální a aerodynamické výhody.  

U modelu Gen 8 se může zdát, že řídítka vypadají méně aerodynamicky než u předchozí generace. A ono tomu tak ve skutečnosti i je! Alespoň samo o sobě.  

Průřez horní části řídítek Madone Gen 8 je silnější a zaoblenější než u Madone Gen 7. Je-li ve větrném tunelu pouze kolo, řídítka zvýší odpor vzduchu. Když ale na kole sedí jezdec, pak se vlivem silnějších řídítek mírně sníží odpor šlapajících nohou, protože se zpomalí proudění vzduchu před nimi. Efekt je sice malý, ale šlapající nohy mají největší podíl na celkovém odporu systému, takže i malé změny v proudění vzduchu kolem nich mohou mít znatelný vliv. Stejně jako tvary profilu Full System Foil byl stejně optimalizován i průřez řídítek. Ovšem se zřetelem na vliv nohou za řídítky. 

Výsledky

Výsledky z větrného tunelu prokázaly, že Madone Gen 8 je aerodynamicky o třídu výš než Émonda. Oproti Madone Gen 7 dochází u Madone Gen 8 k většině aerodynamických zlepšení při nízkých úhlech odklonu, s nimiž se jezdci setkávají nejčastěji.

Kola jsme testovali ve větrném tunelu při různých rychlostech, abychom využili simulace nejrůznějších závodních situací. Zde uvádíme výsledky při rychlosti 35 km/h v tunelu. Jedná se o nižší rychlost, která poněkud ztěžuje testování, ale je realističtější než tempo profesionálního pelotonu. Testy jsme prováděli i při rychlostech až 64 km/h, abychom ověřili simulace pro profesionální sportovce týmu Lidl-Trek (více o tom níže).  

Simulace týmu Lidl-Trek jasně ukázaly, že v klíčových situacích nedojde u Madone Gen 8 ve srovnání s modely Madone Gen 7 nebo Émonda k žádným kompromisům. K dohnání závodníků v úniku na strmém 10% stoupání by všichni jezdci tradičně nejradši měli model Émonda, který je co nejlehčí. Madone Gen 8 jej ale zrovna v této situaci lehce překonává. Obě generace kola Madone jsou samostatnou třídou ve sprintech, kde právě aerodynamika hraje nejdůležitější roli. Madone Gen 8 v obou případech překonává Gen 7 a zvládá finiš do stoupání o něco pohodlněji.

Ve všech těchto situacích se simulují účinky zrychlení. Ačkoli se jedná o nepatrné zlepšení, zrychlení na potřebnou rychlost je díky lehčímu rámu Madone Gen 8 ve srovnání s Madone Gen 7 skutečně snazší. 

Z kola, které začalo jako aktualizace modelu Émonda, nakonec vzniklo dokonalé vrchařské a sprintérské kolo, které vyniká v náročných jízdách našich závodníků týmu Lidl-Trek. Zároveň těm, kteří si o sprintu s výkonem 1 500 wattů mohou nechat jen zdát (jako jsem já), přináší vzrušující zážitek z lehkého výkonného závodního kola.