Trek Madone Gen 8 Aerodynamik

Ein ganzes Jahr bevor das Madone Gen 7 und IsoFlow vorgestellt wurden, begannen unsere Ingenieure mit der konzeptionellen Arbeit an der nächste Generation des leichten Émonda. Wir wussten, dass das Madone unser aerodynamischstes Racebike für die Straße war, und wir waren gespannt, wie wir einige der Ergebnisse aus unserer aerodynamischen Forschung in die Entwicklung des Émonda einbringen konnten.  

Schon bald nach Erarbeitung unserer ersten, recht radikalen Konzepte des Émonda erkannten wir, dass die Unterschiede zwischen dem Madone und dem Émonda hinsichtlich ihrer aerodynamischen Performance erheblich verringert werden konnten. Zu diesem Zeitpunkt begannen wir, die Möglichkeit eines einzigen Performance-Racebikes ernsthaft zu diskutieren. Doch zunächst mussten wir sicherstellen, dass weder unsere Profifahrer noch unsere Kunden durch diese Änderung Kompromisse in Kauf nehmen müssten.  

Gewicht vs. Aerodynamik

Unsere ersten Konzeptbikes bei der Entwicklung des Émonda der nächsten Generation waren „A1“ und „A2“. Unsere Versuche im Windkanal und mithilfe von numerischer Strömungsmechanik (CFD – Computational Fluid Dynamics) führten zu vielversprechenden Ergebnissen, welche die Lücke zwischen dem Madone der vorherigen Generation und dem Émonda verkleinerte. Allerdings würde dies zu einem aerodynamischen Nachteil führen – und da es unser Ziel war, das ultimative Performance-Racebike zu entwickeln, war dieser Nachteil nicht hinnehmbar.  

Im nächsten Schritt machten wir uns daran, den Designraum vollständig zu erkunden. Wir entwickelten mehr Prototypen, und zwar in der aufsteigenden Reihenfolge ihrer aerodynamischen Performance, um die leichte A-Serie bis hin zur überwiegend aerodynamischen E-Serie zu erweitern. Nachdem Hunderte von Iterationen umfangreiche CFD- und strukturelle Analysen durchlaufen hatten, testeten wir die Prototypen der A-, C- und E-Serie erneut im Windkanal.  

Mit den Ergebnissen aus dem Windkanal und den Gewichtsvorhersagen für alle drei Prototypen konnten wir virtuell testen, wie sich die verschiedenen Optionen unter verschiedenen Rennbedingungen verhalten würden. Unser Ziel war ein Rahmendesign, das mit denselben Laufrädern und Reifen sowohl das Madone Gen 7 als auch das Émonda an jedem Anstieg übertrifft.

Das unten stehende Diagramm zeigt die Performance des Madone Gen 7 und der Madone Gen 8 Prototypen im Vergleich zum Émonda auf Anstiegen, die von flach (0 % Steigung) bis relativ steil (12 % Steigung) reichten. Das aerodynamische Madone Gen 7 (gestrichelte weiße Linie) ist von 0 % bis etwas über 3 % Steigung schneller als das leichtere, aber weniger aerodynamische Émonda, da sich der Gewichtsunterschied im Flachen und auf leichten Anstiegen nur gering auswirkt und der Fahrer mit höherer Geschwindigkeit unterwegs ist, wodurch der aerodynamische Effekt stärker zum Tragen kommt.  

Betrachtet man die Prototypen, performen sie bei bestimmten Steigungen alle besser als das Madone Gen 7 und das Émonda. Allerdings ist nur der Prototyp C3 unter allen Bedingungen schneller als das Madone Gen 7 und das Émonda. Die leichte Option A1 klettert zwar gut, wäre aber keine gute Wahl für schnelle Sprints auf flachen Abschnitten. Der aerodynamischere Prototyp E2 performt bei 0 % Steigung am besten, würde aber die Kletterleistung des Émonda vermissen lassen.  

Diese Ergebnisse verdeutlichten das Potenzial des Prototyps C3, das Gewicht des Émonda mit der Aerodynamik des Madone zu kombinieren und so – nach vielen weiteren Optimierungen – den Weg für ein einziges Performance-Racebike zu ebnen: das Madone Gen 8. 

Neue Full System Foil Aero-Rohrprofile

Wie schafft man es, Konzepte zu entwickeln, die von A1 (superleicht) bis E2 (superaerodynamisch) reichen, ohne dafür jahrelanges Trial-and-Error zu durchlaufen. Die Antwort liegt in unserem neuen System von Rohrquerschnitten: Full System Foil.  

Vor den Full System Foil Aero-Formen setzten wir hauptsächlich auf Kammtail Virtual Foil (KVF) Rohrprofile. Zum Zeitpunkt ihrer Einführung waren die KVF-Profile eine revolutionäre Entwicklung zur Maximierung der aerodynamischen Performance. Gleichzeitig erfüllten sie die Vorgaben der inzwischen veralteten 3:1-Regel der UCI, die besagte, dass die Länge der Rahmenrohre das Dreifache ihrer Breite nicht überschreiten durfte. Die Kammtail-Querschnitte sind sehr aerodynamisch, allerdings nimmt ihre aerodynamische Performance ab, wenn man sich vom 3:1-Verhältnis traditioneller Aero-Rennräder entfernt.

Zur Verbesserung der KVF-Formen entwickelten wir einen dynamischeren Querschnittsgenerator. Diese Software war in der Lage, Querschnittswände zu „drücken“ (Push) und zu „ziehen“ (Pull), um so eine größere Vielfalt an Formen zu ermöglichen. Die daraus entstandene Grundform wurde dann mithilfe eines Algorithmus optimiert. Dieser erzeugte durch Drücken/Ziehen eine neue Form und testete deren Aerodynamik und strukturelle Effizienz virtuell. Der Optimierungsalgorithmus lernte aus vorherigen Entwurfsiterationen und erreichte nach ausreichend Zeit und Berechnungen eine Pareto-Menge mit den Querschnitten, welche die besten Kombinationen aus Gewicht und Aerodynamik aufwiesen.   

Diese Animation zeigt eine kleine Auswahl an Querschnitten, mit denen der Optimierungsalgorithmus experimentierte. Aufgrund der dynamischen Natur der Push/Pull-Formänderung entstanden einige recht seltsam aussehende Profile, die in der Praxis nicht umsetzbar waren. Allerdings ermöglichte uns dieser Ansatz, den gesamte Designraum – und damit auch die weniger anwendbaren Formen – zu erkunden. Da mithilfe dieses Ansatzes Formen erzeugt wurden, die menschliche Konstrukteure und Ingenieure möglicherweise nicht berücksichtigt hätten, stellte er einen wichtigen Bestandteil des Entwicklungsprozesses dar. 

Im Rahmen dieses Optimierungsprozesses konnten wir beobachten, dass die generierten Querschnitte oftmals rundere Rückseiten aufwiesen als KVF-Formen und dass diese bei instabilen aerodynamischen Praxisbedingungen mit sich schnell verändernden Windrichtungen eine bessere aerodynamische Performance zeigten. Die Stirnseiten vieler strukturell effizienter Formen waren hingegen relativ rechteckig, was intuitiv sinnvoll erscheint.  

Wo Aerodynamik nicht alles ist 

Mit einer Sammlung von Formen, die von strukturell effizient (leicht) bis super aerodynamisch reichten, gingen wir den nächsten Schritt an: Herauszufinden, wo am Rahmen die verschiedenen Querschnitte zum Einsatz kommen sollten. Dies ist ein Entwicklungsschritt bei jedem neuen Rahmen, für das Madone Gen 8 aber gingen wir einen Schritt weiter und analysierten Tausende Computational Fluid Dynamics (CFD) und Finite Elemente Analyse (FEA) Simulationen, um für jede Querschnittsoption die besten Stellen am Rahmen zu identifizieren.  

Die Form des Unterrohrs etwa ist wichtiger für die strukturelle Effizienz als für die Aerodynamik, da widerstandsarme Profile aufgrund der langsam strömenden Wirbel hinter dem Vorderrad aus aerodynamisch Sicht weniger wirksam sind. Das obere Sitzrohr, die IsoFlow-Konstruktion und die Sattelstütze hingegen weisen alle sehr aerodynamische Formen auf, da der Luftstrom zwischen den Beinen des Fahrers beschleunigt wird, was den Luftwiderstand in diesem Bereich vergrößert. Aus diesem Grund galt es bei der Entwicklung und Gestaltung der Profile stets zu berücksichtigen, wie sich die Luft über und entlang der Formen vor und hinter ihnen bewegt.   

Zylinder sind langsam

Es ist kein Geheimnis, dass Zylinder aus aerodynamischer Sicht nicht wirklich ideal sind. Bereits 1953 fand der NASA-Vorgänger NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) heraus, dass die Änderung eines Zylinders in eine Ellipse im Verhältnis 2:1 den Luftwiderstand um 40 % reduzierte.

Und schon eine Weile davor, nämlich 1912, entdeckte Gustave Eiffel (ja genau, der Eiffel) bei seinen Fallversuchen vom Eiffelturm, wie viel Luftwiderstand verschiedene Formen, darunter auch Zylinder, erzeugen.

Warum also bestücken wir hochoptimierte aerodynamische Racebikes mit zylindrischen Trinkflaschen? Auch wenn aerodynamische Trinkflaschen nichts Neues sind, kommen sie aus praktischen Gründen im Renneinsatz weniger zum Einsatz. Unser Ziel war es, eine Trinkflasche samt Flaschenhalter zu entwickeln, die sich im Renneinsatz für Team Lidl-Trek als praktische Lösung erwies. Fahrer und Betreuer stellten dabei zwei Bedingungen: Einerseits sollten die aerodynamischen Flaschenhalter auch mit Standardtrinkflaschen kompatibel sein, und andererseits mussten die Unterrohr- und Sitzrohrflaschen identisch und damit austauschbar sein.  

Aufgrund dieser beiden Anforderungen war eine extrem stromlinienförmige Flasche wie die Speed Concept Unterrohrtrinkflasche keine Option. Stattdessen konstruierten wir den Querschnitt der Trinkflaschen für Unterrohr und Sitzrohr so, dass sie zusammen mit den Rahmen- und Laufradquerschnitten ein virtuelles Tragflächenprofil bildeten. In der unten stehenden Abbildung aus unserer CFD-Simulation ist langsam strömende Luft grau dargestellt. Für schnell strömende Luft verhalten sich diese langsamen Wirbel wie feste Objekte, sodass diese schnelle Luft diese sanft umströmt, was den Luftwiderstand verringert.  

Bei 35 km/h sparen unsere RSL Aero Trinkflaschen im Vergleich zu herkömmlichen 620-ml-Trinkflaschen ganze 1,8 Watt Energie – und machen das Madone Gen 8 mit Trinkflaschen schneller als ohne!

Und obwohl diese Flaschen für die Verwendung mit dem Madone Gen 8 optimiert sind, testeten wir sie per CFD an verschiedenen Fahrradrahmen. Das Ergebnis: An jedem dieser Rahmen reduzierten die RSL Aero Trinkflaschen den Luftwiderstand im Vergleich zu Standardflaschen.  

Auf das Fahrersystem optimiertes Design 

Fahrräder fahren nicht von selbst – und der Fahrer hat einen enormen Einfluss darauf, wie die Luft um und durch sein Fahrrad strömt. Aus diesem Grund testen wir stets das gesamte Fahrersystem (Fahrrad, Fahrer, Komponenten, Flaschen/Halterungen) und beziehen einen Fahrer – in Form von Manny, unserem pedalierenden Dummy – von den ersten Computersimulationen bis zu den Windkanaltests in unseren aerodynamischen Entwicklungsprozess ein. Dieser Fokus auf die Fahreraerodynamik führte zu innovativen Lösungen wie etwa die IsoFlow-Komforttechnologie am Madone Gen 7. Mit einigen subtilen Optimierungen erhöht IsoFlow auch am Madone Gen 8 den Fahrkomfort und bietet sowohl strukturelle als auch aerodynamische Vorteile.  

Der Lenker des Madone Gen 8 könnte einigen aufmerksamen Beobachtern weniger aerodynamisch erscheinen als der an der vorherigen Generation. Der Grund dafür: Er ist es auch! Zumindest, wenn man ihn isoliert betrachtet.  

Der Querschnitt der Lenkeroberseite des Madone Gen 8 ist dicker und runder als beim Madone Gen 7. Und stellt man das Madone Gen 8 allein in den Windkanal, erhöht dieser Lenker tatsächlich den Luftwiderstand. Setzt man aber einen pedalierenden Fahrer auf das Bike, verringert der Nachlauf des dickeren Lenkers den Luftwiderstand an den pedalierenden Beinen leicht, indem er die Luft vor den Beinen verlangsamt. Dieser Effekt ist zwar gering, da aber die pedalierenden Beine am meisten zum Gesamtwiderstand des Systems beitragen, können kleine Änderungen an deren Luftströmung signifikant sein. Genau wie unsere Full System Foil Profile wurde auch der Lenkerquerschnitt nach dem gleichen Verfahren optimiert, allerdings unter Berücksichtigung der Wirkung der Beine hinter dem Lenker. 

Die Ergebnisse

Letztendlich zeigen die Ergebnisse des Windkanals, dass das Madone Gen 8 aerodynamisch eine Stufe über dem Émonda liegt. Im Vergleich zum Madone Gen 7 weist das Madone Gen 8 die meisten aerodynamischen Verbesserungen bei den niedrigen Gierwinkeln auf, die bei Fahrern am weitesten verbreitet sind.

Wir testeten die Bikes bei einer Reihe von Windkanalgeschwindigkeiten, um eine Vielzahl von Rennszenarien zu simulieren. Die hier gezeigten Ergebnisse wurden bei einer Windkanalgeschwindigkeit von 35 km/h gemessen. Dies ist eine relativ niedrige Geschwindigkeit, die den Testablauf zwar etwas schwieriger gestaltet, aber in der Praxis einfacher zu erreichen ist als das Tempo im Profi-Peloton. Im Rahmen von Simulationen für die Profis von Team Lidl-Trek führten wir außerdem Versuche mit Geschwindigkeiten von bis zu 64 km/h durch (mehr dazu weiter unten).  

Die Simulationen verdeutlichten den Fahrern von Team Lidl-Trek, dass sie mit dem Madone Gen 8 im Vergleich zum Madone Gen 7 oder dem Émonda in entscheidenden Situationen keinerlei Kompromisse eingehen müssen. Die Abwehr einer Attacke auf einem steilen Anstieg mit 10 % Steigung ist eine dieser Szenarien, bei dem ein Fahrer für ein möglichst geringes Gewicht bevorzugt auf einem Émonda sitzen würde. Allerdings schlägt das Madone Gen 8 das Émonda auch in solch einem Szenario knapp. Beide Generationen des Madone fahren in Sprintszenarien, bei denen die Aerodynamik den größten Effekt hat, in ihrer eigenen Klasse, und auch hier übertrifft das Madone Gen 8 das Madone Gen 7 – und überzeugt auf dem Anstieg zum Ziel mit etwas mehr Komfort.

In all diesen Szenarien wurde die Einwirkung der Beschleunigung simuliert. Auch wenn der Effekt gering ist, lässt sich der leichtere Rahmen des Madone Gen 8 im Vergleich zum Madone Gen 7 etwas schneller auf Geschwindigkeit bringen. 

Was ursprünglich als Update für das Émonda begann, entwickelte sich zum ultimativen Kletter- und Sprintbike, das die anspruchsvollen Anforderungen der Profis von Lidl-Trek erfüllt und gleichzeitig denjenigen, die nur davon träumen können, mit 1500 Watt zu sprinten, das berauschende Erlebnis eines leichten Performance-Racebikes bietet.