Trek Madone Gen 8's aerodynamik

Et helt år før Madone Gen 7 og IsoFlow blev lanceret, påbegyndte vores ingeniører det konceptuelle designarbejde på den næste generation af den lette Émonda. Vi vidste, at Madone var vores hidtil mest aerodynamiske landevejscykel til løb, og vi var begejstrede for, at vi nu kunne bruge nogle af vores aerodynamiske undersøgelser til Émonda.  

Ret hurtigt efter at have skabt vores første Émonda-koncepter, som var temmelig radikale, indså vi, at forskellen i aerodynamik mellem Madone og Émonda kunne mindskes betydeligt. Det var her, at muligheden for en enkelt performancecykel til løb for alvor blev drøftet. Men først skulle vi bevise over for os selv, at denne ændring ikke ville medføre nogen form for kompromiser vores ryttere og kunder.  

Vægt kontra aerodynamik

Vores første konceptcykler i projektet næste generation Émonda var "A1" og "A2". Vores tests med vindtunnel og Computational Fluid Dynamics (CFD) gav nogle lovende resultater, der indsnævrede kløften mellem Madone og Émonda i den forrige generation. Men det ville stadig føre til uacceptable aerodynamiske strafpoint, hvis vi kun ville fremstille én performancecykel til landevejsløb.  

Vores næste skridt var en tilbundsgående undersøgelse af designrmulighederne. Vi skabte flere prototyper, hvor vi øgede aerodynamikken gradvist ved at tilføje først den lette A-serie hele vejen op til den mest aerodynamiske E-serie. Efter hundredvis af gentagne analyser af CFD og strukturer sendte vi cykler i A-, C- og E-serien tilbage til vindtunnelen.  

Med vindtunnelresultater og vægtforudsigelser for alle tre prototyper kunne vi teste virtuelt, hvordan de forskellige muligheder ville præstere under en række forskellige løbsforhold. Med de samme hjul og dæk ønskede vi et steldesign, der ville overgå både Madone Gen 7 og Émonda på alle stigninger.

Diagrammet nedenfor viser ydeevnen af prototyper af Madone Gen 7 og Gen 8 sammenlignet med Émonda på stigninger i et spektrum fra flad (0% stigning) til ret stejl (12% stigning). Den aerodynamiske Madone Gen 7 (i den stiplede hvide linje) er hurtigere end den lettere, men mindre aerodynamiske Émonda fra 0% til lidt over 3% stigning, da vægtforskellen har en lille effekt på fladt underlag og lette stigninger, og rytteren bevæger sig hurtigere, så aerodynamikken får større betydning.  

Når vi ser på prototyperne, udgør de alle forbedringer i forhold til Madone Gen 7 og Émonda på visse stigninger, men kun prototype C3 er hurtigere end begge cykler under alle forhold. Den lette A1 er et godt valg til stigninger, men ikke til hurtige spurter på plant underlag. Den mere aerodynamiske E2 er bedst ved 0% hældning, men kræver, at rytterne ofrer Émondas præstationer på stigninger.  

Med disse resultater så vi, at prototype C3 havde potentiale til at kombinere vægten af en Émonda med aerodynamikken fra en Madone, som (efter meget mere optimering) banede vejen for en enkelt performancecykel ved landevejsløb – Madone Gen 8. 

Nye aerodynamiske former med Full System Foil

Hvordan skaber man koncepter som A1 til E2, der spænder fra superlet til superaerodynamisk uden at prøve sig frem i mange år? Svaret ligger i vores nye rørtværsnitsystem - Full System Foil.  

Før de aerodynamiske former i Full System Foil brugte vi primært rørformer i Kammtail Virtual Foil (KVF). Disse former var revolutionerende på det tidspunkt, da de skulle maksimere aerodynamikken ud fra den nu forældede regel fra Den Internationale Cykelunion (UCI), om at længde-/breddeforholdet på rørene skulle være 3:1. Kammtail-former er meget aerodynamiske, men aerodynamikken forringes, når man går væk fra 3:1-formatet på mere traditionelle aerodynamiske cykler.

For at forbedre KVF-formerne udtænkte vi en mere fleksibel tværsnitsgenerator, der kunne tillade et stort udvalg af former ved at give softwaren mulighed for at "skubbe" og "trække" i tværsnittets sider. Derefter koblede vi denne grundform til en optimeringsalgoritme, der skubbede/trak for at generere en ny form og teste dens aerodynamik og strukturelle effektivitet virtuelt. Optimeringsmodellen lærer af tidligere designiterationer, som med tilstrækkelig tid og beregninger når frem til en Pareto-kurve, som viser den gruppe af tværsnit, der repræsenterer de bedste kombinationer af vægt og aerodynamik.   

Denne animation viser en lille undergruppe af nogle af de former, optimeringsalgoritmen afprøvede. Som man kan se, skabes der nogle skøre former på grund af fleksibiliteten i ændringen af formen med skub/træk. De ville aldrig være praktiske, men det giver mulighed for at udforske alle designmuligheder – selv de dårlige dele. Denne brede undersøgelse er vigtig, da den kan generere former, som en menneskelig designer måske ikke kommer i tanker om. 

Da vi fulgte fremskridtene i vores optimering, bemærkede vi, at de former, der blev genereret, generelt havde rundere bagender end KVF-former (Kammtail Virtual Foil), hvilket gav en bedre aerodynamik i virkelighedens ustabile aerodynamiske situationer, hvor vindretningen ændrer sig hurtigt. Forenden på mange strukturelt effektive former var relativt rektangulære, hvilket gav mening intuitivt.  

Men det handler ikke kun om aerodynamik 

Bevæbnet med en samling af former, der spænder fra strukturelt effektive (lav vægt) til super aerodynamiske, var det næste skridt at finde frem til, hvor på stellet de forskellige muligheder skulle anvendes. Dette er altid et element i vores cykelsteldesign, men vi løftede det et niveau op til Madone Gen 8 ved hjælp af tusindvis af CFD- og FEA-simuleringer (Finite Element Analysis) for at finde de bedste steder på stellet for hver tværsnitsmulighed.  

For eksempel gavner skrårørsformen den strukturelle effektivitet mere end aerodynamikken, fordi den langsomme luftstrøm bag forhjulet mindsker betydningen af former med lav luftmodstand i det område. Derimod er det øverste sadelrør, IsoFlow og sadelpinden alle designet til at være meget aerodynamiske former, fordi luftstrømmen accelereres mellem rytterens ben og øger luftmodstanden i området. I bund og grund er hver form designet, så den tager hensyn til, hvordan luften bevæger sig hen over rørformerne foran og bag den.   

Cylindre er langsomme

Vi har længe vidst, at cylindre ikke er særligt gode aerodynamiske former. Helt tilbage i 1953 viste NASAs forgænger, National Advisory Committee for Aeronautics (NACA), at blot ved at udskifte en cylinder med en ellipse i forholdet 2:1 reduceres luftmodstanden med 40%.

Længe før det havde Gustave Eiffel (jeps, ham med Eiffeltårnet) opdaget i 1912 i sine faldtests fra Eiffeltårnet, hvor meget luftmodstand cylindriske former skaber.

Så hvorfor sætter vi cylindriske drikkeflasker på aerodynamiske landevejscykler, der i øvrigt er veloptimerede? Aerodynamiske flasker er ikke et nyt koncept, men bruges sjældent i løb på grund af brugbarheden og af praktiske årsager. Vi satte os for at designe en flaske og en flaskeholder, der ville være praktisk at have for Lidl-Trek-holdet i konkurrencer. Holdets ryttere og medarbejdere stillede to krav: De aerodynamiske flaskeholdere skulle også passe til standardflasker, og flaskerne til skrårøret og sadelrøret skulle være identiske/ombyttelige.  

Disse krav udelukkede brugen af en superstrømlinet flaske som Speed Concept-flasken til skrårøret. For at kompensere for dette har vi designet tværsnittet af skrårørs- og sadelrørsflaskerne til at fungere sammen med tværsnittet af stel og hjul og skabe en virtuel luftfolie. På billedet nedenfor fra vores CFD-simuleringer vises luft i langsom bevægelse med gråt. Luft i hurtig bevægelse ser disse langsomme luftstrømme bagved som faste genstande og bevæger sig jævnt omkring dem, hvilket reducerer luftmodstanden.  

Vores RSL Aero-drikkeflasker sparer 1,8 watt ved 35 km/t sammenlignet med standard 21-ounce-flasker og er hurtigere end helt uden flasker.

Samtidigt med at disse flasker er optimeret til Madone Gen 8, blev de også testet med CFD (Computational Fluid Dynamics) på en række cykelstel, og de reducerede luftmodstanden i forhold til standardflasker i alle tests.  

Design omkring rytter-cykel-systemet 

Cykler kører ikke selv, og en rytter skaber en massiv påvirkning af luftstrømfeltet omkring en cykel. Derfor tester vi rundt om hele rytter-cykel-systemet (cykel, rytter, komponenter, vandflasker/holdere) og inddrager en rytter i vores aerodynamiske design lige fra de første computersimuleringer til vores vindtunneltest med den pedallerende forsøgsdukke Manny. Dette fokus på rytterens aerodynamik førte til, at vi udviklede for eksempel IsoFlow på Madone Gen 7. IsoFlow vender tilbage med lidt optimering på Madone Gen 8, hvilket øger rytterens komfort og giver nogle strukturelle og aerodynamiske fordele.  

Når man ser på Madone Gen 8, kan det se ud, som om styret er mindre aerodynamisk end den forrige generation, og det er det også! I hvert fald isoleret set.  

Tværsnittet af manchetterne på styret til Gen 8 blev gjort tykkere og rundere end på Madone Gen 7. Hvis du sætter cyklen alene i vindtunnelen, vil det styr øge luftmodstanden. Men når en rytter pedallerer bagved, reducerer luftstrømmen bag det tykkere styr luftmodstanden på rytterens pedallerende ben en smule, så lufthastigheden foran benene sænkes. Effekten er lille, men de pedallerende ben bidrager mest til luftmodstanden på hele systemet, så små ændringer i luftstrømmen mod benene kan betyde meget. Ligesom vores Full System Foil-former blev styrets tværsnit optimeret ved hjælp af den samme proces, men hvor effekten af benene bag styret blev inkluderet. 

Resultaterne

Når alt kommer til alt, viser vindtunnelresultaterne, at Madone Gen 8’s aerodynamik ligger et niveau over Émonda. Sammenlignet med Madone Gen 7 ses de fleste aerodynamiske forbedringer af Gen 8 i de lave sidevindsvinkler, som er de sidevindsvinkler, rytterne oftest kører i.

Vi testede cyklerne ved en række vindtunnelhastigheder for at lave simuleringer af en lang række løbsscenarier. Her ses resultaterne ved en tunnelhastighed på 22 mph (35,4 km/t), hvilket er en lavere hastighed, der er mere udfordrende at teste ved, men mere opnåelig end tempoet i et felt med professionelle ryttere. Vi testede også ved hastigheder på op til 40 mph (64,4 km/t) for at levere simuleringer til vores professionelle Lidl-Trek-ryttere (mere om det nedenfor).  

Simuleringerne gjorde det klart for Lidl-Trek, at Madone Gen 8 ikke ville kræve ofre i afgørende scenarier sammenlignet med Madone Gen 7 eller Émonda. Traditionelt er det, når rytterne skal fange et udbrud på den stejle 10%-stigning, at de gerne vil have en Émonda for at have så lidt vægt som muligt, men Madone Gen 8 er lidt bedre end Émonda i dette scenarie. Begge generationer af Madone er i en klasse for sig i spurtscenarierne, hvor aerodynamikken har allerstørst betydning, men Gen 8 smyger sig udenom Gen 7 i begge tilfælde – med en lidt mere komfortabel føring i afslutningen op ad bakke.

I alle disse scenarier simuleres virkningerne af acceleration. Selvom det er en lille effekt, er det lettere at accelerere Madone Gen 8's stel med lavere vægt op i hastighed sammenlignet med for eksempel Madone Gen 7. 

I sidste ende blev det, der startede som en opdatering til Émonda, den ultimative cykel til stigninger og spurter, der udmærker sig i det krævende brugsscenarie med vores Lidl-Trek-ryttere, samtidigt med at denne letvægtscykel til store præstationer ved løb er en opløftende oplevelse at køre på for dem, der (som mig) kun kan drømme om at spurte afsted ved 1500 watt.