Meer dan een jaar voordat de Madone Gen 7 en IsoFlow werden onthuld, begonnen onze ingenieurs al aan het conceptontwerp van de volgende generatie lichte Émonda-fietsen. Met alle aerodynamica-kennis over de Madone - onze meest aerodynamische racefiets tot dan toe - was het een flinke uitdaging om die kennis over te dragen op de Émonda.
Al snel nadat onze eerste, behoorlijk radicale Émonda-concepten het licht zagen, werd duidelijk dat de aerodynamische prestaties van de Émonda en de Madone nog een stuk dichter bij elkaar moesten komen. Toen ontstond de mogelijkheid om één ultieme racefiets te creëren die op alle vlakken top was. Maar eerst wilden we 100% zekerheid dat onze atleten en klanten geen slap compromis zouden krijgen door deze verandering.
Gewicht versus aerodynamica
De eerste conceptfietsen voor de nieuwe Émonda kregen de namen ‘A1’ en ‘A2’. Windtunneltesten en Computational Fluid Dynamics (CFD)-simulaties toonden veelbelovende resultaten waarbij de kloof tussen de vorige generatie Madone en Émonda veel kleiner werd. Maar er was nog steeds sprake van een aerodynamisch compromis en we konden niet met recht spreken van die ene ultieme racefiets. Dat was natuurlijk onacceptabel.
De volgende stap was om het ontwerpbereik volledig door te rekenen. We bouwden extra prototypes met steeds betere aerodynamische prestaties voor de lichtgewicht A-serie, tot en met de vooral aerodynamische E-serie. Na honderden CFD-iteraties en constructie-analyses gingen de A-, C- en E-prototypes opnieuw naar de windtunnel.
Alle windtunneltests werden gedaan met een fietsende dummy die de aerodynamica van een rijder representeert.
Op basis van de windtunnelmetingen en de geschatte gewichten per prototype, konden we virtuele testen uitvoeren en kijken hoe elk model zich in verschillende raceomstandigheden zou gedragen. Het doel was om een frame te ontwikkelen dat met dezelfde wielen en banden op elke helling beter zou presteren dan de Madone Gen 7 en de huidige Émonda.
In de onderstaande grafiek worden de prestaties van de Madone Gen 7 en Gen 8 vergeleken met die van de Émonda op hellingen van 0% (vlak) tot 12% (zeer steil). De aerodynamische Madone Gen 7 (witte stippellijn) is sneller dan de lichtere maar minder aerodynamische Émonda op hellingen van 0% tot 3%, omdat het gewichtsverschil slechts beperkt invloed heeft op vlakke wegen en op vals plat, en omdat aerodynamica bij hoge snelheden zwaarder doorweegt.
Winst per uur in seconden (positief = sneller dan de Émonda) vs. hellingshoek in graden
Uitgangspunten: wielen en banden gestandaardiseerd, geen wind, vermogen 200 watt, rijdergewicht 70 kg, rolweerstand voor alle fietsen gelijk
Het prototype C3 (geel) was het enige prototype dat in alle omstandigheden sneller was dan zowel de Madone als de Émonda.
Alle prototypen scoren op bepaalde hellingen beter dan de Madone Gen 7 en de Émonda, maar alleen prototype C3 bleek onder alle omstandigheden sneller dan beide fietsen. De lichtgewicht optie A1 klimt goed, maar komt in snelle sprints op vlak terrein niet sterk voor de dag. Het aerodynamische prototype E2 is wel het beste op hellingen van 0%, maar boet aanzienlijk in op Émonda-klimcapaciteiten.
Uit de resultaten bleek alleen prototype C3 de potentie te hebben om een Émonda-gewicht te combineren met Madone-aerodynamica, en na heel veel rekenwerk bleek dit ook de opmaat tot die ene racer die alle andere racefietsen overbodig maakt: de Madone Gen 8.
Nieuwe Full System Foil aerovormen
Hoe ontwikkel je concepten zoals A1 tot en met E2 - van superlicht tot superaerodynamisch - zonder daar vele jaren aan onderzoek in te steken? Het antwoord ligt in Full System Foil, ons nieuwe systeem om framebuisdoorsneden te ontwerpen.
Voordat we Full System Foil ontwierpen, werkten we voornamelijk met Kammtail Virtual Foil (KVF) buisvormen. Dat waren revolutionaire buisvormen toen aero-prestaties nog werden beperkt door de inmiddels verouderde UCI-regel met de 3:1 lengte-breedteverhouding van framebuizen. Kammtail-vormen zijn zeer aerodynamisch, maar de prestaties nemen af zodra je de 3:1 lengte-breedteverhouding van meer traditionele aerofietsen verlaat.
Om de KVF-vormen te kunnen doorontwikkelen, maakten we onze dwarsdoorsnede-generator flexibeler: we lieten de software toe om te ‘duwen’ en te ‘trekken’ aan de wanden van de dwarsdoorsnede. Daardoor werden veel meer vormen mogelijk. De hieruit ontstane basisvorm werd gekoppeld aan een optimalisatie-algoritme dat al ‘duwend en trekkend’ nieuwe vormen genereerde en ze virtueel testte op aerodynamica en constructieve efficiëntie. Het algoritme leert van eerdere ontwerpiteraties, en door maar genoeg berekeningen uit te voeren, ontstaat er uiteindelijk een zogenaamd Pareto-front: in dit geval de verzameling van dwarsdoorsneden die de beste combinaties vormen van gewicht en aerodynamica.
Deze animatie toont een kleine verzameling vormen die zijn doorgerekend door het optimalisatie-algoritme. Zoals te zien is ontstaan er door het trekken en duwen bij de vormmodificatie gekke vormen die in de praktijk nooit zouden werken, maar ze maken het wel mogelijk om het gehele ontwerpbereik te verkennen en ook de ‘slechte’ gedeelten in kaart te brengen. Het onderzoeken van een dergelijk breed bereik is erg nuttig omdat er vormen naar voren komen die een menselijke ontwerper wellicht nooit zou bedenken.
Bij de voortgangscontrole van het optimaliseringsproces zagen we dat de vormen die werden gegenereerd vaak een rondere achterkant hadden dan KVF-vormen en dat ze aerodynamischer waren in realistische, onstabiele praktijkomstandigheden, zoals een snel veranderende windrichting. De voorkant van veel constructief efficiënte vormen bleek relatief rechthoekig, wat gevoelsmatig ook logisch lijkt.
Aerodynamica is niet altijd zaligmakend
Met een hele verzameling aero-vormen op zak, variërend van constructief efficiënt (lichtgewicht) tot superaerodynamisch, was de volgende stap om te bepalen waar op het frame welke dwarsdoorsnede-optie moest worden gebruikt. Dit is natuurlijk bij elk fietsframe-ontwerp nodig, maar voor de Madone Gen 8 hebben we echt alles uit de kast gehaald. Er werden duizenden CFD-simulaties gedaan en Eindige Elementen Methode (EEM)-analyses gebruikt om voor elke plaats op het frame de beste dwarsdoorsnede te kunnen bepalen.
Bij de onderbuis bijvoorbeeld is constructieve stijfheid belangrijker dan aerodynamische efficiëntie, omdat het langzaam bewegende zog achter het voorwiel het belang van een buisvorm met lage luchtweerstand in dat gebied vermindert. Het omgekeerde geldt voor de bovenste zitbuis. IsoFlow en zadelpen zijn allebei geoptimaliseerd voor aerodynamica, omdat de lucht die tussen de benen van de rijder door stroomt, wordt versneld en daarmee een grotere luchtweerstand in dat gebied opwekt. Het komt erop neer dat er bij het ontwerp van elke vorm rekening is gehouden met hoe de luchtstroom zich rond de vormen ervoor en erachter gedraagt.
De grijze stroomlijnen representeren langzaam bewegende lucht die langs de onderbuis naar beneden beweegt, waardoor een stompe, constructief efficiëntere en lichtere buisdoorsnede mogelijk wordt, met minimale toename van de luchtweerstand.
Een cilindervorm is traag
Het genoegzaam bekend dat een cilindervorm aerodynamisch gezien niet de meest gunstige is. Al in 1953 toonde het National Advisory Committee for Aeronautics (NACA, voorloper van de NASA)0 aan dat de luchtweerstand met 40% afneemt door een cilinder te vervormen naar een 2:1 ellips.
Nog veel langer daarvoor, in 1912, had Gustave Eiffel bij zijnvalproeven vanaf de Eiffeltoren ontdekt hoeveel luchtweerstand geometrische vormen zoals cilinders genereren.
De originele resultaten van Eiffel’s valtesten met betrekking tot luchtweerstand (waaronder die van een cilinder).
Waarom gebruiken we dan cilindrische bidons op racefietsen die zo aerodynamisch mogelijk moeten zijn? Aero-bidons bestaan al heel lang, maar uit praktische overwegingen worden ze bijna nooit gebruikt in wedstrijden. Wij wilden een aerobidon en bidonhouder ontwerpen die ook in racesituaties praktisch zouden zijn voor het Lidl-Trek team. De renners en de stafleden hadden daarbij twee eisen: de aero-bidonhouders moesten ook geschikt zijn voor standaard bidons en de bidons voor de onderbuis en zitbuis moesten identiek/verwisselbaar zijn.
Door die eisen viel een supergestroomlijnde bidon als de Speed Concept onderbuisbidon al meteen af. Om toch ons doel te kunnen bereiken, hebben we de dwarsdoorsneden van de onderbuis- en zitbuisbidon zo ontworpen dat ze samen met de dwarsdoorsneden van het frame en het wiel een virtuele vleugelvorm creëren. In onderstaand beeld uit de CFD-simulaties wordt de langzame luchtstroom in grijs weergegeven. Snelstromende lucht ‘ervaart’ deze langzame stroming als een soort vast object, en stroomt er daarom vlot langsheen waardoor de luchtweerstand afneemt.
Onze RSL Aero bidons besparen bij 45 km/u 3,7 watt vermogen in vergelijking met standaard bidons (van 620 ml). Ook zijn ze sneller dan helemaal geen bidons monteren.
Hoewel de bidons zijn geoptimaliseerd voor gebruik met de Madone Gen 8, bleek uit CFD-testen op een reeks fietsframes dat ze in alle gevallen de luchtweerstand ten opzichte van standaard bidons verminderen.
Ontwerpen vanuit het complete systeem
Fietsen rijden niet vanzelf en de rijder heeft een enorme invloed op het stromingsveld rond de fiets. Daarom testen we altijd het complete systeem (fiets, rijder, onderdelen, bidons/bidonhouders) en nemen we de rijder mee in het aerodynamische ontwerp, vanaf de eerste computersimulaties tot en met de windtunneltests met Manny de trappende etalagepop. Deze nadruk op de rijder-aerodynamica leidde onder andere tot ontwikkelingen zoals IsoFlow op de Madone Gen 7. IsoFlow is ook weer aanwezig op de Madone Gen 8, maar dan met enkele subtiele verbeteringen die de rijder meer nog comfort bieden en ook constructieve en aerodynamische voordelen opleveren.
Voor een scherp oog ziet het Madone Gen 8-stuur er misschien minder aerodynamisch uit dan dat van de Gen 7, en dat is goed gezien! Tenminste, als je het als losstaand object bekijkt.
De doorsnede van het bovendeel van het Gen 8-stuur is groter en ronder dan dat van de Gen 7. Staat de fiets op zichzelf in de windtunnel, dan zorgt dat stuur voor meer weerstand. Maar als de rijder achter het stuur op de pedalen trapt, vertraagt het zog net achter het dikkere bovendeel van het stuur de luchtstroom richting de bewegende benen, waardoor de luchtweerstand daar afneemt. Het effect is weliswaar klein, maar omdat bewegende benen de belangrijkste factor zijn in de luchtweerstand van het totale systeem, is dit kleine effect toch significant. De dwarsdoorsnede van het stuur is geoptimaliseerd met behulp van hetzelfde proces als bij onze Full System Foil-vormen, maar dan inclusief het effect van de bewegende benen van de rijder.
Het resultaat is een stuur dat bovenop comfortabeler aanvoelt, lichter is dankzij de constructief efficiëntere vorm en aerodynamischer dankzij het afschermende effect op de bewegende benen.
De resultaten
De windtunnelresultaten wijzen uit dat de Madone Gen 8 aerodynamisch gezien een klasse boven de Émonda staat. Vergeleken met de Madone Gen 7 is de Gen 8 aerodynamisch het meest verbeterd bij lage aanstroomhoeken, dus bij hoeken die het meest voorkomen in de praktijk.
Om uiteenlopende koersscenario's te simuleren, werden de fietsen getest bij verschillende windtunnelsnelheden. Hieronder staan de resultaten bij een tunnelsnelheid van 35 km/u. Dit is een lagere snelheid die voor extra uitdagingen zorgt bij het testen, maar die wel haalbaarder is dan het tempo van een profpeloton. We hebben ook getest bij snelheden tot 65 km/u om realistische simulaties voor onze Lidl-Trek profrenners te hebben (meer daarover verderop).
Luchtweerstandscoëfficiënt (CDA, m2) vs. aanstroomhoek (graden) bij een windsnelheid van 35 km/u
Fietsen getest in SLR-configuratie zoals in de winkel verkocht
Madone Gen 8 vs. Madone Gen 7 vs. Émonda in de windtunnel
| Configuratie zoals getest in de windtunnel | Bespaard vermogen (watt) 35 km/u | Winst in seconden per uur 200 watt |
| vs Madone Gen 7 met ronde bidons, Gen 7 stuur/stuurpencombinatie, RSL 51s, R3 25c banden (positief = Gen 8 is sneller) Madone Gen 8 met Aero bidons, stuur/stuurpencombinatie, RSL 51s, R3 25c banden | 0,1 | 0.4 | vs Émonda met ronde bidons, Émonda stuur/stuurpencombinatie, RSL 37s, R3 25c banden (positief = Gen 8 is sneller) Madone Gen 8 met Aero bidons, stuur/stuurpencombinatie, RSL 51s, R3 25c banden | 11.3 | 77.8 | vs Émonda met ronde bidons, RSL Aero stuur, RSL 51s, R3 25c banden (positief = Gen 8 is sneller) Madone Gen 8 met Aero bidons, stuur/stuurpencombinatie, RSL 51s, R3 25c banden | 6.8 | 46.1 |
Bij wielrennen draait het echter niet alleen om aerodynamica (al zouden aerodynamici dat misschien wel willen) en daarom hebben we de prestaties van de Madone Gen 8 ook in praktijkomstandigheden vergeleken met die van de Madone Gen 7 en de Émonda. Wielrennen is een zeer dynamische sport, met veel tempowisselingen en cruciale momenten die in een split-second plaatsvinden. De Lidl-Trek-renners waren bij de presentatie van de Madone Gen 8 dan ook vooral geïnteresseerd in de prestaties ten opzichte van de Madone Gen 7 en de Émonda in veelvoorkomende koerssituaties.
Een eindsprint is één van die situaties. We simuleerden zowel een vlakke sprint van 12 seconden bij 1500 watt als een sprint bergop (4% helling). Voor wie met een vermogensmeter rijdt, klinkt 1500 watt misschien als een absurd getal, maar als je ziet wat Jonathan Milan in etappe 4 van de laatste Giro d'Italia 20 seconden lang trapte …!
Een andere simulatie betrof de tijd die een rijder nodig heeft om een demarrage te beantwoorden op een helling van 10%, waarbij het benodigde vermogen om dit te kunnen doen steeg van 280 watt naar 450 watt. Zo’n demarrage moet zo snel mogelijk worden geneutraliseerd, omdat de verhoogde intensiteit van inspanning slechts een bepaalde tijd kan worden volgehouden. Duurt het te lang om de ontsnapte renner terug te halen, dan bestaat de kans dat de renner in de tegenaanval over zijn limiet gaat en zijn poging moet staken. Hoe sneller hij bij de aanvaller aansluit, hoe meer hij profiteert van diens slipstream en hoe sneller hij zijn vermogen kan terugbrengen tot houdbare proporties.
De Madone Gen 8 is sneller op beklimmingen en in sprints
| Fiets (SLR zoals verkocht in de winkel) | Tijd om demarrage te counteren op klim van 10% (in seconden) | Fietslengtes winst t.o.v. Émonda, vlakke sprint van 12 sec | Fietslengtes winst t.o.v. Émonda, sprint bergop (4%) van 12 sec |
| Madone Gen 8 | 29 | 1.08 | 0.89 | Madone Gen 7 | 32 | 1.03 | 0.81 | Émonda | 30 |
Deze simulaties overtuigden Lidl-Trek ervan dat ze met de Madone Gen 8 in wedstrijdsituaties geen concessies zouden hoeven te doen ten opzichte van de Madone Gen 7 of de Émonda. Demarrages beantwoorden op steile hellingen van 10% is bij uitstek een situatie waarin renners op een Émonda willen zitten, met zo min mogelijk gewicht, maar de Madone Gen 8 blijkt in dat scenario minstens zo goed. Hoewel béide generaties Madone een klasse apart zijn in sprints - waar aerodynamica cruciaal is - wint de Gen 8 het zowel op het vlakke als bergop van de Gen 7 (met iets ruimer verschil als de finish bergop is).
In elk van deze simulaties werd ook de invloed van een versnelling meegenomen. Hoewel die invloed klein is, krijg je het lichtere Madone Gen 8-frame gemakkelijker op snelheid dan bijvoorbeeld de Madone Gen 7.
Wat als een update voor de Émonda begon, resulteerde uiteindelijk in de ultieme klim- en sprintfiets die niet alleen uitblinkt in de zware koersomstandigheden die onze Lidl-Trek renners tegenkomen, maar die ook de opwindende ervaring van een ultralichte superbike biedt aan diegenen die er alleen maar van kunnen dromen om 1500 watt te leveren in een sprint.
Over de auteur
John Davis is hoofd aerodynamica van Trek Bicycle.
Hij heeft een bachelor in Mechanical and Aerospace Engineering aan de Princeton University en een Master in Aerospace Engineering aan het Georgia Tech instituut.