Trek Madone Gen 8:n aerodynamiikka

Kokonaista vuotta ennen Madone Gen 7:n ja IsoFlow:n julkistusta insinöörimme aloittivat suunnittelutyön uuden sukupolven kevyen Émondan luomiseksi. Tiesimme, että Madone oli Trekin kaikkien aikojen aerodynaamisin maantiekilpapyörä ja odotimme innolla, kuinka voisimme käyttää aerodynaamisen tutkimustyön tuloksia myös Émondassa.  

Melko pian ensimmäisten, melko radikaalien Émondan suunnitelmien jälkeen tajusimme, että voisimme pienentää merkittävästi Madonen ja Émondan välistä kuilua aerodynaamisen suorituskyvyn osalta. Silloin aloimme tosissaan miettiä mahdollisuutta valmistaa yksi ainoa suorituskykyinen kilpapyörä. Mutta ensin meidän täytyi vakuuttaa itsellemme, etteivät ammattiurheilijamme ja asiakkaamme joutuisi tekemään kompromisseja tämän muutoksen myötä.  

Paino vastaan aerodynamiikka

Ensimmäiset uuden sukupolven Émonda-projektin suunnittelupyörät olivat “A1” ja “A2.” Tuulitunnelin ja laskennallisen virtausdynamiikan (computational fluid dynamics, CFD) testit osoittivat joitain lupaavia tuloksia, jotka kavensivat kuilua aiemman sukupolven Madonen ja Émondan välillä. Näiden tulosten yhdistäminen yhdeksi pyöräksi johtaisi kuitenkin heikompiin aerodynaamisiin ominaisuuksiin ja se ei ollut hyväksyttävää.  

Seuraava askeleemme oli hyödyntää käytössämme olevia muuttujia optimaalisesti. Loimme lisää prototyyppejä, joissa paransimme aerodynaamista suorituskykyä alkaen kevyestä A-sarjasta aina kaikkein aerodynaamisimpaan E-sarjaan asti. Satojen CFD-testien ja rakenneanalyysien jälkeen veimme A-, C- ja E-sarjan pyörät tuulitunneliin.  

Kaikkien kolmen prototyypin tuulitunnelitulosten ja painoennusteiden jälkeen pystyimme testaamaan virtuaalisesti, kuinka eri vaihtoehdot suoriutuisivat erilaisissa kisaolosuhteissa. Käyttämällä samoja kiekkoja ja renkaita halusimme löytää sellaisen runkomuodon, joka päihittäisi sekä Madone Gen 7:n että Émondan missä tahansa kaltevuuskulmassa.

Alla oleva kaavio osoittaa Madone Gen 7:n ja Gen 8:n prototyyppien suorituskyvyn verrattuna Émondaan eri kaltevuuksilla aina tasamaalta (0 %:n kaltevuudesta) melko jyrkkään (12 %:n kaltevuuteen). Aerodynaaminen Madone Gen 7 (kuvassa valkoinen katkoviiva) on nopeampi kuin kevyempi mutta vähemmän aerodynaaminen Émonda 0 %:n kaltevuudesta vähän yli 3 %:n kaltevuuteen, sillä painoerolla on vain vähän merkitystä tasaisella ja loivissa nousuissa ja ajaja liikkuu nopeammin, mikä lisää aerodynamiikan vaikutusta.  

Kun tarkastelemme prototyyppejä, näemme, että ne kaikki ovat parempia kuin Madone Gen 7 tai Émonda joissain kaltevuuksissa, mutta ainoastaan C3 on molempia pyöriä nopeampi kaikissa olosuhteissa. Kevyt A1-versio kiipeää hyvin nousuja, mutta se ei ole hyvä vaihtoehto nopeisiin kireihin tasamaalla. Aerodynaamisempi E2 on paras pyörä 0 %:n kaltevuudella, mutta häviää Émondalle nousuissa.  

Näiden tulosten pohjalta näimme, että prototyypissä C3 oli potentiaalia yhdistää Émondan keveys ja Madonen aerodynamiikka. Tästä syntyi myöhemmin (monien lisäoptimointien jälkeen) yksi suorituskykyinen maantiekilpapyörä – Madone Gen 8. 

Uudet aerodynaamiset Full System Foil -muodot

Kuinka luoda suunnittelukonsepteja, kuten A1–E2, jotka ulottuvat superkevyestä aina superaerodynaamiseen ilman vuosien kokeiluja? Ratkaisu on uusi putkimuotojärjestelmä – Full System Foil.  

Ennen aerodynaamista Full System Foil -putkimuotoilua käytimme pääasiassa Kammtail Virtual Foil (KVF) -putkimuotoja. Nämä muodot olivat aikanaan mullistavia, sillä niiden tarkoitus oli maksimoida aerodynaaminen suorituskyky ja  samalla vastata (sittemmin jo poistuneeseen) UCI:n 3:1 -sääntöön runkoputkien pituuden ja leveyden suhteesta. Kammtail-muodot ovat hyvin aerodynaamisia, mutta suorituskyky heikkenee poikettaessa perinteisten aerodynaamisten pyörien 3:1-säännöstä.

Parantaaksemme KVF-muotoja kehitimme joustavamman poikkileikkausgeneraattorin, jonka avulla voimme luoda suuren määrän erilaisia muotoja ohjelmistolla, joka vetää ja työntää poikkileikkausmuotojen seinämiä. Sen jälkeen yhdistimme perusmuodon optimointialgoritmiin, joka luo uusia muotoja vetämällä tai työntämällä ja testaa virtuaalisesti niiden aerodynaamisen ja rakenteellisen tehokkuuden. Optimointi oppii aiemmista suunnittelukierroksista, ja kun aikaa ja laskelmia on kulunut riittävästi, se päätyy Pareto-malliin. Kyseessä on joukko poikkileikkauksia, jotka edustavat painon ja aerodynamiikan parhaita yhdistelmiä.   

Tässä animaatiossa näet pienen osan optimointialgoritmin kokeilemista muodoista. Kuten näet, muotojen muokkaus vetämällä / työntämällä on luonteeltaan niin joustavaa, että se luo joitain aivan hulluja muotoja, jotka eivät missään tapauksessa olisi käytännöllisiä, mutta tällä tavoin voimme hyödyntää kaikkia mahdollisia vaihtoehtoja suunnittelutyössä – jopa niitä huonompia. Tällainen laaja tutkimus on tärkeää, sillä se voi luoda muotoja, jotka eivät tulisi ihmiselle mieleenkään. 

Kun seurasimme optimoinnin kehittymistä, huomasimme, että algoritmin luomissa muodoissa yleisesti ottaen takaosa oli pyöreämpi kuin aiemmin käyttämissämme KVF-muodoissa. Tämä osoittautui aerodynaamisesti paremmaksi ratkaisuksi todellista ajotilannetta kuvaavissa epävakaissa aerodynaamisissa olosuhteissa, joissa tuulen suunta voi vaihtua nopeasti. Monien rakenteellisesti tehokkaiden muotojen etuosat olivat suhteellisen suorakulmaisia, mikä tuntui intuitiivisesti järkevältä.  

Aerodynaamisuus ei ole kaikki kaikessa 

Nyt kun käytössä oli kokoelma muotoja, jotka vaihtelivat rakenteellisesti tehokkaista (kevyistä) erittäin aerodynaamisiin, seuraava vaihe oli määrittää, mihin kohtaan runkoa eri vaihtoehdot sijoitetaan. Tämä on aina osa pyörän rungon suunnittelua, mutta Madone Gen 8:ssa veimme sen uudelle tasolle käyttämällä tuhansia CFD- ja FEA (Finite Element Analysis) -simulaatioita tunnistaaksemme parhaat runkokohdat kullekin poikkileikkausvaihtoehdolle.  

Esimerkiksi alaputken muotoilussa suositaan rakenteellista tehokkuutta aerodynaamisuuden sijaan, koska etupyörän takana hitaasti liikkuva virtaus tekee alhaisen ilmanvastuksen muodoista vähemmän tärkeitä kyseisellä alueella. Sitä vastoin satulaputken yläosa, IsoFlow ja satulatolppa on kaikki suunniteltu erittäin aerodynaamisiksi muodoiksi, sillä ilmavirtaus kiihtyy ajajan jalkojen välissä ja suurentaa ilmanvastusta kyseisellä alueella. Käytännössä jokaisen muodon suunnittelussa on huomioitu, kuinka ilma liikkuu sen edessä ja takana olevien muotojen yli.   

Sylinterit ovat hitaita

Olemme tienneet jo pitkään, että sylinteri ei ole aerodynaamisesti katsoen kovinkaan hyvä muoto. Jo vuonna 1953 NASAn edeltäjä National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) osoitti, että pelkästään vaihtamalla sylinterin 2:1-suhteiseen ellipsiin voidaan vähentää ilmanvastusta 40 %.

Kauan ennen sitä, vuonna 1912 Gustave Eiffel (kyllä, juuri se Eiffel) huomasi, kuinka paljon ilmanvastusta sylinterin kaltaiset muodot luovat, kun hän teki pudotuskokeita Eiffel-tornista.

Miksi sitten laitamme sylinterinmuotoisen juomapullon muutoin tarkasti optimoituun aerodynaamiseen kilpapyörään? Aerodynaamiset pullot eivät ole konseptina uusi, mutta niitä näkee harvoin kisoissa käytettävyyden vuoksi. Meidän tarkoituksemme oli kehittää Lidl-Trek-tiimille sellainen juomapullo ja pulloteline, joita olisi kätevä käyttää kisatilanteissa. Tiimiajajat ja henkilöstö asettivat kaksi vaatimusta: aerodynaamisten pullotelineiden pitää olla yhteensopivia myös peruspullojen kanssa ja alaputken ja satulaputken pullojen pitää olla identtisiä eli vaihdettavissa keskenään.  

Nämä vaatimukset estivät käyttämästä supervirtaviivaista pulloa, kuten alaputkeen asennettava Speed Concept Downtube Bottle. Tämän kompensoimiseksi suunnittelimme alaputken ja satulaputken pullojen poikkileikkaukset siten, että ne toimivat yhdessä rungon ja kiekkojen poikkileikkausten kanssa ja luovat virtuaalisen siipiprofiilin. Alla olevassa CFD-simulaation kuvassa hitaasti liikkuva ilma on esitetty harmaalla. Nopeasti liikkuva ilma näkee nämä hitaasti liikkuvat ilmavirtaukset samoin kuin kiinteät esineet ja virtaa sujuvasti niiden ympäri, mikä vähentää ilmanvastusta.  

Ajettaessa 35 km/h nopeudella RSL Aero -pullot säästävät 1,8 wattia verrattuna tavanomaisiin 621 ml:n pulloihin ja tekevät ajamisesta nopeampaa kuin ilman pulloja.

Vaikka pullot on optimoitu käytettäväksi Madone Gen 8:ssa, niitä testattiin CFD-mallinnuksessa myös lukuisissa muissa pyörämalleissa. Kaikissa tapauksissa pullojen todettiin vähentävän ilmanvastusta verrattuna peruspulloihin.  

Ajajan huomioiminen suunnittelussa 

Pyörät eivät aja itseään ja ajajalla on massiivinen vaikutus pyörän ympärillä olevaan virtausalaan. Tästä syystä testaamme koko ajajajärjestelmällä (pyörä, ajaja, osat, juomapullot / pullotelineet), ja sisällytämme ajajan aerodynaamiseen muotoiluumme heti ensimmäisistä tietokonesimulaatioista lähtien. Tuulitunnelitesteissä käytämme polkevaa mannekiinia, Mannya. Tämä keskittyminen ajajan aerodynamiikkaan auttoi meitä kehittämään muun muassa IsoFlow:n Madone Gen 7:ssä. IsoFlow on käytössä muutamilla pienillä optimoinneilla höystettynä myös Madone Gen 8:ssa, jossa se parantaa ajomukavuutta samalla kun se tarjoaa rakenteellisia ja aerodynaamisia etuja.  

Madone Gen 8:ssa ohjaustanko saattaa pistää silmään ja vaikuttaa vähemmän aerodynaamiselta kuin aiempien sukupolvien malleissa, sillä sitä se onkin! Ainakin yksinään tarkasteltuna.  

Madone Gen 8:n ohjaustangon yläosan poikkileikkaus on paksumpi ja pyöreämpi kuin Gen 7:ssä. Jos pelkkä pyörä laitetaan tuulitunneliin, ohjaustanko lisää ilmanvastusta. Kuitenkin, kun ohjaustangon takana on ihminen polkemassa, paksumman ohjaustangon luoma virtaus vähentää hieman polkevien jalkojen ilmanvastusta hidastamalla ilmaa niiden edessä. Vaikutus on pieni, mutta polkevat jalat ovat suurin kokonaisilmanvastukseen vaikuttava tekijä, joten pienet muutokset niiden ilmavirtaukseen voivat olla merkittäviä. Kuten Full System Foil -muodot, ohjaustangon poikkileikkaus optimoitiin käyttämällä samaa prosessia, mutta siihen sisällytettiin tangon takana olevien jalkojen vaikutus. 

Lopputulos

Kun kaikki tämä oli tehty, tuulitunnelin tulokset osoittavat, että Madone Gen 8 on aerodynaamisuudeltaan askeleen edellä Émondaa. Madone Gen 7:ään verrattuna Gen 8:n suurimmat aerodynaamiset parannukset ovat matalissa kohtauskulmissa, jotka ovat ajajiin useimmin kohdistuvia kohtauskulmia.

Testasimme pyöriä lukuisilla tuulitunnelinopeuksilla voidaksemme simuloida erilaisia kilpailutilanteita. Kuvaajassa näkyvät tuulitunnelitulokset 35 kilometrin tuntinopeudella, joka on matalampi nopeus ja tekee testaamisesta hieman hankalampaa, mutta joka on saavutettavampi kuin ammattilaiskilpailun kärkijoukon vauhti. Testasimme myös jopa 64 kilometrin tuntinopeudella, saadaksemme simulaatiotuloksia Lidl-Trek-ammattilaistiimimme tarpeisiin (lisätietoja siitä löydät alempaa).  

Simulaatiot osoittivat Lidl-Trek-ammattilaistiimille selkeästi, ettei heidän tarvitsisi tehdä kompromisseja missään ratkaisevassa tilanteessa valitessaan Madone Gen 8:n verrattuna Madone Gen 7:ään tai Émondaan. Irtiottojen kiinniotto jyrkissä 10 % nousuissa on perinteisesti yksi niistä tilanteista, joissa ajajat valitsevat Émondan saadakseen mahdollisimman kevyen pyörän, mutta Madone Gen 8 voittaa Émondan hienoisesti myös tässä tilanteessa. Molempien sukupolvien Madonet ovat omassa luokassaan kiritilanteissa, joissa aerodynamiikka on tärkeintä, mutta Gen 8 päihittää Gen 7:n molemmissa skenaarioissa – hieman selvemmin ylämäkikirissä.

Kiihdytyksen vaikutus on simuloitu kaikissa näissä skenaarioissa. Vaikka vaikutus on vähäinen, kevyempää Madone Gen 8:n runkoa on helpompi kiihdyttää haluttuun nopeuteen verrattuna esimerkiksi Madone Gen 7:ään. 

Loppujen lopuksi Émondan päivityksestä alkunsa saaneesta pyörästä syntyi äärimmäinen ylämäki- ja kiripyörä, joka on parhaimmillaan vaativissa Lidl-Trek-ammattilaistiimin käyttötilanteissa, mutta joka tarjoaa samalla kevyen ja suorituskykyisen kilpapyörän riemastuttavan ajokokemuksen niille, jotka voivat vain haaveilla kirimisestä 1500 watin teholla (kuten minä).