Trek Madone Gen 8 aerodynamikk

Et helt år før Madone Gen 7 og IsoFlow ble lansert, begynte ingeniørene våre et konseptuelt designarbeid på neste generasjons lettvekts Émonda. Vi visste at Madone var vår mest aerodynamiske racersykkel til da, og vi var spente på å se hvordan vi kunne legge til noe av vår forskning innen aerodynamikk til Émonda.  

Ganske raskt etter å ha laget våre første Émonda-konsepter, som var ganske radikale, innså vi at det aerodynamiske gapet i ytelse mellom Madone og Émonda kunne reduseres betydelig. Det var da muligheten for én enkelt konkurransesykkel ble diskutert for alvor. Men først måtte vi bevise for oss selv at våre proffsyklister og kunder ikke ville inngå kompromisser med denne endringen.  

Vekt kontra aerodynamikk

Våre første konseptsykler i neste generasjons Émonda-prosjekt var "A1" og "A2." Vår testing i vindtunnel og Computational Fluid Dynamics (CFD) viste noen lovende resultater som reduserte gapet mellom forrige generasjon Madone og Émonda. Imidlertid ville det fortsatt føre til en uakseptabel aerodynamisk straff hvis vi bare ønsket å produsere én ytelsesrettet landeveissykkel.  

Vårt neste skritt var å utforske designrommet fullt ut. Vi laget flere prototyper for å øke den aerodynamiske ytelsen for å legge til den lette A-serien, helt opp til den mest aerodynamiske E-serien. Etter hundrevis av gjentakelser av CFD og strukturelle analyser, tok vi A-, C- og E-serien tilbake til vindtunnelen.  

Med vindtunnelresultater og vektforutsigelser for alle tre prototypene, kunne vi praktisk talt teste hvordan de forskjellige alternativene ville prestere i en rekke rittforhold. Med de samme hjulene og dekkene ønsket vi en rammedesign som ville overgå både Madone Gen 7 og Émonda i alle bakker.

Plottet under viser ytelsen til Madone Gen 7 og Gen 8 prototyper sammenlignet med Émonda i bakker fra flate (0 % stigning) til ganske bratte (12 % stigning). Den aerodynamiske Madone Gen 7 (den stiplede hvite linjen) er raskere enn den lettere, men mindre aerodynamiske Émonda fra 0 % til litt over 3 % grader, da vektforskjellen har liten effekt på flate og slake stigninger der rytteren beveger seg med høyere hastighet, noe som øker effekten av aerodynamikk.  

Når vi ser på prototypene, er alle bedre i forhold til Madone Gen 7 og Émonda i visse bakker, men bare prototypen C3 er raskere enn begge syklene under alle forhold. Det lette A1-alternativet klatrer bra, men er ikke et godt alternativ for raske spurter på jevnt underlag. Den mer aerodynamiske E2 er best ved 0 % grader, men vil kreve at syklistene ofrer klatreytelsen til Émonda.  

Med disse resultatene så vi at prototype C3 hadde potensialet til å kombinere vekten til en Émonda med aerodynamikken til en Madone, som (etter mye mer optimalisering) banet vei for en enkelt prestasjonsrettet landeveissykkel – Madone Gen 8. 

Nye Full System Foil aero-rørfasonger

Hvordan lager man konsepter som A1 til E2, som spenner fra superlett til super-aero, uten år med prøving og feiling? Svaret ligger i vårt nye system med rørtverrsnitt – Full System Foil.  

Før vi tok i bruk Full System Foil aerorør, brukte vi primært Kammtail Virtual Foil (KVF) rørfasonger. Disse formene var revolusjonerende på den tiden, og ment å maksimere aero-ytelsen med den nå nedlagte UCI 3:1-regelen for lengde-til-bredde på rør. Kammtail-formene er veldig aerodynamiske, men ytelsen forringes når du avviker fra sideforholdet 3:1 til mer tradisjonelle aerosykler.

For å forbedre KVF-fasonger, utviklet vi en mer fleksibel tverrsnittsgenerator som kunne tillate et stort utvalg av fasonger ved å tillate programvare å "skyve" og "dra" på tverrsnittsveggene. Deretter koblet vi denne basisformen med en optimaliseringsalgoritme som ville skyve/dra for å kunne generere en ny form og praktisk talt teste formens aerodynamikk og strukturelle effektivitet. Optimaliseringen lærer oss at av tidligere designgjentakelser, kommer man, med nok tid og beregninger, til en Pareto-front som er settet av tverrsnittene fra de beste kombinasjonene av vekt og aerodynamikk.   

Denne animasjonen viser en liten mengde av noen av formene optimaliseringsalgoritmen prøvde ut. Som dere kan se, skaper den fleksible naturen til push/pull-formmodifikasjonen noen sprø fasonger som aldri ville vært praktiske, men dette gjør at hele designrommet kan utforskes – selv de dårlige delene. Denne brede forskningen er viktig, siden den kan generere former som kanskje ikke er tydelige for en menneskelig designer. 

Mens vi overvåket fremdriften i optimaliseringen vår, la vi merke til at formene som ble generert generelt hadde rundere bakender enn KVF-former og viste bedre aerodynamikk i ustabile aerodynamiske situasjoner der vindretningen endrer seg raskt. Frontendene til mange strukturelt effektive former var relativt rektangulære, noe som rent intuitivt var fornuftig.  

Der aero ikke betyr alt 

Utstyrt med en samling former som går fra strukturelt effektive (lette) til super-aerodynamiske, var neste trinn å identifisere hvor på rammen de forskjellige alternativene skulle brukes. Dette er alltid et element i sykkelrammedesignet vårt, men vi tok det til neste nivå for Madone Gen 8 ved å bruke tusenvis av CFD og Finite Element Analysis (FEA) simuleringer for å identifisere de beste stedene på rammen for hvert tverrsnittsalternativ.  

For eksempel, så favoriserer fasongen på underrøret strukturell effektivitet fremfor aerodynamikk, fordi den saktegående luftstrømmen bak forhjulet reduserer betydningen av rør med lav luftmotstand i det området. I motsatt retning er både det øvre seterøret, IsoFlow og setepinnen designet for å ha svært aerodynamiske former, fordi luftstrømmen akselereres mellom bena på syklisten og forstørrer luftmotstanden i det området. I hovedsak er hver fasong designet i forhold til hvordan luften beveger seg over formene foran og bak den.   

Sylindre er langsomme

Vi har lenge visst at sylindere ikke er veldig aerodynamiske. Helt tilbake i 1953 viste NASAs forgjenger, National Advisory Committee for Aeronautics (NACA), at bare det å endre en sylinder til en 2:1 ellipse reduserer luftmotstanden med 40 %.

Lenge før, allerede i 1912, oppdaget Gustave Eiffel (ja, den Eiffel) hvor mye motstand sylinderformer genererte i hans falltester fra Eiffeltårnet.

Så hvorfor setter vi sylindriske vannflasker på ellers svært optimaliserte aerodynamiske sykler? Aeroflasker er ikke et nytt konsept, men blir ofte ikke brukt på grunn av brukervennlighet og praktiske egenskaper. Vi bestemte oss for å designe en flaske og en flaskeholder som ville være praktisk for Lidl-Trek-teamet i ritt. Teamsyklistene og hjelperne satte to krav: aeroflaskeholderne måtte også være kompatible med standardflasker, og flaskene for underrør og seterør måtte kunne brukes om hverandre.  

Disse kravene hindret bruk av en super-strømlinjeformet flaske som Speed Concept-flasken for underrør. For å kompensere for dette har vi designet tverrsnittene for flaskene til underrøret og seterøret slik at de fungerer sammen med tverrsnittene for ramme og hjul, og skaper en virtuell luftfoil. På bildet nedenfor fra våre CFD-simuleringer, vises saktegående luft i grått. Luft som beveger seg raskt ser disse saktegående luftstrømmene omtrent som faste gjenstander og flyter jevnt rundt dem, noe som reduserer luftmotstanden.  

Våre RSL Aero Bottles sparer 4,7 watt i 35 km/t sammenliknet med standard 0,6 liters flasker og er raskere enn å sykle uten flaske.

Selv om disse flaskene er optimalisert i forbindelse med Madone Gen 8, ble de også testet i CFD på en rekke sykkelrammer, og de reduserte luftmotstanden i forhold til standardflasker alle gangene.  

Design rundt syklistsystemet 

Sykler kjører ikke av seg selv, og en syklist skaper en massiv innvirkning på flyten rundt sykkelen. Det er derfor vi tester rundt hele syklistsystemet (sykkel, syklist, komponenter, flasker/flaskeholdere) og inkluderer en syklist i vårt aerodynamiske design fra de første datasimuleringene til vindtunneltester med Manny, den syklende dukken. Denne vektleggingen av syklist-aerodynamikk er det som førte til utviklinger som IsoFlow på Madone Gen 7. IsoFlow kommer tilbake med litt subtil optimalisering på Madone Gen 8, noe som øker syklistkomforten samtidig som det gir strukturelle og aerodynamiske fordeler.  

Styret på Madone Gen 8 kan se ut som at det er mindre aerodynamisk enn forrige generasjon, og det er fordi det er det! I hvert fall isolert sett.  

Tverrsnittet til oversiden av styret på Gen 8 ble tykkere og rundere enn Madone Gen 7. Setter du sykkelen alene i vindtunnelen, vil det styret øke luftmotstanden. Men når en syklist tråkker bak styret, reduserer kjølvannet av det tykkere styret litt av luftmotstanden på bena som tråkker, ved å bremse luften foran dem. Effekten er liten, men bena som tråkker på pedalene er den største bidragsyteren til totalt systemmotstand, så små endringer i luftstrømmen kan ha betydning. Akkurat som våre Full System Foil-fasonger, ble styrets tverrsnitt optimalisert ved å bruke samme prosess, men inkludert effekten av bena bak styret. 

Resultatene

Når alt var sagt og gjort, viser resultatene fra vindtunnelen at Madone Gen 8 er et nivå over Émonda innen aerodynamikk. Sammenlignet med Madone Gen 7, ser Gen 8 flertallet av aerodynamiske forbedringer ved de lave girvinklene, som er de samme som oftest møter syklister.

Vi testet syklene i en rekke hastigheter i vindtunnel for å støtte simuleringer av et bredt spekter av rittscenarier. Vist her er resultatene ved 35 km/t i tunnelen, som er en lavere hastighet som gjør testingen litt mer utfordrende, men som er mer oppnåelig enn hastigheten proffene holder i feltet. Vi testet også ved hastigheter opp til 65 km/t for å lage simuleringer for våre Lidl-Trek proffsyklister (mer om det under).  

Simuleringene gjorde det klart for Lidl-Trek at Madone Gen 8 ikke ville kreve noen ofre i avgjørende scenarier sammenlignet med Madone Gen 7 eller Émonda. Å kjøre inn angrepet på den 10 % bratte stigningen er tradisjonelt hvor syklistene ønsker å ha en Émonda for så lav vekt som mulig, men Gen 8 Madone slår Émonda litt ut i det scenariet. Begge generasjonene av Madone er i en klasse for seg i spurtene, som legger stor vekt på aerodynamikk, men Gen 8 slår ut Gen 7 i begge tilfeller - litt mer komfortabelt ved målgang i motbakke.

I alle disse scenarioene er effekten av akselerasjonen simulert. Selv om effekten ikke er stor, er det lettere å akselerere den lettere rammen til Madone Gen 8 opp i hastighet sammenlignet med Madone Gen 7, for eksempel. 

Til slutt ble det som startet som en oppdatering av Émonda til den ultimate klatre- og spurtsykkelen som utmerker seg i den krevende bruken til våre Lidl-Trek-syklister, samtidig som den gir den heftige opplevelsen av en lett racersykkel til de som bare kan drømme om spurter med 1500 watt (som meg).