Właściwości aerodynamiczne Trek Madone Gen 8

Rok przed pokazaniem światu Madone Gen 7 i IsoFlow nasi inżynierowie rozpoczynali prace koncepcyjne nad następną generacją lekkiego Émonda. Wiedzieliśmy już, że Madone to nasz najbardziej aerodynamiczny rower wyścigowy i nie mogliśmy się doczekać wykorzystania naszych badań aerodynamicznych przy modelu Émonda.  

Niedługo po przygotowaniu pierwszych konceptów Émonda, nader nietypowych, zdaliśmy sobie sprawę, że różnicę w sprawności aerodynamicznej między Madone i Émonda można znacznie ograniczyć. Wtedy rozmowy na temat możliwości stworzenia jednego roweru wyścigowego rozpoczęły się na dobre. Najpierw musieliśmy jednak wykazać, że sportowcy i klienci nie byliby zmuszeni do kompromisów.  

Masa a właściwości aerodynamiczne

Pierwszymi rowerami koncepcyjnymi w projekcie opracowania nowej generacji modelu Émonda były „A1” i „A2”. Nasze próby w tunelu aerodynamicznym i przy wykorzystaniu obliczeniowej mechaniki płynów (CFD) zakończyły się pozytywnie. Udało się ograniczyć różnicę względem poprzedniej generacji Madone i Émonda. Jednak dalej prowadziłoby to do nieakceptowalnej straty aerodynamicznej, gdybyśmy chcieli produkować wyłącznie jeden wydajny szosowy rower wyścigowy.  

Kolejnym krokiem było zagłębienie się w projekt. Przygotowaliśmy więcej prototypów o stopniowo bardziej aerodynamicznej charakterystyce, począwszy od lekkiej serii A, a na przede wszystkim aerodynamicznej serii E skończywszy. Po setkach iteracji obliczeniowej mechaniki płynów i analizy konstrukcyjnej, wróciliśmy z rowerami serii A-, C- i E do tunelu aerodynamicznego.  

Dysponując wynikami z tunelu aerodynamicznego i szacunkami masy dla wszystkich trzech prototypów, mogliśmy wykonać wirtualne próby opcji w różnych warunkach wyścigów. Chcieliśmy uzyskać konstrukcję ramy, która po wyposażoniu w identyczne koła i opony pokonałaby Madone Gen 7 i Émonda na każdym nachyleniu.

Poniższy wykres ilustruje wyniki prototypów Madone Gen 7 i Gen 8 w porównaniu z Émonda na  różnych nawierzchniach, począwszy od płaskich (0% nachylenia) po raczej strome (12% nachylenia). Aerodynamiczny Madone Gen 7 (przerywana biała linia) jest szybszy niż lżejszy, ale mniej aerodynamiczny model Émonda w zakresie od 0% do nieznacznie ponad 3%, ponieważ różnica w masie ma niewielki wpływ na płaskim i na lekkich podjazdach, a rowerzysta porusza się szybciej, co zwiększa wagę właściwości aerodynamicznych.  

Kiedy spojrzymy na prototypy, wszystkie wykazują postęp względem Madone Gen 7 i Émonda przy niektórych kątach nachylenia, ale jedynie prototyp C3 jest szybszy niż oba te rowery niezależnie od warunków. Lekki A1 podjeżdża dobrze, ale nie sprawdziłby się podczas błyskawicznych sprintów na płaskim. Bardziej aerodynamiczny E2 osiąga najlepsze wyniki przy nachyleniu 0%, ale wymagałby od klientów zrezygnowania z osiągów modelu Émonda na podjazdach.  

Wyniki pokazały nam, że prototyp C3 miał szansę połączyć masę Émonda z aerodynamiką Madone i (po znacznej optymalizacji) stanowiłby podstawę dla opracowania jednego wysoce sprawnego roweru wyścigowego – Madone Gen 8. 

Nowe aerodynamiczne rury Full System Foil

Jak bez lat prób i błędów tworzycie modele koncepcyjne, takie jak od A1 do E2, obejmujące konstrukcje od superlekkich po wyjątkowo aerodynamiczne? Odpowiedzią jest nasz nowy system przekrojów rur – Full System Foil.  

Przed Full System Foil stosowaliśmy głównie kształty Kammtail Virtual Foil (KVF). W swoim czasie stanowiły one rewolucję i miały na celu uzyskanie maksymalnej sprawności aerodynamicznej przy przestrzeganiu wycofanej już zasady UCI dotyczącej stosunku 3:1 długości do szerokości rur. Kształty Kammtail są bardzo aerodynamiczne, ale ich wydajność spada im dalej odchodzi się od stosunku 3:1 bardziej tradycyjnych rowerów aerodynamicznych.

W celu usprawnienia kształtów KVF opracowaliśmy bardziej elastyczny generator przekrojów umożliwiający pozyskanie ogromnej różnorodności form poprzez „popychanie” i „pociągania” ścian przekroju. Następnie sprzęgliśmy kształt podstawowy z algorytmem optymalizacyjnym, który generował nowy kształt przez popychanie i pociąganie w celu opracowania nowego kształtu, a potem wykonywał wirtualne próby aerodynamiki oraz sprawności konstrukcji. System optymalizacji wyciąga wnioski z poprzednich iteracji projektu, a pozostawiony sam sobie przez dość czasu i sesji obliczeniowy dociera do zbioru Pareto, czyli zestawu przekrojów reprezentujących najlepsze możliwe kombinacje masy i aerodynamiki.   

Ta animacja pokazuje tylko mały zbiór kształtów wypróbowanych przez algorytm optymalizacyjny. Jak widać, elastyczna natura systemu modyfikacji kształtu przez pchanie/pociąganie wytworzyła wyjątkowo nietypowe kształty, które nie byłyby w żadnym przypadku praktyczne, ale w ten sposób poszerzamy horyzonty projektowania kształtów, nawet jeśli nie wszystkie są udane. Zarzucenie tak szerokich sieci jest ważne, bo algorytm potrafi stworzyć kształty, o których człowiek nawet by nie pomyślał. 

Podczas prac nad optymalizacją zauważyliśmy, że powstające przekroje były zasadniczo bardziej zaokrąglone z tyłu niż kształty KVF i wykazywały się lepszymi właściwościami aerodynamicznymi w niestabilnym otoczeniu z gwałtownymi zmianami kierunku wiatru, czyli w rzeczywistym świecie. Powierzchnie czołowe wielu strukturalnie wydajnych elementów były względnie prostokątne, co wydaje się jak najbardziej logiczne.  

Aero to nie wszystko 

Mieliśmy już zbiór kształtów – od wydajnych konstrukcyjnie (lekkich) po maksymalnie aerodynamiczne – i kolejnym krokiem było określenie, w których punktach ramy je wykorzystać. To standardowy etap konstrukcji naszych rowerów, ale w Madone Gen 8 poszliśmy o krok dalej. W celu znalezienia optymalnych punktów ramy dla każdego z przekrojów wykonaliśmy tysiące symulacji opartych na obliczeniowej mechanice płynów (CFD) i analizie metodą elementów skończonych (FEA).  

Na przykład, w kształcie rury dolnej wydajność strukturalna bierze górę nad aerodynamiką, ponieważ poduszka wolnego powietrza za kołem przednim ogranicza skuteczność opływowych kształtów w tym obszarze. Z kolei górna część rury podsiodłowej, IsoFlow i sztyca podsiodłowa projektowane są przy użyciu maksymalnie aerodynamicznych kształtów, ponieważ powietrze przyspiesza między nogami rowerzysty i zwiększa opory w tym obszarze. Zasadniczo, każdy kształt projektowany jest z myślą o przepływie powietrza wokół elementów znajdujących się przed i za nim.   

Walec jest wolny

Od dawna wiadomo, że walcom daleko do czołówki kształtów z punktu widzenia aerodynamiki. Już w 1953 roku NACA, czyli Komitet Doradczy do Spraw Aeronautyki, poprzednik NASA, pokazał, że zastąpienie walca elipsą o stosunku boków 2:1 ogranicza opór o 40%.

Wiele lat temu, w 1912 roku, Gustave Eiffel (tak, ten Eiffel) badał wpływ różnych kształtów, takich jak walec, na opory podczas prób wykonywanych poprzez ich zrzucanie ze szczytu Wieży Eiffla.

Dlaczego więc zakładamy bidony o walcowatym kształcie na wysoce zoptymalizowane pod każdym innym względem aerodynamiczne rowery wyścigowe? Bidony aerodynamiczne nie są nowym pomysłem, ale ze względów praktycznych spotyka się je rzadko podczas wyścigów. Postanowiliśmy stworzyć bidon i koszyk bidonu, które grupa Lidl-Trek uznałaby za praktyczne podczas wyścigów. Kolarze i ekipa określili dwa wymagania. Po pierwsze, koszyki aerodynamiczne muszą być zgodne ze standardowymi bidonami, a po drugie bidony na rurę dolną oraz podsiodłową nie mogą się od siebie różnić, by było możliwe zamienianie ich miejscami.  

To wykluczyło możliwość użycia ekstremalnie opływowego bidonu, jak ten na rurę dolną Speed Concept. Aby obejść to ograniczenie, zaprojektowaliśmy przekroje bidonów na rurę dolną i podsiodłową, aby współpracowały z ramą i kołami, tworząc wirtualny płat. W przedstawionych poniżej obrazach z naszych symulacji mechaniki płynów, wolno poruszające się powietrze wskazane jest na szaro. Dla szybko poruszającego się powietrza takie wolne poduszki są podobne do obiektów stałych i omija je ono płynnie, co ogranicza opory.  

W porównaniu ze standardowymi bidonami 621 ml nasze aerodynamiczne bidony RSL oszczędzają 1,8 W mocy przy 35 km/h. Ponadto rower jest szybszy z nimi niż bez.

Chociaż zostały zoptymalizowane pod kątem Madone Gen 8, przeszły również próby metodą obliczeniowej mechaniki płynów i na szerokiej gamie ram rowerowych ograniczały opory w porównaniu ze zwykłymi bidonami.  

Projektowanie kompletnego układu 

Rowery nie jeżdżą same, a rowerzysta ma ogromny udział w przepływie powietrza wokół roweru. Dlatego wykonujemy testy kompletnego zespołu rowerzysty i roweru (rower, rowerzysta, części, bidony/koszyki), i uwzględniamy rowerzystę w projekcie aerodynamicznym od pierwszych symulacji komputerowych po próby w tunelu aerodynamicznym, w których pomaga nam Manny, nasz pedałujący manekin. To nacisk na aerodynamikę rowerzysty doprowadził do opracowania rozwiązań takich jak IsoFlow w Madone Gen 7. IsoFlow, z pewnymi subtelnymi optymalizacjami, powraca w Madone Gen 8, poprawiając komfort rowerzysty, a jednocześnie gwarantując korzyści strukturalne i aerodynamiczne.  

Kierownica w Madone Gen 8 może się wydawać mniej aerodynamiczna niż w poprzedniej generacji i taka właśnie jest! Przynajmniej sama w sobie.  

Przekrój górnej części kierownicy Gen 8 jest grubszy i bardziej okrągły w porównaniu z Madone Gen 7. Gdyby włożyć sam rower do tunelu aerodynamicznego, rozwiązanie to zwiększyłoby opór. Jednak z rowerzystą pedałującym za kierownicą, obszar wolniejszego powietrza za nią nieznacznie ogranicza opory działające na nogi podczas pedałowania poprzez spowolnienie powietrza przed nimi. Efekt jest nieznaczny, ale to właśnie nogi w największym stopniu wpływają na całkowity opór układu rowerzysta-rower podczas pedałowania, więc nawet małe zmiany w przepływie powietrza wiele znaczą. Przekrój kierownicy został zoptymalizowany podobnie jak w przypadku kształtów Full System Foil, ale z uwzględnieniem wpływu nóg znajdujących się za kierownicą. 

Wyniki

Na koniec wyniki z tunelu aerodynamicznego wykazały, że Madone Gen 8 jest o poprzeczkę aerodynamiczną wyżej niż model Émonda. W porównaniu z Madone Gen 7, Gen 8 oferuje większość korzyści aerodynamicznych przy niskich kątach odchyłu, które najczęściej napotykają rowerzyści.

Wypróbowaliśmy rowery w tunelu aerodynamicznym, w szerokim zakresie prędkości, w celu wykonania symulacji różnych sytuacji występujących podczas wyścigów. Pokazujemy tutaj wyniki z tunelu aerodynamicznego uzyskane przy prędkości 36 km/h, czyli nieprzesadnie wysokiej i wiążącej się z pewnymi wyzwaniami podczas pomiarów, ale jednocześnie łatwiejszej do osiągnięcia niż prędkość zawodowego peletonu. Wykonaliśmy również testy przy prędkościach do 64 km/h do celów symulacji dla naszych zawodowców Lidl-Trek (więcej informacji o tym poniżej).  

Symulacje pokazały wyraźnie Lidl-Trek, że Madone Gen 8 nie wiązałby się z żadnymi poświęceniami w kluczowych scenariuszach w porównaniu z Madone Gen 7 lub Émonda. Dogonienie ucieczki na stromym 10% nachyleniu to tradycyjnie sytuacja, w której rowerzyści chcieliby siedzieć na modelu Émonda, by skorzystać z minimalnej masy, ale i tutaj Madone Gen 8 nieznacznie wygrywa z Émonda. Obie generacje Madone to klasa sama w sobie podczas sprintów, gdy aerodynamika ma kluczowe znaczenie. Jednak Gen 8 wygrywa o włos z Gen 7 w obu przypadkach, nieznacznie pewniej na podjeździe.

We wszystkich scenariuszach efekty przyspieszenia są symulowane. Chociaż różnica jest nieznaczna, łatwiej jest przyspieszyć na lżejszej ramie Madone Gen 8 w porównaniu z Madone Gen 7, na przykład. 

W efekcie rower, który zaczął życie jako usprawnienie modelu Émonda stał się najlepszym rowerem na podjazdy i sprinty sprawdzającym się wzorowo w przypadku wymagających kolarzy Lidl-Trek, a jednocześnie pozwalającym wsiąść na lekki rower wyścigowy wszystkim, dla których sprint z wydatkiem mocy 1500 W to wyłącznie marzenie (chociażby dla mnie).