Aerodynamik för Trek Madone Gen 8

Ett helt år efter att Madone Gen 7 och IsoFlow presenterades inledde våra ingenjörer sitt konceptuella designarbete med nästa generations lätta Émonda. Vi visste att Madone var vår mest aerodynamiska racercykel hittills, och vi såg verkligen fram emot hur vi kunde låta vår forskning kring aerodynamik bidra till Émonda.  

Ganska snabbt efter att vi skapat våra första Émonda-koncept, som var relativt radikala, insåg vi att det aerodynamiska prestandaglappet mellan Madone och Émonda kunde minskas markant. Det var då vi på allvar började diskutera möjligheten att ta fram en enda högpresterande racercykel. Men först behövde vi bevisa för oss själva att våra atleter och kunder inte skulle behöva kompromissa till följd av förändringen.  

Vikt vs aerodynamik

Våra första konceptcyklar i projektet med nästa generations Émonda var A1 och A2. Vår vindtunnel och våra datorsimulerade flödesdynamik (CFD) visade på lovande resultat som minskade glappet mellan förra generationens Madone och Émonda. Det skulle ändå leda till oacceptabelt försämrad aerodynamik om vi bara ville producera en högpresterande racercykel.  

Vårt nästa steg var att grundligt utforska designutrymmet. Vi skapade fler prototyper för att öka den aerodynamiska prestandan som lades till för den lätta A-serien, hela vägen upp till den mestadels aerodynamiska E-serien. Efter hundratals CFD-simuleringar och iterationer av strukturell analys tog vi med oss cyklarna från A-, C- och E-serien tillbaka till vindtunneln.  

Med resultaten från vindtunneln och viktförutsägelser för alla tre prototyper kunde vi testa virtuellt hur de olika alternativen skulle prestera i en mängd olika tävlingsförhållanden. Med samma hjul och däck ville vi ha en ramdesign som skulle prestera bättre än både Madone Gen 7 och Émonda i alla typer av lutning.

Nedan illustreras prestandan för prototyperna för Madone Gen 7 och Gen 8 i jämförelse med Émonda med lutning från plant (0 %) till relativt brant (12 %). Den aerodynamiska Madone Gen 7 (den prickade vita linjen) är snabbare än den lättare versionen men mindre aerodynamiska Émonda mellan 0 % och lite drygt 3 % lutning, eftersom viktskillnaden har liten inverkan på plant underlag och i flacka uppförsbackar när cyklisten färdas snabbare vilket ger aerodynamiken större betydelse.  

Samtliga prototyper erbjuder förbättringar jämfört med Madone Gen 7 och Émonda i vissa delar, men endast prototypen C3 är snabbare än båda cyklarna i samtliga förhållanden. Det lättaste alternativet A1 klättrar bra, men vore inte ett bra alternativ för snabba spurter på plant underlag. Den mer aerodynamiska E2 är bäst vid 0 % lutning, men skulle innebära att cyklister tvingas offra Émondas prestanda vid klättring.  

De här resultaten visade att prototypen C3 hade potential att kombinera vikten i en Émonda med aerodynamiken i en Madone, vilket (efter mycket mer optimering) banade väg för en enda högpresterande racercykel – Madone Gen 8. 

Nya aerodynamiska Full System Foil-former

Hur skapar man koncept som A1 och E2, med cyklar som är allt från superlätta till super-aerodynamiska, utan flera års produktutveckling och tester? Svaret finns i vårt nya system med uppdelade segment i rören – Full System Foil.  

Innan Full System Foil-formerna för aerodynamik använde vi framför allt rörformer av typen Kammtail Virtual Foil (KVF). De här formerna var revolutionerande på sin tid och avsedda att maximera aerodynamisk prestanda utifrån UCI-regeln för ett 3:1-förhållande mellan längd och bredd, en regel som tagits bort. Kammtail-former är väldigt aerodynamiska, men prestandan försämras när 3:1-förhållandet mellan längd och bredd för mer traditionella cyklar frångås.

För att förbättra KVF-formerna tog vi fram en mer flexibel generator för enskilda sektioner som tillåter ett enormt antal former genom att låta mjukvara ”trycka på” och ”dra i” sektionernas utsida. Vi kombinerade sedan denna grundläggande form med en algoritm för optimering som kunde trycka på och dra i den och generera en ny form för att testa aerodynamiken och den strukturella effektiviteten virtuellt. Optimeringen drar lärdom av tidigare designversioner och med tillräckligt många uträkningar når den fram till en så kallad Pareto-front som inkluderar de sektioner som representerar de bästa kombinationerna av vikt och aerodynamik.   

Den här animeringen visar ett litet urval av några av formerna som optimeringsalgoritmen testade. Modifiering av former genom att trycka på och dra i former skapar former som inte vore praktiska i verkligheten, men det gör att hela designutrymmet kan utforskas – även de dåliga delarna. Att utforska alla möjliga former är viktigt eftersom det kan leda till upptäckt av former som en mänsklig designer inte skulle komma att tänka på. 

Medan vi studerade framstegen för vår optimering lade vi märke till att de former som genererades i allmänhet var rundare baktill än KVF-former med bättre aerodynamik i ostadiga aerodynamiska situationer vid verklig cykling där vindriktningen ändras snabbt. Den främre delen av många strukturellt effektiva former var relativt rektangulär, vilket var logiskt på ett intuitivt plan.  

Där aerodynamik inte är allt 

Med ett urval av former som är allt från strukturellt effektiva (lätta) till extremt aerodynamiska till vårt förfogande blev nästa steg att identifiera var på ramen de olika alternativen skulle placeras. Det här är alltid ett steg som ingår i processen för vår design av cykelramar, men vi tog det till en ny nivå för Madone Gen 8 och använde tusentals simuleringar för flödesdynamik (CFD) och ändlig elementanalys (Finite Element Analysis – FEA) för att hitta rätt alternativ för varje del av cykeln.  

Diagonalrörets form prioriterar exempelvis strukturell effektivitet framför aerodynamik, eftersom utrymmet med luft rör sig långsamt bakom framhjulet minskar behovet av former med lågt luftmotstånd i det området. När det gäller det övre sadelröret, IsoFlow och sadelstolpen är formerna väldigt aerodynamiskt designade eftersom luftflödet accelereras mellan cyklistens ben och ökar luftmotståndet i den här delen av cykeln. I grund och botten är varje del designad med hänsyn till hur löften rör sig över formerna framför och bakom den.   

Cylindrar är långsamma

Vi har länge vetat om att cylindrar inte är optimala former vad aerodynamik beträffar. 1953 kunde föregångaren till NASA, National Advisory Committee for Aeronautics (NACA), påvisa att ett ellipsformat föremål med proportionerna 2:1 minskade luftmotståndet med 40 % jämfört med ett cylinderformat föremål.

Redan 1912 upptäckte Gustave Eiffel (ja, just den Eiffel) hur mycket luftmotstånd former som cylindrar genererar i sina experiment med att släppa föremål från Eiffeltornet.

Så varför placerar vi cylinderformade vattenflaskor på racercyklar som i övrigt är fullständigt optimerade för aerodynamik? Aerodynamiska flaskor är inte ett nytt koncept men används sällan under tävling på grund av att de inte varit lika praktiska och användarvänliga som traditionella flaskor. Vi gick in för att designa en flaska och ett ställ som är praktiskt i tävlingssammanhang för Lidl-Trek-teamet. Cyklisterna och personalen hade två krav: de aerodynamiska flaskställen behövde också vara kompatibla med standardflaskor och flaskor för diagonalrör och sadelrör behövde vara identiska/utbytbara.  

De här kraven förhindrade användning av extremt strömlinjeformade flaskor som flaskan Speed Concept för diagonalrör. För att kompensera för det designade vi segmenten i flaskorna för diagonalrör och sadelrör för att samverka med segmenten i ram och hjul och bidra till att skapa en virtuell vingform. På bilden från våra CFD-simuleringar nedan visas luft som rör sig långsamt i grått. När de möts av luft som rör sig snabbt fungerar dessa ytor på samma sätt som solida föremål och luften flödar förbi dem, vilket minskar luftmotståndet.  

Våra RSL Aero-flaskor sparar in 1,8 watt vid 35 km/h i jämförelse med standardflaskor på 44 cl och gör cykeln snabbare än att inte ha några flaskor alls.

De här flaskorna är optimerade för Madone Gen 8 men har också testats med datorsimulerad flödesdynamik (CFD) på en mängd olika cykelramar och de reducerade luftmotståndet jämfört med standardflaskor i samtliga fall.  

Design med cyklisten som utgångspunkt 

Cyklar är beroende av cyklister och föraren har enorm inverkan på luftflödet runt en cykel. Därför har vi testat hela förarsystemet (cykel, cyklist, komponenter, flaskor/flaskställ) och vi inkluderar en cyklist i vår aerodynamiska design från de första simuleringarna med dator till våra test i vindtunnel där dockan Manny sitter på cykeln och trampar. Detta fokus på aerodynamik för cyklisten är vad som lagt grunden för saker som IsoFlow på Madone Gen 7. IsoFlow är tillbaka med subtil optimering för Madone Gen 8, ökar komforten och bidrar med strukturella och aerodynamiska fördelar.  

På Madone Gen 8 kan styret verka mindre aerodynamiskt för utomstående jämfört med förra generationen, och det beror på att det faktiskt är det! Åtminstone på egen hand.  

Ovandelen av styret på Gen 8 har gjorts tjockare och rundare än på Madone Gen 7. Om enbart cykeln placeras i vindtunneln kommer styret att öka luftmotståndet. Men när en cyklist sitter på cykeln och trampar kommer det tjockare styret att minska luftmotståndet något över benen som trampar genom att sakta ner luften framför dem. Effekten är liten, men benen som trampar är den enskilt största bidragande faktorn till luftmotstånd för systemet som helhet, så små förändringar av luftflödet här kan göra skillnad. Precis som våra Full System Foil-former har styrets form optimerats med samma process, men hänsyn har också tagits till effekten för benen bakom styret. 

Resultatet

I slutändan visade resultaten i vindtunnel att Madone Gen 8 ligger på en högre aerodynamisk nivå än Émonda. Jämfört med Madone Gen 7 har merparten av förbättringarna för Gen 8 gjorts vid sidovind med låg vinkel, vilket är de vanligast förekommande vinklarna för sidovind.

Vi testade cykeln i en mängd olika hastigheter i vindtunnel för att simulera en mängd olika tävlingssituationer. Här visas resultaten i vindtunnel med en hastighet på 35 km/h, vilket är en lägre hastighet som innebär större utmaningar, men den är lättare att uppnå än tempot för en klunga på proffsnivå. Vi genomförde också test i hastigheter upp till 64 km/h för att kunna erbjuda simuleringar för våra Lidl-Trek-proffs (mer om det nedan).  

Simuleringarna gjorde det tydligt för Lidl-Trek att Madone Gen 8 inte skulle kräva några uppoffringar i avgörande situationer i jämförelse med Madone Gen 7 eller Émonda. När det gäller attacker vid lutning på 10 % vill cyklister gärna ha en Émonda för så låg vikt som möjligt, men Madone Gen 8 vinner knappt mot Émonda i ett sådant scenario. Båda generationerna av Madone är i en klass för sig när det gäller spurter, där aerodynamik är av yttersta vikt, men Gen 8 vinner knappt över Gen 7 i båda fallen – med ett något större försprång när det gäller upploppsspurter i uppförsbacke.

Effekten för acceleration är simulerad i samtliga scenarion. Effekten är knapp, men det är enklare att accelerera med den lättare ramen på Madone Gen 8 i jämförelse med exempelvis Madone Gen 7. 

Det som började som en uppdatering för Émonda blev i slutändan den ultimata cykeln för klättring och spurter som fungerar som imponerar genom att leva upp till de höga kraven från våra Lidl-Trek-cyklister och leverera samma hisnande upplevelse som en lätt högpresterande racercykel för de som bara kan drömma om att spurta med en effekt på 1 500 watt (exempelvis jag själv).