A full year before the Madone Gen 7 and IsoFlow were unveiled, our engineers were beginning conceptual design work on the next-generation lightweight Émonda. We knew that the Madone was our most aerodynamic road race bike yet, and we were excited to see how we could add some of our aerodynamic research to the Émonda.
Trek Madone Gen 8 aerodynamics
Pretty quickly after creating our first Émonda concepts, which were fairly radical, we realised that the aerodynamic performance gap between Madone and Émonda could be significantly reduced. That’s when the possibility of a single performance race bike became seriously discussed. But first, we needed to prove to ourselves that our athletes and customers wouldn’t be making compromises with this change.
Weight vs aerodynamics
Our first concept bikes on the next-generation Émonda project were “A1” and “A2”. Our wind tunnel and computational fluid dynamics (CFD) testing showed some promising results that narrowed the gap between previous-generation Madone and Émonda. However, it would still lead to an unacceptable aerodynamic penalty if we only wanted to produce one performance road race bike.
Our next step was to fully explore the design space. We created more prototypes in order of increasing aerodynamic performance to add to the lightweight A-series, all the way up to the mostly aero E-series. After hundreds of CFD and structural analysis iterations, we brought the A-, C- and E-series bikes back to the wind tunnel.
All of our wind tunnel testing is done with our pedalling mannequin to account for the aerodynamics of a rider.
With wind tunnel results and weight predictions for all three prototypes, we could virtually test how the different options would perform over a variety of race conditions. With the same wheels and tyres, we wanted a frame design that would outperform both Madone Gen 7 and Émonda on any slope.
The plot below shows the performance of Madone Gen 7 and Gen 8 prototypes compared to Émonda on slopes ranging from flat (0% grade) to quite steep (12% grade). The aerodynamic Madone Gen 7 (in the dashed white line) is faster than the lighter-weight but less aerodynamic Émonda from 0% to just over 3% gradient, as the weight difference has a small effect on flats and mild climbs and the rider is moving at a faster speed, giving aerodynamics an increased impact.
Seconds saved per hour (positive = faster then Émonda) vs per cent gradient
Assumptions: Wheels and tyres normalised, no wind, 200 Watt power, 70 kg rider, equal rolling resistance for all bikes
The C3 (yellow) was the only prototype faster than the Madone and Émonda over all conditions.
When we look at the prototypes, they all make improvements over the Madone Gen 7 and Émonda at certain slopes, but only prototype C3 is faster than both bikes over all the conditions. The lightweight A1 option climbs well, but wouldn’t be a good option for fast sprints on level ground. The more aerodynamic E2 is best at 0% grade, but would require riders to sacrifice the climbing performance of Émonda.
With these results, we saw that prototype C3 had the potential to combine the weight of an Émonda with the aerodynamics of a Madone, which (after much more optimisation) paved the way for a single performance road race bike – the Madone Gen 8.
New Full System Foil aero shapes
How do you create concepts like A1 to E2, spanning from super-light to super-aero, without years of trial and error? The answer lies in our new system of tube cross-sections – Full System Foil.
Before Full System Foil aero shapes, we primarily used Kammtail Virtual Foil (KVF) tube shapes. These shapes were revolutionary at the time, meant to maximise aero performance with the now-defunct UCI 3:1 length-to-width tube aspect ratio rule. Kammtail shapes are very aerodynamic, but performance degrades as you depart from the 3:1 aspect ratio of more traditional aero bikes.
To improve on KVF shapes, we devised a more flexible cross-section generator that could permit a huge variety of shapes by allowing software to “push” and “pull” on the cross-section walls. Then, we coupled this base shape with an optimisation algorithm that would push/pull to generate a new shape and virtually test its aerodynamics and structural efficiency. The optimisation learns from previous design iterations, with enough time and computations, arrives at a Pareto front which is the set of cross-sections that represent the best combinations of weight and aerodynamics.
This animation shows a small subset of some of the shapes the optimisation algorithm tried out. As you can see, the flexible nature of the push/pull shape modification creates some crazy shapes that would never be practical, but this allows the whole design space to be explored – even the bad parts. This wide exploration is important, since it can generate shapes that might not occur to a human designer.
As we monitored the progress of our optimisation, we noticed that, in general, the shapes that were being generated had rounder back ends than KVF shapes and showed better aerodynamics in real-world unsteady aerodynamics situations where the wind direction is rapidly changing. The front ends of many structurally efficient shapes were relatively rectangular, which made sense intuitively.
Where aero isn’t everything
Armed with a collection of shapes ranging from structurally efficient (lightweight) to super aerodynamic, the next step was to identify where on the frame to slot in the different options. This is always an element of our bike frame design, but we took it to the next level for Madone Gen 8, using thousands of CFD and Finite Element Analysis (FEA) simulations to identify the best spots on the frame for each cross-section option.
For example, the downtube shape favours structural efficiency over aerodynamics, because the slow-moving wake behind the front wheel lessens the importance of low-drag shapes in that area. In the opposite direction, the upper seat tube, IsoFlow, and seat post are all designed to be very aerodynamic shapes, because the airflow is accelerated between the legs of the rider and magnifies the drag in that region. Essentially, each shape is designed with consideration as to how the air moves over the shapes in front and behind it.
Grey streamlines are slow-moving air moving down the downtube, which enable a blunter, more structurally efficient and lightweight cross-section with minimal drag gain.
Zylinder sind langsam
Es ist kein Geheimnis, dass Zylinder aus aerodynamischer Sicht nicht wirklich ideal sind. Bereits 1953 fand der NASA-Vorgänger NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) heraus, dass die Änderung eines Zylinders in eine Ellipse im Verhältnis 2:1 den Luftwiderstand um 40 % reduzierte.
Und schon eine Weile davor, nämlich 1912, entdeckte Gustave Eiffel (ja genau, der Eiffel) bei seinen Fallversuchen vom Eiffelturm, wie viel Luftwiderstand verschiedene Formen, darunter auch Zylinder, erzeugen.
Einige Luftwiderstandsergebnisse von Eiffels Falltests – unter anderem mit einem Zylinder.
Warum also bestücken wir hochoptimierte aerodynamische Racebikes mit zylindrischen Trinkflaschen? Auch wenn aerodynamische Trinkflaschen nichts Neues sind, kommen sie aus praktischen Gründen im Renneinsatz weniger zum Einsatz. Unser Ziel war es, eine Trinkflasche samt Flaschenhalter zu entwickeln, die sich im Renneinsatz für Team Lidl-Trek als praktische Lösung erwies. Fahrer und Betreuer stellten dabei zwei Bedingungen: Einerseits sollten die aerodynamischen Flaschenhalter auch mit Standardtrinkflaschen kompatibel sein, und andererseits mussten die Unterrohr- und Sitzrohrflaschen identisch und damit austauschbar sein.
Aufgrund dieser beiden Anforderungen war eine extrem stromlinienförmige Flasche wie die Speed Concept Unterrohrtrinkflasche keine Option. Stattdessen konstruierten wir den Querschnitt der Trinkflaschen für Unterrohr und Sitzrohr so, dass sie zusammen mit den Rahmen- und Laufradquerschnitten ein virtuelles Tragflächenprofil bildeten. In der unten stehenden Abbildung aus unserer CFD-Simulation ist langsam strömende Luft grau dargestellt. Für schnell strömende Luft verhalten sich diese langsamen Wirbel wie feste Objekte, sodass diese schnelle Luft diese sanft umströmt, was den Luftwiderstand verringert.
Bei 35 km/h sparen unsere RSL Aero Trinkflaschen im Vergleich zu herkömmlichen 620-ml-Trinkflaschen ganze 1,8 Watt Energie – und machen das Madone Gen 8 mit Trinkflaschen schneller als ohne!
Und obwohl diese Flaschen für die Verwendung mit dem Madone Gen 8 optimiert sind, testeten wir sie per CFD an verschiedenen Fahrradrahmen. Das Ergebnis: An jedem dieser Rahmen reduzierten die RSL Aero Trinkflaschen den Luftwiderstand im Vergleich zu Standardflaschen.
Auf das Fahrersystem optimiertes Design
Fahrräder fahren nicht von selbst – und der Fahrer hat einen enormen Einfluss darauf, wie die Luft um und durch sein Fahrrad strömt. Aus diesem Grund testen wir stets das gesamte Fahrersystem (Fahrrad, Fahrer, Komponenten, Flaschen/Halterungen) und beziehen einen Fahrer – in Form von Manny, unserem pedalierenden Dummy – von den ersten Computersimulationen bis zu den Windkanaltests in unseren aerodynamischen Entwicklungsprozess ein. Dieser Fokus auf die Fahreraerodynamik führte zu innovativen Lösungen wie etwa die IsoFlow-Komforttechnologie am Madone Gen 7. Mit einigen subtilen Optimierungen erhöht IsoFlow auch am Madone Gen 8 den Fahrkomfort und bietet sowohl strukturelle als auch aerodynamische Vorteile.
Der Lenker des Madone Gen 8 könnte einigen aufmerksamen Beobachtern weniger aerodynamisch erscheinen als der an der vorherigen Generation. Der Grund dafür: Er ist es auch! Zumindest, wenn man ihn isoliert betrachtet.
Der Querschnitt der Lenkeroberseite des Madone Gen 8 ist dicker und runder als beim Madone Gen 7. Und stellt man das Madone Gen 8 allein in den Windkanal, erhöht dieser Lenker tatsächlich den Luftwiderstand. Setzt man aber einen pedalierenden Fahrer auf das Bike, verringert der Nachlauf des dickeren Lenkers den Luftwiderstand an den pedalierenden Beinen leicht, indem er die Luft vor den Beinen verlangsamt. Dieser Effekt ist zwar gering, da aber die pedalierenden Beine am meisten zum Gesamtwiderstand des Systems beitragen, können kleine Änderungen an deren Luftströmung signifikant sein. Genau wie unsere Full System Foil Profile wurde auch der Lenkerquerschnitt nach dem gleichen Verfahren optimiert, allerdings unter Berücksichtigung der Wirkung der Beine hinter dem Lenker.
Das Ergebnis ist ein Lenker, der sich am Oberlenker komfortabler umgreifen lässt, durch seine strukturell effizientere Form ein geringeres Gewicht aufweist und durch seine abschirmende Wirkung auf die pedalierenden Beine aerodynamischer ist.
Die Ergebnisse
Letztendlich zeigen die Ergebnisse des Windkanals, dass das Madone Gen 8 aerodynamisch eine Stufe über dem Émonda liegt. Im Vergleich zum Madone Gen 7 weist das Madone Gen 8 die meisten aerodynamischen Verbesserungen bei den niedrigen Gierwinkeln auf, die bei Fahrern am weitesten verbreitet sind.
Wir testeten die Bikes bei einer Reihe von Windkanalgeschwindigkeiten, um eine Vielzahl von Rennszenarien zu simulieren. Die hier gezeigten Ergebnisse wurden bei einer Windkanalgeschwindigkeit von 35 km/h gemessen. Dies ist eine relativ niedrige Geschwindigkeit, die den Testablauf zwar etwas schwieriger gestaltet, aber in der Praxis einfacher zu erreichen ist als das Tempo im Profi-Peloton. Im Rahmen von Simulationen für die Profis von Team Lidl-Trek führten wir außerdem Versuche mit Geschwindigkeiten von bis zu 64 km/h durch (mehr dazu weiter unten).
Strömungswiderstandskoeffizient (cW-Wert) vs. Gierwinkel (in Grad) bei 35 km/h Windkanalgeschwindigkeit
Getestete Fahrräder in SLR-Verkaufskonfiguration
Madone Gen 8 vs. Madone Gen 7 vs. Émonda im Windkanal
Da die Aerodynamik aber nicht der einzige Faktor an einem Bike ist (auch wenn Aerodynamiker es gerne so hätten), simulierten wir die Performance des Madone Gen 8 in realen Situationen, um es mit dem Madone Gen 7 und dem Émonda zu vergleichen. Radrennen sind dynamisch, mit vielen Beschleunigungen und entscheidenden Momenten, die sich innerhalb weniger Sekunden abspielen. Als wir den Fahrern von Team Lidl-Trek das Konzept des Madone Gen 8 vorstellten, wollten sie wissen, wie es sich im Vergleich zum Madone Gen 7 und Émonda in wichtigen Szenarien schlägt.
Eines dieser dynamischen Szenarien ist der Zielsprint. Dabei simulierten wir einen Zielsprint im Flachen und einen auf einer Steigung von 4 % – beide jeweils 12 Sekunden lang bei 1.500 Watt Leistung. Für diejenigen, die mit Powermeter fahren, mögen 1.500 Watt total verrückt klingen, aber sie liegt noch unter dem, was Jonathan Milan auf der 4. Etappe des Giro d’Italia 2024 über einen längeren Zeitraum ablieferte.
Ein weiteres von uns untersuchtes Szenario: Die Zeit, die ein Fahrer auf einer Steigung von 10 % benötigt, um zu beschleunigen und einen Ausreißer einzuholen, wobei er seine Leistung von 280 auf 450 Watt erhöhen muss. Hierbei ist es von entscheidender Bedeutung, die Zeit bis zum Einholen des Ausreißers zu minimieren, da der Fahrer erheblich mehr Leistung aufbringen muss, als er über einen längeren Zeitraum hinweg komfortabel aufrechterhalten kann. Braucht er zu lange, um sich an den Ausreißer heranzuarbeiten, kann es passieren, dass ihm die Puste (und Körner) ausgeht und er es nicht schafft. Je früher er es aber schafft, den Ausreißer einzuholen, desto eher kann er seine Leistung im Windschatten seines Vordermanns auf ein nachhaltigeres Niveau reduzieren.
Das Madone Gen 8 ist schneller auf Anstiegen und in Sprints
Die Simulationen verdeutlichten den Fahrern von Team Lidl-Trek, dass sie mit dem Madone Gen 8 im Vergleich zum Madone Gen 7 oder dem Émonda in entscheidenden Situationen keinerlei Kompromisse eingehen müssen. Die Abwehr einer Attacke auf einem steilen Anstieg mit 10 % Steigung ist eine dieser Szenarien, bei dem ein Fahrer für ein möglichst geringes Gewicht bevorzugt auf einem Émonda sitzen würde. Allerdings schlägt das Madone Gen 8 das Émonda auch in solch einem Szenario knapp. Beide Generationen des Madone fahren in Sprintszenarien, bei denen die Aerodynamik den größten Effekt hat, in ihrer eigenen Klasse, und auch hier übertrifft das Madone Gen 8 das Madone Gen 7 – und überzeugt auf dem Anstieg zum Ziel mit etwas mehr Komfort.
In all diesen Szenarien wurde die Einwirkung der Beschleunigung simuliert. Auch wenn der Effekt gering ist, lässt sich der leichtere Rahmen des Madone Gen 8 im Vergleich zum Madone Gen 7 etwas schneller auf Geschwindigkeit bringen.
Was ursprünglich als Update für das Émonda begann, entwickelte sich zum ultimativen Kletter- und Sprintbike, das die anspruchsvollen Anforderungen der Profis von Lidl-Trek erfüllt und gleichzeitig denjenigen, die nur davon träumen können, mit 1500 Watt zu sprinten, das berauschende Erlebnis eines leichten Performance-Racebikes bietet.
Über den Autor
John Davis ist der Aerodynamics Lead bei Trek Bicycle.
John machte seinen Bachelor in Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Princeton University und seinen Master in Luft- und Raumfahrttechnik an der Georgia Tech.