Kammtail Virtual Foil

Het ontwerpen van vleugelprofielen voor fietsen vergt veel creativiteit. Traditionele ontwerpen die worden toegepast op vliegtuigen en auto's houden geen rekening met de unieke eigenschappen van fietsaerodynamica. De relatief lage snelheden en voorwaartse beweging van fietsen maakt ze veel kwetsbaarder voor omgevingsfactoren zoals zijwinden. Het vereist dus technologie die zich op meer zaken richt dan alleen het verbeteren van de frontale aerodynamica. De buisvormen van fietsen hebben van zichzelf al een groot aantal krommingen en vloeiende overgangen en dat bemoeilijkt het proces van een echt aerodynamisch ontwerp nog eens extra.

Waar vleugelprofielen normaal gesproken eindigen met een scherp uiteinde van een druppelvorming ontwerp, heeft het Kammtail-ontwerp een afgekort, hoekig einde dat de stijfheid verhoogt en dat de prestaties van een veel groter vleugelprofiel nabootst.

Vleugelprofielen worden gedefinieerd in termen van een lengte-breedteverhouding, ofwel de relatieve oppervlakteverhouding tussen de totale breedte versus het profiel van een frame of onderdeel. Als de lengte-breedteverhouding (aspect-ratio) toeneemt, neemt de luchtweerstand af. En net als met alle andere zaken in het leven, is er een bepaalde balans tussen een hoge aspect-ratio en andere factoren. Stabiliteit, gewicht en stijfheid hebben proportioneel te lijden van een hogere aspect-ratio. De Internationale wielerunie (UCI) heeft daarom vrij strakke limieten gedefinieerd waaraan deze ratio moet voldoen waarbij de maximum en minimum dwarsdoorsnede een verhouding mogen hebben die niet groter is dan 3:1.

De ingenieurs van Trek hadden als opdracht om de aerodynamische prestaties van een profiel met een hoge aspect-ratio te realiseren, maar dan met een compact, licht profiel dat stijf en stabiel genoeg zou zijn en zou voldoen aan de UCI-regels. De doorgewinterde technicus Doug Cusack ging samen met nieuwkomer Paul Harder aan de slag om diverse fietsspecifieke vleugelprofielen te onderzoeken. In de woorden van Paul: "Op dat moment werden vleugelprofielen voor fietsen (door de hele fietsindustrie) ontworpen met behulp van een oud systeem dat was afgeleid van het ontwerpen van vliegtuigvleugels. Ik zag hier een grote discrepantie en besloot om vleugelprofielen te gaan bestuderen die specifiek voor fietsen geschikt zijn. Dat was mijn eerste 'persoonlijke' R&D-project". Om zoveel mogelijk verschillende ontwerpen te testen, ontwikkelde het team een nieuwe benadering van Computation Fluid Dynamics (CFD) waardoor in een virtuele windtunnel 3D-ontwerpen konden worden getest. Door deze efficiëntere benadering kon Trek meer dan 80 verschillende ontwerpen testen. Dat was nooit mogelijk geweest bij gebruik van een echte windtunnel. Doug had het idee dat het afkorten van een vleugelprofiel zou kunnen leiden tot een doorbraak in aerodynamische efficiëntie en de CFD-resultaten toonden aan dat zo'n ontwerp onverwacht grote voordelen bood. KVF was geboren.

Het nieuwe ontwerp loste meteen een fundamenteel probleem op waar alle voorgaande platforms last van hadden. De vleugelprofielen van fietsen hebben een hele scherpe kromming in vergelijking met het veel meer uitgerekte ontwerp van een vliegtuigvleugel of een stabiliserende vleugel. Ook hebben fietsen een veel grotere aanstroomhoek of een grotere hoek tussen de schijnbare wind (vaak inconsistent en vanaf de zijkant komend) en de richting waarin de fiets beweegt. Hoe groter deze hoek is, des te meer ongewenste zijdelingse beweging de fiets zal maken. Als gevolg hiervan blijft de luchtstroom slechts kort aan de wand van het vleugelprofiel 'hangen' en heeft de neiging om zich te splitsen waardoor een grote hoeveelheid weerstand ontstaat en de stabiliteit vermindert. Het afgekorte ontwerp van KVF lost dit probleem met de kromming op door het gedeelte met de hoge aspect-ratio dat het meeste werk verzet (de voorzijde) maximaal te benutten en af te zien van het scherpe achterste gedeelte dat voor specifieke fietstoepassingen minder belangrijk is. De lucht stroomt nu langs de voorkant van het profiel, net als bij een traditioneel ontwerp, maar blijft op dit traject omdat door de afkorting van de vorm de afbuiging wordt verminderd. Bij een toenemende zijwind of aanstroomhoek wordt ook het prestatievoordeel van KVF groter.

KVF werd in eerste instantie ontwikkeld als onderdeel van een project om de snelste fiets ter wereld te bouwen. Zodra het afgekorte KVF-ontwerp in de CFD-analyse het proof-of-concept-stadium bereikte, bouwden onze ingenieurs een compleet prototype en gingen deze constructie uitvoerig testen in de A2-windtunnel in Mooresville, North Carolina en later in de San Diego Wind Tunnel in Californië. Trek was onder de indruk van de resultaten en deze fiets werd later de originele Speed Concept, het zeer succesvolle triatlonplatform van Trek. De voordelen van deze fiets voor triatleten was zo overduidelijk dat het technisch team al snel KVF ging toepassen op traditionele racefietsontwerpen.

KVF bleek eenvoudiger te integreren in de kleinere oppervlakken van traditionele raceframes dan voorgaande vleugelprofielen waardoor nieuwe ideeën over aerodynamische racefietsen ontstonden. De Madone, de aerodynamische topracefiets van Trek kwam tot leven in 2013 dankzij de KVF-technologie. De Speed Concept is sindsdien een aantal malen herzien en is sneller dan ooit, grotendeels dankzij een aangepaste KVF met minder frontaal oppervlak en een verminderde luchtweerstand bij alle aanstroomhoeken. De Madone 2016 is ook voorzien van een verbeterd ontwerp waarvan KVF een onderdeel uitmaakt. De ingenieurs van Trek zoeken voortdurend naar nog meer gebruiksmogelijkheden voor deze verbazingwekkende technologie en zijn ondertussen succesvol geweest bij de toepassing in meer componenten zoals bijvoorbeeld sturen.