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.
Cylinders are slow
We’ve known for a long time that cylinders are not a very good shape aerodynamically. All the way back in 1953, NASA’s predecessor, the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA), showed that simply changing a cylinder to a 2:1 ellipse reduces drag by 40%.
Long before then in 1912, Gustave Eiffel (yes, that Eiffel) was discovering how much drag shapes like cylinders generate in his drop tests from the Eiffel Tower.
Some of the original aerodynamic drag results from Eiffel’s drop tests – including a cylinder.
So why do we put cylindrical water bottles on otherwise highly optimised aerodynamic race bikes? Aero bottles are not a new concept but not often raced due to usability and practicality. We set out to design a bottle and cage that would be practical in race situations for the Lidl-Trek team. The team riders and staff set two requirements: the aero bottle cages also needed to be compatible with standard bottles, and the downtube and seat tube bottles needed to be identical/swappable.
These requirements prohibited the use of a super-streamlined bottle like the Speed Concept downtube bottle. To make up for this, we designed the cross-sections of the downtube and seat tube bottles to work in conjunction with the frame and wheel cross-sections and create a virtual airfoil. In the image below from our CFD simulations, slow-moving air is shown in grey. Fast-moving air sees these slow-moving wakes much like solid objects and flows smoothly around them, reducing drag.
Nuestras ánforas RSL aerodinámicas ahorran 1.8 vatios a 35km/h en comparación con las ánforas estándar de 21oz, y son más rápidas que ninguna otra.
Si bien estas ánforas están optimizadas junto con la Madone Gen 8, también se sometieron a prueba en CFD en una variedad de cuadros de bici, lo que demostró que redujeron la resistencia en comparación con las ánforas estándar en todos los casos.
Diseño en torno al sistema del ciclista
Las bicis no andan solas y un ciclista genera un impacto enorme en el campo de flujo alrededor de una bici. Es por eso que probamos todo el sistema del ciclista (bici, ciclista, componentes, ánforas/porta ánfora) e incluimos a un ciclista en nuestro diseño aerodinámico desde las primeras simulaciones por computadora hasta nuestras pruebas en el túnel de viento utilizando a Manny, el maniquí de pedaleo. Este énfasis en la aerodinámica del ciclista es lo que llevó a desarrollar avances como la tecnología IsoFlow en la Madone Gen 7. IsoFlow regresa con una optimización sutil en la Madone Gen 8, aumentando la comodidad del ciclista al tiempo que se brindan beneficios estructurales y aerodinámicos.
En la Madone Gen 8, el manubrio puede parecer menos aerodinámico que la generación anterior, ¡justamente porque lo es! Al menos, en términos de aislamiento.
La sección transversal de la parte superior del manubrio de la Gen 8 se hizo más gruesa y redonda que la de la Madone Gen 7. Si se pone la bici sola en el túnel de viento, ese manubrio aumentará el arrastre. Sin embargo, cuando un ciclista pedalea, la parte superior del manubrio más grueso reduce ligeramente el arrastre de las piernas que pedalean al desacelerar el aire que choca contra ellas. El efecto es pequeño, pero las piernas pedaleando son las que más contribuyen al arrastre total del sistema, por lo que pequeños cambios en su flujo de aire pueden hacer una diferencia. Al igual que nuestras formas Full System Foil, la sección transversal del manubrio se optimizó con el mismo proceso, pero incluyendo el efecto de las piernas detrás de la barra.
El resultado es una barra que es más cómoda de agarrar en la parte superior, más ligera por la forma estructuralmente más eficiente y más aerodinámica por el efecto de protección en las piernas que pedalean.
Los resultados
Al final, los resultados del túnel de viento mostraron que la Madone Gen 8 se encontraba en un nivel aerodinámico superior a la Émonda. En comparación con la Madone Gen 7, la Gen 8 tiene la mayoría de las mejoras aerodinámicas en los ángulos de viraje bajos, que son los que los ciclistas encuentran con más frecuencia.
Probamos las bicis en diversas velocidades en el túnel de viento para realizar simulaciones de una amplia variedad de escenarios durante una carrera. Aquí se muestran los resultados a una velocidad de túnel de 22mph, que es más baja porque hace que las pruebas sean un poco más desafiantes, pero es más alcanzable que el ritmo de un pelotón profesional. También probamos a velocidades de hasta 40mph para realizar simulaciones para nuestros atletas profesionales de Lidl-Trek (hay más información sobre esto a continuación).
Coeficiente de área de arrastre (CDA, m2) frente al ángulo de viraje (grados) a una velocidad de túnel de 22mph (35kph)
Bicis probadas en la configuración SLR tal como se vende
Comparación entre la Madone Gen 8, la Madone Gen 7 y la Émonda en el túnel de viento
Sin embargo, andar en una bici no solo se trata de la aerodinámica (¡aunque los expertos en aerodinámica deseen que sea así!); es por eso que simulamos el rendimiento de una bici Madone Gen 8 en situaciones del mundo real para compararla con la Madone Gen 7 y la Émonda. Las carreras de ciclismo son dinámicas, con muchas aceleraciones y momentos cruciales duran apenas unos segundos. Entonces, cuando presentamos el concepto de la Madone Gen 8 a nuestros usuarios de Lidl-Trek, querían ver cómo funcionaba en escenarios clave en comparación con la Madone Gen 7 y la Émonda.
Una de esas situaciones dinámicas es el sprint final. Simulamos un sprint llano y un sprint final en subida (4% de pendiente) durante 12 segundos a 1,500 vatios. Para aquellos que llevan un medidor de potencia, ese número puede parecer una locura, ¡pero es menor de lo que vimos con Jonathan Milan en la reciente final de la Etapa 4 del Giro d’Italia durante un tiempo más prolongado!
El otro escenario que examinamos fue la cantidad de tiempo que le tomaría a un ciclista acelerar repentinamente en una pendiente de 10%, aumentando su potencia de 280 vatios a 450 vatios para lograrlo. En este caso, disminuir la cantidad de tiempo para alcanzar la escapada es crucial, ya que el ciclista debe darlo todo y pasar al punto donde pueda mantenerse cómodamente durante un tiempo prolongado. Si tarda demasiado y no acelera repentinamente, el ciclista puede quedarse sin energía y no lograrlo. Por otro lado, cuanto antes ataquen con esa aceleración, más pronto podrán reducir su potencia a niveles más sostenibles en el rebufo”.
La Madone Gen 8 es más veloz en montañas y sprints
Las simulaciones dejaron claro a Lidl-Trek que la Madone Gen 8 no requeriría prescindir de nada en escenarios cruciales en comparación con la Madone Gen 7 o la Émonda. Tradicionalmente, a los ciclistas les gustaría tener una Émonda con el menor peso posible para acelerar en una pendiente empinada del 10%, pero la Madone Gen 8 supera ligeramente a la Émonda en ese escenario. Ambas generaciones de Madone son únicas en los sprints, que dan suma importancia a la aerodinámica, pero la Gen 8 supera a la Gen 7 en ambos casos, un poco más cómodamente en la etapa final en subida.
En todos estos escenarios, se simulan los efectos de la aceleración. Aunque es un efecto leve, es más fácil acelerar el cuadro más ligero de la Madone Gen 8 que el de la Madone Gen 7, por ejemplo.
Al final, lo que comenzó como una actualización de la Émonda se convirtió en la bici de escalada y sprint definitiva que sobresale en la exigente puesta en práctica de nuestros ciclistas Lidl-Trek y, al mismo tiempo, ofrece la emocionante experiencia de una bici de rendimiento de carreras ligera para aquellos que solo pueden soñar con correr a 1500 vatios (como yo).
Acerca del autor
John Davis es el Líder del Equipo de Aerodinámica en Trek Bicycle.
Tiene una licenciatura en Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Princeton y una maestría en Ingeniería Aeroespacial en el Instituto de Tecnología de Georgia.