A full year before Madone Gen 7 and IsoFlow were unveiled, our engineers were beginning conceptual design work on the next-generation lightweight Émonda. We knew 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 Émonda.
Trek Madone Gen 8 aerodynamics
Pretty quickly after creating our first Émonda concepts, which were fairly radical, we realized 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.
重量与空气动力学
我们下一代 Émonda 项目的概念自行车是“A1”和“A2”。我们的风洞和计算流体动力学 (CFD) 测试显示出一些有希望的结果，缩小了上一代 Madone 和 Émonda 之间的差距。然而，如果我们只想生产一辆高性能公路赛车，它仍然会导致不可接受的空气动力学损失。
我们的下一步是充分探索设计空间。为了提高空气动力性能，我们制作了更多的原型车，从轻量化的 A 系列一直到主要采用空气动力的 E 系列。经过数百次 CFD 和结构分析迭代后，我们将 A、C 和 E 系列自行车带回风洞。
我们的风洞测试都是使用我们的踩踏人体模型完成的，以考虑骑手的空气动力学特性。
通过三个原型的风洞结果和重量预测，我们可以通过虚拟方式测试不同选项在大多数比赛条件下的表现。使用相同的车轮和轮胎，我们希望车架设计在大多数斜坡上都优于 Madone Gen 7 和 Émonda。
下图显示了 Madone Gen 7 和 Gen 8 原型与 Émonda 在从平坦（0% 坡度）到相当陡峭（12% 坡度）的斜坡上的性能比较。符合空气动力学的 Madone Gen 7（白色虚线内）在 0% 至略高于 3% 的坡度范围内比重量更轻但空气动力学性能更差的 Émonda 更快，因为重量差异对平地和轻微爬坡的影响很小，而且骑手的速度更快，对空气动力学的影响更大。
每小时节省的秒数（正 = 比 Émonda 更快）与坡度百分比对比
假设：车轮和轮胎标准化，无风，200 瓦功率，70 公斤骑手，自行车滚动阻力相等
C3（黄色）是在大多数条件下都比 Madone 和 Émonda 更快的原型。
从原型车来看，它们在某些坡度上都比 Madone Gen 7 和 Émonda 有所改进，但只有原型车 C3 在大多数条件下都比这两款车快。轻量级的 A1 爬坡能力不错，但不适合在平地上快速冲刺。更符合空气动力学原理的 E2 在 0% 坡度下表现较佳，但需要骑手牺牲 Émonda 的爬坡性能。
通过这些结果，我们看到原型 C3 具有将 Émonda 的重量与 Madone 的空气动力学结合起来的潜力，这（经过更多优化）为单一性能公路赛车 – Madone Gen 8 铺平了道路。
全新的 Full System Foil 空气动力学设计
如何在不经过多年试验和错误的情况下创建 A1 到 E2 等从轻型到空气动力的概念？ 答案在于我们新的管横截面系统 - Full System Foil。
在 Full System Foil 空气动力学形状之前，我们主要使用 Kammtail Virtual Foil (KVF) 管形状。这些形状在当时是革命性的，旨在利用现已废弃的 UCI 3:1 长宽比规则来尽量提高空气动力学性能。Kammtail 形状非常符合空气动力学原理，但当您偏离更传统的空气动力自行车的 3:1 长宽比时，性能会下降。
为了改进 KVF 形状，我们设计了一种更灵活的横截面生成器，通过允许软件在横截面壁上“推”和“拉”，可以生成多种形状。然后，我们将此基本形状与优化算法结合起来，该算法将推/拉以生成新形状并虚拟测试其空气动力学和结构效率。通过对以往设计迭代的优化，只要有足够的时间和计算，就能得出帕累托前沿，即代表重量和空气动力学良好组合的一组横截面。
该动画显示了优化算法尝试过的一些形状的一小部分。正如您所看到的，推/拉形状修改的灵活性创造了一些永远不实用的疯狂形状，但这允许探索整个设计空间 - 甚至是不好的部分。这种广泛的探索很重要，因为它可以生成人类设计师可能不会想到的形状。
在监测优化进展的过程中，我们注意到，一般来说，生成的形状比 KVF 形状的后端更圆，在风向快速变化的实际非稳定空气动力学情况下，显示出更好的空气动力学性能。许多结构高效的形状的前端都是相对矩形的，这直观上是有意义的。
空气动力学并不代表一切
有了从结构高效（轻量化）到空气动力学的大多数形状，下一步就是确定在车架的哪个位置安装不同的选项。这始终是我们自行车车架设计的一个要素，但我们在 Madone Gen 8 中将其提升到了新的水平，使用数千次 CFD 和有限元分析 (FEA) 模拟来确定车架上每个横截面选项的理想位置。
例如，下管形状比空气动力学更有利于结构效率，因为前轮后面缓慢移动的尾流降低了该区域低阻力形状的重要性。在相反的方向上，上座管、IsoFlow 和座杆都设计成非常符合空气动力学的形状，因为气流在骑手的腿部之间加速并放大了该区域的阻力。本质上，每个形状的设计都考虑了空气如何在其前后的形状上流动。
灰色流线是沿着下管向下移动的缓慢空气，这使得横截面更钝、结构更高效、重量更轻，阻力增益较小。
圆柱体速度慢
我们很早就知道圆柱体在空气动力学方面并不是一个很好的形状。早在 1953 年，NASA 的前身国家航空咨询委员会 (NACA) 就表明，只需将圆柱体改为 2:1 椭圆形即可将阻力减少 40%。
早在 1912 年，Gustave Eiffel（是的，就是 Eiffel）就发现了在埃菲尔铁塔的跌落测试中，像圆柱体这样的形状会产生多少阻力。
Eiffel 纵距试验的部分原始空气阻力结果——包括圆柱体。
那么，我们为什么要把圆柱形水壶安装在空气动力学性能高度优化的公路车上呢？ 流线型水壶并不是一个新概念，但由于可用性和实用性，并不经常参加比赛。我们着手为 Lidl-Trek 团队设计一款在比赛情况下实用的水壶和水壶架。车队车手和工作人员提出了两个要求：流线型水壶架还需要与标准水壶兼容，下管和立管水壶需要相同/可互换。
这些要求禁止使用流线型水壶，例如 Speed Concept 下管水壶。为了弥补这一点，我们设计了下管和座管水壶的横截面，以与车架和车轮横截面配合使用，并创建虚拟翼型。下图是我们的 CFD 模拟结果，缓慢移动的空气显示为灰色。快速移动的空气看到这些缓慢移动的气流就像看到固体物体一样，会在它们周围平稳地流动，从而减少阻力。
与标准 21 盎司水壶相比，我们的 RSL Aero 水壶在 35 公里/小时时可节省 1.8 瓦，有水壶比没有水壶更快。
虽然这些水壶是结合 Madone Gen 8 进行优化的，但它们也在一系列自行车车架上进行了 CFD 测试，在大多数情况下都比标准水壶减少了阻力。
围绕骑手系统进行设计
自行车不会自行骑行，骑车者会对自行车周围的流场产生巨大影响。我们因此而围绕整个骑手系统（自行车、骑手、配件、水壶/水壶架）进行测试，并将骑手纳入我们的空气动力学设计中，从最初的计算机模拟，到使用 Manny 踏板人体模型进行的风洞测试。对骑手空气动力性能的重视促使我们在 Madone Gen 7 上开发了 IsoFlow 等技术。回归的 IsoFlow 在 Madone Gen 8 上进行了一些微妙的优化，提高了骑手的舒适度，同时提供了结构和空气动力学方面的优势。
在 Madone Gen 8 上，观察者可能会觉得车把看起来流线型不如上一代，因为它确实如此！至少在孤立的情况下是这样。
Gen 8 车把顶部的横截面比 Madone Gen 7 更厚、更圆。如果将自行车单独放在风洞中，车把会增加阻力。然而，当骑手在其后面踩踏时，较厚车把的尾流会减慢前方空气的速度，从而稍微减少踩踏腿上的阻力。影响很小，但蹬腿是整个系统阻力的较大贡献者，因此气流的微小变化可能会产生影响。就像我们的 Full System Foil 形状一样，车把横截面使用相同的工艺进行了优化，但包括了车把后面的腿的效果。
其结果是，这款车把的顶部抓握起来更舒适，由于结构更高效的形状而重量更轻，并且由于对踏板腿的屏蔽作用而更具空气动力学性能。
结果
总而言之，风洞结果显示 Madone Gen 8 的空气动力等级高于 Émonda。与 Madone Gen 7 相比，Gen 8 在低偏航角处实现了大部分空气动力学改进，这是骑手经常遇到的偏航角。
我们在一系列风洞速度下测试了自行车，以支持大多数比赛场景的模拟。这里显示的是风洞速度为 22 英里/小时时的结果，这个较低的速度使测试更具挑战性，但比职业车队的速度更容易达到。我们还以高达 40 英里/小时的速度进行了测试，以便为我们的 Lidl-Trek 职业车手提供模拟（更多内容见下文）。
风洞速度为 22 英里/小时（35 公里/小时）时的阻力面积系数（CDA，m2）与偏航角（度）
以售出时的 SLR 配置对自行车进行了测试
Madone Gen 8 与 Madone Gen 7 与 Émonda 的风洞测试对比
然而，骑行不仅仅与空气动力学有关（尽管空气动力学家可能希望如此！）– 我们因此而在现实场景中模拟 Madone Gen 8 自行车的性能，以便与 Madone Gen 7 和 Émonda 进行比较。自行车比赛是动态的，有很多加速和关键时刻发生在几秒钟内。因此，当我们向 Lidl-Trek 骑手介绍 Madone Gen 8 的概念时，他们想看看它相对于 Madone Gen 7 和 Émonda 在关键场景中的表现如何。
冲刺终点就是这样一种动态场景。我们在 1500 瓦功率下模拟了 12 秒内的平地冲刺和上坡（4% 坡度）冲刺。对于那些使用功率计骑行的人来说，这个数字可能听起来很疯狂，但它比我们在最近的环意赛第四赛段中看到的 Jonathan Milan 在更长的时间内完成的成绩还要低！
我们研究的另一个场景是骑手在 10% 坡度加速并追赶超越自己的骑手所需的时间，为此，他们的功率从 280 瓦增加到 450 瓦。在这种情况下，尽量缩短起步时间至关重要，因为骑手必须“加速冲刺”并骑过他们可以舒适地维持较长时间的点。如果需要很长时间才能追上对手，骑手可能会耗尽气力而无法成功。反过来说，他们越早追上攻击对手，就能越早在对手的滑行过程中将功率降低到更可持续的水平”
Madone Gen 8 在山坡和冲刺中速度更快
通过模拟，Lidl-Trek 清楚地了解到，与 Madone Gen 7 或 Émonda 相比，Madone Gen 8 在关键场景中不需要做出牺牲。传统上，骑手们希望在陡峭的 10% 坡度上获得尽可能轻的重量的 Émonda，但在这种情况下，Gen 8 Madone 略胜 Émonda 一筹。两代 Madone 在冲刺场景中都有自己的优势，这对空气动力学至关重要，但 Gen 8 在这两种情况下都优于 Gen 7 - 在上坡终点时更舒适一些。
在这些场景中，都会模拟加速的影响。例如，与 Madone Gen 7 相比，虽然影响不大，但 Madone Gen 8 较轻的车架更容易加速。
最终，Émonda 的升级版成为了爬坡和冲刺自行车，不仅满足了 Lidl-Trek 车手的苛刻使用要求，还为那些只能梦想在 1500 瓦冲刺的车手（比如我）带来了轻量级高性能赛车的愉悦体验。
关于作者
John Davis 是 Trek Bicycle 的空气动力学负责人。
他拥有普林斯顿大学机械和航空航天工程学士学位和佐治亚理工学院航空航天工程硕士学位。