คุณสมบัติด้านอากาศพลศาสตร์ของ Trek Madone Gen 8

ตลอดระยะเวลาหนึ่งปีเต็มก่อนที่ Madone Gen 7 และ IsoFlow จะถูกเปิดตัว วิศวกรของเราได้เริ่มพัฒนาแนวคิดในการออกแบบจักรยาน Émonda รุ่นใหม่ที่มีน้ำหนักเบา เราทราบดีว่า Madone คือจักรยานแข่งสำหรับผิวทางปกติที่ลู่ลมมากทีสุ่ดของเรา แต่เรายังไม่หยุดที่จะพัฒนาคุณสมบัติด้านอากาศพลศาสตร์ใหม่ ๆ สำหรับ Émonda ของเรา  

หลังจากการถือกำเนิดของแนวคิดในการออกแบบของจักรยาน Émonda ของเราที่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายเป็นเวลาไม่นาน เราพบว่าปัญหาเกี่ยวกับคุณสมบัติด้านอากาศพลศาสตร์ของ Madone กับหลักการของ Émonda เป็นสิ่งที่สามารถแก้ไขได้อย่างมีนัยสำคัญ นี่คือโอกาสสำคัญในการพูดคุยเกี่ยวกับจักรยานที่มีคุณสมบัติโดดเด่นด้านใดด้านหนึ่งโดยเฉพาะได้อย่างจริงจัง แต่ก่อนอื่นเราจะต้องพิสูจน์ให้ได้ก่อนว่านักกีฬาและลูกค้าของเราจะไม่ต้องยอมลดทอนอะไรไปเพื่อแลกกับการเปลี่ยนแปลงนี้  

น้ำหนักและความลู่ลม

จักรยานคอนเซ็ปต์คันแรกของเราในโครงการ Émonda ใหม่คือ “A1” และ “A2” การทดสอบในอุโมงค์ลมและในระบบ Computational Fluid Dynamics (CFD) แจ้งผลการทดสอบที่น่าสนใจอย่างยิ่งซึ่งสามารถช่วยลดช่องว่างระหว่าง Madone และ Émonda รุ่นก่อนหน้าได้อย่างน่าพอใจ อย่างไรก็ตาม การพัฒนาจักรยายนแข่งสมรรถนะสูงเพียงแบบเดียวอาจทำให้ต้องแลกกับคุณสมบัติด้านอากาศพลศาสตร์บางส่วนไปอย่างน่าเสียดาย  

ขั้นตอนต่อไปของเราคือการประเมินผลงานออกแบบในรูปแบบต่าง ๆ ทีมงานมีการพัฒนาจักรยานต้นแบบหลายคันเพื่อเพิ่มคุณสมบัติด้านอากาศพลศาสตร์พร้อม ๆ กับการลดน้ำหนักของจักรยาน A-Series ลงให้ใกล้เคียงกับรุ่น E Series ที่มีความลู่ลมมากที่สุด หลังการทดสอบในระบบ CFD และการวิเคราะห์เชิงโครงสร้างจำนวนนับไม่ถ้วน เราจึงได้นำจักรยานในรุ่น A, C และ E กลับเข้ามาทดสอบในอุโมงค์ลมอีกครั้ง  

ผลการทดสอบในอุโมงค์ลมและการคาดการณ์ปัจจัยด้านน้ำหนักสำหรับผลิตภัณฑ์ต้นแบบทั้งสามตัวทำให้เราสามารถจำลองการทดสอบสถานการณ์การแข่งในรูปแบบต่าง ๆ กัน เราต้องการออกแบบเฟรมที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่า Madone Gen 7 และ Émonda ที่ใช้ยางและล้อขนาดเท่ากันบนทางลาดในทุกรูปแบบ

พลอตต่อไปนี้แสดงประสิทธิภาพของ Madone Gen 7 และ Gen 8 รุ่นต้นแบบเทียบกับ Émonda บนทางเรียบลาด (เริ่มจาก 0%) ไปจนถึงทางชัน (12%) Madone Gen 7 ที่มีความลู่ลม (เส้นขาวประ) มีความเร็วมากกว่า Émonda ที่มีน้ำหนักเบากว่าและต้านลมมากกว่าที่ระดับ 0% ถึงกว่า 3% เนื่องจากน้ำหนักมีผลเพียงเล็กน้อยบนทางเรียบและทางชั้นเล็กน้อย เมื่อนักขี่ใช้ความเร็วมากขึ้นการต้านลมก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย  

หลังจากพิจารณาที่ชิ้นงานต้นแบบต่าง ๆ ทีมงานมีการปรับปรุงรายละเอียดต่าง ๆ ให้เหนือกว่า Madone Gen 7 และ Émonda เมื่อต้องวิ่งบนทางลาดบางรูปแบบ ทีมงานพบว่า C3 คือผลงานออกแบบที่วิ่งได้ไวกว่าจักรยานทั้งสองรุ่นในทุกสภาวะการขับขี่ จักรยานรุ่น A1 ที่มีน้ำหนักเบาสามารถไต่เนินได้ดีแต่ไม่เหมาะสำหรับการทำความเร็วบนทางเรียบ รุ่น E2 ที่ลู่ลมได้ดียิ่งกว่าขี่ได้ดีที่สุดที่ระดับความลาดชัน 0% แต่ต้องแลกกับประสิทธิภาพในการไต่เนินของรุ่น Émonda ที่หายไป  

ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นทำให้เราได้ชิ้นงานต้นแบบ C3 ที่มีความโดดเด่นทั้งในแง่ของน้ำหนักจาก Émonda และความลู่ลมของ Madone (หลังการปรับแต่งอย่างจริงจัง) ทำให้ได้จักรยานแข่งประสิทธิภาพสูงสำหรับผิวทางปกติอย่าง Madone Gen 8 

Full System Foil แบบใหม่ที่ลู่ลมเป็นพิเศษ

มีการพัฒนาแนวคิดสำหรับแยกประเภทวัสดุอย่าง A1 ถึง E2 ในแง่ของการลู่ลมและน้ำหนักที่เบาโดยไม่ต้องเสียเวลาลองผิดลองถูกเป็นเวลาหลายปีได้อย่างไร คำตอบอยู่ที่โครงสร้างหน้าตัดของท่อจักรยานรูปแบบใหม่ของเราอย่าง Full System Foil  

ก่อนที่จะมีโครงสร้างแบบลู่ลมของ Full System Foil เราเลือกใช้ท่อแบบ Kammtail Virtual Foil (KVF) ในการออกแบบ นี่คือชิ้นงานรูปทรงแบบใหม่ที่ไม่เคยมีมาก่อนในเวลานั้น และมีเป้าหมายคือเพื่อลดการต้านลมให้ได้มากที่สุดโดยใช้สัดส่วนความยาวต่อความกว้างของท่อจักรยานแบบ UCI 3:1 ที่ปัจจุบันไม่ได้ใช้งานอีกต่อไป Kammtail เป็นชิ้นงานรูปทรงที่ลู่ลมแต่มีข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพโดยเป็นผลงานออกแบบที่ไม่อิงสัดส่วน 3:1 สำหรับจักรยานลู่ลมแบบเดิม ๆ

เพื่อปรับปรุงการออกแบบของ KVF เราจึงคิดค้นโครงสร้างหน้าตัดที่มีความยืดหยุ่นมากกว่าที่รองรับการผลิตเป็นรูปทรงต่าง ๆ ได้อย่างหลากหลาย โดยใช้ซอฟต์แวร์คำนวณ “แรงดึง” และ “แรงผลัก” ที่แนวขอบของหน้าตัดต่าง ๆ จากนั้นจึงนำรูปทรงเหล่านี้มาเข้าอัลกอริทึมการปรับปรุงประสิทธิภาพเพื่อคำนวณแรงผลัก/แรงดึงกับรูปทรงใหม่ ๆ จากนั้นจึงนำไปทดสอบทางอากาศพลศาสตร์และประเมินประสิทธิภาพในเชิงโครงสร้าง การปรับปรุงรายละเอียดทางเทคนิคนี้เป็นการต่อยอดจากผลงานออกแบบก่อนหน้าโดยการคำนวณอย่างเต็มที่เพื่อให้ได้แนวทางในการลดการต้านลมและน้ำหนักให้ได้มากที่สุดสำหรับชิ้นส่วนหน้าตัดต่าง ๆ ทำให้ได้โครงสร้างชิ้นงานที่ทั้งลู่ลมและมีน้ำหนักเบา   

ภาพเคลื่อนไหวนี้แสดงรายละเอียดเล็ก ๆ ของรูปทรงบางส่วนที่อัลกอริทึมปรับเสริมประสิทธิภาพนำมาพิจารณา จะเห็นว่ารูปทรงที่มีการปรับแก้แบบผลัก/ดึงที่มีความยืดหยุ่นทำให้เกิดรูปทรงที่แปลกตาที่แต่เดิมดูแล้วไม่น่าจะใช้งานได้จริง แต่นี่คือโอกาสในการลองผิดลองถูกแม้กับชิ้นส่วนที่อาจดูเหมือนไม่มีประสิทธิภาพ การลองผิดลองถูกให้รอบด้านคือส่ิงที่สำคัญเนื่องจากจะทำให้สามารถพัฒนารูปทรงที่อาจไม่เคยมีนักออกแบบคนใดคิดค้นมาก่อน 

ขณะที่มีการปรับปรุงรายละเอียดทางเทคนิคต่าง ๆ เราพบว่ารูปทรงของชิ้นงานที่มีการออกแบบด้านหลังจะมีลักษณะโค้งมนมากกว่า KVF ทำให้ลู่ลมได้ดีกว่าในการใช้งานจริงในสถานการณ์ที่การเคลื่อนของลมมีลักษณะแปรผันที่ทิศทางของลมอาจมีการเปลี่ยนแปลงได้อย่างรวดเร็ว ปลายด้านหน้าของรูปทรงที่มีโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพส่วนใหญ่จะเป็นทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้าซึ่งก็ดูสมเหตุสมผล  

คุณสมบัติด้านอากาศพลศาสตร์ไม่ใช่เงือ่นไขเพียงอย่างเดียว 

นอกเหนือจากส่วนประกอบรูปทรงต่าง ๆ ทั้งแบบที่เน้นคุณสมบัติเชิงโครงสร้าง (น้ำหนักเบา) ไปจนถึงส่วนประกอบที่เน้นการลู่ลมเป็นพิเศษ ขั้นตอนต่อไปคือการพิจารณารายละเอียดที่ตัวเฟรมที่จะใช้เป็นจุดติดตั้งอุปกรณ์เสริมต่าง ๆ นี่คือองค์ประกอบในการออกแบบเฟรมจักรยานที่เราไม่เคยมองข้าม แต่เรามองไกลไปอีกขั้นสำหรับ Madone Gen 8 โดยอาศัยข้อมูลจำลอง CFD และ Finite Element Analysis (FEA) เป็นจำนวนมากเพื่อหาตำแหน่งที่ดีที่สุดของเฟรมสำหรับกำหนดจุดติดตั้งที่จะกลายเป็นพื้นที่หน้าตัดที่ส่งผลต่อการขับขี่  

ยกตัวอย่างเช่นรูปทรงของท่อล่างที่โครงสร้างที่เน้นประสิทธิภาพมากกว่าการลู่ลมเนื่องจากกระแสลมที่เกิดขึ้นด้านหลังล้อหน้าทำให้การออกแบบส่วนประกอบรูปทรงที่มีแรงฉุดลากต่ำในบริเวณดังกล่าวไม่ใช่ปัจจัยที่สำคัญที่สุด ส่วนในทิศทางตรงกันข้าม หลักอาน IsoFlow ช่วงบนและตัวหลักอานออกแบบมาโดยเน้นรูปทรงที่ลู่ลมเป็นพิเศษเนื่องจากจะมีกระแสลมกระจุกตัวระหว่างขาของผู้ขี่ทำให้แรงฉุดลากในบริเวณดังกล่าวเพิ่มขึ้น การออกแบบรูปทรงของชิ้นส่วนต่าง ๆ คำนึงถึงการเคลื่อนตัวของกระแสลมผ่านชิ้นส่วนทั้งด้านหน้าและด้านหลัง   

วัตถุทรงกระบอกทำให้การเคลื่อนที่ช้าลง

เราทุกคนทราบกันดีตลอดมาว่าวัตถุทรงกระบอกไม่ใช่รูปทรงที่ได้หลักอากาศพลศาสตร์ ย้อนกลับไปเมื่อปี 1953 ในยุคของ National Advisory Committee for Aeronautics (NACA) ก่อนที่ NASA จะถือกำเนิด มีการทดสอบพบว่าการปรับเปลี่ยนวัตถุจากทรงกระบอกให้เป็นทรงรีจะสามารถลดแรงฉุดลากลงได้ถึง 40%

ก่อนหน้านี้ในปี 1912 Gustave Eiffel (ใช่แล้วชื่อเดียวกับหอไอเฟิลนั่นล่ะ) พบว่าวัตถุทรงกะบอกทำให้เกิดแรงฉุดลากอย่างมากระหว่างที่ทดสอบการร่วงของวัตถุจากหอไอเฟิล.

ทำไมเราจึงกล้าที่จะติดตั้งขวดน้ำทรงกระบอกไว้กับจักรยานแข่งที่ให้ความสำคัญกับการลู่ลมเป็นพิเศษ ขวดน้ำ Aero ไม่ใช่แนวคิดใหม่แต่มักถูกมองข้ามเนื่องจากข้อจำกัดด้านการใช้งานจริง เราเลือกออกแบบขวดและที่วางขวดเพื่อให้ใช้งานได้จริงในสนามแข่งสำหรับทีม Lidl-Trek นักขี่และบุคลากรของทีมกำหนดเงื่อนไขที่สำคัญไว้สองข้อ ได้แก่ ที่วางขวด Aero จะต้องสามารถใช้งานได้เหมือนกับขวดแบบมาตรฐาน รวมทั้งท่อล่างและหลักอานจะต้องมีลักษณะเหมือนกัน/สามารถสับเปลี่ยนได้แบบปกติ  

เงื่อนไขเหล่านี้ไม่ครอบคลุมกรณีการใช้ขวดแบบเพรียวลมชนิดพิเศษ เช่น ขวด Speed Concept สำหรับติดตั้งกับท่อล่าง เพื่อให้สิ่งนี้เกิดขึ้นได้ เราจึงได้ออกแบบหน้าตัดของท่อล่างและหลักอานเพื่อให้สามารถทำงานร่วมกันกับชุดเฟรมและหน้าตัดของล้อเพื่อจำลองหน้าตัดที่มีลักษณะลู่ลมเป็นพิเศษขึ้น ภาพด้านล่างจากข้อมูลจำลอง CFD ของเราแสดงการเคลื่อนของลมเป็นสีเทา อากาศที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วจะมองว่าอากาศที่เคลื่อนตัวอย่างช้า ๆ ด้านหลังผู้ขี่เป็นเหมือนกับวัตถุแข็งที่จะลู่เลี่ยงผ่านไปเพื่อลดแรงฉุดลาก  

ขวด RSL Aero ของเราสามารถช่วยประหยัดพลังงานได้ถึง 1.8 วัตต์ที่ความเร็ว 35 กม./ชม. เมื่อเทียบกับขวดมาตรฐานขนาด 21 ออนซ์ และทำให้ขี่ได้เร็วยิ่งกว่าแม้กับจักรยานที่ไม่ได้ติดตั้งขวดน้ำเลย

แม้ว่าขวดบรรจุเหล่านี้จะถูกพัฒนามาร่วมกับ Madone Gen 8 แต่ก็ผ่านการทดสอบ CFD กับเฟรมจักรยานแบบต่าง ๆ ซึ่งพบว่าสามารถช่วยลดแรงฉุดลากได้ดีกว่าขวดรูปทรงมาตรฐานในทุกกรณี  

การออกแบบที่คำนึงถึงปัจจัยจากตัวผู้ขี่ 

จักรยานไม่สามารถวิ่งได้เอง นักปั่นจึงเป็นตัวแปรที่สำคัญต่อการไหลของลมรอบ ๆ จักรยาน ด้วยเหตุนี้เราจึงมีการทดสอบองค์ประกอบในการขี่ทั้งหมด (จักรยาน นักขี่ ส่วนประกอบ ขวดน้ำ/ที่ใส่ขวดน้ำ) โดยไม่มองข้ามตัวแปรของผู้ขี่ในการคำนวณด้านอากาศพลศาสตร์ระหว่างการจำลองสถานการณ์ด้วยคอมพิวเตอร์ของเราเป็นครั้งแรกในอุโมงค์ลมโดยใช้หุ่นจำลอง Manny การให้ความสำคัญกับปัจจัยด้านอากาศพลศาสตร์จากผู้ขี่ทำให้มีการพัฒนาระบบ IsoFlow สำหรับ Madone Gen 7 ขึ้น IsoFlow ถูกปรับปรุงให้ดีขึ้นสำหรับ Madone Gen 8 เพื่อให้ขี่ได้สบายขึ้นโดยยังมีความแข็งแรงเชิงโครงสร้างและการลู่ลมที่ดี  

สำหรับ Madone Gen 8 แฮนด์อาจดูเทอะทะในสายตาของคนทั่วไปที่คิดว่าน่าจะทำให้ต้านลมมากกว่ารุ่นก่อนหน้า แต่นั่นคือความตั้งใจของเรา! การต้านลมที่เกิดขึ้นเฉพาะตัวจักรยานเท่านั้น  

หน้าตัดบริเวณด้านบนของแฮนด์ Gen 8 มีความหนาและโค้งมนมากกว่า Madone Gen 7 หากนำจักรยานไปทดสอบในอุโมงค์ลมแบบไม่มีคนขี่ แฮนด์จะทำให้แรงฉุดลากเพิ่มขึ้น แต่เมื่อมีผู้ขี่ปั่นจักรยานอยู่ด้านหลัง แฮนด์ที่ใหญ่ขึ้นจะช่วยลดแรงฉุดลากจากขาคนปั่นลงเล็กน้อยโดยการชะลอกระแสลมที่ด้านหน้า กระบวนการดังกล่าวแม้ว่าจะไม่ได้ช่วยเพิ่มการลู่ลมอย่างมีนัยสำคัญ แต่ขาคนขี่ที่กำลังปั่นจักรยานถือเป็นปัจจัยสำคัญต่อแรงฉุดลากที่เกิดขึ้นในภาพรวม การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยของกระแสลมจึงส่งผลต่อการไหลของลมที่ดีขึ้นอย่างไม่น่าเชื่อ หน้าตัดของแฮนด์ที่ออกแบบมีลักษณะคล้ายกับ Full System Foil โดยอาศัยหลักการออกแบบเดียวกัน เสริมด้วยการคำนวณการลู่ลมที่ขาปั่นหลังแฮนด์จักรยาน 

ผลลัพธ์ที่ได้

หลังการทดสอบภายใต้สถานการณ์จำลอง ผลการทดสอบจากอุโมงค์ลมพบว่า Madone Gen 8 ลู่ลมได้ดีกว่า Émonda เมื่อเปรียบเทียบกับ Madone Gen 7 จักรยาน Gen 8 มีการลู่ลมที่ดีขึ้นบริเวณมุมที่ลมปะทะก้บล้อจักรยานซึ่งเป็นปัญหาที่นักขี่มักประสบ

เราทำการทดสอบจักรยานในอุโมงค์ลมที่ความเร็วต่าง ๆ เพื่อจำลองสถานการณ์ในการแข่งหลากหลายรูปแบบ ต่อไปนี้คือผลการทดสอบในอุโมงค์ที่ความเร็ว 22 mph ซึ่งถือเป็นความเร็วที่ไม่สูงมากและยิ่งเป็นปัจจัยที่ท้าทายมากยิ่งขึ้นในการทดสอบและเป็นสถานการณ์ที่พบได้ในการแข่งแบบรวมตัวกันหลายคันเพื่อต้านแรงลม นอกจากนี้เรายังทำการทดสอบที่ความเร็วสูงถึง 49 mph เพื่อจำลองสถานการณ์ของนักกีฬาจากทีม Lidl-Trek ของเรา (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมด้านล่าง)  

สถานการณ์จำลองดังกล่าวพิสูจน์ให้ทีม Lidl-Trek ได้เห็นว่า Madone Gen 8 สามารถทำผลงานได้ดีในสถานการณ์ที่ขับเคี่ยวเหนือกว่า Madone Gen 7 หรือ Émonda โดยไม่ต้องแลกกับคุณสมบัติด้านใดเลย การไล่แซงที่เนินลาดระดับ 10% ของ Gen 8 Madone สามารถเอาชนะ Émonda ได้เล็กน้อย ซึ่งในกรณีดังกล่าว Émonda อาจต้องมีการลดน้ำหนักลงให้มากกว่าปัจจุบันให้ได้มากที่สุดจึงจะสามารถตอบโจทย์ของนักปั่นได้ในสถานการณ์เดียวกันนี้ Madone ทั้งสองรุ่นมีความโดดเด่นในการเร่งทำความเร็วซึ่งเป็นปัจจัยที่สำคัญอย่างยิ่งด้านอากาศพลศาสตร์ โดย Gen 8 เหนือกว่า Gen 7 เล็กน้อยในทั้งสองกรณี และไต่ขึ้นเนิ่นได้เบาแรงกว่าเล็กน้อย

มีการจำลองการเร่งความเร็วในทุกกรณี การเร่งความเร็วของ Madone Gen 8 ที่มีเฟรมเบากว่าทำได้ง่ายกว่า Madone Gen 7 เล็กน้อย 

ในท้ายที่สุด ความพยายามในการปรับปรุงประสิทธิภาพของ Émonda ได้นำไปสู่จักรยานที่มีความสามารถในการขึ้นเนินและการเร่งทำความเร็วในระดับสุดยอดในสถานการณ์ที่มีข้อจำกัดมากมายสำหรับนักแข่ง Lidl-Trek ของเรา พร้อมกับประสบการณ์ที่น่ารื่นรมจากตัวเฟรมจักรยานแข่งที่เบาและสามารถช่วยผ่อนแรงให้กับนักแข่งที่ต้องการเร่งทำความเร็วที่ระดับ 1,500 วัตต์ (เหมือนกับผม)