Suorituskykyrenkaiden sivukkaiden suunnittelu: Tuulenvastuksen vähentäminen

Aerodynamiikan perusteet: Kuinka sivukkaiden geometria vaikuttaa vastukseen suorituskykyrenkaissa

Turbulenssi sivukkaan ja renkaan liitoskohdassa poikkituulen vaikutuksesta

Kun sivutuuli osuu pyörän renkaisiin, se aiheuttaa äkillisen ilmavirtauksen irtoamisen juuri siinä kohdassa, jossa sillat kohtaavat renkaan. Tämä synnyttää pyörivät virtauspyörteet, jotka voivat lisätä ilmanvastusta jopa 18 % verrattuna pyöriin, joiden pinnat ovat sileitä – tämä on havaittu tuulitunnelikokeissa. Jos näissä liitoskohdissa on pyöristetyt reunat sen sijaan, että ne olisivat teräviä kulmia, ilma virtaa niiden ympärillä paremmin. Tuloksena on huomattavasti suurempi virtausmuodollisuus ja noin 40 % vähemmän turbulenttia liike-energiaa tietokonesimulaatioiden perusteella verrattuna perinteisiin neliömäisiin profiileihin. Kilpailupyöräilijöille, jotka usein kohtaavat sivutuulta kilpailujen aikana, näiden liitosten muodon optimointi tekee todellisen eron. Optimoidut suunnitteluratkaisut vähentävät ilmanvastuskertoimia 0,03–0,05 välillä, mikä saattaa kuulostaa pieneltä muutokselta, mutta antaa pyöräilijälle konkreettisen edun kilpailuissa, joissa jokainen sekunti ratkaisee.

Painemäinen epäsymmetria ja pyörivien siltapalkkien virtauspyörteiden irtoaminen

Kun pyörät pyörivät, niiden sivukappaleet (säteet) aiheuttavat vaihtuvia alueita korkeasta ja matalasta paineesta, mikä johtaa tuolle ärsyttävälle virtausirtoilmiölle (vortex shedding), joka aiheuttaa pulsoivaa vastusta. Tavallisilla 24-säteisillä pyörillä nämä värähtelyt tapahtuvat 80–120 kertaa sekunnissa nopeudella noin 40 km/h, mikä tuottaa noin 15–25 watin tehohäviön. Uudemmat terämäiset säteet vähentävät tätä virtausirtoilmiötä noin 30 prosenttia, koska niiden suurempi sileys pitää ilmavirtauksen kiinnittyneenä pidempään. Tässä on kuitenkin myös kompromissi: näiden paksujen teräosien vuoksi pyörän pyörivä massa kasvaa, mikä tekee polkupyörästä vaikeamman kiihdyttää nopeasti lähtöpaikalta. Nykyisin useimmat suunnittelijat käyttävät tippumalla muotoiltua ratkaisua, jossa säde ohenee keskuksesta ulkoreunaan päin, säilyttäen suunnilleen 1:3 paksuussuhde. Tämä auttaa vähentämään pyörän takana syntyvää turbulenssia samalla kun kaikki pysyy riittävän vahvana todellisen maailman ajotilanteisiin, mikä on vahvistettu tuulitunnelikokeiden ja tietokonesimulaatioiden perusteella.

Teräväreunaiset, pyöreät ja hybridipuolikkaat renkaanpuolikkaat: Suorituskykyrenkaiden kompromissit

Teräväreunaiset puolikkaat: Tuulensuuntavakausvoitot vastaan jäykkyys- ja valmistettavuusrajoitukset

Aerodynamiikan lehden vuoden 2022 tuulitunnelikokeissa osoitettiin, että teräväreunaiset ratapuut vähentävät ilmanvastusta noin 8 % verrattuna perinteisiin pyöreisiin ratapuihin. Tämä johtuu niiden siivenmuotoisesta muodosta, joka estää kärsimyksellisten pyörteiden syntymisen, kun kulma poikkeaa keskikohdasta yli noin 15 astetta. Kuitenkin tässä on yksi huomionarvoinen seikka. Terät ovat niin ohuita, että ne todella vähentävät pyörän jäykkyyttä sivusuunnassa, mikä laskee sivujäykkyyttä 15–20 prosenttia kovien polkemispyrkimysten aikana. Näiden valmistaminen on taas eri tarina kokonaan. Valmistusprosessi vaatii erinomaista tarkkuutta, esimerkiksi terävien kääntökulmien säilyttäminen puoliastetta molempiin suuntiin. Useimmilla yrityksillä ei ole pääsyä tähän tarkkuustyöhön vaadittaviin erikoisille hiilikuitumuotteihin. Mikä sitten on lopullinen johtopäätös? Pyöräilijät, jotka pitävät enemmän pitkien matkojen huippunopeuksien säilyttämisestä kuin räjähtävistä kiihdytyksistä, todennäköisesti katsovat aerodynaamiset hyödyt riittäviksi kompromisseiksi jäykkyys- ja valmistuskompleksisuuden osalta.

Hybridielliptiset–teräväpäiset suunnitteluratkaisut UCI:n hyväksymissä suorituskykyrennakkapyörissä

Hybridipuikkojen suunnittelu yhdistää elliptiset perusrakenteet, jotka lisäävät vahvuutta keskustan alueella, ja teräväpäiset osat, jotka kapenevat rengasreunaa kohti. Tämä yhdistelmä luo hyvän tasapainon aerodynamiikan, kestävyyden ja vaadittujen sääntöjen noudattamisen välillä. UCI:n hyväksymien mallien testaukset osoittavat, että näillä suunnitteluratkaisuilla on noin 12 prosenttia vähemmän ilmanvastuun vaihtelua eri tuulikulmien suhteen verrattuna perinteisiin täysiteräväpäisiin pyöriin viimeisimmän vuoden 2023 validointitutkimusten mukaan. Ne täyttävät myös UCI:n sääntökirjan vaatimukset pyörän mitoista, erityisesti leveys–syvyys-suhteen 2,5:1, joka on määritelty artiklassa 1.3.018. Tämän arkkitehtonisen lähestymistavan tehokkuuden taustalla on sen kyky ottaa huomioon useita suorituskykytekijöitä samanaikaisesti kompromissitta kummankaan yksittäisen tekijän kustannuksella.

• 5–7 % vähemmän pyörivää hitautta kuin perinteisillä teräväpäisillä puikoilla
• 94 % suoraviivaisen ilmanvastuksen vähentämisestä, jonka täysiteräväpäiset suunnitteluratkaisut saavuttavat
• Täysi noudattaminen UCI:n turvallisuusstandardeja koskien sivuttaissuuntaista puristumaa

Edistyneet sätkykonfiguraatiot: Y-muotoiset sätkyt, monisätkyjärjestelmät ja rakenteellinen tehokkuus

Pyörän sivuhalkaisijoiden lukumäärän ja haarautumiskulman optimointi pyörän takana muodostuvan virtausalueen yhtenäisyyden ja pyörivän hitausmomentin vähentämiseksi

Epäsymmetristen pyörärakenteiden, kuten Y-muotoisten sivuhalkaisijoiden ja useita sivuhalkaisijoita sisältävien järjestelmien, suunnittelu auttaa vähentämään pyörivää hitausmomenttia, koska ne sijoittavat suurimman osan painosta lähemmäs pyörän keskustaa. Tämä parantaa kiihtyvyyttä ilman, että sivusuuntainen jäykkyys heikkenee merkittävästi. Kuitenkin, kun näissä rakenteissa on vähemmän sivuhalkaisijoita, niin vahvat pyörteet voivat syntyä korkeammilla hyökkäyskulmilla, jos sivuhalkaisijoiden haarautumiskulmat eivät ole optimaaliset. Tuulitunnelikokeet ovat osoittaneet, että kun haarautumiskulmat ovat välillä 25–35 astetta, ilmavirtaus kulkee sileästi renkaan ympäri eikä irtoavaltakaan liian aikaisin. Tämän seurauksena ilmavirtaus pysyy kiinni renkaan takaosassa pidempään ennen kuin irtoaa vasta täysin renkaan takapäässä.

Lähde: Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2023

Vaikka Y-kytkentäiset ratapyörät tarjoavat voimakkaimman ilmanvastuksen alentamisen (keskimäärin 12 %), monihaarakkeiset järjestelmät tarjoavat paremman iskunkestävyyden. Optimaalinen konfiguraatio yhdistää mahdollisimman vähän haaroja geometrisesti tarkkojen haarautumiskohtien kanssa – mikä on vahvistettu CFD-analyysin avulla – saavuttaakseen maksimaalisen aerodynaamisen tehokkuuden. ja todellisen maailman kestävyys.

Ratapyörien haarojen aerodynamiikan validointi: tuulitunneli- ja CFD-testaus suorituskykyä parantaville pyörille

Tarkan tuloksen saaminen pyörän eikä jalkojen aerodynamiikasta edellyttää sekä todellisia tuulitunnelikokeita että tarkkoja tietokonesimulaatioita, joita kutsutaan CFD-mallinnukseksi. Tuulitunnelit mittaavat todellisia vastusvoimia, joita suorituskykyiset pyörät kokevat altistuessaan elämän tilanteissa esiintyville poikittaisille ja sivutuulille, ja ne osoittavat kaikki ne monimutkaiset tavat, joilla eikä, renkaat ja ilmavirta vuorovaikuttelevat keskenään. Tietokonemallit täydentävät näin saatuja tuloksia tutkimalla pienimuotoisesti paine-eroja ja pyörivien ilmavirtausten rakenteita. Ne havaitsevat, missä pisteissä eikä kohtaavat renkaat turbulenssi on voimakkainta, ja selvittävät, miten eikämuodon muuttaminen vaikuttaa pyörän perässä muodostuvaan ilmavirtaan. Parhaat polkupyöräkomponenttivalmistajat luottavat molempiin menetelmiin tuotteen kehitysprosessin aikana. He voivat näin muokata suunnittelua nopeammin, mutta samalla varmistaa, että komponentit pysyvät riittävän vahvoina käytännön ajotilanteissa. Viimeaikaisien tutkimusten mukaan parhaat yritykset saavuttavat tietokonemallien ja tuulitunnelikokeiden tulosten yhtenevyyden noin kolmen prosentin tarkkuudella (Journal of Mechanical Engineering, 2023). Tämä tarkka yhtenevyys tarkoittaa, että laboratoriossa havaitut hyödyt näkyvät todellisuudessa vähentyneenä ilmanvastuksena, kun pyöräilijät ajavat tien päälle.

UKK-osio

• Mikä on pyörivien sivukappaleiden aiheuttama pyörremuodostuminen? Pyörremuodostuminen viittaa vaihteleviin alueisiin korkeasta ja matalasta paineesta, joita sivukappaleiden liike aiheuttaa, mikä johtaa pulsoivaan vastukseen ja vaikuttaa pyörän aerodynamiikkaan.
• Miten terämäiset sivukappaleet vaikuttavat pyöräilysuoritukseen? Terämäiset sivukappaleet vähentävät vastusta luomalla suuremman sileitä muotoja, jotka auttavat säilyttämään ilmavirran kiinnityksen, mikä johtaa korkeampaan sivusuuntaiseen vakautta, mutta samalla heikentää poikittaisjäykkyyttä.
• Mitkä ovat hybridimuotoisten elliptisten ja terämäisten sivukappaleiden edut? Hybridirakenteet tarjoavat tasapainon vähentyneen vastusvaihtelun, aerodynaamisen tehokkuuden ja UCI:n turvallisuusstandardien noudattamisen välillä, yhdistäen elliptiset ja tapersivuiset teräosiot.
• Miksi tuulitunnelitestaus on ratkaisevan tärkeää sivukappaleiden aerodynamiikan kannalta? Tuulitunnelitestaus tuottaa käytännön tietoa suorituskykyisten pyörien kohtaamasta vastuksesta eri tuuliolosuhteissa, mikä mahdollistaa tarkan arvioinnin ja sivukappaleiden suunnittelun tarkentamisen.
• Onko vähemmän sivukappaleita sisältävillä suorituskykyisillä pyörillä etuja? Vähemmän sivukappaleita vähentää pyörivää hitausmomenttia, mikä parantaa kiihtyvyyttä, mutta vaatii tarkkoja haarautumiskulmia, jotta ilmavirta pysyy tasaisena ja voimakkaiden pyörteiden muodostuminen estyy.