A teljesítménykerékek küllőtervezése: a légellenállás csökkentése

Aerodinamikai alapelvek: a küllőgeometria hatása a légellenállásra a teljesítménykerékeknél

Turbulencia a küllő–perem találkozási pontján oldalszeles viszonyok mellett

Amikor oldalszél éri a kerékpárkerékek szélvédőjét, hirtelen levegőáramlás-elválasztódást okoz ott, ahol a küllők találkoznak a peremmel. Ez örvényeket generál, amelyek a szélcsatornában végzett tesztek szerint akár 18%-kal növelhetik az aerodinamikai ellenállást a sima felületű kerekekhez képest. Ha azon a találkozási ponton lekerekített élek helyett éles sarkok vannak, a levegő jobban áramlik körülöttük. Az eredmény? Sokkal simább átmenetek és kb. 40%-kal kevesebb turbulens kinetikus energia számítógépes szimulációk szerint a hagyományos négyzetes profilokhoz képest. A versenyzők számára, akik gyakran kitéve vannak oldalszeleknek a versenyeken, a találkozási pontok alakjának pontos megválasztása valóban jelentős különbséget jelent. Az optimalizált tervek 0,03 és 0,05 közötti értékkel csökkentik az ellenállási tényezőt – ez talán nem hangzik soknak, de érzékelhető előnyt biztosít a kerékpárosoknak olyan versenyeken, ahol minden másodperc számít.

Nyomáskülönbség-aszimmetria és örvényelválasztódás forgó küllőrendszerekben

Amikor a kerék forgásba jön, a küllői váltakozó magas- és alacsony nyomású területeket hoznak létre, amelyek azokat a zavaró örvényelválasztási hatásokat okozzák, amelyek pulzáló közegellenállást generálnak. A 24 küllővel rendelkező szokványos keréknél ezek a rezgések óránként körülbelül 40 kilométeres sebességnél másodpercenként 80–120 alkalommal jelentkeznek, és ezzel kb. 15–25 watt teljesítményt pazarlanak el. A modern, lapos („pengeszerű”) küllők kb. 30 százalékkal csökkentik ezt az örvényelválasztási problémát, mivel simább alakjuk hosszabb ideig fenntartja a lamináris áramlást. Ugyanakkor itt is van egy kompromisszum: a vastagabb pengeszerű szakaszok növelik a forgó tömeget, ami nehezebbé teszi a kerékpár gyors gyorsulását induláskor. A legtöbb tervező ma már csökkenő vastagságú küllőket alkalmaz, amelyek a központból a perem felé haladva vékonyodnak, és kb. 1:3 arányú vastagsági viszonyt tartanak fenn. Ez segít csökkenteni a kerék mögött keletkező turbulenciát, miközben a szerkezet továbbra is elegendően erős marad a valós körülmények közötti használatra, amint azt a szélcsatornás tesztek és a számítógépes szimulációk is igazolják.

Éles, kerek és hibrid küllős profilok: A teljesítménykerékek esetében fellépő kompromisszumok

Éles küllők: a sodrószög-stabilitás javulása vs. merevség- és gyárthatósági korlátok

A 2022-es Aerodinamikai Folyóiratban megjelent szélcsatornás tesztek szerint a lapátos küllők körülbelül 8%-kal csökkentik a légellenállást a hagyományos, kerek küllőkhöz képest. Ez a lapátok szárnyprofilhoz hasonló alakjának köszönhető, amely lényegében megakadályozza azokat a zavaró örvényeket, hogy kialakuljanak, amikor a szög kb. 15 fokot meghalad a középvonaltól mért eltérésben. Azonban itt van egy fontos megjegyzésre érdemes részlet: a lapátok olyan vékonyak, hogy valójában csökkentik a kerék oldalirányú merevségét, és kemény pedálmozgatás közben az oldalirányú merevség 15–20 százalékkal csökken. Ezek gyártása egy teljesen más történet. A gyártási folyamat rendkívül pontos irányítást igényel – például a lapátok torzulását mindkét irányban fél fokon belül kell tartani. A legtöbb cég nem rendelkezik hozzáféréssel az ehhez a pontossági szinthez szükséges speciális szénszálas formákhoz. Mi a lényeg tehát? Azok a kerékpárosok, akiknek fontosabb a hosszú távokon való maximális sebesség fenntartása, mint a robbanásszerű sprintek, valószínűleg úgy találják, hogy az aerodinamikai előnyök kárpótolják a merevség és a gyártási bonyolultság terén feláldozott kompromisszumokat.

Hibrid ellipszis alakú lapátos tervek UCI-által jóváhagyott teljesítménykerékekben

A hibrid küllőterv ötvözi az elliptikus alapstruktúrákat, amelyek növelik a kerék középpontjánál (hub) a szilárdságot, és a perem felé keskenyedő lapátos szakaszokat. Ez a kombináció kiváló egyensúlyt teremt az aerodinamika, a tartósság és a szükséges szabályozási előírások betartása között. A 2023-as évi legújabb érvényesítési tanulmányok szerint az UCI-által jóváhagyott modelleken végzett tesztek azt mutatták, hogy ezek a tervek körülbelül 12 százalékkal kisebb légellenállás-ingadozást mutatnak különböző szélirányok esetén, mint a hagyományos, teljesen lapátos kerékek. Emellett megfelelnek az UCI szabályzatának a kerék méreteire vonatkozó előírásainak, különösen a 2,5:1–1:1 szélesség–mélység aránynak, amelyet az 1.3.018. cikk határoz meg. Ennek az építészeti megközelítésnek a különleges hatékonyságát az adja, hogy egyszerre kezeli a több teljesítményt meghatározó tényezőt anélkül, hogy bármelyiket is kompromittálná.

• 5–7%-kal kisebb forgási tehetetlenség, mint a hagyományos lapátos küllők esetében
• a teljesen lapátos tervek által elérhető egyenes vonalú légellenállás-csökkentés 94%-a
• Teljes megfelelés az UCI biztonsági szabványainak a küllők eltérítésére vonatkozóan

Fejlett küllő-konfigurációk: Y-alakú küllők, többküllős rendszerek és szerkezeti hatékonyság

A küllők számának és az elágazási szögek optimalizálása a turbulens örvényrendszer koherenciája és a forgási tehetetlenség érdekében

Az Y-alakú küllőkkel és többküllős rendszerekkel ellátott aszimmetrikus kerékstruktúrák tervezése csökkenti a forgási tehetetlenséget, mivel a tömeg nagy részét a kerék középpontjához közelebb helyezik el. Ez javítja a gyorsulást, miközben megtartja a jó oldalirányú merevséget. Azonban ha ezekben a konstrukciókban kevesebb küllő található, akkor – amennyiben az elágazási szögek nem megfelelőek – erősebb örvények keletkeznek magasabb támadásszögeknél. Szélcsatornás tesztek azt mutatták, hogy ha az elágazási szögek 25° és 35° között vannak, akkor a levegő simán áramlik a perem körül, anélkül, hogy túl korán leválna. Ennek eredményeként a légáramlás hosszabb ideig ragad a kerék hátsó részén, és csak a legvégén válik le.

Forrás: Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2023

Míg a Y-alakú küllők a legnagyobb légellenállás-csökkentést biztosítják (átlagosan 12 %), a többküllős rendszerek kiváló ütésállóságot nyújtanak. Az optimális konfiguráció minimális küllőszámot és geometriailag pontos ágolódási pontokat kombinál – ezt CFD-szimulációval igazolták – az aerodinamikai hatékonyság maximalizálása érdekében. és valós világbeli tartósság.

A küllők aerodinamikai tulajdonságainak ellenőrzése: szélcsatornás és CFD-tesztek teljesítményfokozó kerékekhez

Pontos eredmények elérése a küllők aerodinamikájának vizsgálata során a valós körülmények között végzett szélcsatornás tesztek és a részletes, CFD-modellezésnek nevezett számítógépes szimulációk kombinálását jelenti. A szélcsatornák ténylegesen mérik, hogy mennyi ellenállással kell szembenézniük a teljesítményt növelő kerékeknek a mindennapi életből ismert keresztszelek és oldalszelek hatására, feltárva ezzel a küllők, peremek és levegő összetett egymásra hatását. A számítógépes modellek ezután kitöltik a hiányzó részeket a nyomáseltérések és a kis méretű örvénylő levegőmintázatok elemzésével. Ezek azonosítják a turbulenciák legintenzívebb pontjait ott, ahol a küllők a peremekhez csatlakoznak, és meghatározzák, hogyan befolyásolja a küllők alakjának megváltoztatása a kerék mögött keletkező légörvényt. A vezető kerékpáralkatrész-gyártók mindkét módszert alkalmazzák termékfejlesztési ciklusaik során. Így gyorsabban finomíthatják a terveket, miközben továbbra is biztosítják a valós körülmények közötti használatra szükséges mechanikai szilárdságot. A legjobb cégek számítógépes modellei – a legújabb tanulmányok szerint (Mechanikai Mérnöki Szemle, 2023) – kb. 3 százalékos eltéréssel egyeznek meg a szélcsatorna-eredményekkel. Ez a szoros egyezés azt jelenti, hogy a laborban mért előnyök ténylegesen csökkentett légellenállásként jelennek meg, amikor a kerékpárosok útra kelnek.

GYIK szekció

• Mi az örvényelválasztás forgó küllők tömbjében? Az örvényelválasztás a küllők mozgása által létrehozott váltakozó magas- és alacsonynyomású területeket jelenti, amelyek pulzáló vontatási erőt okoznak, és befolyásolják a kerék aerodinamikai teljesítményét.
• Hogyan hatnak a lapos, pengeszerű küllők a kerékpározási teljesítményre? A lapos, pengeszerű küllők csökkentik a légellenállást simább formájuk révén, amely segít a légáramlás tapadásának fenntartásában, így nagyobb iránytartó stabilitást biztosítanak, de ezzel egyidejűleg kisebb oldalirányú merevséget érnek el.
• Milyen előnyökkel járnak a hibrid ellipszis-alapú és pengeszerű küllőtervek? A hibrid tervek egyensúlyt teremtenek a légellenállás-változás csökkentése, az aerodinamikai hatékonyság és a UCI biztonsági szabványok betartása között, integrálva az ellipszis-alapú és a lecsökkenő pengeszerű szakaszokat.
• Miért alapvető fontosságú a szélcsatornás tesztelés a küllők aerodinamikájának vizsgálatához? A szélcsatornás tesztelés valós idejű adatokat szolgáltat a versenykerékek által különböző szélviszonyok mellett tapasztalt ellenállásról, lehetővé téve a küllőtervek pontos értékelését és finomhangolását.
• Előnyös-e a kevesebb küllővel rendelkező versenykerékek használata? Kevesebb küllő csökkenti a forgási tehetetlenséget, ami javítja a gyorsulást, de pontos elágazási szögek szükségesek a sima légáramlás fenntartásához és az erős örvényképződés megelőzéséhez.