Жоғары өнімділікті дөңгелектердің сақиналы дизайні: Ауа кедергісін азайту

Аэродинамикалық негіздер: Сақиналардың геометриясы жоғары өнімділікті дөңгелектердегі кедергіге қалай әсер етеді

Көлденең желдер кезіндегі сақина–сақиналық шеңбер қосылуындағы турбуленттілік

Көлденең жел велосипедтің дөңгелектеріне соққан кезде, ауа ағысының қатты бөлінуі шамалардың жиектің қосылу орнында қалыптасады. Бұл айналмалы вортекстерді тудырады, олар аэродинамикалық кедергіні жел туннеліндегі сынақтарға сәйкес гладкий бетті дөңгелектермен салыстырғанда 18%-ға дейін арттырады. Егер осы қосылу нүктелерінің шеттері сүйір бұрыштар емес, ал домалақ болса, ауа олардың айналасында жақсырақ ағады. Нәтижесі қандай? Компьютерлік модельдеулерге сәйкес, дәстүрлі шаршы профильдермен салыстырғанда ауа ағысының өте салыстырмалы тегіс өтуі мен турбулентті кинетикалық энергияның шамамен 40%-ға азаятыны. Жарысқа түсетін велосипедшілер жиі жарыстар кезінде көлденең желге ұшырайды, сондықтан осы қосылу нүктелерінің пішінін дәл таңдау нақты айырмашылық жасайды. Оңтайландырылған конструкциялар кедергі коэффициентін 0,03 пен 0,05 арасында төмендетеді — бұл көрінісінше аз болса да, әрбір секунд маңызды болатын жарыстарда велосипедшілерге нақты артықшылық береді.

Қысымдар айырымының асимметриясы және айналмалы шамалар массивіндегі вортекстердің ыдырауы

Дөңгелектер айналған кезде, олардың спицалары жоғары және төмен қысым аймақтарын кезектестіріп құрады, бұл пульсациялық кедергіге әкелетін қайғылы вортекс шығару әсерлеріне себепші болады. 24 спицалы дәстүрлі дөңгелектер үшін бұл тербелістер сағатына шамамен 40 километр жылдамдықпен қозғалғанда секундына 80–120 рет пайда болады және осы процессте шамамен 15–25 Вт қуат шығынына әкеледі. Жаңартылған пышақ тәрізді спицалар ағысқа ұзағырақ тұруға мүмкіндік беретін гладкий пішіндері арқасында бұл шығару проблемасын шамамен 30 пайызға азайтады. Бірақ бұнда да компромисс бар. Осы қалың пышақ бөліктері айналу салмағын арттырады, нәтижесінде велосипедтің стартта тез үдетілуі қиынға түседі. Қазіргі кезде көптеген дизайнерлер спицаның орталықтан шинаға қарай жіңішкеретін конустық тәсілді қолданады, осылайша спицаның қалыңдығы шамамен 1:3 қатынасын сақтайды. Бұл ветроканалдағы сынақтар мен компьютерлік модельдеулерге сәйкес дөңгелектің артындағы турбуленттілікті азайтады және бір уақытта нақты жол жағдайларындағы жүріске төтеп беруге жеткілікті беріктікті сақтайды.

Пышақ тәрізді, дөңгелек және аралас спицалы профильдер: өнімділік дөңгелектері үшін компромисстік шешімдер

Пышақ тәрізді спицалар: Желдің бағытында тұрақтылықты арттыру мен қаттылық пен өндірістік шектеулер арасындағы компромисс

2022 жылы «Аэродинамика журналы»нда жүргізілген ауа каналындағы сынақтар көрсеткендей, қанатты сақиналар дәстүрлі дөңгелек сақиналарға қарағанда ауа кедергісін шамамен 8 пайызға азайтады. Бұл құбылыс олардың желдеткіш қанатына ұқсас пішініне байланысты, яғни бұрыш центрден шамамен 15 градусқа ауытқыған кезде тосқындардың пайда болуын негізінен тоқтатады. Дегенмен, мұнда айтуға тұрарлық бір ескерту бар. Қанаттар нағыз-ақ жіңішке болғандықтан, олар дөңгелектің жанама қаттылығын төмендетеді, сондықтан қатты педальға басқан кезде жанама қаттылық 15–20 пайызға дейін төмендейді. Мұндай бұйымдарды шығару — басқа да әңгіме. Оларды өндіру процесі өте қатаң бақылауды талап етеді, мысалы, қанаттардың бұрылуын ±0,5 градустан аспайтындай етіп ұстау керек. Көптеген компаниялардың осындай дәлдікті қамтамасыз етуге арналған арнайы көміртекті талшықты калыптарға қол жеткізу мүмкіндігі жоқ. Сонда қорытынды қандай? Ұзақ аралықта жоғары жылдамдықты сақтауға көбірек назар аударатын, ал жедел спринттерге емес велосипедшілер, ықтимал, қаттылық пен өндіріс күрделілігіндегі осы компромисстерге төзімділік танытып, аэродинамикалық артықшылықтардың пайдасын көре алады.

UCI-бекітілген өнімділік дөңгелектерде гибридты эллипсті–пышақты конструкциялар

Гибридты спицалардың конструкциясы дөңгелектің орталығы аймағында беріктікті арттыратын эллипсті негізгі құрылымдар мен шетінде жиырылатын пышақты бөліктерді қосады. Бұл комбинация аэродинамика, тұрақтылық және қажетті нормативті талаптарға сай келу арасында тиімді тепе-теңдік орнатады. 2023 жылғы соңғы бағалау зерттеулеріне сәйкес, UCI-бекітілген моделдер бойынша сынақтар көрсеткендей, бұл конструкциялар дәстүрлі толық пышақты дөңгелектерге қарағанда әртүрлі жел бұрыштарына қарсы әсер еткенде шамамен 12 пайызға аз ықпалдану ауытқуын көрсетеді. Сонымен қатар, олар дөңгелектердің өлшемдері бойынша UCI ережелеріне сәйкес келеді, атап айтқанда, 1.3.018-тармағында көрсетілген 2,5:1 ені мен тереңдігінің қатынасын қанағаттандырады. Бұл архитектуралық тәсілдің тиімділігі – оның жеке кез-келген аспектіні құрбан етпей, бір мезгілде бірнеше өнімділік факторларын шешу қабілетінде.

• дәстүрлі пышақты спицаларға қарағанда 5–7% аз айналу инерциясы
• толық пышақты конструкциялардың түзу сызықты кедергіні азайту нәтижесінің 94%-ы
• Сырғымалы сақинаның ауытқуы бойынша UCI қауіпсіздік стандарттарына толық сәйкестік

Инновациялық сақина конфигурациялары: Y-сақиналар, көпсақиналы жүйелер және құрылымдық тиімділік

Ағыс біртектілігі мен айналмалы инерциясы үшін сақиналық сымдар саны мен тармақталу бұрышын оптималдау

Y-тәрізді сақиналық сымдар мен көп сақиналық жүйелер сияқты симметриялы емес дөңгелек құрылымдарының дизайны олардың массасының көп бөлігін дөңгелектің ортасына жақын орналастыруы арқасында айналмалы инерцияны азайтады. Бұл әрі жақсы үдеуге, әрі жақсы бүйірлік қаттылыққа қол жеткізуге мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл дизайндарда сақиналық сымдар саны аз болса, сақиналық сымдардың тармақталу бұрыштары дәл орналаспаған жағдайда жоғары атака бұрыштарында күшті вихрьлер пайда болуы мүмкін. Ауа ағынын зерттеу үшін жел тоннелінде жүргізілген сынақтар көрсеткендей, тармақталу бұрыштары 25 градустан 35 градусқа дейінгі аралықта болған кезде ауа ағыны шина жиегінің айналасында сақиналық сымдардан тым ерте ажырамай, сақиналық сымдардан қалыпты ағады. Нәтижесінде ауа ағыны дөңгелектің артқы бөлігі бойынша ұзақ уақыт бойы ілеспеіп қалады да, соңында тек дөңгелектің соңғы нүктесінде ғана ажырайды.

Дереккөз: Желдің инженерлік және өнеркәсіптік аэродинамикасы журналы, 2023 ж.

Y-тәрізді спицалар ең күшті ауа кедергісін азайтады (орташа 12%), ал көпспицалы жүйелер соққыға төзімділікте жоғары көрсеткішке ие. Оңтайлы конфигурация — аэродинамикалық тиімділікті максималдап арттыру үшін спицалар санын минималды етіп, геометриялық тұрғыдан дәл тармақталу нүктелерімен біріктіру; оның негізі CFD-тің (есептеу аэродинамикасы) нәтижелерімен расталған. және шынайы әлемдегі тұрақтылық.

Спицалардың аэродинамикасын растау: өнімділігі жоғары дөңгелектер үшін жел туннелі мен CFD-тің сынағы

Сырғымалы аэродинамика бойынша дәл нәтижелер алу үшін нақты әлемдегі жел туннельдеріндегі сынақтарды және есептеуіш гидродинамикалық (CFD) моделдеу деп аталатын толық компьютерлік симуляцияларды ұштастыру керек. Жел туннельдері шынымен де жолаушыларға әсер ететін көлденең желдер мен бүйір желдерге ұшыраған кезде жоғары өнімді дөңгелектердің қаншалықты кедергі көрсететінін өлшейді, осылайша сырғымалар, сақиналар және ауа арасындағы күрделі әрекеттестікті көрсетеді. Компьютерлік модельдер кейіннен қысым айырымын және ауаның айналу үлгілерін өте кішкентай масштабта зерттеу арқылы бос орындарды толтырады. Олар сырғымалар мен сақиналардың қосылатын жерлерінде турбуленттіліктің ең нашар болатын орындарын анықтайды және сырғымалардың пішінін өзгерту дөңгелектің артындағы ауа ағысына қалай әсер ететінін анықтайды. Жетекші велосипед компоненттерін шығаратын компаниялар өнімді дамыту циклдары кезінде екі әдісті де қолданады. Олар дизайнды тезірек жақсартады, бірақ бұл қазіргі уақыттағы шынығу жағдайлары үшін жеткілікті беріктікті сақтайды. Соңғы зерттеулерге сәйкес («Механикалық инженерия журналы», 2023 ж.), ең жақсы компаниялардың компьютерлік модельдері жел туннельдеріндегі нәтижелермен шамамен 3 пайызға дейін сәйкес келеді. Бұл жақын сәйкестік зертханада бақыланған кез келген жетістіктің шынымен де велосипедшілер жолға шыққан кезде ауа кедергісінің азаюы ретінде көрінетінін білдіреді.

Сұрақтар мен жауаптар бөлімі

• Айналып тұрған сымдардың орналасуында вихрьдің бөлінуі дегеніміз не? Вихрьдің бөлінуі — бұл сымдардың қозғалысынан туындайтын ауыспалы жоғары және төмен қысым аймақтарын білдіреді, ол пульсациялық кедергіге әкеледі және дөңгелектің аэродинамикалық сипаттамасына әсер етеді.
• Жалпақ сымдар велосипед тебу кезіндегі нәтижелілікке қалай әсер етеді? Жалпақ сымдар ағысқа жабысуын сақтауға көмектесетін гладкий пішіндерді құру арқылы кедергіні азайтады, нәтижесінде жанама тұрақтылық жоғарылайды, бірақ бүйірлік қаттылық төмендейді.
• Гибридті эллипсті-жалпақ сымдардың дизайнының артықшылықтары қандай? Гибридті дизайнылар кедергінің ауытқуын азайту, аэродинамикалық тиімділік пен UCI қауіпсіздік стандарттарына сәйкестіктің тепе-теңдігін ұсынады; олар эллипсті және жалпақ сымдардың ұштарын біріктіреді.
• Сымдардың аэродинамикасын зерттеу үшін жел туннелінде сынақ жүргізу неге маңызды? Жел туннелінде сынақ жүргізу әртүрлі жел жағдайларында жоғары нәтижелі дөңгелектерге әсер ететін кедергі туралы нақты деректер береді, бұл сымдардың дизайнын дәл бағалау мен жетілдіру мүмкіндігін қамтамасыз етеді.
• Аз санда сымдары бар жоғары нәтижелі дөңгелектердің артықшылығы бар ма? Сақиналардың азайтылуы айналу инерциясын төмендетеді, бұл үдеуді жақсартады, бірақ ағыс қозғалысын сақтау үшін және күшті вихрьлердің пайда болуын болдырмау үшін дәл тармақталу бұрыштары қажет.