Uzspuras dizains uz sniegumu nodrošinošajām ritenēm: vēja pretestības samazināšana

Aerodinamikas pamati: kā spicu ģeometrija ietekmē vilcējspēku sporta riteņos

Turbulence pie spicu–apkārtmēra savienojuma vēja pūšanas apstākļos

Kad šķērsavēji ietekmē riteņbraucēja riteņus, tie izraisa pēkšņu gaisa plūsmas atdalīšanos tieši tajā vietā, kur spieķi saskaras ar riteni. Tas rada vērpes, kas, pēc vējtuņa testiem, var palielināt aerodinamisko pretestību līdz pat 18 % salīdzinājumā ar riteņiem, kuru virsmas ir gludas. Ja šo savienojumu vietas ir apļveida, nevis asas, gaisa plūsma ap tiem ir labāka. Rezultāts? Daudz gludākas pārejas un aptuveni 40 % mazāka turbulences kinētiskā enerģija, pamatojoties uz datora simulācijām salīdzinājumā ar tradicionālajām kvadrātveida profiliem. Sacensībās bieži sastopamajiem šķērsavējiem sacensību braucējiem ir ļoti svarīgi pareizi izvēlēties šo savienojumu formu. Optimizētas konstrukcijas samazina pretestības koeficientu starp 0,03 un 0,05 vienībām — tas, iespējams, neizklausās kā daudz, taču sniedz riteņbraucējiem reālu priekšrocību sacensībās, kur katrs sekundes daļiņa ir būtiska.

Spiediena starpības asimetrija un vērpļu atdalīšanās rotējošos spieķu masīvos

Kad riteni griežas, to spieķi rada maiņīgas augstās un zemās spiediena zonas, kas izraisa nepatīkamos vorteksu atdalīšanās efektus un pulsējošo vilci. Parastiem riteniem ar 24 spieķiem šīs vibrācijas notiek 80–120 reizes sekundē, braucot aptuveni 40 km/h ātrumā, tādējādi izmētājot aptuveni 15–25 vatus jaudas. Jaunākie asmeņveida spieķi samazina šo atdalīšanās problēmu aptuveni par 30 procentiem, jo to gludāka forma ilgāk saglabā gaisa plūsmas pielipšanu. Tomēr šeit pastāv arī kompromiss: šie biezākie asmeņveida posmi palielina rotācijas masu, liekot velosipēdam grūtāk ātri paātrināties no starta. Pašlaik lielākā daļa dizaineru izvēlas pakāpenisku pieeju, kur spieķis kļūst tievāks, virzoties no riteņa centra uz riņķa malu, uzturot aptuveni 1 pret 3 biezuma attiecību. Tas palīdz samazināt turbulenci aiz riteņa, vienlaikus saglabājot pietiekamu izturību, lai izturētu reālos braukšanas apstākļus, kā to apstiprina vēja tuneli un datorizētie simulācijas testi.

Asmeņveida, apaļas un hibrīdas spieķu profili: kompromisi veiktspējas riteņiem

Asmeņveida spieķi: devums nobīdes stabilizācijai pretī stingrības un ražošanas ierobežojumiem

Vēja tunelī veiktajos testos, kuri tika publicēti Aerodinamikas žurnālā jau 2022. gadā, tika pierādīts, ka lāpstiņveida riteņa spieķi samazina pretestību aptuveni par 8 % salīdzinājumā ar tradicionālajiem apaļajiem spieķiem. Tas notiek tāpēc, ka to formas līdzība spārnam faktiski novērš nevēlamu vorteksu veidošanos, kad leņķis atkāpjas no centrālās ass vairāk nekā par 15 grādiem. Tomēr šeit ir viens būtisks ierobežojums. Lāpstiņas ir tik plānas, ka tās patiesībā samazina riteņa stingrumu sāniskā virzienā, un intensīvas pedāļošanas laikā šis sāniskais stingrums samazinās starp 15 un 20 procentiem. Šo komponentu ražošana ir pilnīgi cita lieta. Ražošanas process prasa ļoti precīzu kontroli — piemēram, lāpstiņu pagriezienu novirze nedrīkst pārsniegt ±0,5 grādus. Vairumam uzņēmumu nav piekļuves speciālajiem oglekļa šķiedras formiem, kas nepieciešami šādas precizitātes nodrošināšanai. Tātad kāds ir galīgais secinājums? Velocipēdisti, kuriem ir svarīgāk uzturēt augstāko ātrumu garos posmos nekā veikt sprādzienveidīgus sprintus, visticamāk atradīs aerodinamiskās priekšrocības par vērtīgām, lai piekristu šīm kompromisa risinājumiem attiecībā uz stingrumu un ražošanas sarežģītību.

Hibrīda eliptiskas formas lāpstiņu dizains UCI apstiprinātos veiktspējas riteņos

Hibrīda spieķu dizains apvieno eliptiskas formas pamatkonstrukcijas, kas palielina stiprumu pie ass centra, ar lāpstiņveida daļām, kas sašaurinās virzienā uz riteni. Šī kombinācija nodrošina labu līdzsvaru starp aerodinamiku, izturību un nepieciešamo noteikumu ievērošanu. Pētījumi ar UCI apstiprinātiem modeļiem parādīja, ka šiem dizainiem ir aptuveni 12% mazāka vilces svārstību izmaiņa, kad tie saskaras ar dažādiem vēja leņķiem, salīdzinot ar tradicionālajiem pilnīgi lāpstiņveida riteņiem, kā liecina jaunākie 2023. gada validācijas pētījumi. Turklāt tie atbilst UCI noteikumu grāmatas prasībām attiecībā uz riteņu izmēriem, īpaši 2,5 pret 1 platuma pret dziļumu attiecībai, kas norādīta 1.3.018. pantā. Šī arhitektūriskā pieeja ir tik efektīva tāpēc, ka tā vienlaikus risina vairākus veiktspējas faktorus, nekompromitējot nevienu no tiem.

• 5–7% mazāka rotācijas inercija nekā tradicionālajiem lāpstiņveida spieķiem
• 94% taisnlīnijas vilces samazinājuma, ko sasniedz pilnīgi lāpstiņveida dizaini
• Pilnīga atbilstība UCI drošības standartiem attiecībā uz spieķu novirzi

Uzlabotas spieķu konfigurācijas: Y-formas spieķi, vairākspieķu sistēmas un strukturālā efektivitāte

Ritenes spieku skaita un atzarošanās leņķa optimizācija, lai uzlabotu gaisa plūsmas vienveidību un samazinātu rotācijas inerciju

Asimetrisku riteņu struktūru, piemēram, Y-veida spieku un vairāku spieku sistēmu, izstrāde palīdz samazināt rotācijas inerciju, jo tās lielāko daļu masas novieto tuvāk riteņa centram. Tas nodrošina labāku paātrinājumu, saglabājot labu sānu-sānu stingrību. Tomēr, ja šādās konstrukcijās ir mazāks spieku skaits, tad, ja spieku atzarošanās leņķi nav pareizi izvēlēti, augstākos uzbrukuma leņķos parasti veidojas stiprāki vorteksi. Vēja tuneli veiktie pētījumi ir parādījuši, ka, ja šie atzarošanās leņķi ir robežās no 25 grādiem līdz 35 grādiem, gaiss plūst gludi ap riteni, nevis atdalās pārāk agrīni. Rezultātā gaisa plūsma ilgāk paliek pievienota riteņa aizmugurējai daļai, pirms beigās galīgi atdalās.

Avots: Wind Engineering & Industrial Aerodynamics žurnāls, 2023

Kaut arī Y-formas spieķi nodrošina lielāko vilces samazinājumu (vidēji 12 %), daudzspieķu sistēmas piedāvā labāku triecienu izturību. Optimālā konfigurācija apvieno minimālo spieķu skaitu ar ģeometriski precīziem zarošanās punktiem – to apstiprinājusi CFD analīze – lai maksimāli palielinātu aerodinamisko efektivitāti. un reālās ekspluatācijas izturība.

Spieķu aerodinamikas validācija: vēja tunelis un CFD testēšana veiktspējas riteniem

Precīzu rezultātu iegūšana riteņa spieķu aerodinamikai nozīmē reālās pasaules vēja tuneliem veikto testu kombināciju ar detalizētām datora simulācijām, ko sauc par CFD modelēšanu. Vēja tuneli faktiski mēra pretestību, ar kuru saskaras augstas veiktspējas ritenis, kad tam tiek pakļauti reālās dzīves šķērsvēji un sānvēji, parādot visas sarežģītās mijiedarbības starp spieķiem, riņķiem un gaisu. Datora modeļi pēc tam aizpilda trūkumus, izpētot spiediena atšķirības un gaisa vērpes raksturus ļoti mazos mērogos. Tie identificē vietnes, kur turbulences intensitāte ir vislielākā spieķu un riņķu savienojuma punktos, un noskaidro, kā spieķu formas izmaiņas ietekmē riteņa aizmugurē veidojošos gaisa straumes norāvi. Vadošās riteņu komponentu ražotāju uzņēmumu produktu izstrādes ciklos abas metodes tiek izmantotas obligāti. Tādējādi dizainu var mainīt ātrāk, vienlaikus saglabājot pietiekamu izturību reāliem braukšanas apstākļiem. Pēdējo pētījumu (Mechāniskās inženierijas žurnāls, 2023) dati liecina, ka labākās uzņēmumu organizācijas savus datora modeļus pielāgo vēja tunelu rezultātiem ar aptuveni 3 % precizitāti. Šī tuva sakritība nozīmē, ka jebkādas laboratorijā novērotās priekšrocības faktiski pārveidojas par mazāku pretestību, kad velosipēdisti brauc pa ceļiem.

Biežāk uzdotie jautājumi

• Kas ir vorteksu atdalīšanās rotējošās spieķu masīvā? Vorteksu atdalīšanās attiecas uz maiņīgajām augstā un zemā spiediena zonām, ko izraisa spieķu kustība, kas noved pie pulsējoša vilcējspēka un ietekmē riteņa aerodinamisko veiktspēju.
• Kā plakanās spieķu formas ietekmē braukšanu ar velosipēdu? Plakanās spieķu formas samazina vilcējspēku, veidojot gludākas formas, kas palīdz saglabāt gaisa plūsmas pielipšanu, tādējādi nodrošinot augstāku stabiļitāti pret pusi (yaw stability), taču tas ir saistīts ar zemāku šķērsvirziena stingrību.
• Kādas ir hibrīda eliptiski-plakanās spieķu konstrukcijas priekšrocības? Hibrīda konstrukcijas piedāvā līdzsvaru starp samazinātu vilcējspēka svārstībām, aerodinamisko efektivitāti un atbilstību UCI drošības standartiem, integrējot gan eliptiskās, gan sašaurinātās plakanās spieķu daļas.
• Kāpēc vēja tunelī veiktie testi ir būtiski spieķu aerodinamikai? Vēja tunelī veikti testi sniedz reāllaika datus par pretestību, ar kuru saskaras veiktspējas riteņi dažādos vēja apstākļos, ļaujot precīzi novērtēt un uzlabot spieķu konstrukcijas.
• Vai veiktspējas riteņi ar mazāku spieķu skaitu ir priekšrocīgāki? Mazāks ratloka spieku skaits samazina rotācijas inerci, uzlabojot paātrinājumu, taču prasa precīzus atzarošanās leņķus, lai saglabātu vienmērīgu gaisa plūsmu un novērstu spēcīgu vortiksu veidošanos.