Felgdesign for ytelsesfelger: Redusering av luftmotstand

Aerodynamiske grunnprinsipper: Hvordan felgens geometri påvirker luftmotstanden i ytelsesfelger

Turbulens ved felg–fellekryss under tverrvind

Når tverrvind treffer sykkelhjul, oppstår plutselig luftstrømsskille akkurat der eiklene møter felgen. Dette genererer virvler som kan øke luftmotstanden med opptil 18 % sammenlignet med hjul med glatte overflater, ifølge vindtunneltester. Hvis disse forbindelsespunktene har avrundede kanter i stedet for skarpe hjørner, strømmer luften bedre rundt dem. Resultatet? Mye jevnere overganger og omtrent 40 % mindre turbulent kinetisk energi, basert på datasimuleringer i forhold til tradisjonelle firkantede profiler. For konkurransesyklister som ofte møter tverrvind under konkurranser, betyr det mye å få formen på disse forbindelsespunktene helt riktig. Optimaliserte design reduserer luftmotstandskoeffisienten med mellom 0,03 og 0,05 – noe som kanskje ikke høres ut som mye, men gir syklister en konkret fordel i løp der hver sekund teller.

Trykkdifferensialasymmetri og virvelavgi i roterende eikelarrangeringer

Når hjul roterer, genererer spakene alternerende områder med høyt og lavt trykk, noe som fører til de irriterende virvelavslippseffektene som forårsaker pulserende motstand. For vanlige hjul med 24 spaker skjer disse vibrasjonene mellom 80 og 120 ganger per sekund ved en fart på ca. 40 kilometer i timen, og det går da tapt omtrent 15–25 watt effekt i prosessen. De nyere bladformede spakene reduserer dette avslippsproblemet med ca. 30 prosent, fordi de har jevnere former som holder luftstrømmen festet lenger. Men også her er det en kompromiss. Disse tykkere bladseksjonene øker rotasjonsvekten, noe som gjør at sykler blir vanskeligere å akselerere raskt fra stillestående posisjon. De fleste konstruktører velger nå en trinnvis (taperet) tilnærming der spaken blir tynnere jo lenger ut fra sentrum mot felgen den går, og opprettholder en tykkelsesforhold på ca. 1:3. Dette hjelper med å redusere turbulens bak hjulet, samtidig som alt fortsatt er sterkt nok til å tåle reelle kjøreforhold, ifølge vindtunneltester og datamodellering.

Klingeprofiler, runde profiler og hybridprofilerte eker: Kompromisser for ytelseshjul

Klingeformete eker: Gevinst i kursstabilitet ved skrå vind vs. begrensninger i stivhet og framstillingsmuligheter

I vindtunneltester fra Aerodynamics Journal tilbake i 2022 viste det seg at lamellerte eikestenger reduserer luftmotstanden med rundt 8 % sammenlignet med tradisjonelle runde stenger. Dette skjer på grunn av deres vingeaktige form, som i praksis forhindrer dannelse av de irriterende virvlene når vinklene avviker mer enn ca. 15 grader fra sentrum. Det finnes imidlertid en bivirkning som er verdt å nevne her. Lamellene er så tynne at hjulet faktisk blir mindre stivt sideveis, noe som reduserer den laterale stivheten med mellom 15 og 20 prosent under kraftige tråkkbevegelser. Fremstillingen av disse hjulene er en helt annen historie. Produksjonsprosessen krever svært nøyaktig kontroll – for eksempel må vridningen av lamellene holdes innenfor ±0,5 grad. De fleste bedrifter har ikke tilgang til de spesielle karbonfiberformene som kreves for denne typen presisjonsarbeid. Hva er da konklusjonen? Syklister som legger større vekt på å opprettholde høye hastigheter over lange strekninger enn på eksplodérte spurter, vil sannsynligvis finne at de aerodynamiske fordelene veier opp mot kompromissene når det gjelder stivhet og produksjonskompleksitet.

Hybride elliptiske bladformede design i UCI-godkjente ytelseshjul

Det hybride spokedesignet kombinerer elliptiske grunnstrukturer som øker styrken i navområdet med bladseksjoner som smaler mot felgen. Denne kombinasjonen skaper en god balanse mellom aerodynamikk, holdbarhet og oppfylling av nødvendige regelverk. Tester på UCI-godkjente modeller viser at disse designene har omtrent 12 prosent mindre variasjon i luftmotstand ved ulike vindvinkler sammenlignet med tradisjonelle hjul med fullblad, ifølge nyere valideringsstudier fra 2023. De oppfyller også kravene i UCI-regelboken for hjuldiametre, spesielt forholdet mellom bredde og dybde på 2,5 til 1 som er angitt i artikkel 1.3.018. Hva som gjør denne arkitektoniske tilnærmingen så effektiv, er hvordan den håndterer flere ytelsesfaktorer samtidig uten å kompromisse med noen enkelt aspekt.

• 5–7 % lavere rotasjons treghetsmoment enn tradisjonelle bladformede spokes
• 94 % av reduksjonen i rettlinjet luftmotstand som oppnås med fullbladformede design
• Full overholdelse av UCI-sikkerhetsstandarder for spekdefleksjon

Avanserte spekkonfigurasjoner: Y-spek, flerspek-systemer og strukturell effektivitet

Optimalisering av spektall og forgreningsvinkel for kohærent virvelstrøm og rotasjonsinertial

Designen av asymmetriske felgstrukturer, som f.eks. Y-formede eiker og fler-eik-systemer, hjelper til å redusere rotasjons treghet fordi de plasserer mesteparten av vekten nærmere felgens sentrum. Dette gir bedre akselerasjon samtidig som god stivhet fra side til side bevares. Imidlertid kan færre eiker i disse designene føre til sterke vortiser ved høyere angrepsvinkler hvis vinklene der eikene forgrener seg ikke er optimalt justert. Vindtunneltester har vist at når disse forgreningsvinklene ligger mellom 25 og 35 grader, strømmer luften jevnt rundt felgkanten i stedet for å løsne for tidlig. Resultatet er at luftstrømmen forblir festet lenger langs baksiden av felgen før den endelig løsner ved ytterste enden.

Kilde: Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2023

Selv om Y-formete eiker gir den største luftmotstandsreduksjonen (i gjennomsnitt 12 %), tilbyr systemer med flere eiker bedre slagfasthet. Den optimale konfigurasjonen kombinerer et minimalt antall eiker med geometrisk nøyaktige forgreningspunkter – validert via CFD – for å maksimere aerodynamisk effektivitet og holdbarhet i virkeligheten.

Validering av eikers aerodynamikk: Vindtunnel- og CFD-testing for ytelsesfelger

Å oppnå nøyaktige resultater for felgaerodynamikk betyr å kombinere virkelighetsnære vindtunneltester med detaljerte datamodeller, kalt CFD-modellering. Vindtunneler måler faktisk hvor mye motstand ytelsesfelger utsettes for ved eksponering for virkelige tverrvinde og sidevinde, og viser alle de kompliserte måtene på hvilke felger, felgrander og luft samhandler. Datamodellene fyller deretter inn hullene ved å analysere trykkforskjeller og virvelmønstre på svært små skalaer. De identifiserer der turbulensen er verst, nemlig ved punktene der felgene møter felgranden, og beregner hvordan endringer i felgens form påvirker luftstrømmen bak felgen. Ledende sykkeldelprodusenter stoler på begge metodene gjennom hele produktutviklingsprosessene sine. De kan dermed justere designet raskere, uten å ofre styrken som kreves for reelle kjøreforhold. Ifølge nyere studier (Tidsskrift for maskinteknikk, 2023) oppnår de beste bedriftene en overensstemmelse mellom datamodellene og vindtunnelresultatene på ca. 3 prosent. Denne nære overensstemmelsen betyr at eventuelle forbedringer observert i laboratoriet faktisk fører til redusert luftmotstand når syklister kjører på veien.

FAQ-avdelinga

• Hva er virvelavløsning i roterende eikehjulspakker? Virvelavløsning refererer til de vekslerende områdene med høyt og lavt trykk som forårsakes av bevegelsen til pakkene, noe som fører til pulserende luftmotstand og påvirker hjulets aerodynamiske ytelse.
• Hvordan påvirker bladformede pakker syklingens ytelse? Bladformede pakker reduserer luftmotstanden ved å skape strømlinjeformete profiler som bidrar til å opprettholde strømningsfeste, noe som resulterer i høyere kursstabilitet, men med en kompromiss når det gjelder lavere tverrstivhet.
• Hva er fordelene med hybridelliptiske bladformede pakkekonstruksjoner? Hybridkonstruksjoner gir en balanse mellom redusert variasjon i luftmotstand, aerodynamisk effektivitet og overholdelse av UCI:s sikkerhetsstandarder, ved å integrere både elliptiske og trinnvis innsnevrede bladseksjoner.
• Hvorfor er vindtunneltesting avgjørende for pakkers aerodynamikk? Vindtunneltesting gir reelle data om motstanden som ytelseshjul møter under ulike vindforhold, og muliggjør nøyaktig vurdering og forbedring av pakkekonstruksjoner.
• Er ytelseshjul med færre pakker fordelsrike? Færre speker reduserer rotasjons treghet, noe som forbedrer akselerasjonen, men krever nøyaktige forgreningsvinkler for å opprettholde jevn luftstrøm og forhindre dannelse av sterke virvler.