Дизайн спиц высокопроизводительных колес: снижение аэродинамического сопротивления

Основы аэродинамики: как геометрия спиц влияет на аэродинамическое сопротивление в высокопроизводительных колёсах

Турбулентность в зоне соединения спиц с ободом при боковом ветре

Когда боковой ветер воздействует на велосипедные колёса, он вызывает внезапное отрывное течение воздуха именно в тех местах, где спицы соединяются с ободом. Это приводит к образованию вихрей, которые могут увеличить аэродинамическое сопротивление до 18 % по сравнению с колёсами, имеющими гладкую поверхность, согласно испытаниям в аэродинамической трубе. Если же эти точки соединения выполнены с закруглёнными кромками вместо острых углов, воздушный поток обтекает их более эффективно. Результат? Значительно более плавные переходы и примерно на 40 % меньшая энергия турбулентности по данным компьютерного моделирования по сравнению с традиционными квадратными профилями. Для гонщиков, которые часто сталкиваются с боковыми ветрами во время соревнований, точная форма таких соединений имеет принципиальное значение. Оптимизированные конструкции позволяют снизить коэффициент аэродинамического сопротивления на величину от 0,03 до 0,05 — это может показаться незначительным, однако даёт велосипедистам ощутимое преимущество в гонках, где каждая секунда имеет решающее значение.

Асимметрия разности давлений и срыв вихрей в вращающихся спицевых решётках

Когда колеса вращаются, их спицы создают попеременно возникающие зоны повышенного и пониженного давления, что приводит к неприятному явлению срыва вихрей, вызывающему пульсирующее сопротивление. Для обычных колес с 24 спицами такие вибрации происходят с частотой от 80 до 120 раз в секунду при скорости около 40 километров в час, при этом теряется примерно 15–25 ватт мощности. Более современные лопатообразные спицы снижают этот эффект срыва примерно на 30 % благодаря более обтекаемой форме, которая дольше удерживает прилегание воздушного потока. Однако здесь также существует компромисс: увеличенная толщина лопатообразных участков повышает момент инерции вращения, из-за чего велосипеду сложнее быстро разгоняться с места. В настоящее время большинство конструкторов применяют конический профиль спиц, при котором толщина спицы постепенно уменьшается от центра к ободу, сохраняя приблизительное соотношение толщин 1 к 3. Такой подход помогает снизить турбулентность за колесом, одновременно обеспечивая достаточную прочность для реальных условий эксплуатации — согласно результатам аэродинамических испытаний в аэродинамической трубе и компьютерного моделирования.

Лопастные, круглые и гибридные профили спиц: компромиссы для высокопроизводительных колёс

Лопастные спицы: выигрыш в устойчивости при боковом ветре по сравнению с ограничениями жёсткости и технологичности изготовления

В аэродинамических испытаниях в аэродинамической трубе, опубликованных в журнале «Aerodynamics Journal» ещё в 2022 году, было показано, что спицы с лопастной формой снижают аэродинамическое сопротивление примерно на 8 % по сравнению с традиционными круглыми спицами. Это происходит благодаря их профилированной, напоминающей крыло форме, которая фактически препятствует образованию нежелательных вихрей при углах отклонения от центра свыше примерно 15 градусов. Однако здесь имеется важный нюанс. Лопасти настолько тонкие, что они снижают боковую жёсткость колеса, уменьшая её на 15–20 % при интенсивном педалировании. Производство таких спиц — это отдельная история. Технологический процесс требует чрезвычайно точного контроля, например, отклонение угла закрутки лопасти не должно превышать ±0,5 градуса. Большинство компаний не имеют доступа к специальным формам из углеродного волокна, необходимым для столь высокоточной работы. Итак, какой вывод? Велосипедисты, которым важнее поддержание максимальной скорости на протяжённых участках, чем взрывные спринтерские усилия, вероятно, сочтут аэродинамические преимущества оправданием этих компромиссов в плане жёсткости и сложности производства.

Гибридные эллиптические конструкции спиц в колёсах высокой производительности, одобренных UCI

Гибридная конструкция спиц объединяет эллиптические базовые элементы, повышающие прочность в зоне ступицы, с лопастными участками, сужающимися по направлению к ободу. Такое сочетание обеспечивает оптимальный баланс между аэродинамикой, долговечностью и соблюдением необходимых регламентных требований. Испытания моделей, одобренных UCI, показывают, что данные конструкции демонстрируют примерно на 12 % меньшую вариацию аэродинамического сопротивления при изменении угла набегания ветра по сравнению с традиционными колёсами с полными лопастями — согласно недавним валидационным исследованиям 2023 года. Кроме того, они соответствуют требованиям Правил UCI к габаритам колёс, в частности соотношению ширины к высоте профиля 2,5:1, указанному в статье 1.3.018. Эффективность данного архитектурного подхода обусловлена его способностью одновременно решать несколько задач, связанных с эксплуатационными характеристиками, без ущерба для какой-либо из них.

• на 5–7 % меньшая моментная инерция по сравнению с традиционными лопастными спицами
• 94 % снижения лобового сопротивления по прямой линии, достигаемого конструкциями с полными лопастями
• Полное соответствие стандартам безопасности UCI по прогибу спиц

Продвинутые конфигурации спиц: Y-образные спицы, многоспицевые системы и структурная эффективность

Оптимизация количества спиц и угла разветвления для согласованности следа и вращательной инерции

Конструкция асимметричных колёсных дисков, например с Y-образными спицами и многоспицевыми системами, способствует снижению момента инерции при вращении, поскольку основная масса таких дисков сосредоточена ближе к их центру. Это обеспечивает более эффективное ускорение при сохранении высокой жёсткости в поперечном направлении. Однако при меньшем количестве спиц в подобных конструкциях при больших углах атаки возникают более интенсивные вихри, если углы ответвления спиц не оптимальны. Испытания в аэродинамической трубе показали, что при углах ответвления спиц в диапазоне от 25° до 35° воздушный поток обтекает обод плавно, не отрываясь преждевременно. В результате поток остаётся присоединённым дольше на задней части колеса и окончательно отрывается лишь в самой его задней точке.

Источник: Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2023

В то время как Y-образные спицы обеспечивают максимальное снижение аэродинамического сопротивления (в среднем на 12 %), многоспицевые системы демонстрируют превосходную ударную стойкость. Оптимальная конфигурация объединяет минимальное количество спиц с геометрически точными точками разветвления — что подтверждено с помощью численного моделирования течения (CFD) — для достижения максимальной аэродинамической эффективности и надёжность в реальных условиях эксплуатации.

Верификация аэродинамики спиц: аэродинамические испытания в аэродинамической трубе и расчёты методом CFD для высокопроизводительных колёс

Получение точных результатов при изучении аэродинамики спиц требует сочетания реальных испытаний в аэродинамической трубе с детальными компьютерными моделированиями, известными как CFD-моделирование. В аэродинамических трубах фактически измеряется величина сопротивления, с которым сталкиваются высокопроизводительные колёса при воздействии реальных боковых ветров и ветров сбоку, что позволяет наглядно продемонстрировать все сложные взаимодействия между спицами, ободами и воздушным потоком. Компьютерные модели, в свою очередь, дополняют экспериментальные данные, анализируя перепады давления и завихрения воздушного потока в мельчайших масштабах. Они выявляют участки, где турбулентность достигает максимума — в местах соединения спиц с ободами, — и определяют, как изменение формы спиц влияет на след, образующийся за колесом. Ведущие производители велокомпонентов используют оба метода на всех этапах разработки продукции. Это позволяет им быстрее вносить изменения в конструкции, не жертвуя при этом прочностью изделий в реальных условиях езды. Согласно последним исследованиям («Журнал машиностроения», 2023 г.), лучшие компании добиваются расхождения между результатами компьютерного моделирования и данными аэродинамических труб не более чем на 3 %, что означает: любые улучшения, зафиксированные в лабораторных условиях, действительно приводят к снижению аэродинамического сопротивления при реальной езде на велосипеде.

Раздел часто задаваемых вопросов

• Что такое отрыв вихрей в вращающихся спицах? Отрыв вихрей — это чередование областей высокого и низкого давления, вызванное движением спиц, что приводит к пульсирующему сопротивлению и влияет на аэродинамические характеристики колеса.
• Как лопатообразные спицы влияют на эффективность езды на велосипеде? Лопатообразные спицы снижают аэродинамическое сопротивление за счёт более гладкой формы, способствующей сохранению прилипания воздушного потока, обеспечивая повышенную устойчивость к боковому ветру, но с компромиссом в виде меньшей боковой жёсткости.
• Каковы преимущества гибридных эллиптических лопатообразных конструкций спиц? Гибридные конструкции обеспечивают баланс между снижением вариаций аэродинамического сопротивления, аэродинамической эффективностью и соответствием стандартам безопасности UCI за счёт комбинирования эллиптических и сужающихся лопатообразных участков.
• Почему аэродинамические испытания в аэродинамической трубе критически важны для спиц? Испытания в аэродинамической трубе предоставляют реальные данные о сопротивлении, с которым сталкиваются спортивные колёса при различных условиях ветра, позволяя точно оценивать и совершенствовать конструкции спиц.
• Являются ли спортивные колёса с меньшим количеством спиц преимущественными? Меньшее количество спиц снижает момент инерции вращения, улучшая разгон, однако требует точной настройки углов разветвления для обеспечения плавного воздушного потока и предотвращения образования сильных вихрей.