Oblika radij na zmogljivostnih kolesih: zmanjševanje zračnega upora

Aerodinamski osnovi: kako oblika radij vpliva na upor pri zmogljivostnih kolesih

Turbulenca na prehodu med radiji in obročem ob bočnih vetrih

Ko bočni veter udari v kolesarska kolesa, povzroči nenadno ločitev zračnega toka ravno tam, kjer se žičke srečajo z obročem. To ustvari vrtinčaste vrtince, ki lahko povečajo aerodinamski upor za do 18 % v primerjavi s kolesi z gladkimi površinami, kar kažejo preskusi v veterni cevi. Če imajo ti stični deli zaobljene robove namesto ostrih vogalov, se zrak okoli njih bolje pretaka. Rezultat? Značilno gladkejši prehodi in približno 40 % manj turbulente kinetične energije, kar kažejo računalniške simulacije v primerjavi s tradicionalnimi kvadratnimi profili. Za dirkače, ki med tekmovanji pogosto srečajo bočni veter, je natančna oblika teh stičnih mest resnično pomembna. Optimizirane konstrukcije zmanjšajo koeficient upora za 0,03 do 0,05, kar se morda ne zdi veliko, a kolesarjem zagotavlja opazno prednost na dirkah, kjer šteje vsaka sekunda.

Nesimetričnost tlakovne razlike in odlaganje vrtincev pri vrtečih se žičastih kolesih

Ko se kolesa vrtijo, njihove špice ustvarjajo izmenična območja visokega in nizkega tlaka, kar povzroča nadležne učinke odpiranja vrtincev, ki povzročajo pulzirajoči upor. Pri običajnih kolesih z 24 špicami se te vibracije pojavljajo med 80 in 120-krat na sekundo pri hitrosti približno 40 kilometrov na uro, pri čemer se v tem procesu izgubi približno 15 do 25 vatov moči. Novejše rezalne špice zmanjšajo ta problem odpiranja vrtincev za približno 30 odstotkov, saj imajo bolj gladke oblike, ki omogočajo, da se tok zraka dlje ohrani prilepljen. Vendar tukaj obstaja tudi kompromis. Debelejši rezalni deli špic povečajo rotacijsko maso, zaradi česar je kolesa težje hitro pospeševati iz mirovanja. Večina konstruktorjev danes uporablja stožčasto obliko, pri kateri se špica postopoma ozkosti od sredine proti obroču, pri čemer ohrani razmerje debeline približno 1 : 3. To pomaga zmanjšati turbulenco za kolesom, hkrati pa zagotavlja dovolj trdnost za dejanske vožnje v različnih vremenskih razmerah, kar potrjujejo meritve v veterni cevi in računalniške simulacije.

Profilirani, okrogli in hibridni radiji: kompromisi za kolesa za visoko zmogljivost

Profilirani radiji: izboljšava stabilnosti pri bočnem vetru nasproti omejitvam togosti in izdelave

V aerodinamičnih preskusih v tunelu za preizkušanje vetra, ki jih je leta 2022 objavil časopis Aerodynamics Journal, je bilo ugotovljeno, da lopataste (režnjevaste) špicke zmanjšajo upor približno za 8 % v primerjavi s tradicionalnimi okroglimi špicami. To se zgodi zaradi njihove oblike, podobne krilu, ki dejansko preprečuje nastajanje nadležnih vrtincev, ko koti odstopajo od središča za več kot približno 15 stopinj. Vendar obstaja tukaj pomembna pomanjkljivost. Lopatice so tako tanke, da kolesu dejansko zmanjšajo stransko togost, kar povzroči padec stranske togosti med intenzivnim pedlanjem za 15 do 20 odstotkov. Proizvodnja teh elementov je popolnoma druga zgodba. Proizvodni proces zahteva izjemno natančno nadzorovanje, na primer omejitev zavijanja lopatic na manj kot pol stopinje v obeh smereh. Večina podjetij nima dostopa do posebnih kalupov iz ogljikovega vlakna, ki so potrebni za to vrsto natančnega dela. Kaj torej pomeni to v praksi? Kolesarji, ki jim je bolj pomembno ohranjanje najvišjih hitrosti na dolgih razdaljah kot pa eksplozivni sprinti, bodo verjetno aerodinamične prednosti ocenili kot dovolj velike, da bodo sprejeli te kompromise glede togosti in zapletenosti proizvodnje.

Hibridni eliptični–ladičasti dizajni na kolesih za visoko zmogljivost, odobrenih s strani UCI-ja

Hibridna konstrukcija radijev združuje eliptične osnovne strukture, ki povečajo trdnost v območju osi, z ladičastimi deli, ki se zožajo proti obroču. Ta kombinacija ustvarja dobro ravnovesje med aerodinamiko, vzdržljivostjo in izpolnjevanjem potrebnih predpisov. Preskusni rezultati na modelih, odobrenih s strani UCI-ja, kažejo, da imajo ti dizajni približno 12 % manjšo spremembo upora pri različnih kotih vetra v primerjavi z tradicionalnimi kolesi z nenehnimi ladičastimi radiji, kar potrjujejo nedavne validacijske študije iz leta 2023. Prav tako izpolnjujejo zahteve UCI-jevega pravilnika glede dimenzij koles, natančneje razmerje širine do globine 2,5:1, določeno v članku 1.3.018. Učinkovitost te arhitekturne pristopa izhaja iz tega, da hkrati obravnava več dejavnikov zmogljivosti brez kompromisa pri katerem koli posameznem dejavniku.

• 5–7 % manjša vrtilna vztrajnost kot pri tradicionalnih ladičastih radijih
• 94 % zmanjšanja upora v smeri premikanja, ki ga dosežejo kolesa z nenehnimi ladičastimi radiji
• Popolna skladnost z varnostnimi standardi UCI za odmik žičk

Napredne konfiguracije žičk: Y-žičke, večžični sistemi in strukturna učinkovitost

Optimizacija števila radijev in kota razvejanja za koherenco vrtinčnega sleda in vrtilno vztrajnost

Oblikovanje asimetričnih konstrukcij koles, kot so radiji v obliki črke Y in sistemi z več radiji, zmanjšuje vrtilno vztrajnost, saj večino mase postavi bližje središču kolesa. To omogoča boljšo pospeševanje, hkrati pa ohranja dobro stransko togost. Vendar pa pri manjšem številu radijev v teh konstrukcijah pri višjih kotih napada nastajajo močnejše vrtinci, če koti razvejanja radijev niso ustrezni. Vetrne tunelske preskuse je pokazalo, da pri kotih razvejanja med 25° in 35° zrak gladko obteka ob obroču namesto, da bi se prehitro ločil. Posledično se tok zraka dlje ohrani pripet na zadnji del kolesa, preden se končno loči na samem koncu.

Vir: Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2023

Čeprav Y-oblične špice zagotavljajo največje zmanjšanje upora (v povprečju 12 %), večšpčne sisteme odlikuje izjemna odpornost proti udarcem. Optimalna konfiguracija združuje minimalno število špic s geometrijsko natančnimi razvejitvenimi točkami – kar je potrjeno z računalniško dinamiko tekočin (CFD) – ter tako maksimizira aerodinamično učinkovitost. in trajnost v realnih pogojih.

Preverjanje aerodinamike špic: preizkušanje v veterni tulavi in z računalniško dinamiko tekočin (CFD) za performančna kolesa

Dosegati natančne rezultate pri aerodinamiki špic je mogoče le z združitvijo realnih preizkusov v veterni cevi z natančnimi računalniškimi simulacijami, imenovanimi CFD-modeliranje. Vetreni cevi dejansko izmerijo, koliko upora srečajo visokoprostorninske kolesa ob izpostavljenosti dejanskim bočnim vetrom in stranskim vetrom ter pri tem prikažejo vse zapletene načine, na katere se špice, obroči in zrak med seboj vplivajo. Računalniški modeli nato dopolnijo manjkajoče podatke z analizo razlik tlaka in vrtinčastih zračnih vzorcev na zelo majhnih merilih. Ugotavljajo, kje turbulenco najbolj poslabšajo točke, kjer se špice stikajo z obroči, ter določajo, kako sprememba oblike špic vpliva na zračni tok za kolesom. Vodilni proizvajalci kolesarskih komponent pri razvoju novih izdelkov uporabljajo obe metodi. S tem omogočajo hitrejše prilagajanje konstrukcij, hkrati pa ohranjajo dovolj trdnost za dejanske vožnje. Po najnovejših raziskavah (Časopis za strojništvo, 2023) najboljša podjetja dosežejo ujemanje med računalniškimi modeli in rezultati preizkusov v veterni cevi znotraj približno 3 odstotkov. To tesno ujemanje pomeni, da se vsi izboljšani rezultati, opaženi v laboratoriju, dejansko izražajo kot zmanjšan upor, ko kolesarji izvozijo na ceste.

Pogosta vprašanja

• Kaj je odpiranje vrtincev pri vrtečih se radijskih žicah? Odpiranje vrtincev se nanaša na izmenične območja visokega in nizkega tlaka, ki jih povzroča gibanje radijskih žic, kar vodi do pulzirajoče uporne sile in vpliva na aerodinamično učinkovitost kolesa.
• Kako bladed radijske žice vplivajo na kolesarsko zmogljivost? Bladed radijske žice zmanjšujejo upor z ustvarjanjem bolj gladkih oblik, ki pomagajo ohraniti priljubljeno tok zraka, kar poveča stabilnost pri bočnem vetru, vendar zmanjša stransko togost.
• Kakšne so prednosti hibridnih eliptično-bladed radijskih žic? Hibridne konstrukcije ponujajo ravnovesje med zmanjšano spremembo upora, aerodinamično učinkovitostjo in skladnostjo z varnostnimi standardi UCI ter združujejo eliptične in stožčaste rezine bladed delov.
• Zakaj je preskušanje v veterni cevi ključnega pomena za aerodinamiko radijskih žic? Preskušanje v veterni cevi zagotavlja podatke iz dejanskega sveta o odpornosti, s katero se soočajo zmogljivostna kolesa v različnih vetrnih razmerah, kar omogoča natančno oceno in izboljšavo konstrukcij radijskih žic.
• Ali so zmogljivostna kolesa z manjšim številom radijskih žic prednostna? Manjši število radijev zmanjša vrtilno vztrajnost in s tem izboljša pospeševanje, vendar zahteva natančne kote razvejanja, da se ohrani gladka pretok zraka in prepreči nastanek močnih vrtincov.