Конструкція спиць високопродуктивних коліс: зменшення опору повітря

Аеродинамічні основи: як геометрія спиць впливає на аеродинамічний опір у високопродуктивних колесах

Турбулентність у зоні з’єднання спиць і бортика під дією бічного вітру

Коли бічний вітер потрапляє на велосипедні колеса, він викликає раптове відшарування повітряного потоку саме в тих місцях, де спиці з’єднуються з ободом. Це призводить до утворення закручених вихорів, які можуть збільшити аеродинамічний опір на 18 % порівняно з колесами з гладкою поверхнею, згідно з випробуваннями в аеродинамічній трубі. Якщо ж ці точки з’єднання мають заокруглені краї замість гострих кутів, повітря краще обтікає їх. Результат? Значно плавніші переходи та приблизно на 40 % менша енергія турбулентності, за даними комп’ютерного моделювання, порівняно з традиційними квадратними профілями. Для гонщиків, які часто стикаються з бічним вітром під час змагань, точне визначення форми цих з’єднань має справжнє значення. Оптимізовані конструкції зменшують коефіцієнт аеродинамічного опору в межах від 0,03 до 0,05 — це, здається, незначна величина, але надає велосипедистам відчутну перевагу в гонках, де рахується кожна секунда.

Асиметрія різниці тисків та відділення вихорів у обертових спицевих решітках

Коли колеса обертаються, їх спиці створюють позмінні зони високого та низького тиску, що призводить до тих неприємних ефектів відділення вихорів, які викликають пульсуюче опірне навантаження. Для звичайних коліс із 24 спицями такі вібрації виникають із частотою від 80 до 120 разів на секунду при швидкості близько 40 кілометрів на годину, розсіюючи в процесі приблизно 15–25 ват потужності. Нові спиці лопатеподібної форми зменшують цю проблему відділення вихорів приблизно на 30 %, оскільки їх більш плавна форма довше утримує прилягання повітряного потоку. Однак і тут існує компроміс: більш товсті лопатеподібні ділянки спиць збільшують масу обертання, ускладнюючи швидке прискорення велосипеда з місця. Більшість конструкторів тепер застосовують звужений підхід, за яким товщина спиці поступово зменшується від центру до ободу, зберігаючи приблизне співвідношення товщини 1:3. Це допомагає знизити турбулентність за колесом, одночасно забезпечуючи достатню міцність для реальних умов експлуатації — згідно з даними аеродинамічних випробувань у аеродинамічній трубі та комп’ютерних симуляцій.

Лопатеві, круглі та гібридні профілі спиць: компроміси для високопродуктивних коліс

Лопатеві спиці: виграш у стабільності за кутом скосу порівняно з обмеженнями жорсткості та технологічності виробництва

У аеродинамічних випробуваннях у аеродинамічній трубі, опублікованих у журналі «Aerodynamics Journal» ще в 2022 році, було показано, що спиці з лопатевою формою зменшують аеродинамічний опір приблизно на 8 % порівняно з традиційними круглими спицями. Це відбувається завдяки їхній формі, подібній до крила, яка фактично запобігає утворенню неприємних вихорів, коли кут відхилення перевищує приблизно 15 градусів від центру. Однак тут є й певна особливість, про яку варто згадати. Лопаті настільки тонкі, що фактично знижують жорсткість колеса в поперечному напрямку, зменшуючи поперечну жорсткість на 15–20 % під час інтенсивного кручення педалей. Виробництво таких спиць — це взагалі окрема історія. Технологічний процес вимагає надзвичайно точного контролю, наприклад, відхилення кута закрутки лопаті має становити не більше половини градуса в обидва боки. Більшість компаній не мають доступу до спеціальних форм із вуглецевого волокна, необхідних для такої високої точності. Отже, який висновок? Велосипедисти, які більше цінують підтримку максимальної швидкості на тривалих ділянках, ніж вибухові спринти, ймовірно, вважатимуть аеродинамічні переваги достатньо вагомими, щоб погодитися з цими компромісами щодо жорсткості та складності виробництва.

Гібридні еліптично-лопатеві конструкції в колесах підвищеної продуктивності, схвалених UCI

Гібридна конструкція спиць поєднує еліптичні базові структури, що збільшують міцність у зоні ступиці, із лопатевими секціями, які звужуються у напрямку ободу. Таке поєднання забезпечує оптимальний баланс між аеродинамікою, міцністю та відповідністю необхідним нормативним вимогам. Випробування на моделях, схвалених UCI, показали, що ці конструкції мають приблизно на 12 % меншу змінність аеродинамічного опору при різних кутах вітрового навантаження порівняно з традиційними повністю лопатевими колесами, згідно з недавніми валідаційними дослідженнями 2023 року. Крім того, вони відповідають вимогам Правил UCI щодо розмірів коліс, зокрема співвідношенню ширини до висоти ободу 2,5:1, встановленому в статті 1.3.018. Ефективність цього архітектурного підходу полягає в тому, що він одночасно враховує кілька факторів продуктивності, не жертвуючи жодним із них.

• на 5–7 % менша моментна інерція обертання порівняно з традиційними лопатевими спицями
• 94 % зниження опору рухові по прямій, досягнуте повністю лопатевими конструкціями
• Повне відповідність стандартам безпеки UCI щодо прогину спиць

Просунуті конфігурації спиць: Y-спиці, багатоспицеві системи та структурна ефективність

Оптимізація кількості спиць і кута розгалуження для забезпечення когерентності вихрового сліду та зниження обертального інерційного моменту

Конструкція асиметричних колісних структур, таких як спиці Y-подібної форми та багатоспицеві системи, сприяє зниженню обертального інерційного моменту, оскільки вони розміщують основну масу ближче до центру колеса. Це забезпечує краще прискорення, зберігаючи при цьому високу жорсткість у поперечному напрямку. Однак, якщо в таких конструкціях кількість спиць зменшена, то при неправильних кутах розгалуження спиць на великих кутах атаки утворюються сильніші вихрі. Випробування в аеродинамічній трубі показали, що при кутах розгалуження в діапазоні від 25° до 35° повітряний потік плавно обтікає обід, не відриваючись від нього занадто рано. У результаті повітряний потік довше залишається прилеглим до задньої частини колеса, відокремлюючись лише в самій кінцевій точці.

Джерело: Журнал з інженерії вітру та промислової аеродинаміки, 2023

Хоча Y-спиці забезпечують найбільше зниження опору (в середньому на 12 %), багатоспицеві системи мають кращу стійкість до ударних навантажень. Оптимальна конфігурація поєднує мінімальну кількість спиць із геометрично точними точками розгалуження — що підтверджено за допомогою обчислювальної гідродинаміки (CFD) — для максимізації аеродинамічної ефективності та стійкість у реальних умовах експлуатації.

Валідація аеродинаміки спиць: аеродинамічні випробування в аеродинамічній трубі та за допомогою обчислювальної гідродинаміки (CFD) для високопродуктивних коліс

Отримання точних результатів щодо аеродинаміки спиць означає поєднання реальних випробувань у аеродинамічній трубі з детальними комп’ютерними симуляціями, відомими як CFD-моделювання. У аеродинамічних трубах фактично вимірюється величина опору, з яким стикаються високопродуктивні колеса під впливом реальних бічних вітрів і вітрів, що дують збоку, що демонструє всі складні способи взаємодії спиць, ободів та повітря. Комп’ютерні моделі потім заповнюють прогалини, аналізуючи різницю тисків і завихрені повітряні потоки в дуже малих масштабах. Вони виявляють точки, де турбулентність досягає максимуму — саме там, де спиці з’єднуються з ободами, — і визначають, як зміна форми спиць впливає на «слід» (турбулентну зону) за колесом. Лідери ринку виробників велосипедних компонентів використовують обидва методи протягом циклів розробки продуктів. Це дозволяє їм швидше вносити зміни в конструкцію, не жертвуючи при цьому міцністю, необхідною для реальних умов їзди. Згідно з останніми дослідженнями («Журнал машинобудування», 2023 р.), найкращі компанії досягають збігу результатів своїх комп’ютерних моделей з даними випробувань у аеродинамічній трубі з похибкою близько 3 %. Такий високий ступінь збіжності означає, що будь-яке зниження аеродинамічного опору, зафіксоване в лабораторії, справді проявляється на практиці у вигляді зменшення опору повітря, коли велосипедисти виїжджають на дороги.

Розділ запитань та відповідей

• Що таке відшарування вихорів у обертових спицях з радіальним розташуванням? Відшарування вихорів — це чергування ділянок високого та низького тиску, спричинене рухом спиць, що призводить до пульсуючого опору й впливає на аеродинамічну ефективність колеса.
• Як лопатеві спиці впливають на результативність їзди на велосипеді? Лопатеві спиці зменшують опір за рахунок більш плавної форми, яка сприяє збереженню прилипання повітряного потоку, забезпечуючи вищу стабільність при кутах набігання (yaw), але знижуючи поперечну жорсткість.
• Які переваги гібридних еліптично-лопатевих конструкцій спиць? Гібридні конструкції забезпечують оптимальний баланс між зниженням варіацій опору, аеродинамічною ефективністю та відповідністю стандартам безпеки UCI, поєднуючи еліптичні та звужені лопатеві ділянки.
• Чому випробування в аеродинамічній трубі є критично важливими для аеродинаміки спиць? Випробування в аеродинамічній трубі надають реальні дані про опір, з яким стикаються високопродуктивні колеса в різних вітрових умовах, що дозволяє точно оцінювати та удосконалювати конструкції спиць.
• Чи є високопродуктивні колеса з меншою кількістю спиць переважними? Зменшення кількості спиць знижує момент інерції обертання, що покращує прискорення, але вимагає точного кута розгалуження для забезпечення плавного повітряного потоку та запобігання утворенню сильних вихорів.