Carbon Bike Wheels Testing to Find the Fastest Ones

Метод, который используется в этом тесте, называется переходным состоянием и применяется, когда аэродинамика постоянно меняется. Это трудно объяснить в деталях в одной записи блога, поэтому я привел ссылку на видео на youtube (если вы не можете открыть видео ниже, пожалуйста, обратитесь к ссылке https://youtu.be/lwrCrU4KG-I ).

Важная часть видео находится на 10 м20, и здесь показана разница между воздушным потоком, который существует в реальном мире, воздушным потоком, который тестируют производители, и (турбулентным) переходным тестом. Поток, который создается в аэродинамической трубе с постоянным состоянием, редко встречается в реальной жизни и является погранично приемлемым для велодрома.

Имейте в виду, что многие колесные компании используют пользователей интернет-форумов как метод подрывной продажи реальности, которой не существует, под предлогом невозможной экономии энергии. Я НЕ ПРОДАЮ КОЛЕСА, поэтому у меня нет корыстных интересов, и я остаюсь беспристрастным.

Короче говоря, колесные компании преувеличивают экономию мощности и проводят испытания с использованием методов, которые неприемлемы для использования на дорогах. Если они говорят вам обратное, они категорически лгут, и я буду рад доказать это в суде.

Введение

С точки зрения сопротивления, вызываемого велосипедистом, наибольшие потери вызывает сам велосипедист, за которым следуют колеса и рама.

Сопротивление, вызванное колесами, значительно по двум основным причинам. Во-первых, они первыми попадают в воздух, поскольку являются наиболее выдвинутой вперед частью велосипеда, а во-вторых, потому что они вращаются. Эффективная скорость воздуха в верхней части колеса/покрышки вдвое превышает скорость велосипеда.

В велосипедной индустрии аэродинамические испытания колес обычно проводятся двумя группами людей - производителями колес и журналистами. Производители колес обычно корректируют тесты, чтобы их конкретные колеса выглядели более выигрышно по сравнению с конкурентами. Обычно это достигается сочетанием регулировки скоростей и углов. В реальности такой тип тестов не является беспристрастным.

С другой стороны, журналисты обычно посещают местный университет и просят какого-нибудь умника провести для них тестирование и предоставить им результаты или идут на местный велодром, берут скорость и смотрят, сколько энергии потребляют колеса.

Обе вышеперечисленные методики тестирования не являются репрезентативными для реального мира. В качестве сравнительной аналогии можно привести расход топлива для автомобиля, движущегося по идеально гладкой, как стекло, поверхности дороги без ветра и без изменения скорости - это совершенно нереально.

Проведенные испытания обычно являются устойчивыми. Анализ установившегося состояния предполагает, что колеса, велосипед и велосипедист находятся в хорошей среде, где воздух падает на них с идеальной скоростью и под идеальным углом. Затем регистрируется сопротивление.

В реальном мире очень немногие велосипедисты способны поддерживать скорость 50 км/ч в течение длительного времени, поскольку они просто недостаточно подготовлены. В реальности на открытой дороге ветер не приходит под идеальным углом, его скорость меняется, а такие вещи, как уличная мебель (изгороди, бордюры, проезжающие машины, раскачивание велосипедиста слева направо), нарушают воздушный поток над велосипедистом. Моделирование такого типа ситуаций называется анализом переходных процессов. Технически сложнее проводить анализ переходных процессов как в CFD, так и в аэродинамической трубе. Большинство аэродинамических труб не приспособлены для проведения анализа переходных процессов.

В настоящее время производители колес используют взвешенный анализ углов рысканья и скоростей, чтобы дать общий рейтинг для своих колес. Имейте в виду, что они могут изменять весовые коэффициенты, чтобы их колеса выглядели лучше!

Более совершенным методом анализа является анализ переходных процессов в аэродинамической трубе. Для этого требуется аэродинамическая труба с горизонтальными и вертикальными жалюзи для придания воздуху завихрений до того, как он попадет на велосипед и водителя. Это позволяет получить гораздо более реалистичную оценку сопротивления, поскольку имитирует дорожные условия.

Общее руководство

Углы рысканья
Производители колес рекламируют свои колеса как обладающие фантастическим сопротивлением при различных углах рысканья. Эффективность их маркетинга поразительна, поскольку многие пользователи Интернета также верят в это.

По законам физики, для среднего велосипедиста максимальный угол рысканья до полного отрыва составляет около 12 градусов. Более тупое (тороидальное) сечение может достигать 15, но это действительно предел. На этот предел разделения влияет переменная, известная как число Рейнольдса (комбинация скорости, плотности, профиля формы и вязкости).

Аэродинамический дизайн - это всегда компромисс, увеличение точки разделения при больших углах рысканья всегда отрицательно скажется на сопротивлении при очень малых углах рысканья (<5 градусов).

По результатам многократных испытаний, колеса с очень хорошими переходными характеристиками лучше всего подходят для среднего велосипедиста.

Шины
Это руководство является единым для всех. Очень важно устанавливать шины, которые немного уже или находятся на одной линии с тормозным путем обода колеса. Вздутая шина будет значительно влиять на тягу.

В последнее время наблюдается тенденция к использованию более широких шин на велосипедах. С точки зрения аэродинамики, ширина задней шины имеет незначительное влияние, но ширина передней шины имеет гораздо большее влияние, поэтому рекомендуется использовать переднюю шину 23 мм, независимо от того, рассчитано ли колесо на шины 25 мм. На скоростях свыше 30 км/ч с точки зрения аэродинамики выгоднее иметь 23-мм шины, чем 25-мм передние шины.

Протокол испытаний

Протокол испытаний является результатом "работы в выходные дни" группы аэрокосмических инженеров из Бристоля, Англия. Протокол испытаний сильно отличается от тестов производителей. Он принципиально беспристрастен и имитирует реальные условия езды в том смысле, что моделирует переходное движение воздуха. Особое внимание уделяется колесам, которые эффективно справляются с разделением и повторным соединением воздушного потока, очень мало внимания уделяется езде на велосипеде прямо на встречный ветер при нулевом градусе рыскания - это нереально, так зачем проводить испытания. В аэродинамической трубе контролировалась температура и влажность.

На графике ниже показан пример одной поездки, когда велосипедист ехал по прямой дороге с почти постоянной скоростью. Очевидно, что ни скорость воздуха, ни угол рысканья не были постоянными.

тест1

Реальная база для этого протокола основана на двух подгруппах велосипедистов в районе Бристоля (Великобритания). Велосипедисты, которые являются хорошими клубными гонщиками со средней скоростью 30 км/ч, и триалисты со средней скоростью 50 км/ч. Данные их поездок с точки зрения эффективного угла рысканья, скорости и распределения давления воздуха записывались в течение 6 месяцев. Эти данные были оценены, обобщены и преобразованы в протокол, подходящий для аэродинамической трубы. Метод преобразования заключался в статистическом анализе дорожных условий, применении быстрого преобразования Фурье к данным и проведении нескольких тестовых симуляций для проверки. Два дискретных протокола показаны ниже.

ГРАФИКИ НЕ ПРЕДСТАВЛЯЮТ СОБОЙ ЦИКЛ ЕЗДЫ, ОНИ ПОКАЗЫВАЮТ ПАРАМЕТРЫ, НА КОТОРЫХ БЫЛИ ПРОТЕСТИРОВАНЫ КОЛЕСА. У аэродинамических труб есть ограничения, и часть сбора данных заключается в проверке данных в процессе их обработки. Позднее исправление ошибок требует больших затрат времени и средств. Для воспроизведения переходных условий допустимо использовать пульсирующую скорость или угол пульсации. Испытания на рампе были использованы для проверки одного против другого для каждой колесной пары.

тест2

тест3

В ходе исследования было обнаружено, что микрокоррекции гонщиков и несколько случайный характер скорости ветра и отклонения угла рысканья вызывают переходные реакции комбинации мотоцикла и гонщика. Это было гораздо хуже для колес, поскольку они вращались во встречном потоке воздуха. По сути, гонщик, едущий по идеально прямой линии на встречный ветер, создавал турбулентность/пушистость/флаттер за счет раскачивания мотоцикла из стороны в сторону. Угол рысканья, который считался бы нулевым при стабильном анализе, при учете переходных эффектов становится больше на 5-6 градусов.

Этот протокол имитирует буферизацию велосипедиста в конфигурации воздушного потока и выдает общее среднее значение сопротивления по времени и, следовательно, среднюю мощность. Он предназначен для отсеивания колес, которые имеют плохие переходные характеристики. Линии на протоколах показаны для полноты, они не означают, что этот протокол благоприятствует ветреным условиям.

Переходное и установившееся сопротивление

Концепция переходных эффектов сопротивления хорошо известна в низкоскоростных аэрокосмических приложениях, таких как военные разведывательные беспилотники. Эта концепция переходных процессов не была применена к продуктам, связанным с велосипедами, несмотря на чрезмерную чувствительность соответствующих векторов скорости. Например, скорость поперечного ветра на велосипеде часто превышает скорость движения вперед (соотношение > 1). Для сравнения для автомобиля соотношение скорости переднего и встречного ветра составляет 0,25 при типичной крейсерской скорости 100 км/ч.

Существенным препятствием при попытке точного измерения сопротивления велосипеда и велосипедиста является прерывистость тела. Существуют большие участки без твердого тела (например, от обода колеса до втулки, треугольники труб рамы, зазоры между шинами и рамой). Это приводит к неизбежному отделению свободного потока от поверхности тела и приводит к аэродинамическому бафтингу или аэроупругим эффектам (флаттер). Это приводит к тому, что потоку требуется длительное время, чтобы успокоиться, и неизбежно за это время изменяется другая переменная, и процесс повторяется.

Чтобы проиллюстрировать влияние переходного сопротивления, на графике ниже показан угол рысканья, который увеличивается в шаговых вводах на 2 градуса каждые 10 секунд (показаны метки данных). Этот угол отображается в зависимости от силы сопротивления в установившемся и переходном режимах.

Линия установившегося состояния показывает эффективность сопротивления колесной пары, когда показаниям дают установиться, а затем отмечают.

Линии переходных процессов более репрезентативны для реальной жизни. В случае сбора данных был установлен базовый угол рысканья и наложено движение 2,5 град/с. При возникновении колебаний произошло немедленное увеличение сопротивления на обеих парах колес. При 4 градусах рыскания была заметна разница между колесами Reynolds и FLO. Колеса Рейнольдса справлялись с неустойчивостью и бафтингом гораздо лучше, чем колеса FLO. При углах более 12 градусов ни одно из колес не смогло эффективно сдерживать бафтинг, и произошло полное разделение.

Почти в каждом случае сопротивление в реальном мире намного больше, чем в сценарии устойчивого состояния. Оно особенно преобладает на колесах, поскольку они вращаются, и чистая скорость в верхней части колес вдвое превышает скорость движения вперед.

тест4

Время, проведенное при различных углах рысканья

Несмотря на то, что основной целью данного исследования было создание протокола аэродинамической трубы для анализа дорожных условий. Некоторые из собранных данных могут быть использованы для общих расчетов.

Приборы, использованные для анализа дороги, имели частоту дискретизации 1024 раза в секунду. Сочетая этот уровень точности со стандартными протоколами фильтрации, можно было определить эффективный угол рысканья мотоцикла и водителя. Снизив разрешение, данные были преобразованы в формат, который соответствует маркетинговым отделам производителей колес для зависимости угла рысканья от времени, проведенного под этим углом. При этом снизилась точность результатов, но они приведены для сравнения.

Следует отметить, что данные переходного периода лучше отражают фактическое время под углом, так как в них учтены микропоправки на управление, вносимые гонщиком, и мгновенные поправки на скорость ветра. Фильтрация для устойчивого состояния путем уменьшения частоты дискретизации устранила нестабильность. В целом, зависимость сопротивления от скорости изменения угла рысканья лучше предсказывает реакцию в свободном потоке при углах ниже точки разделения секции.

Если рассматривать всю комбинацию велосипеда и водителя, то влияние колес сравнительно мало по сравнению с сопротивлением, вызванным водителем, поэтому переходный характер сопротивления колес уменьшается. Тяговое усилие велосипедиста является доминирующей частью системы. Эффект переходной реакции уменьшается по мере увеличения отношения скорости движения вперед к скорости вихря (поперечного ветра). Таким образом, чем быстрее едет велосипедист, тем меньше влияние переходных процессов.

тест5

тест6,7

Влияние ширины шины на аэродинамические характеристики

В последние годы в велосипедной промышленности наблюдается общая тенденция к увеличению ширины шин. В основном это было вызвано тем, что производители шин и колес перешли на бескамерные конструкции, исходя из того, что более широкая шина имеет меньшее сопротивление качению. В то время как эффект сопротивления качению и более благоприятного пятна контакта хорошо документирован, влияние на аэродинамическое сопротивление оспаривается. Некоторые производители колес утверждали, что их колеса более аэродинамичны с более широкими шинами - чтобы это утверждение было обоснованным, колеса должны были иметь более низкий суммарный коэффициент аэродинамического сопротивления, чтобы преодолеть увеличение лобовой площади.

На графиках ниже показано сравнение двух колес - узкого Shimano C60 и более широкого Enve 7.8. Было ясно видно, что раздутая шина (25 мм на ободе Shimano C60) оказывает значительное влияние на сопротивление, особенно на высоких скоростях. В отличие от этого, эффект от более широкого колеса Enve был гораздо менее значительным. В обоих случаях узкая шина снижала сопротивление. Шины Continental при установке, как правило, были немного шире заявленной ширины.

тест8

тест9

Интерпретация данных

Эти данные следует интерпретировать подобно показателям расхода топлива для автомобиля. Они предназначены для того, чтобы дать типичное представление о том, сколько энергии поглощается в течение ВСЕГО цикла езды на данной скорости. Важно отметить, что колеса, быстрые на скорости 50 км/ч, не обязательно будут самыми быстрыми на скорости 30 км/ч.

МАКСИМУМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОШИБКИ был рассчитан как +/- 2,5%, середина диапазона построена для каждого значения для поддержания согласованности.
Глубина обода разделена на классы для облегчения сравнения, она может не совпадать с заявленным размером от поставщика.
Показатель мощности при анализе переходных процессов намного хуже, чем при анализе установившегося режима.
Комментарии указаны для всего, что заслуживает внимания
Положение велосипедиста было в пределах +/-10 мм для каждого заезда, это было подтверждено с помощью реверсивной нажимной рейки для удаления любых ложных данных. Были комментарии о том, что велосипедист не может сохранять фиксированное положение в течение всего цикла - протокол не требует этого, проверка ошибок встроена. Хотя это необычно для велоспорта, устранение сопротивления придатков является обычным делом в аэрокосмической промышленности, поэтому была применена та же техника.
Контрольной шиной была пара Continental GP4000SII 23 мм с давлением 8.25BarG, есть несколько комбинаций колес и шин, которые выделены желтым цветом, показывая отклонения от контрольной шины, они были включены для справки.
Включено вращательное усилие, необходимое для раскрутки колеса (большинство производителей не включают этот показатель, который составляет от 25 до 30 процентов, заметным исключением является Swiss Side).
Положение для езды (расслабленные капюшоны) остается неизменным независимо от скорости. В действительности на высоких скоростях необходимо было бы изменить позу езды, но это сделало бы тест недействительным.

тест10

тест11

Кто проводит испытания в переходных условиях?

На сегодняшний день единственной компанией, которая подтвердила, что проводит испытания на турбулентность (переходные условия) и учитывает ее при проектировании, является SwissSide. Жан-Поль Баллад из SwissSide прокомментировал видео на Youtube, показанное выше.

Несмотря на неподтвержденную информацию, некоторые особенности колес Mavic позволяют предположить, что они либо разрабатываются для турбулентных условий, либо тестируются в них.

Выводы

Велосипедистов долгое время кормили диетой из колес, тестируемых на скорости 50 км/ч. Эта скорость не подходит для подавляющего большинства велосипедистов, поскольку они не могут поддерживать мощность, необходимую для такой скорости. Существует общее мнение, что большинство катаний происходит при углах рысканья менее 10 градусов. Хотя это утверждение может быть верным, если вы едете со скоростью 50 км/ч, на более скромных скоростях этого не происходит. При езде как на скорости 50 км/ч, так и на скорости 30 км/ч влияние микрокоррекции рулевого управления, турбулентности от самого ветра и внешних объектов вызывает нестационарный турбулентный поток над колесами. Это явление приводит к увеличению эффективного угла рысканья, испытываемого колесами.

Колеса, показавшие хорошие результаты, были заметно устойчивы к возникновению зон турбулентности
Колеса, показавшие хорошие результаты, достаточно хорошо смягчали возникающую турбулентность
Колеса, показавшие хорошие результаты, имели более низкое сопротивление вращению по сравнению с конкурентами.
Колеса с более глубоким сечением обода, как правило, более аэродинамичны, чем с мелким.
Разница между колесами одинаковой глубины очень мала, и человеку было бы трудно обнаружить ее во время езды.
Разница между низкопрофильным и глубоким колесом будет улавливаться человеком во время езды.
Велосипедные колеса FLO и Hunt показали себя плохо, похоже, что они были разработаны людьми с ограниченным пониманием аэродинамики вращающихся объектов. Поэтому они создавали ненужное разделение и не могли справиться с разделенным воздушным потоком.
Диск Aerocoach и переднее колесо с глубоким сечением 75 мм показали довольно интересные результаты. Это колесо было по сути алюминиевым колесом с обтекателем на клипсах. На низких и умеренных скоростях колесо работало разумно, но при увеличении скорости оно начинало работать довольно нестабильно. Конструкция переднего колеса является сельскохозяйственной, и между спицами и неструктурным обтекателем имеются большие зазоры. Эти зазоры создавали возмущения давления и заставляли поток вести себя нестабильно. По мере увеличения скорости производительность мотоцикла становилась довольно низкой по сравнению с ближайшими конкурентами, и это в основном было связано с плохой конструкцией переднего колеса. Фотография проблемы показана ниже12

Если вы собираетесь использовать данные из этой статьи для принятия решения о покупке, пожалуйста, используйте их с осторожностью. Некоторые аспекты колес, такие как общее качество сборки, тормозные характеристики, ступицы и простота обслуживания, не измеряются. Эти факторы следует принимать во внимание соответствующим образом.

(Оригинальная публикация размещена по адресу: https://www.hambini.com/testing-to-find-the-fastest-bicycle-wheels/)