Bevor wir überhaupt über das Callis oder ein bestimmtes Fahrrad nachgedacht haben, haben wir ein umfassendes Projekt gestartet, das darauf abzielt, die Aerodynamik von Fahrrädern besser zu verstehen und herauszufinden, wie wir sie verbessern können. Glücklicherweise hatten wir die Hilfe von Jens Brix Christensen, einem CFD-Spezialisten, der sich auch für Fahrräder begeistert. Sein Beitrag war für das gesamte Projekt von enormem Wert.
Aufbau einer Rohrform-Bibliothek
Der erste Schritt bestand darin, eine Sammlung von Rohrformen zu erstellen, für die wir den Luftwiderstand kennen, aber auch mechanische Eigenschaften, die für die Steifigkeit und das Gewicht eines Produkts wichtig sind. Wir führten 2D-CFD-Berechnungen an 79 verschiedenen Profilen durch, wobei wir das Verhältnis von Breite zu Länge, den Radius der Vorderkante, den Radius der Hinterkante und die Lage des breitesten Punkts variierten. Für jedes Profil erhielten wir den gewichteten Cd-Wert über eine Reihe von Gierwinkeln. Diese Gewichtungsfunktion ist ein großes Thema für sich und einen weiteren Blog-Beitrag wert.
Für jedes Profil berechneten wir auch den Umfang (der sich auf das Gewicht bezieht), Ix (seitliche Steifigkeit), Iy (frontale/vertikale Steifigkeit) und It (Torsionssteifigkeit). Ix und Iy können berechnet werden, aber für It gibt es leider keine exakte analytische Lösung, so dass wir für jedes Profil eine FEA-Studie durchführen mussten, was wir auch taten.
Durch die Skalierung der Profile und die Variation ihrer Wandstärke können wir eine unendliche Anzahl von Querschnitten erstellen, aus denen wir wählen können. Der typische Ausgangspunkt für uns ist ein Balkenmodell in FEA eines Rahmens, der auf Steifigkeit und Gewicht optimiert wurde.
Für jedes Rohr können wir dann entscheiden, wie viel zusätzliches Gewicht oder Steifigkeitsverlust wir für eine aerodynamischere Form akzeptieren können. Wenn wir unsere Datenbank entsprechend filtern, können wir die am besten geeignete Rohrform finden.
Rahmen Layout
Der nächste Schritt bestand darin, die grundlegenden Entscheidungen bei der Rahmenkonstruktion und ihren Einfluss auf die Aerodynamik zu untersuchen. Über 40 verschiedene Designs wurden in 3D-CFD getestet.
Wir haben untersucht, wo die Erhöhung der Querschnittstiefe am effizientesten ist. Es überrascht nicht, dass wir feststellten, dass dies im vorderen Bereich des Rahmens der Fall ist: Gabelbeine, Steuerrohr und Lenker treffen zuerst auf die Luft und haben daher den größten Einfluss. Eine wichtige Erkenntnis war, dass wir die Profiltiefe des Steuerrohrs nach vorne hin erhöhen sollten, nicht nach hinten. So haben wir eine scharfe Vorderkante, aber immer noch genug Platz für Kabel, Gabelschaft und Steuersatzlager.
Eine weitere interessante Erkenntnis war, dass es ein optimales Maß an Oberrohrneigung gibt. Wir hatten erwartet, dass ein waagerechtes Oberrohr am schnellsten ist, aber unser CFD hat gezeigt, dass das Hinzufügen einer gewissen Neigung tatsächlich den Luftwiderstand verringert. Erst wenn man so tief geht, dass die vom Oberrohr abströmende Luft auf das Hinterrad trifft, steigt der Widerstand.
Wahrscheinlich wegen der Neigung des Oberrohrs konnten wir keinen signifikanten Vorteil beim Absenken der Sitzstreben feststellen. Der Unterschied zwischen klassischen und abgesenkten Sitzstreben war geringer als der Fehlerbereich
Wir fanden heraus, dass wir mit einer tieferen Sattelstütze als der Faswerwerk Wuthocker Aero weniger als 1 W bei 45 km/h einsparen konnten, was sicherlich nicht den Nachteil bei der vertikalen Nachgiebigkeit wert ist, ein weiterer Leistungsparameter, der einen Blogbeitrag wert ist.
Nicht zuletzt hat die Integration des Gabelkopfes in das Unterrohr den Vorteil, dass das Unterrohr näher an das Vorderrad und die Flasche näher an die Horizontale gebracht wird, was den Luftwiderstand reduziert.
Bestätigung im Windkanal
Nachdem wir unseren ersten Prototyp auf der Grundlage unserer CFD-Erfahrungen entworfen und gebaut hatten, war es an der Zeit, in den Windkanal zu gehen. Der GST-Windkanal wird von den meisten deutschen Magazinen und vielen europäischen Marken für Tests genutzt, da er unglaublich genau ist und sich aufgrund seiner Größe und der geringen Windgeschwindigkeit perfekt für den Radsport eignet. Wir folgten dem gleichen Protokoll wie viele ihrer Kunden und maßen in einem Durchgang von -20° bis +20° Gier bei einer Windgeschwindigkeit von 45 km/h. Einige zusätzliche Messungen bei 35 km/h bestätigten, dass der bei 45 km/h gemessene CdA auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten gültig ist.
Wir nahmen ein anderes Fahrrad von bicycle.engineering als Referenz. Dieses Fahrrad hatte bereits einige aerodynamische Merkmale wie abgeschnittene Aero-Profile als Rohrformen, vollständig innenliegende Züge und Aero-Profil-Felgen. Wir tauschten Komponenten aus, um die Vorteile von Rahmen, Lenker und Laufrädern zu isolieren und die Komponenten zu finden, die am besten zur Aerodynamik des Rahmens passten. Wir warteten gespannt auf die Ergebnisse und waren sehr froh, als wir sahen, dass die Ergebnisse mit den CFD-Ergebnissen übereinstimmten. Im Vergleich zu unserem Referenzrad konnten wir bei 45 km/h 25 W einsparen. Von diesen 25 W entfallen 8,8 W auf den Lenker, 7,6 W auf den Rahmen und 8,9 W auf die Räder.
Wir haben auch einen Test mit 35 mm breiten Straßenreifen (Continental GP5000 AS) auf den GRC1100-Laufrädern durchgeführt. Wir haben die Daten mit einer älteren Messung verglichen, die das deutsche Roadbike-Magazin mit mehreren Aero-Rennrädern im gleichen Windkanal durchgeführt hat. Trotz der viel breiteren Reifen stimmen die Daten sehr gut mit dem Trek Madone aus dem Jahr 2020 überein, das in diesem Test eine solide Leistung zeigte.
