Ohita ja siirry sisältöön

Kirjoittajat:
Kyle Russ, biomekaniikan pääinsinööri
Wendy Ochs, vanhempi biomekaniikan insinööri
Paul Harder, Tutkimuksen ja tuotekehityksen pääinsinööri

Domanen hiilikuidun kehitys: IsoSpeedistä Gen 5:een

Ikoninen Trek Domane -pyörämalli on kehittynyt jokaisen sukupolven myötä, mutta sen johtoajatus on säilynyt muuttumattomana. Domane on mukava, luottamusta herättävä ja tehokas maantiepyörä, joka on tehty pitkäkestoisten, nopeiden ja hauskojen matkojen ajamiseen.

Domanen ensimmäinen sukupolvi luotiin 700 x 25c -renkaiden ja kapeaprofiilisia vanteita puristavien vannejarrujen ympärille. Jarrutustehoeduista huolimatta nämä kapeat renkaat vaativat todistetusti korkean paineen, joten Trekin insinöörit ja suunnittelijat loivat tuolloin vallankumouksellisen joustavuutta parantavan teknologian pehmentämään ajoa. Sitä kutsuttiin IsoSpeed-erottimeksi tai vain IsoSpeediksi. IsoSpeed loi joustavan liitoskohdan satulaputken ja vaakaputken välille, mikä antoi satulaputkelle mahdollisuuden joustaa paljon enemmän kuin tuonaikaisessa perinteisessä rungossa. Tämä teki ajamisesta entistä tasaisempaa ja mukavampaa.

Ratkaisu oli niin tehokas, että Domane auttoi Fabian Cancellaran, Lizzie Deignanin ja Elisa Longo Borghinin kaltaisia pyöräilijöitä nousemaan palkintokorokkeen huipulle Pariisi–Roubaix-kilpailun legendaarisella epätasaisten teiden testialustalla.

Vuosia jatkunut kilpailumenestys on kunniaksi Trekille, mutta pyöräteknologia on muuttunut paljon vuoden 2012 jälkeen. Hydrauliset levyjarrut ovat korvanneet vannejarrut, ja se on antanut mahdollisuuden suurempien renkaiden käytölle. Renkaiden tilavuus on kasvanut vähitellen, kun pyöräilijät ovat tavoitelleet entistä tasaisempaa ajokokemusta ja parempaa suorituskykyä. Tämä rengasvallankumous on avannut oven paljon entistä kevyemmälle polkupyörälle, joka on yksinkertaisempi, yhtä joustava kuin ennen ja polkemisjäykkyydeltään entistä parempi. Tässä kuvaan astuu Domane Gen 5.

Kuva 1: Kyle Russ ja Paul Harder siirtämässä mittareita testipyörästä toiseen Trekin Performance Research -laboratoriossa.

Domane Gen 5, yksityiskohtia myöten

Domane Gen 5:n suunnittelutiimi lähti liikkeelle kolmella tavoitteella: oli rajoitettava pyöräilijään siirtyvän värähtelyn tehoa, parannettava polkemisjäykkyyttä ja vähennettävä pyörän painoa. Värähtelyteho on Trek Performance Research -tiimin käyttämä indikaattori, joka mittaa pyöräilijään välittyvää energiaa epätasaisella ajoalustalla ajettaessa. Miten IsoSpeedin hylännyt pyörä pystyy kuitenkin tarjoamaan mukavan ajokokemuksen ja samalla entistä paremman polkemisjäykkyyden? Vastaus liittyy kolmeen osatekijään: satulatolppaan, runkoon ja renkaaseen.

Satulatolpan geometria ja hiilikuitulaminaatti optimoitiin pystysuuntaista myötäilevyyttä ja sivuttaisjäykkyyttä ajatellen. Satulatolpassa on ovaalinmuotoinen sisäinen poikkileikkaus, joka sallii tolpan joustamisen kovien iskujen kohdalla ja joka säilyttää sivuttaisjäykkyyden pyörää ohjattaessa, kun satulassa istutaan.

Kuva 2: Domane Gen 5:n satulatolppa tekemässä ajosta tasaista pystysuuntaisen myötäilevyyden testissä Trekin pyörivällä testimatolla.

Rungon puolella laminaatti on optimoitu sekä pystysuuntaista myötäilevyyttä että polkemisjäykkyyttä ajatellen. Uusi pyörä on saanut kuusi prosenttia paremman tuloksen Tour Magazine -lehden polkemisjäykkyystestissä², mikä sijoittaa Domane Gen 5:n täydellisesti Domane Gen 4:n ja Madone Gen 8:n väliin – keskiö ei ole aivan yhtä jäykkä kuin ylivertaisessa kilpapyörässä, mutta voimansiirto polkimiin on huomattavasti parempi kuin aiemmassa mallissa.

Kuva 3: Tehon tuottoa Domane Gen 5:llä.

Miksi pystysuuntainen myötäilevyys on vain osa kokonaisuutta

Historiallisesti runkoja on testattu asettamalla ne testauslaboratorion kiintokalusteisiin ja roikuttamalla satulasta painoja kokonaistaipuman mittaamiseksi rungosta ja satulatolpasta. Tämä on vakiokäytäntö, mutta siinä ei oteta huomioon järjestelmään kuuluvia kiekkoa ja rengasta. Testissä käytetään myös staattista kuormitusta realistisen dynaamisen kuormituksen sijaan. Kokonaisjärjestelmän myötäilevyyden testaaminen on siis haastavaa, erityisesti kun siihen sisällytetään epätasaisella ajoalustalla polkemisen dynamiikka. Tässä Trekin Performance Research -laboratorio tulee kuitenkin mukaan. Trekin Performance Research -laboratorio luotiin, jotta pyöräilijän ja pyörän välistä vuorovaikutusta voitaisiin tutkia dynaamisessa polkemisympäristössä.

Laboratorio on rakennettu Woodwayn valmistaman kustomoidun, sälerakenteisen juoksumaton ympärille, johon Trekin insinöörit voivat kiinnittää minkä tahansa ajoalustan. Tämä antaa Trekille mahdollisuuden tutkia pyörädynamiikkaa syvällisesti, ja sitä varten yhdistämme pyörivän maton erilaisiin tiedonkeruutyökaluihin. Keräämme tietoa kolmiulotteisella liikkeenkaappauksella sekä pyörään kiinnitetyillä venymäliuska-antureilla ja kiihtyvyysmittareilla, koska haluamme sanoa, että ”mittaamme kaiken töyssyn ja kehon välillä” laboratoriossa. Näiden keinojen avulla Domanen suunnittelutiimi pystyi varmistamaan, että seuraavan sukupolven Domane saavutti suorituskykytavoitteensa.

Värähtelytehon mittaaminen

Trek Performance Research -tiimi työskentelee talon sisällä jokaisen tuotekehitystiimin kanssa auttaakseen vastaamaan mukavuuteen, tehokkuuteen ja hallintaan liittyviin tutkimuskysymyksiin. Koska mukavuus on subjektiivinen käsitys tai tunne, pyrimme määrittämään datan avulla, mikä tekee pyörästä mukavan, jotta voimme vertailla prototyyppejä olemassa oleviin Trek-pyöriin sekä kilpailijoiden pyöriin.

Datan keräämisen näkökulmasta määritelmämme mukavuudesta on periaatteessa yksinkertainen: on vähennettävä värähtelytehon määrää, joka siirtyy pyöräilijään tietyllä nopeudella, ajoalustalla ja pyörällä. Vaikka asia on periaatteessa yksinkertainen, värähtelytehon datan keräämisen keinot ovat varsin monimutkaisia.

Kuva 4: Paul Harder ja Wendy Ochs valmistelemassa pyörää ja pyöräilijää seuraavaa testiajoa varten.

Domanen Gen 4- ja Gen 5 -mallit varustettiin voimantunnistavalla satulalla ja ohjaustangolla. Mittaamalla voiman kosketuspisteissä ja integroimalla nopeuden samoissa kohdissa olevista kiihdytysmittareista pystymme laskemaan jokaisen kosketuspisteen kautta pyöräilijään siirtyvän värähtelyn tehon. Asetimme tätä menetelmää hyödyntäen Gen 4- ja Gen 5 -mallit vastakkain jatkuvasti epätasaiselle ajoalustalle ja vaihtelimme nopeutta välillä 11,20–32,18 km/h ja vaihtelimme myös rengaspainetta.

Suositellut rengaspaineet asetettiin 32 ja 35 mm leveille renkaille käyttämällä Wolf Tooth -painelaskuria, joka ottaa huomioon ajoalustan olosuhteet, pyörän ja pyöräilijän painon, renkaan koon sekä renkaan rakenteen. Paineen vaihtelu asetettiin käyttämällä suositeltua painetta ±20 %. Vertailua varten 700 x 25c -koon renkaan kanssa käytimme historialliseen dataan perustuvaa sisärenkaan painesuositusta.



Kuva 5: Värähtelyteho 90,72 kilogrammaa painavassa pyöräilijän ja pyörän muodostamassa järjestelmässä epätasaisella ajoalustalla pyörivällä matolla.

Yllä oleva kaavio näyttää, että IsoSpeed hoiti kovimman osuuden myötäilevyydestä aikana, jolloin käytettiin 25 mm leveitä renkaita korkealla paineella ja sisärenkaalla. Jopa IsoSpeedin kanssa värähtelytehon siirtymä 25 mm leveillä renkailla on 19 % korkeampi verrattuna Gen 5:een ilman IsoSpeediä. Siirtyminen 32 mm leveistä 35 mm leveisiin renkaisiin kasvattaa renkaan sisäistä pinta-alaa noin 10 %. If pressure is kept the same, the total outward force acting on the tire casing therefore increases by 10%:lla. Tämä huomioiden painetta on laskettava 10 %, jotta rengasrungon ulospäin suuntautuva voima saadaan pidettyä muuttumattomana 32 ja 35 mm leveissä renkaissa.

Tämän tekeminen asettaa Domane Gen 5 -mallin enintään viiden prosentin päähän IsoSpeedillä varustetun Gen 4 -mallin värähtelytehosta. Se ei ole hullummin pyörältä, joka on 292 grammaa kevyempi ilman IsoSpeed-erotinta. Domanea ei tietenkään testattu pelkästään laboratoriossa. Kirjoituksen aikaan testiajajamme olivat ajaneet esituotannossa olevilla Gen 5 -pyörillä yli 400 tuntia ja 9 656 kilometriä.

Pyöräilijän ja pyörän liikkeen mittaaminen


Käytämme kolmiulotteista liikkeenkaappausta (tai ”mocapia”, joka on johdettu motion capture -termistä) tutkiaksemme, miten pyörä reagoi epätasaiseen ajoalustaan, josta syntyy suuria tai pieniä voimia, kiihtyvyyttä, ja siten värähtelytehoa. Kaappasimme pyöräilijän ja pyörän liikkeen kolmiulotteisesti käyttämällä 12:ta OptiTrack PrimeX 22 -infrapunakameraa nähdäksemme, miten Domanen Gen 4- ja Gen 5 -mallit käyttäytyivät pyörivällä matolla.

Kuva 6: Wendy Ochs tallentamassa kolmiulotteista liikettä.

Pyörät varustettiin heijastavilla merkeillä kaikin puolin, mikä antoi meille mahdollisuuden nähdä, miten eri pyörän alueet reagoivat ajoalustasta tuleviin vaikutuksiin kolmiulotteisessa tilassa. Rungon tasaisuutta pohdittaessa (eli kuinka tasaisen ajokokemuksen pyörä tarjoaa) tutkimme merkkejä keskiön ympärillä. Ymmärtääksemme, mitä pyöräilijä kokee satulassa, tarkastelemme lantion ja satulan liikkeitä. Yksinkertaisimmin sanottuna, mitä tasaisempi ajo on, sitä paremmin lantio ja satula on ”yhdistetty”. Toisin sanoen, kun ajetaan epätasaisella ajoalustalla, satula voi pompottaa pyöräilijää, mikä aiheuttaa lantion ja satulan erkaantumisen toisistaan. Vaihtoehtona on, että pyöräilijä voi nousta satulasta ajamaan seisten, mikä on erittäin kuluttavaa aineenvaihdunnan kannalta.

Alla oleva kaavio näyttää kierrosten yhdistetyn keskiarvon (eli keskimääräisen siirtymän yhtä pyörivän maton kierrosta kohti) nopeudella 32 km/h Domane Gen 4:llä 32 mm leveillä renkailla sekä Domane Gen 5:llä 35 mm leveillä renkailla. Kierroskohtaiset keskihajonnat näkyvät käyrän ympärillä olevilla kevyesti varjostetuilla alueilla. Käyrän alla olevat varjostetut alueet on täytetty läpikuultavalla sinisellä ja keltaisella värillä. Vihreä väri näyttää päällekkäiset alueet. Kaavion esittämät suuntaukset pitivät paikkansa kaikilla nopeuksilla, mutta keskitymme nopeuteen 32 km/h, koska se esittää pyörän suurimman pystysuuntaisen siirtymän ajoalustalla. Kuten voimme nähdä, ero ”rungon tasaisuudessa”, tai toisin sanoen pystysuuntaisessa keskiön siirtymässä, on 0,08 mm, kun taas satulan ja ristiluun välinen siirtymä tai ”erkaantuminen” vaihtelee vain 0,11 mm:llä. Toisin sanoen muutosero Gen 5- ja Gen 4 -pyörien välillä on lähestulkoon olematon.



Kuva 7: 3D-liikkeenkaappauksella tallennettujen kierrosten yhdistetty keskiarvo keskiön sekä satulan ja ristiluun välisen siirtymän osalta

Yhteenveto


Domane Gen 5 on entistä kevyempi ja yksinkertaisempi hiilikuiturunkoinen maantiepyörä, joka täyttää lupauksensa tasaisen, tehokkaan ajotuntuman suhteen. Tämä johtuu sen satulatolpan ja rungon geometriasta ja hiilikuitulaminaatista sekä 35 mm leveistä renkaista*. Domane Gen 5:ssä on säilytetty aiemman mallin kestävyysajoon luotu maantiepyörän geometria ja istuvuus, joita ajajat arvostavat. Ne tarjoavat pyöräilijöille mukavuutta, itsevarmuutta ja tehokkuutta, jotka ovat määrittäneet Domanea alusta lähtien.

*Kaikissa malleissa on rengastila 35 mm leveille renkaille lukuun ottamatta mallia SLR 9 AXS 1x.