Einige Leute haben uns verständlicherweise gefragt: „Wie können drei Nerds ein schnelleres Rennrad bauen als der Rest der Branche?“ Und wir verstehen das – außergewöhnliche Behauptungen erfordern eine außergewöhnliche Rechtfertigung. Heute möchte ich über die aerodynamische Seite der Antwort auf diese Frage sprechen (unter anderem, weil Stephen mich wegen meiner Unkenntnis beurteilen könnte – oder sollte –, wenn ich versuche, über die anderen Dinge zu sprechen).
Was machen wir anders? Aerodynamik ist keine neue Wissenschaft – einige Leute, die viel klüger waren als ich, veröffentlichten die Gleichungen, die wir für die meisten Aero-Simulationen verwenden, bereits Mitte des 19. Jahrhunderts, als Dampfmaschinen das Neueste waren. CFD wurde erfunden, als das Wort „Computer“ noch Leute bezeichnete, die gut in Mathe waren. Wir machen hier also nichts Verrücktes. Vereinfacht gesagt, tun wir zwei Dinge, und wir tun sie gut:
- Wir verwenden die richtigen Werkzeuge für die Aufgabe.
- Wir folgen der Wissenschaft – Design entsteht als Ergebnis von Daten; nicht von Gefühlen, Budgets, Fristen oder Marketing.
Was bedeutet das also (im Detail) genau?
Das richtige Werkzeug für den Job verwenden
Fragen Sie einen Luft- und Raumfahrtingenieur, wie er ein Flugzeug entwirft, und keiner wird Ihnen sagen, dass er mit vollwertiger CFD (Computational Fluid Dynamics) beginnt, wie es in der Fahrradindustrie teilweise der Fall ist. Warum nicht? Weil die Erfahrung gezeigt hat, dass es viel bessere Werkzeuge gibt, um zu beginnen.
So wie Sie eine Holzbearbeitung nicht mit 3000er-Schleifpapier beginnen würden, sollten Sie auch ein aerodynamisches Design nicht mit voller Navier-Stokes-CFD beginnen. Sie beginnen mit einer Säge oder einer groben Feile, nähern sich dem Endergebnis und gehen dann zu immer zeitaufwendigeren Methoden über, je näher Sie Ihrem gewünschten Ergebnis kommen. Bei der Aerodynamik ist es dasselbe.
Was ist also das grobe Werkzeug für Aero? Es gibt viele Optionen. Im Groben gibt es die Überschlagsrechnung. Wenn ich den Fahrradwiderstand um X reduzieren möchte, welchen CdA muss ich erreichen, und welche Kombination aus Widerstandskoeffizient (Cd) und/oder Fläche (A) brauche ich, um dorthin zu gelangen? Solche einfachen Dinge können uns als Ingenieuren sagen, wie aggressiv wir sein müssen, um das zu erreichen, was wir wollen – so haben wir zum Beispiel entschieden, dass der RAKTT eine weniger proprietäre Vorbau-Befestigungsmethode verwenden könnte als die Konkurrenz und sie trotzdem in der Leistung schlagen würde.
Als Nächstes kommen die physikalisch basierten Computersimulationen. Die Navier-Stokes-Gleichungen (die viele verwenden) sind großartig, aber teuer. Es gibt viele vereinfachte Gleichungssätze, die einen Teil der Physik der Aerodynamik abdecken, und mit Erfahrung und sorgfältigem Verständnis ihrer Einschränkungen kann man damit wirklich solide frühe Entwürfe erstellen. Ich will hier nicht zu sehr ins Detail gehen, aber wenn es Sie interessiert, gehören zu den nützlicheren Gleichungssätzen für fahrradrelevante Strömungen (in der Reihenfolge der ungefähr steigenden Kosten) Vortex-Gitter, Potential, volles Potential, Euler, Reynolds-gemittelte Navier-Stokes (RANS, was die meisten Leute verwenden), instationäres RANS, hybrides RANS-LES (Large Eddy Simulation), LES und DNS (Direct Numerical Simulation). Alle außer der letzten treffen gewisse Annahmen über die Natur der Strömungsphysik und geben einen Teil der realen Physik auf, um Kosten zu senken, während sie alle nützliche Informationen liefern. Kein Modell ist perfekt, aber einige sind nützlich.
Bisher haben wir uns nur auf immer leistungsfähigere Computer gestützt. Der nächste Schritt in der Komplexität ist die beste Strömungssimulation der Welt: Wir lassen die tatsächlichen Flüssigkeiten die Simulation für uns durchführen. Auch hier gibt es verschiedene Komplexitätsstufen. Die meisten Fahrrad-Windkanäle sind kostengünstig, aber der Kompromiss ist, dass sie sehr hohe Turbulenzwerte aufweisen und daher weniger der Realität entsprechen. Um geringe Turbulenzen zu erzielen, verwendet ein Windkanal Gitter vor der Teststrecke, um die Luft zu glätten, aber diese Gitter verlangsamen auch die Luft und verursachen dadurch mehr Energie. Ein kleinerer Windkanal mit hoher Turbulenz kann Hunderte von Dollar Strom pro Stunde verbrauchen, während die größeren, sehr turbulenzarmen Windkanäle Hunderttausende kosten können. Manchmal spielen die Turbulenzwerte eine Rolle, manchmal nicht. Die Kunst besteht darin zu wissen, wann und wie stark die Turbulenzwerte eine Rolle spielen, damit die Ergebnisse eines bestimmten Kanals entsprechend angewendet werden können. Eine interessante Randbemerkung: Turbulenzwerte spielen bei Fahrradbekleidung eine GROSSE Rolle, und unsere Verwendung von Windkanälen mit hoher Turbulenz in der Fahrradindustrie ist der Grund, warum ich glaube, dass wir noch einen langen Weg vor uns haben, bis die Aerodynamik der Kleidung ihren Höhepunkt erreicht.
Einer der vielen Windkanäle, die wir uns im Radsport wünschen würden – beachte das winzige Auto ganz rechts. Bildquelle Oleg Alexandrov, unter der Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported Lizenz.
Schließlich gibt es, wie Sie vielleicht vermuten, tatsächliche Praxistests. Sie sind oft teuer, weil man ein funktionsfähiges Fahrrad und spezifische Instrumente benötigt, und weil die reale Welt chaotisch und unvorhersehbar ist, muss man oft viele Tests durchführen, um Variablen wie Windschwankungen, Höhenänderungen, Fahrposition usw. auszuschließen. Wir sprechen hier von Methoden, die über die Chung-Methode hinausgehen. Das ist großartig, um den gesamten CdA zu erhalten, aber mit der richtigen Instrumentierung und der Art von Tests, über die ich spreche, kann man die Strömung über das gesamte Fahrrad charakterisieren und Aerodynamik buchstäblich in der realen Welt sehen, was anspruchsvoller, aber auch weitaus wertvoller ist. Meines Wissens ist Stromm das einzige Unternehmen in der Fahrradbranche, das dies getan hat.
Der Wissenschaft folgen
Bei Stromm nutzen wir die meisten dieser Methoden. Wir beginnen mit den groben Werkzeugen, verfeinern unsere Designs ein wenig, erhöhen die Komplexität und verfeinern dann noch ein wenig mehr – wir erhöhen und verringern die Komplexität nach Bedarf, bis wir ein Design erhalten, das wir bauen und fahren wollen. Wir durchlaufen diesen Zyklus so oft wie nötig, um das gewünschte Fahrrad zu erhalten. Wenn ein Fahrrad nicht die gewünschte Leistung erbringt, versuchen wir es erneut, bis es passt. Fristen bestimmen unseren Designprozess nicht, nur Ergebnisse. Am wichtigsten ist jedoch vielleicht, dass wir während des Prozesses lernen. Jedes Mal, wenn wir die Komplexität unserer Werkzeuge erhöhen, lernen wir ein wenig darüber, wo die einfacheren Werkzeuge gut funktionierten und wo nicht, und wir kehren zurück und wenden dieses Wissen an, um die einfacheren Werkzeuge beim nächsten Mal besser zu nutzen. Das RAKTT ist unser erstes öffentliches Rennrad, aber es ist tatsächlich das vierte Rennrad, das wir zu einer fahrbaren Maschine gebaut haben, und jedes dieser drei früheren Fahrräder ermöglichte es uns, den Einsatz unserer Werkzeuge so zu verfeinern, dass wir uns sehr, SEHR sicher waren. Wir können mit unseren weniger originalgetreuen Werkzeugen eine höhere Genauigkeit erzielen, als viele mit wesentlich teureren Navier-Stokes-Simulationen erreichen können.
Bei den meisten dieser Fahrräder haben wir aerodynamische Tests auf der Straße durchgeführt. Jeder Test half uns herauszufinden, wo genau am Fahrrad und in welchen Windbedingungen unser Windkanal und unsere Computermodellierung die richtige Antwort (oder nicht) lieferten und um wie viel. Soweit ich weiß, gibt es keine anderen Fahrradfirmen, die dies tun, aber es ist unglaublich hilfreich, weil es uns hilft, unsere Arbeit zu überprüfen. Es ermöglicht uns, alle unsere Modelle bei Bedarf neu abzustimmen, um die besten Genauigkeitsvorhersagen zu den geringstmöglichen Kosten zu erhalten. Und dieser iterative Lernprozess ermöglicht es uns, bei unseren Leistungsangaben auf dem Niveau der Luft- und Raumfahrt zu sein.
Sie werden bemerken, dass ich hier Budgets, Marketing oder Fristen nicht oft erwähnt habe. Wir haben ein ganzes Jahrzehnt gebraucht, um ein Rennrad zu bauen, das wir gut genug zum Verkauf fanden. Ich habe die Anzahl der Design-Iterationen für jedes Rohr oder die Anzahl der Simulationen, die wir durchgeführt haben, nicht gezählt, aber es ist SEHR viel. Wir haben viele Designs verworfen, die wir für wirklich cool und revolutionär hielten, weil sie, obwohl sie beeindruckend aussahen, einfach nicht so gut funktionierten. Hätten Designs, die radikal anders aussahen, das Marketing einfacher gemacht? Vielleicht, aber das Fahrrad wäre langsamer oder weniger nutzbar gewesen. Und obwohl wir keine unnötig teuren Werkzeuge verwenden, scheuen wir uns nicht, das auszugeben, was nötig ist, um die Arbeit zu erledigen. Der Großteil der Ausgaben unseres Unternehmens fließt in Forschung und Entwicklung jeglicher Art. Die Wissenschaft steht an erster Stelle, und wir finden heraus, wie wir die Logistik zum Laufen bringen, sobald wir mit einem großartigen Design zufrieden sind, das wir selbst fahren möchten.
Insgesamt ermöglicht uns der Einsatz der richtigen Werkzeuge und die Einhaltung wissenschaftlicher Prinzipien, eine höhere Leistung aus unserem F&E-Prozess herauszuholen. Wir haben viel Zeit und Mühe in die Verfeinerung dieses Prozesses investiert, aber der beste Weg, das schnellste Rennrad der Welt zu bauen, ist zunächst sicherzustellen, dass man die effektivsten Designwerkzeuge und -prozesse besitzt.
Was ist mit RAKTT?
Hoffentlich sind diese Details für Sie genauso cool und interessant wie für uns, aber was ist mit den Besonderheiten, wie sich das alles auf unser RAKTT-Rennrad ausgewirkt hat?
Für den RAKTT haben wir unsere weniger originalgetreuen Werkzeuge verwendet, um mehrere vielversprechende Konzepte zu entwickeln. Jedes Konzept hatte eine deutlich andere Rohranordnung, und alle waren modular aufgebaut, um verschiedene Kombinationen ausprobieren zu können. Sobald wir mit jedem innerhalb der Genauigkeit unserer Low-Fidelity-Tools zufrieden waren, überprüften wir bei Bedarf mit High-Fidelity-Tools, um sicherzustellen, dass wir auf dem richtigen Weg waren. Wir haben all diese Konzepte in den Windkanal gebracht, was wir früh im Designprozess tun, damit wir Zeit haben, das Gelernte im Kanal anzuwenden. Dann haben wir die siegreichen Konzepte überarbeitet, um sie, wo möglich, zu verbessern und sie zu einem kohärenten Rahmendesign zu verbinden.
Insgesamt waren wir mit dem Prozess sehr zufrieden. Wir erreichten eine Genauigkeit auf Luft- und Raumfahrtebene, indem wir unsere Low-Fidelity-Tools und den Windkanal verglichen. Das ist eine große Leistung, selbst für große Rüstungsunternehmen, geschweige denn für drei Nerds in einer Garage, also verzeihen Sie uns bitte, wenn wir hier unser eigenes Horn blasen. Eine weitere interessante Kleinigkeit: Die Kombination von Konzepten, die wir für die schnellste hielten, war es nicht. Sie war etwas proprietärer, hatte aber keine nennenswerten Widerstandseinsparungen. Das hat uns etwas überrascht, aber es ist eine gute Nachricht – wir werden gerne ein weniger proprietäres Fahrrad herstellen, das genauso schnell ist wie unsere verrückteren Ideen.
Unser Low-Fidelity-Designprozess ist unglaublich proprietär – er ist die Geheimwaffe, die es uns ermöglicht, mit den größeren Akteuren auf dem Aero-Rennradmarkt zu konkurrieren. Ich kann nicht viel verraten, aber wir verwenden hier den größten Teil unserer Designbemühungen. Zum Beispiel haben wir allein für die Gabel mehr als 70 Rohrformen entwickelt, die aus Hunderten von weniger geeigneten Kandidaten und Tausenden von früheren Optionen hervorgegangen sind. Und wieder haben wir unsere Low-Fidelity-zu-Realität-Korrekturen so gut im Griff, dass unsere Vorhersagen immer innerhalb von 5 % der realen Welt lagen und oft sogar näher bei 1–2 %.
Nur einige der Tausenden von Rohrformen, die im Interesse höherer Geschwindigkeit getestet wurden.
Unser High-Fidelity-Designprozess ist viel gängiger. Wir verwenden den OpenFOAM Open-Source-CFD-Löser und das entsprechende Ökosystem. Wenn wir so von unserer Low-Fidelity überzeugt sind, fragen Sie vielleicht, warum wir das brauchen? Nun, unsere Low-Fidelity kann nur durch Kalibrierung mit der realen Welt so genau sein, wie sie ist. Dieses High-Fidelity-CFD gibt uns frühzeitig Warnsignale, wann wir uns außerhalb des Designraums bewegen könnten, in dem wir uns auf diese Kalibrierung verlassen können, was dazu beitragen kann, Windkanalzeit zu sparen und uns zu sagen, wo wir diese Windkanalzeit am besten verbringen sollten. Die Windkanalzeit kommt der absoluten Wahrheit sehr nahe, ist aber teuer. High-Fidelity-CFD sagt uns, wo wir diese höheren Kosten benötigen, um unsere anderen Werkzeuge zu kalibrieren.
Für die Windkanaltests haben wir verschiedene Arten von Tests durchgeführt:
- Vergleiche kleiner Änderungen: Hier geht es um Formunterschiede von 0,5 Watt. Wir testen das Fahrrad selbst, um die geringe Unsicherheit zu erzielen, die wir für kleinste Formänderungen benötigen. Größere Änderungen erfolgen durch den Austausch von 3D-gedruckten Teilen des Fahrrads, während die kleinsten Änderungen durch kundenspezifische, wärmegeformte Tonanbauten in Echtzeit erfolgen. Haben Sie sich jemals gefragt, wie unser Fahrrad eine hervorragende Rad-Rahmen-Interaktion erzielen kann, ohne so eng beieinander zu sein wie andere? Kleine Tonänderungen im Windkanal sind der Schlüssel dazu!
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Umfassendes Benchmarking: Hier sehen wir, wie wir im Vergleich zu Wettbewerbern und früheren Designs abschneiden. Wir testen hier mehrere Varianten:
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Vergleich mit Mitbewerbern: Wir verwenden möglichst ähnliche Komponenten, selbst wenn dies unserem Fahrrad einen Nachteil verschafft. Obwohl wir die aerodynamischeren Komponenten, mit denen wir das Fahrrad verkaufen, als Vorteil anpreisen könnten, tun wir das nicht. Warum? Weil diese Vorteile auf den Komponenten und nicht auf RAKTT selbst beruhen. Wir führen diese Tests ohne Fahrer durch, um die Genauigkeit zu gewährleisten, und mit einer stationären Unterkörperattrappe mit horizontalen Kurbeln (ähnlich der von Tour Magazin verwendeten) für die Anwendbarkeit in der realen Welt. Stationäre Beine in dieser Position haben sich laut Forschern, die klüger sind als ich, als ausgezeichneter Durchschnitt der Gesamtwirkung beweglicher Beine erwiesen, ohne all die Datenunsicherheiten, die durch diese Bewegung entstehen.
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Komponentenauswahl: Wir testen verschiedene Komponentenauswahlen, um zu verstehen, wie sie das oben genannte Benchmarking beeinflussen, und um sicherzustellen, dass alle öffentlichen Behauptungen, die wir über unser Fahrrad aufstellen, unter allen vernünftigen Anwendungsfällen standhalten. Einige unserer Kunden möchten ihr RAKTT vielleicht auf hügeligerem Gelände fahren – machen flachere Laufräder unsere Gabel dann weniger aerodynamisch? Wir wollen das testen, damit wir es beim Design berücksichtigen können. Einige unserer Kunden fahren ohne Flaschen, verwenden Aero-Flaschen oder runde Flaschen – wie beeinflusst jede davon unseren Unterschied zu den Wettbewerbern? Diese Tests geben uns die Antwort.
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Von all den Windkanaltests, die wir durchführen, sind die öffentlich zugänglichen Testdaten unser bester Versuch, den Leuten die genaueste, realitätsnahe Antwort auf die Frage zu geben: „Welche Leistung kann ich erwarten, egal von welchem Fahrrad ich wechsle und welche Komponenten ich verwende?“ Das bedeutet zwar, dass es viele Situationen gibt, in denen das RAKTT mehr als 10 Watt schneller sein wird als andere, aber wir wollen nicht mehr bewerben, als wir sicher versprechen können. Insgesamt basieren unsere öffentlichen Daten auf einem Test ohne Flaschen, mit einer stationären Unterschenkelattrappe, 170 mm Kurbeln und 40 mm tiefen Laufrädern, denn das ist unser Worst-Case-Szenario für den Delta zwischen unserem Fahrrad und anderen. Sie tragen normalerweise zwei runde Flaschen? Großartig, ich auch! Wir werden beide wahrscheinlich einen noch größeren Leistungsvorteil mit RAKTT sehen, weil unsere Flaschenabschirmung hervorragend ist. Sie haben tiefere Laufräder? Großartige Wahl, ich auch – sie werden, im schlimmsten Fall, keinen Unterschied zu diesem 10-Watt/40-km/h-Leistungsdelta machen. Sie werden zu den kürzeren Kurbeln wechseln, mit denen das RAKTT serienmäßig ausgestattet sein wird? Großartig, Sie werden noch mehr Leistung erzielen, als wir angeben.
Wir möchten nicht, dass ein einziger Kunde weniger Leistungsverbesserung erhält, als wir ihm versprechen. Deshalb veröffentlichen wir genau diese Daten – selbst wenn es Daten gibt, die uns *noch besser* aussehen lassen könnten.
Würden uns andere Daten besser aussehen lassen? Sicher – aber wen interessiert das, wenn es dich in der realen Welt nicht schneller macht?
Nebenbei bemerkt, wir wollen Fahrer schneller machen – und nicht andere Hersteller beschämen, die ihr Bestes geben, um großartige Fahrräder herzustellen. Deshalb werden wir nicht veröffentlichen, gegen welche Fahrräder wir getestet haben. Wir stehen gerne zu unserer Leistungsbehauptung gegenüber jedem der schnellsten Fahrräder, die bisher vom Tour Magazin getestet wurden.
Schließlich werden wir, wie immer bei unseren Fahrrädern, Straßentests durchführen, um für das nächste Mal zu lernen. Wie wir das tun, ist ebenfalls sehr proprietär, aber es hilft uns, den letzten Unterschied zwischen dem Windkanal und den realen Luftbedingungen zu kalibrieren. Wir haben bereits alles gelernt, was wir für das Design des RAKTT brauchten, aber Straßentests mit dem RAKTT werden für einige zukünftige Projekte, die wir im Sinn haben, entscheidend sein.
Ich hoffe, das beantwortet einige Fragen, die wir zu unserem Prozess erhalten haben. Fühlen Sie sich frei, weitere Fragen zu stellen, wenn Sie neugierig sind! Wir können nicht alles teilen, denn dann könnten andere tun, was wir tun (und wir möchten gerne Essen kaufen können), aber wir sind große Befürworter von Transparenz in der Aerodynamik, und wir möchten unsere Kunden und andere Unternehmen ermutigen, solche Fragen zu stellen und zu beantworten. Wahrheit in der Aerodynamik macht uns alle schneller, und dafür stehen wir.
Vielen Dank für das Lesen!