硬核横评:38款轮组空气动力学性能对比 by Hambini

德国空气动力学博主Hambini发表过一个非常硬核的评测。他通过设置更符合真实路面骑行的实验条件,历时一年多,陆续测试了市面上38款轮组的空气动力学性能表现;尽管得出的结果正如大家所料——框高越高的轮组气动性能越好,但是个别几款产品的“异常”表现还是让吃瓜群众感到好奇。某个获得低分的轮组品牌,甚至给Hambini发去了律师信。

这到底是一篇怎样的评测?下面让陈主任以翻译+备注的形式带大家阅读,原文链接则在阅读原文处贴出。

为了说明这个评测的公正性,作者用了超长篇幅去解释评测的科学原理、方法和准则,如果你对这些部分不感兴趣,可以直接跳到“数据解读”部分,直接看结果。

前言

在一名自行车手产生的阻力中,最大的阻力来源是车手自身,其次是轮组和车架。

轮组产生的阻力十分显著,有两个根本原因:1,前轮是最先和空气接触的部件;2,轮组在旋转。轮组/轮胎顶部的有效气流速度是自行车前进速度的两倍。

在自行车行业里,轮组的气动性能测试主要由两拨人主导:轮组制造商和媒体。轮组制造商通常会调整测试,来让他们的轮组看上去比竞争对手优秀。这通常是以调整气流速度和角度来实现的。实际上这类测试并不客观。媒体则倾向于找他们当地的大学,找一些聪明的研究人员来进行测试,并提供结果;或者在当地的自行车馆,维持一个固定的速度,看不同的轮组需要消耗多大的功率。

以上两种测试方法都不符合实际。一个比喻就是,一台汽车以固定的速度行驶在完美平滑而且没风的路面上,得出的油耗是完全脱离实际的。

这种测试通常是定态的。定态分析会假设轮组、车子和车手在一个理想的环境中,气流以完美的速度和角度吹来,然后记录阻力。

在现实世界中,很少有车手能够保持50公里每小时的速度稳定骑行一段时间——因为他们没那么强。在现实中的开放道路,风并不会从一个完美的角度吹来,风速也会变化,路上的一些障碍物也会对吹向车手的气流造成干扰。将这些情况考虑进来建模,称为瞬态分析(transient analysis)。技术上,在CFD或者风洞中做瞬态分析更难,大部分风洞没有架撑做瞬态分析。

轮组制造商现在用加权的对航偏角以及速度的分析,来给他们的轮组评分。需要注意的是,他们可以调整权重来让他们的轮组看上去更叼。

一个高端的测试方法是在风洞中做瞬态分析。这要求风洞拥有水平以及垂直的风叶,让气流在接触车子和车手之前产生漩涡。这会让阻力的估算值更接近于真实路面情况。

总则

航偏角(Yaw Angles)

轮组制造商会宣称他们的产品在各种航偏角中都有漂亮的阻力数据。这种市场宣传方式效果显著,网上很多人都信这个。

根据物理定律,对于一个普通车手,气流在发生完全分离之前的最大航偏角是12°左右。对于更加钝/接近于圆形的截面,航偏角可能会高达15°,但这就是极限了。这个极限值受到一个叫雷诺数的变量影响(由速度、密度、截面以及粘滞系数共同决定)。

气动设计往往是一种妥协,增加大航偏角的分离点往往会对小航偏角(小于5°)的阻力产生负面影响。

在重复测试中,拥有上佳瞬态表现的轮组也最适合普通车手。

轮胎

这个指导原则是全部统一的。安装一条比刹车边窄一点点或者正好贴合的轮胎对气动表现至关重要。宽胎对阻力的影响非常明显。

如今的趋势是使用宽胎。从气动性能的角度讲,后轮胎宽度的影响很小,但是前轮胎的影响很大。因此,测试中前轮统一使用23mm轮胎,无论轮组是不是专门为了25mm轮胎而设计的。在超过30公里每小时的速度,23mm前轮胎的气动性能优势会更大。

测试准则

测试准则是一帮英国布里斯托尔航天工程师“炒更”做的。这个准则和厂商的测试非常不一样。这个测试从根本上保证客观,模仿现实世界骑行情况,模拟瞬态气流移动。测试重点放在处理气流分离以及重聚很高效的轮组上,不会关注车手以0航偏角逆风骑行——这种情况完全脱离实际,为何要去测试呢?另外,测试所使用的风洞有温度和湿度控制。

以下曲线图是一名车手以几乎固定的速度骑行在一条直路上得出的数据,明显看出无论气流速度还是航偏角都不是固定的。

硬核横评:38款轮组空气动力学性能对比 by Hambini

蓝线:等效气流速度;橙线:等效航偏角

测试准则中的现实世界参考基准是两组布里斯托尔地区的车手。一组是俱乐部车手,均速30;另一组是计时赛车手,均速50。关于他们骑行的等效航偏角、速度以及气压分配数据,被记录了超过6个月。这些数据经过评估、统计,并映射到适用于风洞测试的准则。转换的方法是统计分析真实路面情况,对数据应用快速傅里叶变换,并且运行一些模拟测试来验证。两个精密的准则如下所示。

以下图表并不代表一个人车骑行的整体,他们只显示被测试轮组的参数。风洞有使用时间限制,部分数据收集行为只是为了验证数据正在被处理;因为后期修正误差是十分昂贵并且耗时的。为了重复瞬态情况,跳动的速度和跳动的航偏角都是可以接受的。梯度测试是用于验证轮组一对一评测。

硬核横评:38款轮组空气动力学性能对比 by Hambini

30公里时速的测试准则

硬核横评:38款轮组空气动力学性能对比 by Hambini

50公里时速的测试准则

调查研究发现,车手的微操,自然风的速度以及航偏角变化会让人车整体产生瞬态反应。这种情况对于轮组来说更加严重,因为他们对着迎面而来的气流旋转。实际上,一个车手直面逆风前进,也会因为左右摆动而产生紊流/振动/摆动。因此,对于定态分析来说是0°航偏角的情况,在考虑到瞬态影响之后,会更像是5~6°航偏角的情况。

这一准则模拟了车手在气流中的自然摆动反应,得出总平均阻力值,从而得出平均功率。这一设计是为了去除瞬态表现糟糕的轮组。准则上的线是为了显示完整性,并不意味着这一准则更偏向于大风的情况。

瞬态阻力 VS 定态阻力

瞬态阻力的概念已经被低速航天应用广泛接受,例如军用侦查无人机。不过这一概念尚未被自行车相关产品运用,尽管这项运动对矢量速度非常敏感。举个例子,作用于一台自行车的侧风速度经常超过其前进的速度(比率大于1),作为对比,一台汽车在100公里每小时的典型巡航速度中可以产生0.25的侧风/前进速度比。

要去精确测量自行车以及车手整体的阻力,有个巨大的障碍,那就是该系统的不连续性——有几个巨大的区域是空心的,比如轮圈与花鼓之间、车架三角区、轮胎和车架之间的空隙等。这引起了不可避免的自由气流分离,造成气动性振动或者气动弹性效应。这导致了气流要花长时间去流过骑行整体,与此同时,另一个变量也不可避免的改变了,然后过程往复循环。

为了图解说明瞬态阻力的影响,下面的曲线图表示航偏角每10秒以2°为单位递进。这是为了描绘定态和瞬态阻力的对比。

定态曲线显示的是当轮组的阻力表现稳定下来时被记录的数据。

瞬态曲线更能代表现实生活。在这次获得的数据中,基准航偏角被确定,同时叠加2.5°/秒的摆动。随着振动的加入,两组轮组都立马录得更高的阻力。在4°的航偏角,Reynolds轮组和FLO轮组有明显的差异。Reynolds轮组比FLO轮组能更好的处理不稳定性以及振动。超过12°时,两款轮组都不能有效地控制振动以及气流。

在几乎所有案例里,现实世界阻力都会比定态阻力大得多。这种现象在轮组中更加普遍,因为他们在旋转,而且轮组顶部的净速度是前进速度的两倍。

硬核横评:38款轮组空气动力学性能对比 by Hambini

橙线:FLO轮组的定态阻力;

灰线:Reynolds轮组的瞬态阻力;

黄线:FLO轮组的瞬态阻力

时间消耗以及不同航偏角

这项研究的首要目的是建立一个风洞测试准则去模拟路试,一些数据收集是为了一般性的计算。

用于路试的仪器有1024次每秒的采样率。结合这个水平的精确度以及标准过滤准则,测定自行车与车手的有效航偏角成为了可能。通过降低分辨率,数据被转换到一个格式,可以与轮组生产商市场部提供的航偏角VS(在这个航偏角的)时间百分比曲线进行并排对比。在这种情况下,结果的准确性会降低,但是达到了对比的目的。

值得注意的是,瞬态数据更能反映现实中在某个航偏角所占据的时间,因为瞬态数据考虑了车手的微操以及瞬间变化的风速。对定态数据的过滤是通过降低采样率来去除数据不稳定性。总的来说,航偏角变化带来的阻力变化率是估算自由气流在截面分离点以下角度变化的更优参考。

当考虑到人和车作为一个整体时,轮组产生的阻力相比于人身会小得多,所以轮组阻力的瞬态性会变得更小。车手的阻力在整个系统中占据主要部分。瞬态反应的作用,会随着前进-侧风速度比的增加而减弱。简单来说,车手骑得越快,瞬态特性作用越小

硬核横评:38款轮组空气动力学性能对比 by Hambini

30公里时速中,航偏角与时间占比的关系(蓝色曲线为定态,灰色曲线为瞬态)

硬核横评:38款轮组空气动力学性能对比 by Hambini

50公里时速中,航偏角与时间占比的关系(蓝色曲线为定态,灰色曲线为瞬态)

硬核横评:38款轮组空气动力学性能对比 by Hambini

定态状态下的航偏角与时间占比曲线,速度越高,低航偏角占比越大。

胎宽对气动性能的影响

近年来,自行车行业有逐渐偏向于宽胎的趋势。轮胎和轮组生产商通过宣扬更宽的轮胎具有更低的滚动阻力,推广真空胎,加速了这一趋势。

在滚动阻力降低和路感提升得到公认的同时,对于气动性能的影响是有争议的。一些轮组生产商宣称他们的轮组安装宽胎时有更好的气动性能,这需要轮组拥有更低的综合阻力系数,以克服迎风面积的增加。

下面的图表显示两个轮组的对比,一个轮圈更窄的Shimano C60和胖圈Enve 7.8。很显然,宽胎(25mm的轮胎装在C60上)对阻力有明显的影响,尤其是在高速中。作为对比,胎宽在胖圈Enve中作用没那么明显。在两个案例中,窄胎都降低了阻力。马牌的轮胎倾向于比标称的宽度更宽。

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30时速下,胎宽对阻力的影响

硬核横评:38款轮组空气动力学性能对比 by Hambini

50时速下,胎宽对阻力的影响

数据解读

数据应该像骑车的油耗那样解读。他们被设计成针对一个特定速度的完整骑行圈,给出一个典型的功率指示值。你需要特别注意的是,一对在50公里时速表现更好的轮组未必在30公里时速也同样好。

·最大实验误差被计算在±2.5%,中间的数值逐一标出以保持一致性。

·框高被分成不同级别,方便对比,它们可能和提供者宣称的尺寸不同。

·瞬态分析下的功率表现比定态分析差很多。

·任何值得一提的东西都在评论中指明。

·车手的姿势在每次骑行中相差不超过±10mm。

·测试用的轮胎是马牌GP4000SII 23mm,气压为8.25BAR;有两组轮组和轮胎组合被标黄,他们没有使用统一的轮胎,加入作为对照组。

·传动损耗也被计算在内,并且保持不变。

·骑行姿势(抓上把)保持不变,无论在什么速度。在现实中,高速骑行会迫使你改变骑行姿势,但是这样做会影响测试结果。

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30公里时速下,38款轮组的功率消耗(数字越低气动性能越好)

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50公里时速下,38款轮组的功率消耗(数字越低气动性能越好)

陈主任注:

以上两张图表,正是全文被车迷讨论最多的部分。根据实验结果,大部分轮组都按照【框高从高到低-气动性能从好到坏】的顺序排排坐。然而很不幸的是,ZIPP旗下最风骚的型号NSW 454居然落后于303,排名靠后,令人大跌眼镜。而FLO和HUNT两个品牌,还被原作者实名点草。

方远的未知型号轮组“V50”也进入了表格,排名中游。据说该型号是一个老款V型框模具,最大宽度23mm,从未被制成成品轮组市售,疑似是外国友人拿到这款轮圈后自编并送测。

结论

测试50公里时速轮组表现的车手们已经加了鸡腿,这个速度并不适合大部分普通车友,因为他们无法输出能达到这一速度的功率。一般来说,大部分骑行都会小于10°的航偏角。即使你骑不到50公里时速,更低的速度也很难产生更大的航偏角。在50和30公里时速中,车手的微操,空气本身的紊流,以及外部的障碍都会导致吹向轮组的气流产生紊流。这种现象会导致有效航偏角增加。

·表现优异的轮组会明显抑制紊流区域的产生。

·表现优异的轮组使得紊流减缓。

·高框轮组通常比低框轮组拥有更好的气动性能。

·框高相近的轮组气动性能差异很细微,人类很难在骑行中察觉。

·低框轮组和高框轮组的差别可以在骑行中辨别。

·FLO和HUNT两个轮组表现糟糕,它们看起来是由对滚动物体空气动力学一知半解的人设计的。它们产生了不必要的气流分离,并且不能处理分离的气流。

如果你通过本文的数据来指导你购买轮组,请务必谨慎。轮组的一些方面特性,比如整体做工,刹车表现,花鼓以及易维护性是没有被考虑在内的。这些因素也要被纳入考虑。

关于FLO的更多细节……

在公布了这些数据之后,一些人评论说数据有争议。一些他们认为很好的品牌没有得到好评。最显著的是FLO。一个由两位住在拉斯维加斯的加拿大商人运营的品牌,他们在远东购买轮圈,并贴上他们的商标销售。空中客车公司的空气动力学研究人员后来做了一些更深入的分析,得出的结论是一样的。

看起来FLO没有把辐条对轮组的影响也纳入考虑。辐条和内部几何最多贡献40%的空气阻力,框高越高比重越小。他们的轮组在轮圈尾部有着糟糕的气动表现。

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FLO的市场推广有着很深的工程学偏好,对于不懂行的人来说。但是仔细看他们的花鼓设计,他们的计算方式以及工程实践,就能发现不少漏洞。

当你看FLO的网页(http://flocycling.blogspot.com/2011/07/flo-cycling-components-series-1-ezo.html 目前该文章已被删除)。很明显FLO的工程学设计是商业利益驱动而不是工科原理驱动。以下是主要问题:

·测量工具的选择——游标卡尺完全不适合用于测量精度达到0.01mm的物体。

·L10计算不包含任何培林的轴向负载,通俗的讲,没有计算轮组在过弯或者受到地面震动时的情况。

·如果他们的培林符合ISO、JIS或者DIN标准,它不会测出一个整数mm读数,而是会稍微小一点(比如20mm通常是19.99mm)。这说明他们使用了劣质测量工具或者劣质培林。

·使用EZO培林是因为他们的台湾供应商使用该品牌作为对无名标准培林的升级。选择EZO培林是商业原因,而不是技术原因。

这是NTN培林技术部的发言:

这个页面提供的计算不像一个拥有足够精度的轮组培林的路面表现。人们期待看到轴向负载和径向负载都有保证的结构。我们不会期待轮组的培林会像L10一样长寿,因为数据的边界条件是不准确的。而且,游标卡尺并不被我们推荐用来测量培林,我们不评价别的制造商。

后续:律师信

写完这篇博客不久后,我就收到了一封来自FLO代理律师寄来的律师信,寄到了我的单位的HR部门。他们抱怨这篇文章描述他们的轮组很孬,测试准则不公开,他们也不喜欢我说他们“对滚动物体空气动力学一知半解”。他们想把他们的测试数据从表格中移除,同时威胁采取法律手段。此外,他们要求我从工程师位置开除,因为滥用公司的资源。

需要注意的是FLO有个可疑的推广策略,他们通过充值一些著名骑行/铁三论坛的显著成员,去吹捧他们的产品。他们通常会送出自己的轮组。

FLO的行为令人失望。当轮组一开始被测试并发现问题,我联系了他们。这是数据上传前6个星期。当数据上传之后,他们是第一个评论,并且从测试的各个方面都提出了质疑。甚至提议调整5%的胎压会让他们的轮组更加气动。随着时间的推移,他们最终站出来并公开表示这些结果是伪造的。

FLO律师信:

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原文始发于微信公众号(陈主任带你看穿一切):硬核横评:38款轮组空气动力学性能对比 by Hambini