НОВЫЙ PINARELLO BOLIDE F HR, ОТПЕЧАТАННЫЙ НА 3D-ПРИНТЕРЕ

ПОДПИСАТЬСЯ:

Компания Pinarello представила новый революционный велосипед Bolide F HR, который чемпион мира Филиппо Ганна будет использовать 8 октября для попытки побить Часовой рекорд UCI.
Для достижения этой цели впервые был использован новый производственный процесс 3D-печати. Результатом стал первый реальный гоночный велосипед, утверждённый UCI, созданный с использованием этой технологии. Абсолютно инновационный велосипед, самый быстрый, из когда-либо выпущенных Pinarello, который чемпион мира будет использовать на треке.
Знакомим с официальным пресс-релизом компании к выпуску этой уникальной машины.

1. ВВЕДЕНИЕ

Постоянные исследования и поиск новаторских решений являются основой успеха, если вы хотите создать самый быстрый велосипед для гонок на время. Начиная с Часового рекорда UCI Мигеля Индурайна и заканчивая недавними золотыми медалями в командной гонке преследования в Токио, Pinarello находится на ведущих ролях в этой дисциплине. И результат этих разработок, дух инноваций, который они порождают, и технологии, по которой они производятся, затем распространяются на весь ассортимент продукции Pinarello.

Все велосипедисты всегда хотят ездить на самом лучшем из велосипедов, особенно когда речь идёт об аэродинамических характеристиках и передаче мощности. Но для такого уникального проекта, как велосипед для Часового рекорда, требования становятся ещё выше, чем обычно.

Bolide F HR 3D должен был предоставить абсолютно идеальную посадку, разработанную в соответствии с уникальной анатомией Филиппо Ганна, чтобы предоставить ему как максимальный комфорт, так и высочайшие общие аэродинамические характеристики. Комфорт часто недооценивают, но когда дело доходит до Часового рекорда UCI, это чрезвычайно важно, потому что позволяет спортсмену ехать быстрее более долго.

Важность жёсткости также часто недооценивается для трековых велосипедов, но гибкость рамы при приложении мощности приводит к трению колёс и спортсмен теряет важные сантиметры каждый раз, когда нажимает на педали.

Помня об этом, необходимо было сочетать прочность и жёсткость с аэродинамическими характеристиками, используя метод производства, который позволил бы получить идеальные до миллиметра размеры и полностью использовать все наработки, которые приобрели инженеры Pinarello за месяцы интенсивных исследований.

Теперь Pinarello с гордостью представляет первую в мире раму, сделанную с помощью 3D-печати, разработанную для чемпиона мира и для его попытки установления Часового рекорда UCI.

Велосипед будет доступен для Филиппо Ганны, а затем и для мирового рынка. 3D-печать позволила внедрить новые формы и функции, которые невозможно воспроизвести с помощью существующих технологий производства карбона. С помощью нового метода в Pinarello создали уникальную аэродинамическую форму и достигли невероятного уровня жёсткости.

Более того, это позволило добавить внутреннее усиление, создать совершенно новую форму головной трубы и, что немаловажно, значительно сократить время разработки, поскольку производство больше не сдерживали традиционные временные ограничения при изготовлении пресс-форм для рамы из карбона.

Такой уникальный проект следует рассматривать как начало нового производственного процесса. Следующие шаги заключаются в том, чтобы сделать его более доступным, найдя способы сканирования гонщиков с более дешёвым оборудованием и автоматического проектирования велосипеда под каждого гонщика - от чемпиона мира до каждого велосипедиста Мирового тура и, в один прекрасный день, до каждого гонщика-любителя.

Ниже описаны улучшения, над которыми работала вся команда Pinarello, пытаясь продвинуть вперёд знания и понимание того, что делает велосипед быстрым, и как человек, используя только свою силу, может двигаться настолько быстро, насколько это возможно, или, в данном случае, ехать так далеко, как только возможно.

Это не технический документ - это, скорее, рассказ об усилиях команды людей, которые просто не могут останавливаться в развитии или почивать на лаврах.

2. АЭРОДИНАМИКА

Аэродинамика - это всё для часового рекорда UCI. Что ж, в общем, это верно, если все остальные параметры, такие как вес, прочность, жёсткость и удобство использования, находятся на должном уровне. Итак, предположим, что все важные параметры поддерживаются постоянными и что аэродинамическое сопротивление является главным противником, с которым необходимо совладать. Часовой рекорд очень похож на гонку на время на шоссе, но есть два важных отличия.

Во-первых, нет тормозов и переключения передач - это буквально голая машина с чистой скоростью в её простейшей форме. Пара колёс, всего две шестерни, соединенные цепью, седло, руль, шатуны и педали, соединённые с рамой и вилкой. Что здесь сложного?

Во-вторых, велосипед всё время испытывает исключительно лобовое сопротивление воздуха, ведь на треке нет боковых ветров, которые нужно принимать во внимание. Когда велосипед предназначен для шоссе, конструктор должен рассчитать вероятность воздействия бокового ветра. Здесь всё проще... но не легче.

За последние пятнадцать лет или около того дизайнеры велосипедов высшего класса широко использовали современные методы аэродинамических исследований, которые ранее применялись в аэрокосмической отрасли и в Формуле-1, особенно вычислительную гидродинамику.

Совершенствование технологий в последние годы позволило CFD перейти от исследовательского инструмента к инструменту проектирования. Облачные вычисления и веб-решения теперь обеспечивают бесконечную вычислительную мощность без необходимости приобретения и изучения сложного программного обеспечения. Симуляции Pinarello проводились на AeroCloud, предоставленном норвежской компанией NablaFlow. AeroCloud полностью работает на AWS (предпочтительное облачное решение многих команд Формулы-1 и FIA для их моделирования CFD) и это позволило запускать несколько конфигураций одновременно, получая подробные данные по аэродинамике, используемые на этапе проектирования и проверок. Реализованная оптимальная конфигурация позволила беспрепятственно загружать модели непосредственно в процессе проектирования, что дало разработчикам ряд преимуществ.

Всего пару лет назад, в 2020 году был задан вопрос: достигли ли мы пика аэродинамики? К тому времени любой более или менее приличный велосипед имел аэродинамический профиль труб рамы и вилки, плавные переходы и интеграцию большинства деталей.

CFD - это основной метод аэродинамической разработки в наши дни. Сделанная хорошо, такая симуляция может быть максимально приближена к реальности. Инженеры Pinarello использовали CFD для изучения идей: некоторые из них оказались хорошими, некоторые - необычными, а некоторые, скажем так, странными.

УСЛОВИЯ

На трассе гонщик проводит около 55% своего времени в поворотах и около 45% на прямых. Угол рыскания в поворотах составляет где-то от 3⁰ до 6⁰. Это оказывает некоторое влияние на эффективность велосипеда, что учитывалось при разработке.

Велосипед, конечно, не ездит по трассе сам по себе, поэтому необходимо включить в компьютерную симуляцию гонщика. Реалистичная модель гонщика должна имитировать движение педалей, поднимая и опуская ноги, а также вращая шатуны по кругу. Но на сегодняшний день это технически невозможно, поскольку требует огромных вычислительных мощностей, а моделирование оказывается слишком медленным, чтобы дать результаты за разумное время с использованием достаточно высокого разрешения, чтобы получить максимальное приближение к реальности.

Поэтому в Pinarello выбрали упрощённый метод, при котором статичный гонщик располагается с различным положением ног, а затем результаты усредняются. Можно сказать, что такой подход не настолько точен, насколько это возможно. Это так. Все исследователи борются с проблемой зависимости точности от количества повторов. Опыт показывает, что лучшего общего результата можно достичь, выполнив множество тщательно продуманных и достаточно точных симуляций, а не небольшое количество сверхточных. Основная причина заключается в том, что, выполнение множества различных повторений и анализ результатов помогает инженерам выдавать идеи, а затем пробовать их и продолжать тестировать. Так или иначе, но время и бюджет всегда заканчиваются до того, как заканчиваются идеи.

Чтобы легче было обнаружить небольшие изменения, велосипед и гонщик разделяются на отдельные части, а затем фиксируется их отдельный вклад в общее сопротивление. На самом деле «фишка» заключается в том, как вы складываете эти части вместе, как вы расставляете приоритеты и как вы решаете, какими должны быть следующие шаги. За десять лет совместной работы Pinarello и Metron разработали и усовершенствовали этот метод, так что аэродинамические улучшения всё ещё возможны и велосипеды пока далеки от «пика аэродинамики».

КОГДА ВЫ ИЩЕТЕ, ВЫ НАХОДИТЕ

Сведение к минимуму сопротивления фронтальной области - один из подходов, который хорошо работает. Некоторые существенные выгоды были получены от того, что ступицы колёс, а также кареточный узел Bolide F HR стали уже, чем обычно. Ширина кареточного узла была уменьшена с 70 мм до 54 мм, ступиц колёс - со 120 мм до 89 мм сзади и со 100 мм до 69 мм спереди.

Следующее очевидное улучшение заключалось в том, чтобы воспользоваться отменой правила 3:1. Это позволяет использовать более длинные и тонкие профили аэродинамических секций. Хорошо известно, что секции рамы, имеющие соотношение сторон 6:1 или даже 8:1, работают значительно лучше, чем старое соотношение 3:1. Здесь легко добиться успеха, так что остаётся сказать спасибо UCI за то, что позволили это.

НЕМНОГО СЛОЖНЕЕ

Что делать с вилкой и верхними перьями? Не так давно были представлены велосипеды с очень широкими вилками и верхними перьями заднего треугольника. Работают ли они? Ну, может быть. Доказательства, которые удалось собрать до сих пор, не выглядят однозначными. Подобная система должна быть спроектирована таким образом, чтобы уменьшить общее системное сопротивление велосипеда и гонщика. В общем, при подобном дизайне велосипед на самом деле будет создавать большее сопротивление, но, если он достаточно усовершенствован, то должен снизить сопротивление гонщика больше, чем потери от сопротивления самого велосипеда. Результаты оказались слишком нестабильными, а гипотетический выигрыш недостаточно последовательным, чтобы принять такой дизайн.

Итак, в Pinarello выбрали классический дизайн и проверенную конструкцию узкой вилки и верхних перьев, причем они расположены близко к ободьям колёс. Такой способ также позволяет снизить вес и не имеет проблем с точки зрения производства и обслуживания.

САМАЯ СЛОЖНАЯ ЧАСТЬ

Ноги гонщика всё время двигаются вверх и вниз по довольно сложной, но постоянно повторяемой траектории. Когда в конце 2012 года разрабатывалась первая версия Bolide, было понятно, что поток воздуха вокруг подседельной трубы и верхних перьев заднего треугольника никогда не бывает постоянным - это всегда чередование, поскольку ноги гонщика периодически отклоняют воздух вокруг себя.

Такой переменный поток воздуха очень затрудняет обтекание воздухом подседельной трубы. Следствием этого становится то, что воздушный поток постоянно отделяется от подседельной трубы, создавая вокруг неё большую зону низкого давления, что, в свою очередь, вызывает большое лобовое сопротивление. Отчасти именно поэтому совокупное сопротивление подседельной трубы и верхних перьев составляет почти 40% от общего сопротивления рамы и вилки.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ

• Вилка - 22%.

• Нижние перья заднего треугольника - 15%.

• Верхние перья заднего треугольника - 8%.

• Головная труба - 2%.

• Подседельный штырь - 7%.

• Верхняя труба - 4%.

• Нижняя труба - 10%.

• Подседельная труба - 32%.

Таким образом, снижение сопротивления подседельной трубы становится очевидной целью. Что можно сделать, чтобы воздух обтекал подседельную трубу и лобовое сопротивление сводилось бы к минимуму? Поступите в университет Аделаиды и проведите обширное исследование того, как горбатые киты справляются с очень сложными манёврами в океанах. У природы огромный опыт естественного развития, ведь она делает это на протяжении миллионов лет.

Горбатые киты хорошо известны своей способностью совершать очень крутые повороты, а также эффектные прыжки из воды. Исследователи обнаружили, что бугорки (выступы) в передней части их плавников вносят значительный вклад в эту способность. Исследователи из университета Аделаиды работали над этим вопросом с 2006 года, сначала используя соответствующие выступы на крыльях самолетов и пропеллерах, а затем и на велосипедных рамах, подав международную патентную заявку на «бугристую» велосипедную раму в 2016 году.

Они также заметили, что поток воздуха вокруг подседельной трубы чередуется под большим углом, что приводит к его разделению и увеличению лобового сопротивления. Исследователи обнаружили, что бугорки способны сводить к минимуму этот эффект разделения и уменьшить лобовое сопротивление, создавая продольные вихри во впадинах между собой, заставляя поток за пиками оставаться стабильным. Благодаря оптимальному дизайну было достигнуто значительное снижение лобового сопротивления рамы их прототипа.

Но всё никогда не бывает просто. К сожалению, недостаточно просто нанести несколько ударов по передней части подседельной трубы, чтобы стать быстрее. Поэтому, чтобы  сделать свой велосипед для Часового рекорда оптимальным, Pinarello и его партнер по аэродинамическим исследованиям и разработкам NablaFlow провели массу компьютерных  симуляций, просмотрев эффективные (и неэффективные) конструкции.

После тщательных разработок виртуальных прототипов, а затем испытаний в аэродинамической трубе с участием живых гонщиков, родилась новая технология AirStream, включающая уникальный рельефный рисунок на раме (который Pinarello называет «AeroNodes» - дословно «аэроузлы»), в полной мере использующий новаторские исследования университета Аделаиды.

3. ПРОИЗВОДСТВО

Углеродное волокно - отличный материал для изготовления лёгкой и прочной велосипедной рамы. Подавляющее большинство современных велосипедных рам и вилок высокого класса изготавливаются из карбона. Но для создания точного повторяющегося рисунка «аэроузлов» требовался другой подход.

3D-печать на металле была впервые применена Pinarello на мировом уровне в 2015 году, когда был изготовлен руль для Часового рекорда UCI, установленного Брэдли Уиггинсом. 3D-печать хорошо известна своей способностью с лёгкостью создавать сложные формы. Чтобы воспользоваться опытом, знаниями и соответствующим оборудованием, Pinarello обратилась за помощью в Metron A.E. в Великобритании.

Рама и вилка Bolide F HR были спроектированы с использованием нового сплава Scalmalloy - высокопрочного скандий-алюминиево-магниевого сплава, специально разработанного для 3D-печати. Решающее значение здесь имеет выбор материала и машины. Если вы используете материал более низкого качества, вам нужно будет использовать его больше, чтобы компенсировать снижение прочности. Если вы используете 3D-принтер обычного размера, то раму нужно будет изготовить из слишком большого количества деталей, что затруднит их соединение и эффективность рамы в целом.

Компания Metron использовала широкоформатную машину EOS M400 для 3D-печати деталей из Scalmalloy. Рама состоит всего из пяти частей: передний треугольник сделан из трёх деталей, а ещё две части – перья заднего треугольника. Эти детали изготовлены по отдельности, и, после тщательной очистки и удаления опор, они были соединены между собой с помощью эпоксидной смолы аэрокосмического класса.

Но на этом процесс не закончился. Велосипед, на котором будет ездить чемпион мира, помимо исключительной аэродинамики, должен обладать ещё и необычайной прочностью. Поэтому точная копия рамы, которая будет использована для заезда на Часовой рекорд UCI, была отправлена в EFbE в Германии для независимого испытания на прочность.

Рама, вилка и подседельный штырь подверглись изнурительному режиму испытаний, который включал полный спектр испытаний на усталость, удары и кручение, как указано в стандарте ISO4210.

Это было время, когда в Pinarello затаили дыхание. В конце концов, никто никогда прежде не создавал отпечатанный на принтере аэродинамический велосипед, соответствующий стандарту UCI, который прошел бы ISO4210 и на котором чемпион мира будет устанавливать мировой рекорд. И когда в итальянской компании уже готовы были задохнуться, пришло известие, что все детали прошли все испытания. Теперь можно было двигаться дальше.

И снова компания Pinarello готова вписать очередную страницу в историю велоспорта.

4. РУЛЬ

Понимание аэродинамики серьёзно продвинулось за последние годы. Сегодня очевидно, что необходимо уменьшить общее сопротивление гонщика и велосипеда вместе, а не сосредотачиваться исключительно на велосипеде. Как уже говорилось, некоторые решения предполагают потенциальное увеличение лобового сопротивления деталей велосипеда, но обеспечивают общее снижение лобового сопротивления совместно с гонщиком. Новый руль был разработан именно для достижения этой цели.

После ряда симуляций CFD была создана геометрия руля, которая улучшает аэродинамику гонщика больше, чем необычная форма самого руля увеличивает сопротивление - в целом сопротивление уменьшается.

И снова для изготовления такой необычной формы потребовалась 3D-печать. Конечно, руль может быть изготовлен с использованием других методов, таких как литьё, механическая обработка с ЧПУ или даже формовка из углеродного волокна, но все эти способы производства либо слишком медленны (например, литьё), либо слишком дороги (например, для карбона потребуется пресс-форма). С помощью 3D-печати сложные формы могут быть изготовлены за относительно короткие сроки (дни вместо месяцев) и дешевле (по сравнению с металлической формой для изготовления единичного или небольшого количества карбоновых деталей).

5. ГЕОМЕТРИЯ