pressrelease 3t mercurio nya hjul

10
Via Vittorio Veneto, 25 • 24041 Brembate (BG) • Italy • tel +39 035 494 3451• fax +39 035 494 3962 • [email protected] How 3T re-invented the wheel Design drivers and engineering solutions for a new generation of wheels Richard McAinsh Technical Director, 3T Cycling June 2011

Upload: cykla-se

Post on 16-Mar-2016

219 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

9 sidor fakta om tänket bakom dom nya aerohjulen från 3T

TRANSCRIPT

Page 1: Pressrelease 3T Mercurio nya hjul

Via Vittorio Veneto, 25 • 24041 Brembate (BG) • Italy • tel +39 035 494 3451• fax +39 035 494 3962 • [email protected]

How 3T re-invented the wheel

Design drivers and engineering solutions for a new generation of wheels

Richard McAinsh Technical Director, 3T Cycling

June 2011

Page 2: Pressrelease 3T Mercurio nya hjul

How 3T re‐invented the wheel  Design drivers and engineering solutions  for a new generation of wheels  Richard McAinsh Technical Director, 3T Cycling June 2011    Summary  This paper shows how 3T designed and built a new generation of racing wheels, MERCURIO for tubular tires and ACCELERO for clincher tires. It describes a traditional racing wheel, analyzes the current ‘best‐of‐breed’ wheel, and sets out the ‘whole‐system’ approach 3T engineers adopted.  Their brief was to design a wheelset with a balanced set of attributes: all‐round high performance in racing disciplines should be matched by long potential service life and ease of use. Engineering solutions to individual design problems had to work as part of a balanced whole that bettered the competition, and was capable of being built at a variety of price points without compromising build integrity.  The mission went beyond making a faster wheel – it was to create a wheelset that makes the rider faster on the bike. 

Page 3: Pressrelease 3T Mercurio nya hjul

How 3T reinvented the wheel  

page 2 of 9  

What does the élite rider require of a road wheelset?  Assumptions: In setting out the requirements, we assume that the rider’s primary goal is to go fast. A wheel’s ability to travel quickly (or at the same speed for less effort) is determined primarily by its:  

• weight and rotational inertia • aerodynamic drag  • mechanical drag 

 The less it has of any of these, the faster it will travel; or the less effort needed to hold the same speed.   A prior assumption is that the wheel is strong enough to support the rider in the conditions likely to be encountered, and is stiff, so it tracks accurately and transmits power effectively; in other words, that it is ‘fit for purpose’. It should also brake consistently and reliably. These are characteristics that, taken together, instill confidence and help the rider go faster on the bike.  Other ‘real‐world’ desiderata included easy maintenance and repair, with standard parts and tools if possible, and easy exchangeability of parts.  Traditional wheel building: Riders and mechanics have known about these performance drivers for a long time. Until well into the 1970s, a racing wheel for tubular (sew‐up) tires would employ a lightweight, hollow‐section aluminum‐alloy rim of 10–12 oz weight (280–350 g), laced with 24–36 steel, wiredrawn spokes into a hub comprising a lightweight alloy shell with a steel axle running in steel cup‐and‐cone ball‐races, and held in place in the frame’s forged‐steel dropouts with a steel, cam‐action quick‐release assembly. The higher the price, the better the quality of the components: rims of stronger, lighter and harder alloys; higher‐precision bearing assemblies in lighter, less corrodible steels; more precisely‐drawn spokes that better resisted stretching. The wheelset would be finished with a pair of fine‐cotton tubulars, probably 100 threads per inch, of 8–10 oz each (225–280 g), inflated to 6–7 bars, depending on road conditions. Many amateurs still maintain that, if built by a skilled craftsman, such a wheelset rides as well, if not better, than any of today’s hi‐tech offerings.   Game­changing technologies: It’s unlikely that you’ll see such a wheelset in competition use now though, except perhaps in Paris–Roubaix. Carbon‐fiber composites and computer‐aided design (CAD) have changed the game forever. Carbon fiber is lighter and stronger than alloy, giving the engineer the scope to tailor rims that are lighter, deeper in section, and optimized to reduce aerodynamic drag. Deep‐section carbon‐fiber rims are stiffer, so requiring fewer, shorter spokes, which further reduces weight and aero drag.  A lower spoke count reduces the number of spoke nipples (usually brass) and rim eyelets (usually steel), cutting weight at the wheel’s perimeter. Riders describe wheels that are light at the perimeter as ‘spinning up’ easily – in other words, they accelerate faster. No racer will argue with that. A lower spoke count also makes the wheel easier to build to a repeatable quality standard by reducing the reliance on the wheelbuilder to precisely tension a large number of spokes – a critical and quasi‐magical artisanal skill that transmutes a relatively flexible, shallow‐section alloy rim into a high‐performance racing wheel with the desired balance of lateral stiffness and vertical compliance.  Current racing wheelsets: The current state of the art in top‐of‐the‐line production race wheelsets now typically consists of  medium‐depth (2–3‐inch deep) carbon‐fiber rims, designed using computational fluid dynamics (CFD) software for minimum drag and maximum stability straight into the wind and in yaw conditions (partial crosswind); 16–24 spokes, radial except on the rear drive side; and low‐profile alloy or carbon‐fiber hubs with high‐precision annular bearings. Such a wheelset typically weighs less than 1500 g, or well under 2 kg with tires mounted, a very far cry from the traditional handbuilt 32‐spoker. Within this generic description lie quite sharp differences in detail, especially in the type and attachment of spokes to hub and rim. 

Page 4: Pressrelease 3T Mercurio nya hjul

How 3T reinvented the wheel  

page 3 of 9  

 Overview of 3T approach: equlibrium  Could the current state‐of‐the‐art wheelset be bettered, at a cost that made commercial sense, was the question asked of 3T’s engineers. Yes, and let’s see, were the answers. Below we describe the main design drivers of the new 3T MERCURIO wheelset, and the engineering solutions employed to achieve the result.  An ideal wheelset for racing needs a balanced set of attributes. The 3T engineers were keen to employ a system‐wide design approach that did not privilege one set of performance parameters, in particular aerodynamic performance, over others that in their opinion were of equal importance. The bicycle wheel is a system with interdependent parameters: change one parameter and it affects the others.  For instance, it was clear that 3T would play to its strengths in advanced composite design and manufacture. The engineers were confident they could make a rim that would equal or exceed known designs in strength:weight. At the same time, the rim must be equally ‘slippery’ as the most aero rims available, while remaining stable in a broad range of real‐world conditions, and without infringing on the broadly‐drawn patent owned by the market leader. This related design challenge requires a different set of tools.  A light, aerodynamic rim was only part of the design thrust. Another key driver was to get weight away from the perimeter of the wheel and so reduce inertia. Reduced inertia means the wheel accelerates faster – studies show that revolving mass at the wheel has more than 3X the effect of static mass elsewhere on the bicycle. To achieve this, the engineers proposed inverting the spokes, so sending the rotating mass of the spoke nipples inboard to the hubs. This obviously requires a hub that is adapted for the purpose, supporting a screw‐up nipple at the flange. It also requires a new method of attaching the head end of the spoke to the rim – setting a new problem for the rim design that would need to be solved effectively for the entire system to work as an harmonious whole.  Designing the wheel, then, required solving several interdependent engineering and/or procurement problems. For the sake of clarity in what follows, we deconstruct the overall, system‐wide solution into the several discrete engineering problems that were solved; but we ask the reader to remember that these design decisions were taken against the background of the overall objective, to produce a durable, easy‐to‐use wheelset with a balanced set of attributes, suitable for a variety of performance cycling disciplines.   Overall configuration: The plan for the wheelsets (both MERCURIO and ACCELERO) was to   • design and build a medium‐depth carbon‐composite rim of outstanding aero and braking 

performance, for standard 22‐mm tubulars or 23‐mm clincher tires;  • build or buy a robust, longlife hubset, capable of benefiting by the highest grade of bearings, and 

supporting the attachment of…  • standard straight spokes, inverted so the threaded nipple end attaches to the hub flange, and 

capable of reliably sustaining high tension for strength and durability.   See page 9 for pictures. 

Page 5: Pressrelease 3T Mercurio nya hjul

How 3T reinvented the wheel  

page 4 of 9  

Rim design 1: aero performance  Purchasers of performance wheelsets consider aerodynamic performance a key measure. Any new 3T wheelset had to offer this as standard, even if it were only the starting point of the overall package.  Put simply, an aerodynamic component should disturb the airflow as little as possible. Air should flow around the component as if it were invisible. This is not simply a matter of ‘cleaving the wind’. The airflow, once cleaved, should smoothly flow together again at the wheel’s trailing edge. This makes it vital to model the proposed wheel’s systemic performance in conditions that replicate real‐world situations, such as crosswinds, using computational fluid dynamics software; and to verify the CFD results empirically, in the windtunnel.   Rim profile selection: Aero wheels have been sold and raced for some years now. 3T determined to target the market leader1, for which a large corpus of empirical data was available. An immediate restriction presented itself: the competitor wheel’s designer had discovered that a rim profile that was wider below the braking track was more aerodynamic than one that was narrower, and had successfully enshrined the discovery in a patent. To avoid infringing the patent, 3T’s new rim would have to be no wider at any point than the width between the braking tracks. (Wider‐than‐standard rims introduced more problems than they solved, the engineers thought, especially for the end‐user.)  3T modeled the performance of a large number of possible rim sections using 2D turbulent computational fluid dynamics (CFD) to eliminate the most aerodynamically ‘costly’ profiles, progressively refining the profile to derive a best‐case profile. About 1000 sections were tested, in headwind, tailwind, and yaw conditions (wind at an angle to direction of travel from front, and from rear), at a base speed of 50 km/h. CFD makes this sort of iterative empirical work viable.  It’s tempting to describe this process as trial‐and‐error at warp speed. In fact, it’s more like ‘devil‐take‐the‐hindmost’, where the last rider is eliminated every lap and a new, more capable one inserted in their place: towards the end, you arrive at a field of almost equally‐matched candidates for the win.  Virtual wind tunnel testing: The next step was to confirm the 2D results by modeling the rim’s performance in 3D, and comparing it to the competitor. A full 3D computer model of the wheel was built and tested using Navier‐Stokes 3D turbulent analysis. This test simulates the air turbulence generated by the rim revolving on a plane surface (the ground). In effect, it is a ‘virtual wind tunnel’. Parameters were tire, rim, brake‐fillet (track), ground, and the ‘pressure far field’ (the environment in which the wheel is: air). The only variables were the two rims to be compared.  This highly technical analysis concluded that the performance of the two wheels was very close. The proposed new 3T rim section bettered the competitor’s performance in traction and power consumption, saving 0.52 W (3.7%) into a headwind. In a 15° sidewind, it derived a gain of 0.32 W (2.3%). On the other hand, the competitor wheel was more successful in deflecting sidewinds, receiving 0.34 N less side force (3.6%).  Aero performance in crosswinds: As development work on the rim approached its end, the competitor announced a re‐designed rim2 that looked remarkably like the new 3T design. Subsequent wind‐tunnel testing of the 3T profile against the new competitor showed that the 3T rim was more consistent through a range of yaw angles than the competitor, whose drag is notably low at 15° yaw front and rear, but rises steeply to either side of this angle. 3T’s engineers felt this sharp transition was undesirable: the rapid change in drag with changing yaw angle means the wheel will see rapidly fluctuating side loads in conditions where the wind direction is unstable – as it usually is.  

                                                        1 Zipp 404 2 Zipp Firecrest 

Page 6: Pressrelease 3T Mercurio nya hjul

How 3T reinvented the wheel  

page 5 of 9  

Wind speed at wheel height can be as much as 70% less than measured by an anemometer held at shoulder height. Also, the notion that the most common condition is a 12–15° crosswind does not hold good at wheel height. (It is closer to 5–8°.) A wheel designed around such a specific yaw condition is likely to feel twitchy or unstable in sudden transitions to either side of this ‘single design point’.  (It was discovered later that another wheel designer3 had come to the same conclusion the previous year and had exhaustively benchmarked their design against competitors.)  The foregoing work on aerodynamics was deemed a successful proof of concept, sufficient to permit the project to move on to a functional specification for building.   Rim design 2: strong, light, and different  Lower weight: 3T’s engineering team has several years’ experience using its own design platform, the Intelligent Production Lifecycle4, that integrates the product design–analyze–optimize–test cycle. The primary software components are for visualization (CATIA), finite‐element analysis (FEA), and manufacturing optimization (FiberSIM). This platform has proved remarkably adept at crafting strong and sometimes complex composite structures at low weight.  Plainly, light weight is a primary design goal; other things being equal, the lighter the better. However light weight, pursued regardless, can militate against other desirable attributes, strength for one. A racing wheelset must be capable of supporting an élite athlete’s all‐out effort in widely varying road and weather conditions: a burly 200‐lb (90‐kilo) rider hitting a pothole at 30+ mph (50 km/h) transmits a massive shock load. It’s no use getting an edge in speed by riding a wheel that’s so light you risk breaking it. The old saw ‘To finish first, first you must finish’ applies here.  The team was confident that it could build a rim to the profile required, and at a competitive weight. But in addition, they saw an opportunity to fully leverage the benefit of light, carbon‐composite rims to the overall wheel design by removing the weight of the spoke nipples.  Lower inertia: Weight reduction pays off best at the wheel’s perimeter. Wheels that are lighter at the perimeter have lower inertia, so accelerate faster: riders say they ‘spin up’ quicker. This is not merely an advantage for ‘accelerations’ in the course of a race; acceleration and deceleration are continuous through every rotation of the pedal stroke.   The effect of peripheral inertia on a rotating body can easily be perceived when contemplating an ice‐skater’s spin. When she draws in her outstretched arms and crosses them over her chest, her rotational speed increases markedly. (According to the Guinness Book of Records, the record is 308 rpm, held by Russian skater Natalia Kanounnikova.) So it is with wheels. Reducing weight at the perimeter pays off with increased rotational speed, which is exactly what a racing cyclist wants.  

                                                        3 Reynolds Composites Studio 4 See http://www.3tcycling.com/content.aspx?m=About&i=Technology&t=Engineering 

Page 7: Pressrelease 3T Mercurio nya hjul

How 3T reinvented the wheel  

page 6 of 9  

Put formally, inertia is the measure of resistance to change of angular velocity or, in general, to change of motion. The nipple at the rim increases the angular inertia of the wheel and its resistance to acceleration. This can be expressed as:  

I = m r2 

where I is inertia, m is the mass of the nipple, and r is the nipple’s distance from the axis of rotation.  In an 18‐spoke wheel with standard nipples of 0.9 g mass at 294 mm from the axis of rotation, the inertia is calculated thusly: 

I = 18 x 0.9 x 0.2942 = 1.40 g m2   

Inverting the spokes yields a big gain: now the nipple is only 22 mm from the axis of rotation, so using the same calculation: 

I = 18 x 0.9 x 0.0222 = 0.008 g m2 As we have seen, positioning the spoke nipples at the perimeter is a ‘legacy’ wheel configuration; to reduce weight at the perimeter, some wheel designers have adopted new methods of construction that dispense with the traditional nipple‐eyelet attachment of spokes to the rim.  In parallel with design work on the rims, 3T had procured a proven design of hub that puts the threaded spoke ends into the hub flange. If a way could be found to attach the other end of the spoke to the rim, the nipples could be banished to the center where, as shown above, their inertial effect is negligible. To achieve this, the design engineers came up with a key innovation, to mold in spoke ‘pockets’ in the rim’s sidewall to capture the head end of inverted, straight spokes.  Far from weakening the composite structure of the rim, as drilling holes certainly does, this allowed the engineers to strengthen the rim‐spoke connection by tailoring the lay‐up to work with the spokes: each spoke in effect ‘hangs’ from a bracing truss of composite plies, like a suspension bridge’s piers. These unidirectional plies are aligned to work in concert with the force exerted by the spoke – they are not a dumb reinforcement for stress‐inducing spoke‐hole drillings. The spoke pockets in the 3T rim are relatively easy to lay up and add negligible weight. They also have no effect on the rim’s aero performance: wind‐tunnel tests with the pockets taped over showed no improvement.  The outcome of eliminating the holes in the rim is: less manufacturing complexity, less‐concentrated stresses applied to the rim, and better connection and load transfer. The rims performed outstandingly well in the brutal UCI impact test that is now mandatory to homologate wheels for UCI events. The front rim weighs 387 g, the rear 395 g (±10 g).   

Hubs and spoking: connecting the pieces  Configuring the build: While the innovative spoke pockets in the rim solved the principal design issue of the ‘inverted‐spoke’ configuration, pulling it all together required detailed development work.  As mentioned, at an early stage of the project, 3T was able to acquire exclusive rights to a patented hub designed for inverted spoking. (The original patent‐holder5 has exited the market for road wheels.) This strong, lightweight unit was well‐proven in built‐up, production wheelsets. It was sufficiently closely toleranced to make the fitment of very high‐quality bearings worthwhile – ABEC‐5 at minimum, ABEC‐7 and ceramic if required6. It also supported several spoke counts, so was suitable for use throughout the planned range of 3T wheels.  The 3T team were mindful that ‘stiffness’ is a requirement for performance wheels. Stiff wheels transfer power more effectively and confer better handling. Wheels with low spoke counts need high                                                         5 Cane Creek 6 See http://www.engineersedge.com/bearing/ball_bearings_tolerances.htm  

Page 8: Pressrelease 3T Mercurio nya hjul

How 3T reinvented the wheel  

page 7 of 9  

spoke tension, and this has led some manufacturers to adopt unconventional and possibly expensive assembly methods or materials. 3T engineers were determined to find a way to utilize standard steel spokes, with a wide bracing angle, and at the same time eliminate a weak point, where the spokes exit at an angle from the nipple. In use, the spoke can fracture at this bend, no matter how small, and the greater the tension, the likelier such breakages are.  Zero‐deflection spoking is relatively easy to arrange with radial front‐wheel spokes, which are perpendicular to the rim. But the asymmetric rear hub was a different matter: the 2‐cross spokes on the hub’s high‐flange drive side subtend different angles to the rim. To solve this, the engineers aligned the spoke pockets on the rear rim to exactly the right angle to assure that the heads of the drive‐side spokes engaged the pockets in an exact perpendicular, with no deflection. This also meant, of course, that rear rims with different spoke counts would need different pocket alignments. Happily the 3T IPL system allows for rapid development of these subtle but critical variations in lay‐up.   Enhanced braking: Sometimes neglected in the focus on going fast, is slowing down: a rider’s willingness to ‘carry’ speed in challenging conditions must be inhibited if there is no certainty the brakes will perform well when needed.  One of the well‐known issues with carbon‐fiber wheels is their braking performance. Traditional aluminum‐alloy rims have a high co‐efficient of friction. Most composite rims, however, must have special soft‐compound brake blocks for adequate retardation, and even so, braking remains somewhat unpredictable. This has led some manufacturers to build rims with a braking track in alloy bonded to a carbon‐fiber rim structure. This was not a route 3T wished to take for the MERCURIO rim.  3T was determined to eliminate the poor, or unpredictable, behavior of carbon‐fiber rims under braking, which can be ‘snatchy’ and hard to modulate, especially in the wet. After an unsatisfactory outcome to initial braking tests, a ‘surfacing veil’ was introduced at the braking track of the rim. This tactic, derived from Formula 1 practice, dramatically improved braking performance in the next round of braking tests. Now the wet‐weather performance plot was almost identical in shape to the dry‐weather plot, with a consistent co‐efficient of friction throughout both ranges.   Braking was firm and predictable in wet, dry and intermediate conditions, among the best the brake‐test laboratory had ever tested. That may not be so important for time‐trialists and triathletes, but it certainly is for road riders in a bunch heading down an Alpine descent in the rain. The new braking surface is also highly resistant to abrasion, which should promote a long service life.  Maintenance, service, and spares: An advantage of the inverted‐spoke configuration is that spokes can easily be replaced without special tools, and without needing access to the rim bed. Though not so important for clincher rims, for tubulars this is great – a team mechanic can’t send a rider out on a wheel with a dinged spoke, but to take off the tubular, replace the spoke, and re‐glue the tub is a time‐consuming task. It’s likelier the wheel will set aside. The spokes themselves are standard Sapim items, so should be easy to obtain at need, and no special tools are needed for replacement other than the supplied wrench for the Nylok nipples.  Another convenience factor for owners is the freehub, which has a patented spline that supports both dominant cassette patterns (Shimano/SRAM and Campagnolo) with no modification. Wheels can be shared between bikes with different transmission types (useful for amateurs), and dealers don’t need to carry duplicate stocks, or fiddly conversion kits.     

Page 9: Pressrelease 3T Mercurio nya hjul

How 3T reinvented the wheel  

page 8 of 9  

Conclusion  The 3T wheel project began over two years ago with the aerodynamic studies, which needed extensive computing power, and has gathered pace as it went along. At the time of writing, wheels are in action with both road race and triathlon teams, and feedback from riders will help us further refine the performance characteristics. Clincher wheels should share the same performance, and these are expected to have a strong appeal for amateur riders.    Note: supporting data and diagrams are available on application.   Richard McAinsh Martin Hayman  Brembate, Italy June 2011 

Page 10: Pressrelease 3T Mercurio nya hjul

How 3T reinvented the wheel  

page 9 of 9  

Above: Rim, showing spoke pocket and lateral spoke crossover Below: Rear hub, showing attachment of driveside spokes