Windkanaltest Windkanaltest

So testet TOUR die Aerodynamik

Rennrad-Test im Windkanal

Robert Kühnen am 17.02.2017

TOUR testet Wettkampfräder und Wettkampflaufräder regelmäßig im Windkanal. Hier beschreiben wir das Testprozedere, die Hintergründe und wie die gewonnen Daten zu interpretieren sind.

Der Luftwiderstand ist der wesentliche Fahrwiderstand, mit dem wir uns als Rennradfahrer herumschlagen. Dass wir bei Tempo 40-50 auf eine schier undurchdringbare "Wand" treffen, ist der Wirkung des Luftwiderstands geschuldet, der exponentiell mit dem Tempo zulegt. Aber auch bei viel niedrigeren Geschwindigkeiten ist der Luftwiderstand das Maß der Dinge. Je nach Haltung auf dem Rad ist der Luftwiderstand ab 18 km/h der dominante Fahrwiderstand. Daher profitieren Rennradfahrer bei allen üblichen Rennradgeschwindigkeiten von einer verbesserten Aerodynamik, egal ob diese auf eine bessere Haltung oder besseres Material zurückgeht. Ob wir einen 26er oder einen 28er Schnitt fahren können – bei gleicher Tretleistung – hat vor allem aerodynamische Ursachen.
Im steilen Terrain und bei häufigen Beschleunigungen gewinnt das Gewicht stark an Bedeutung. Jenseits von 5 % Steigung ist für den Hobbyfahrer das Gewicht der ausschlaggebende Faktor für den Fahrwiderstand. Bei Profis, die die Berge deutlich schneller raufknallen, ist die Aerodynamik aber bis rund 7%   Steigung ein nicht zu vernachlässigender Faktor.

Bewegte Beine für reale Daten

TOUR hat schon eine Vielzahl von Windkanälen benutzt. Seit 2012 testen wir im GST-Kanal auf dem Airbus-Gelände im Immenstaad.  Der offene Kanal ist ein ehemaliger Dornier-Flugzeug-Windkanal und bietet beste Voraussetzungen für qualitativ sehr hochwertige Messungen mit hoher Auflösung und guter Reproduzierbarkeit, wie sie auf der Straße und der Radrennbahn so nicht möglich sind. Zusammen mit dem Betreiber haben wir ein Messprotokoll entwickelt, das den Maßstab setzt bei Aero-Tests von Fahrrädern, sowohl in der Auflösung als auch in der Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit:  Um Rad und Räder möglichst realitätsnah zu umströmen,  setzen wir einen Dummy auf das Rad, der mittritt. Gegenüber einem menschlichen Fahrer hat der Dummy den Vorzug einer unendlichen Ausdauer und wenn er einmal sitzt, ändert er seine Haltung auch nicht mehr, was der Messqualität zu Gute kommt.  Nach anfänglichen Versuchen mit einem starren Vollkörperdummy ist der bewegte Fahrer ohne Oberkörper die zweite Evolutionsstufe und eine Eigenentwicklung von TOUR.  Den Oberkörper haben wir weggelassen, weil er wenig aerodynamische Interaktion mit dem Rahmen hat, aber viel Widerstand macht und damit den Messfehler vergrößert.
Wir messen Rad und Dummy immer zusammen, mit dem Ziel, möglichst relevante und praxisnahe Messwerte zu erheben.  Die Höhe des Lenkers stellen wir dabei immer gleich ein und montieren auch einen Flaschenhalter samt 0,75-Liter-Flasche. Um Laufradeffekte zu erfassen, messen wir das Rad jeweils mit den Original-Laufrädern (Bewertungsgrundlage), aber auch mit einem schnellen Referenzlaufradsatz (Zipp 404 oder Swissside 625).
Die Anströmgeschwindigkeit beträgt 45 km/h und wir schwenken das Rad über einen Winkelbereich von -20 bis +20° gegenüber der Längsachse des Kanals. Die Schräganströmung repräsentiert Situationen, wo Seitenwind und Fahrtwind sich zu einem resultierenden Wind addieren, der dann nicht mehr frontal auf den Fahrer trifft sondern schräg. Wir wählen eine hohe Geschwindigkeit, um gut messen zu können. Die Ergebnisse lassen sich auf andere Geschwindigkeiten übertragen. Es wäre falsch anzunehmen, dass die Aerodynamik nur bei so hohen Geschwindigkeiten relevant ist.  
Bei den Tests wird das Hinterrad über eine Walze im Windkanalboden angetrieben. Über einen starren Antrieb mit blockiertem Freilauf treiben wir die Kurbeln an, die wiederum die Beine des Dummys bewegen. Das Vorderrad wird auf gleiche Weise angetrieben.
Der ganze Aufbau ruht auf einer Sechs-Komponenten-Waage im Windkanalboden, die den Widerstand in Fahrtrichtung, Seitenkräfte und Momente erfasst.
Mit einer separaten Vorrichtung können wir zudem messen, welche Kräfte der Fahrer in der Lenkung spürt, wenn der Wind an flächigen Felgen anliegt.
Die Messung über den ganzen Winkelbereich erfolgt kontinuierlich in einem Rutsch, was vor allem Messzeit spart. In weniger als anderthalb Minuten erfassen wir so für 41 Messpunkte, welche Kraft der Wind auf Das Rad ausübt. Dabei wählen wir die Integrationszeiten so, dass jeweils ganze Beinumdrehungen pro Messpunkt in die Messung eingehen.  

Windkanaltest

TOUR-Tester in Aktion: Vorder- und Hinterrad drehen sich mit Strömungsgeschwindigkeit, die Beine des Dummy mit 90 Umdrehungen in der Minute

Der Wind kommt nicht immer von vorne

Mit der Messung ermitteln wir die cwA-Werte, die die Einheit m^2 haben – das Produkt aus cw-Wert und angeströmter Fläche. Diese Werte lassen sich problemlos auf andere Bedingungen wie abweichende Geschwindigkeiten oder Luftdrücke umrechnen lassen.
Um zu einem griffigen Ergebnis zu gelangen, bewerten wir die 41 Messwerte und verdichten sie zu einer Widerstandzahl, ausgedrückt in Watt, für eine typische Fahrsituation. Da der Oberkörper bei der Messung fehlt, ist der Widerstand eines realen Fahrers nochmal rund 50 Prozent höher (was wir bei Simulationsrechnungen berücksichtigen).
Die Umrechnung des Widerstandsverlaufs über alle Winkel in einen Wattwert  erfordert einige Annahmen. Denn welcher Anströmwinkel wie wahrscheinlich ist, hängt von der typischen Windgeschwindigkeit und ihrer Verteilung ab. Wir rechnen mit 10 km/h mittlerem Wind und einer Weibull-Verteilung der Windgeschwindigkeiten, wie sie auch in der Windkraftanalyse verwendet werden. Ausgehend von einer zufälligen Windrichtung lässt sich die Wahrscheinlichkeit der Anströmwinkel berechnen. Entsprechend werden die einzelnen Messpunkte unterschiedlich gewichtet: wir erhalten eine glockenförmige Verteilung rund um die Null Grad – das heiß, dass kleine Winkel sehr viel wahrscheinlicher sind und entsprechend ein höheres Gewicht für die Bildung des Widerstands bekommen als große.
Fährt man in sehr windarmen Gebieten, wird die Verteilung spitzer. Kleine Winkel bekommen dann ein noch größeres Gewicht.  Für die individuelle Beurteilung bilden wir daher auch die Widerstandsverläufe ab, sodass man sich ein Bild machen kann, wie der Widerstand entsteht.
Auch die Fahrgeschwindigkeit spielt eine Rolle für die Winkel. Langsame Fahrer erleben bei gleichem Wind mehr Schräganströmung als schnelle. Das führt zu der paradoxen Situation, dass langsame Zeitfahrer den größten Gewinn aus aerodynamischen Material ziehen können, denn bei Schräganströmung nimmt der Vorteil von aerodynamischen Material deutlich zu.

Widerstandskurven

Widerstandsverlauf eines Rad mit zwei verschiedenen Laufrädern. Es ist schön zu sehen, dass die Aero-Laufräder vor allem bei Anströmwinkeln über acht Grad deutlich weniger Widerstand erzeugen.  

Messgenauigkeit und Relevanz

Die Messgenauigkeit innerhalb einer Messkampagne – das sind in der Regel die Daten, die innerhalb einer Geschichte publiziert werden – liegt bei +/- 0,25 W. Die Wiederholgenauigkeit zwischen verschiedenen Kampagnen liegt bei +/- 1 W.
Viele Leser fragen: Sind die Daten relevant, macht nicht der Fahrer den Haupt-Luftwiderstand?  Es ist richtig, dass der Fahrer das Geschehen dominiert.  Am meisten Tempo bringt daher eine aerodynamische Sitzposition. Aber der Materialvorteil fährt ständig mit und ist auch nicht zu unterschätzen.  Zwischen einem aerodynamisch sehr guten und sehr schlechten Rad liegen rund 35 Watt bei Tempo 45. Übertragen auf niedrigere Geschwindigkeiten, wie sie typisch sind für Freizeitfahrer, kann das Rad alleine bei gleicher Sitzposition ein Plus von einem Kilometer pro Stunde verursachen.
Wirklich schnell wird man, wenn man sich um alle Komponenten des Widerstands kümmert und Haltung, Kleidung und Material optimiert. Am besten in dieser Reihenfolge.
Um die Zeitvorteile der aerodynamischen Optimierung  darzustellen, nutzen wir Simulationsrechnungen, in die die Windkanaldaten einfließen, aber auch das Gewicht des Rades. Dann simulieren wir verschieden bergige Strecken  - von 500 Höhenmeter pro 100 Kilometer (flach), über 1000 Höhenmeter auf 100 Kilometern (wellig) bis zu  2000 Höhenmetern auf 100 Kilometern (bergig).      
Ausgehend von einer konstanten Tretleistung – wir wählen hier meist moderate 200 Watt – lässt sich ablesen, was die Aerodynamik des Materials in Minuten und Sekunden für welche Strecke bedeutet.  Dazu ergänzen wir die Dummy-Daten rechnerisch noch um den fehlenden Oberkörper, legen das Gewicht unseres Musterfahrers auf 75 Kilogramm fest und lassen den Fahrer virtuell über die verschiedenen Strecken sausen. 
Wenn die erzielte Geschwindigkeit keine Rolle spielt, ist die Aerodynamik obsolet, weshalb wir die Aerodynamik auch nur bei Wettkampfrädern bewerten.  Strenggenommen kann einem das Gewicht dann aber auch egal sein. Denn mit dem passenden Gang kommt es am  Berg auch nicht auf zwei oder drei Kilogramm an.

Aerodynamik vs. Gewicht

Höhenprofil Streckensimulation

Das Profil der bergigen Simulationsstrecke. Die lange Steigung hat im Schnitt 6,7 % Steigung, der Schlussanstieg 10 %.   

Robert Kühnen am 17.02.2017
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