Notre approche: L'aérodynamisme

L’aérodynamisme est souvent considéré comme le Saint-Graal du cyclisme puisque la performance aérodynamique influence tout : vêtements, composants, position et, évidemment, le design du vélo. Quels sont les principes les plus importants de l’aérodynamisme et comment les abordons-nous au moment de concevoir nos vélos?

La traînée aéro: notions fondamentales

Quatre facteurs importants entrent en jeu lors du déplacement d’un cycliste: la résistance de l’air, l’augmentation de résistance en altitude, la résistance à l’accélération et la perte mécanique. Leur ratio varie selon les conditions de course ou de sortie. Par exemple, la résistance en altitude augmente graduellement tout au long de la montée, tandis que la résistance de l’air diminue compte tenu que le coureur ralentit.

En général, peu importe les conditions, le vélo compte pour 20% de la traînée aéro, et le cycliste pour 80%. Le design d’un vélo met beaucoup l’accent sur ces deux paramètres, car la géométrie et la conception des composants ont un impact sur la position du cycliste sur le vélo. Chez Argon 18, bien que nous nous concentrions principalement sur les propriétés aérodynamiques du cadre, nous sommes reconnus pour offrir l’une des plus grandes plages de positionnement de l’industrie, permettant ainsi à chaque cycliste de trouver sa position aéro optimale.

Deux paramètres sont à considérer quand l’on désire améliorer la performance aérodynamique d’un objet : sa forme et sa surface frontale. Il est possible d’observer les effets d’un ajustement au niveau de ces deux paramètres en mesurant le CdA ou coefficient de traînée. La charge de traînée appliquée au cycliste et au vélo correspond normalement à la formule suivante:

F= 12ρ.v2 × Cd × A

Dans cette formule:

12ρ.v2 = environnement (densité de l’air et vitesse du débit d’air)

Cd= forme (coefficient de traînée)

A = taille (partie frontale)

Nous employons le CdA car sa valeur est relativement constante nonobstant la variabilité de la vélocité de l’air. Celui-ci fournit une mesure de comparaison valide à la fois entre les objets et entre les tests. Notre processus de conception comprend trois principaux types de test: dynamique des fluides numérique (CFD), tests en soufflerie et tests en situation réelle avec Notio.

Analyse CFD

La dynamique des fluides numérique, ou CFD pour Computational Fluid Dynamics, est un outil de simulation numérique qui permet de prédire le rendement aérodynamique. Vous avez peut-être entendu parler du CFD comme étant une «soufflerie virtuelle». Pourtant, le CFD et la soufflerie jouent des rôles très distincts dans notre processus de développement. Dans un contexte d’évaluation de vélo, les «fluides» représentent l’air. C’est pourquoi le vélo semble passer à travers des fluides sur les images émises lors d’analyses CFD. Grâce au CFD, nous pouvons suivre les écoulements de fluides autour du cycliste et du cadre de vélo.

Pour procéder à l’analyse, le volume de fluides étudié autour du cycliste est scindé en plusieurs cellules. Celles-ci forment un maillage qui recouvre complètement le sujet. Le comportement des fluides fait l’objet d’un calcul pour chaque cellule participant au volume, et la charge d’air que reçoit le cycliste est mesurée à chaque point du maillage de sa silhouette. Nous pouvons ainsi estimer la force de traînée du vélo et celle du cycliste. Nous avons élaboré une stratégie de maillage qui nous permet d’obtenir des résultats précis dans un délai de calcul raisonnable.

Cette analyse peut mener à des modifications du design qui améliorent l’écoulement d’air autour de la fourche et du cadre. L’interaction avec le corps du cycliste est aussi prise en compte. En fait, la plupart de nos analyses CFD comprennent la simulation d’un coureur.

Une analyse CFD peut nécessiter jusqu’à 60 millions de cellules (maillage), jusqu’à 100 étapes de calcul et jusqu’à 12 heures pour obtenir un résultat (une configuration / une embardée / une vitesse de vent). Même si ce procédé semble exiger beaucoup de temps, il nous aide à en gagner en nous fournissant un portrait très clair des propriétés aérodynamiques d’un cadre avant que nous passions à l’étape de prototypage. L’analyse CFD nous permet d’évaluer des douzaines d’itérations dans un délai beaucoup plus court que si nous avions à tester des prototypes en soufflerie.

Tests en soufflerie

Comme la plupart des méthodes de simulation, le CFD ne remplace pas les tests menés en situation réelle. C’est pourquoi les tests en soufflerie servent souvent à valider nos observations en CFD. En soufflerie, le cycliste est soumis à un flux d’air contrôlé et à une vitesse établie. Des capteurs de charge servent à mesurer la force qu’exerce l’air sur le cycliste.

Dans le monde réel, le vent frappe le cycliste dans tous les angles, pas seulement de face. En soufflerie, le vent latéral n’existe pas. Nous effectuons une rotation du vélo sur un piédestal afin de réaliser des tests à des angles d’embardée précis. Au fait, qu’est-ce qu’un angle d’embardée? C’est l’angle créé par la vitesse du vent par rapport à la vitesse de déplacement du vélo et du cycliste. Par exemple, un angle d’embardée à zéro degré réfère à un vélo qui se déplace en ligne droite, par vent de face. Pour un vent latéral, nous calculons le vecteur lié à la vitesse du vent qui frappe le cycliste, en tenant compte que le cycliste se déplace en ligne droite. Par exemple, si le vent frappe le cycliste par le côté (perpendiculairement) à 5km/h, et que le cycliste se déplace en ligne droite à 40km/h, le flux frappe le cycliste à un angle d’embardée de 7 degrés.

Il est important de mesurer le CdA d’un article à des angles d’embardée qui correspondent à l’usage auquel un objet est destiné. En cyclisme, les angles d’embardée les plus courants, observés dans des conditions réelles, se situent entre 10 et -10 degrés. C’est pourquoi nous mettons davantage l’accent sur les résultats obtenus dans cette plage d’angles. Pour ce faire, les résultats des tests de CFD ou de soufflerie sont pondérés pour accorder plus de valeur aux résultats susceptibles de se produire en calculant la valeur moyenne du CdA.

Il est possible de faire appel à un vrai cycliste pour effectuer les tests en soufflerie, bien qu’il soit difficile pour une personne de garder exactement la même position durant tous les tests. Cela amène une variabilité qui complique considérablement l’évaluation des variations légères provenant du cadre. C’est pourquoi nous préférons avoir recours à un mannequin pour nos tests en soufflerie. Notre mannequin est la somme de 13 jours d’impression 3D en continu à notre bureau de Montréal. Il est constitué de 11 pièces de matière plastique totalisant 17,5 kg. Un vélo sans cycliste peut donner lieu à des résultats d’essai intéressants, mais ceux-ci ne sont pas vraiment pertinents dans un contexte de course. Par exemple, si nous optimisons l’écoulement d’air au niveau du guidon et des extensions sans tenir compte que la position du cycliste modifie l’écoulement d’air dans cette zone, notre résultat n’a pas la validité requise pour nous aider à améliorer le design du vélo, et par conséquent à contribuer à l'amélioration des performances du cycliste.

Ces protocoles de simulation et de tests ont un impact direct sur notre processus de conception. D’ailleurs, vous pouvez en apprécier les résultats sur nos vélos. Le E-118 Tri+, par exemple, possède des formes de tube très différentes le long des fourreaux de la fourche comparativement à la version précédente, le E-118 Tri Next. La nouvelle forme a été optimisée en CFD afin d’obtenir la meilleure performance aéro possible, tout en respectant les règles de l’UCI. La fourche de sprint sur l’Electron Pro 2020 est également issue de ce même protocole. La fourche élancée révolutionnaire de l’Electron Pro constitue un excellent exemple de conception réalisée à partir de données aéro – en CFD, nous avons vu que le fourreau très rapproché de la fourche était en quelque sorte dissimulé par la roue, une observation qui s’est confirmée lors des tests en soufflerie. De la même façon, nous avons constaté en CFD que le triangle entre le tube supérieur et le tube de selle améliorait la performance aéro. Au départ, nous étions sceptiques, car cela ne tenait pas compte des mouvements de jambes du cycliste, un détail crucial. Toutefois, des tests en soufflerie avec un mannequin en mouvement ont confirmé le résultat.

Tester en situation réelle avec Notio

Chez Argon 18, nous avons aussi recours à Notio, un appareil conçu par notre laboratoire d’innovation interne. Fixé au vélo, Notio calcule le CdA en temps réel à l’aide de données recueillies par plusieurs capteurs : GPS, capteur de vitesse, accéléromètre, tube de Pitot et capteur de puissance. Les calculs réalisés à partir de ces données nous permettent d’abstraire le CdA.

Bien sûr, les tests avec Notio et d’autres tests en situation réelle ne peuvent être réalisés qu’à un stade de développement avancé. À l’inverse du CFD, qui nous permet de produire rapidement de nouvelles itérations conceptuelles, ou des tests en soufflerie où nous pouvons évaluer des prototypes précoces, nous devons avoir un cadre de production utilisable pour tester avec Notio.

À l’aide de Notio, nous avons fait des essais poussés sur notre E-118 Tri+. Cela nous a permis de valider immédiatement sa performance aéro par rapport à d’autres modèles moins récents comme le E-118 Tri Next, en plus de recueillir les commentaires de quelques athlètes sur le rendement du vélo.

Qu'entendons-nous par «gains marginaux»?

Les gains marginaux sont attribuables à des changements d’équipement qui procurent de très petits avantages aux coureurs qui se battent pour ces quelques microsecondes pouvant les mener à une victoire. Mais que veut-on dire exactement par gains marginaux? Quel rapport peut-on établir entre un cadre plus aéro et un cadre léger, par exemple?

Exemples de gains marginaux potentiels (pour un cycliste de 70 kg déployant une puissance de 300W, 0,25m2 CdA)

200g de moins sur le vélo: 20km, pente à 7,5%, aucun vent, Vr = 16,5km/h, ΔVr = 0,04 km/h

🡪 Gain = 10s sur 1h12min

5% d’amélioration CdA sur le vélo: 20km, pente à 0%, aucun vent, Vr = 43,1km/h, ΔVr = 0,14 km/h

🡪 Gain = 5s sur 30min

Au final, le plaisir d’être aux commandes d’un vélo performant et l’expérience que cela procure sont des sources de motivation probablement plus importantes que des gains marginaux.

La position de conduite: le facteur 80%

Si le vélo ne représente que 20% de la traînée aérodynamique, c’est donc dire que 80% de celle-ci repose sur le cycliste. C’est pourquoi la position du cycliste joue un rôle très important quand il s’agit de diminuer la traînée. En soufflerie, nous testons nos vélos, tout en tenant compte de la position du cycliste. Les résultats obtenus sont ensuite pris en considération au moment de concevoir la géométrie et le cockpit, et de choisir les composants. À titre d’exemple, découvrez les gains potentiels que peut entraîner une amélioration du CdA de l’ordre de 5% au niveau du vélo et de la position du cycliste.

Effet aéro en contre-la-montre sur du plat

20km, pente à 0%, aucun vent, Vr = 43,12 km/h

5% CdA amélioration vélo, ΔVr = 0,14 km/h 🡪 Gain = 5s sur 30 min

5% CdA amélioration cycliste, ΔVr = 0,56 km/h 🡪 Gain = 20s sur 30 min

Quel rôle joue l'évaluation de l'aérodynamisme dans notre processus conceptuel?

La performance aéro constitue l’un des éléments clés de nos vélos. C’est pourquoi elle est mesurée et évaluée à plusieurs reprises, tout au long du processus de développement. Toutefois, le volet aéro n’est jamais analysé seul, mais toujours combiné avec l’impact des nouvelles formes d’un cadre par rapport aux objectifs de rigidité et de poids à atteindre. Ces paramètres sont toujours évalués simultanément dans le cadre d’une approche holistique qui guide nos décisions. Nous évaluons les concepts de design initiaux en fonction de tous les paramètres. Cela nous permet d’être efficaces en matière d’itérations de design afin de nous rapprocher plus rapidement de nos objectifs de performance. Une fois notre approche conceptuelle validée, nous pouvons passer à l’étape de prototypage.