BE1020626A4 - BIKE FRAME STRUCTURE WITH MULTIPLE ELEMENTS FOR IMPROVED STIFFNESS AND IMPROVED AERODYNAMICS BY USING THE VENTURI EFFECT. - Google Patents

BIKE FRAME STRUCTURE WITH MULTIPLE ELEMENTS FOR IMPROVED STIFFNESS AND IMPROVED AERODYNAMICS BY USING THE VENTURI EFFECT. Download PDF

Info

Publication number
BE1020626A4
BE1020626A4 BE201200270A BE201200270A BE1020626A4 BE 1020626 A4 BE1020626 A4 BE 1020626A4 BE 201200270 A BE201200270 A BE 201200270A BE 201200270 A BE201200270 A BE 201200270A BE 1020626 A4 BE1020626 A4 BE 1020626A4
Authority
BE
Belgium
Prior art keywords
profile
air
improved
venturi effect
venturi
Prior art date
Application number
BE201200270A
Other languages
Dutch (nl)
Original Assignee
Eddy Merckx Cycles Nv Sa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eddy Merckx Cycles Nv Sa filed Critical Eddy Merckx Cycles Nv Sa
Priority to BE201200270A priority Critical patent/BE1020626A4/en
Application granted granted Critical
Publication of BE1020626A4 publication Critical patent/BE1020626A4/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62KCYCLES; CYCLE FRAMES; CYCLE STEERING DEVICES; RIDER-OPERATED TERMINAL CONTROLS SPECIALLY ADAPTED FOR CYCLES; CYCLE AXLE SUSPENSIONS; CYCLE SIDE-CARS, FORECARS, OR THE LIKE
    • B62K19/00Cycle frames
    • B62K19/02Cycle frames characterised by material or cross-section of frame members
    • B62K19/04Cycle frames characterised by material or cross-section of frame members the material being wholly or mainly metallic, e.g. of high elasticity
    • B62K19/06Cycle frames characterised by material or cross-section of frame members the material being wholly or mainly metallic, e.g. of high elasticity tubular

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Body Structure For Vehicles (AREA)

Description

TITEL PATENT:TITLE PATENT:

Fietsframe-structuur met meervoudige elementen voor een verbeterde stijfheid en verbeterde aërodynamica door gebruik van het Venturi effect.Bicycle frame structure with multiple elements for improved stiffness and improved aerodynamics through the use of the Venturi effect.

BESCHRIJVINGDESCRIPTION

1. Achterarond/Uitdaainaen1. Achterarond / Uitdaainaen

In de ontwikkeling van fietsframes zijn er twee tegenstrijdige principes:There are two conflicting principles in the development of bicycle frames:

Fietsframes hebben een zekere stijfheid nodig voor efficiënte krachtoverbrenging Tijdritfietsen moeten specifieke aërodynamische prestaties bezittenBicycle frames need a certain stiffness for efficient power transfer Time trial bikes must have specific aerodynamic performance

Na analyse van welke locatie het meest geschikt is om het meeste voordeel te halen kan besloten worden dat de onderbuis het meeste geschikt is: de onderbuis moet de meeste torsiebelasting weerstaan en tegelijkertijd vormt het de grootste barrière ten opzichte van de wind (Figuur 2: Torsie vs. Windbelasting)After analyzing which location is the most suitable to get the most benefit, it can be decided that the down tube is the most suitable: the down tube must withstand the most torsional load and at the same time it forms the greatest barrier to the wind (Figure 2: Torsion vs. Wind load)

Het is zeer lastig om de prestaties voor beide belastingen te optimaliseren:It is very difficult to optimize the performance for both loads:

Optimaliseren voor torsie (krachtoverbrenging) wordt verkregen door een wijd profiel van de dwarsdoorsnede.Optimization for torque (power transmission) is achieved by a wide cross-sectional profile.

Optimaliseren van de windbelasting (aërodynamica) wordt verkregen door een nauwer profiel van de dwarsdoorsnede.Optimizing the wind load (aerodynamics) is achieved by a narrower cross-sectional profile.

Dit wordt weergegeven in Figuur 3: Rond vs. Aero profiel.This is shown in Figure 3: Round vs. Aero profile.

UITDAGING: Hoe kan een structureel element met wijder profiel gemaakt worden dat een goede prestatie heeft op vlak van torsiestijfheid en dat op hetzelfde moment vergelijkbare aërodynamische prestaties bezit als een aërodynamisch profiel? 2. Structurele/Aerodvnamische principes a. Structurele principesCHALLENGE: How can a structural element with a wider profile be made that has a good performance in terms of torsional rigidity and that at the same time has comparable aerodynamic performance as an aerodynamic profile? 2. Structural / Aerodvnamic principles a. Structural principles

De onderbuis van het fietsframe ondergaat, onder andere, een torsiemoment (Figuur 4: Schematische weergave Torsiebelasting). De basisvergelijking voor Torsiemoment die de relatie beschrijft tussen het moment en de bijhorende hoekverdraaiing is:The lower tube of the bicycle frame undergoes, among other things, a torque (Figure 4: Schematic representation of Torsion load). The basic equation for Torsion Moment that describes the relationship between the moment and the accompanying angular rotation is:

Figure BE1020626A4D00021

•V• V

Met: MT is het Torsiemoment G is de Glijdingsmodulus J is het polair massatraagheidsmoment van de dwarsdoorsnede L is de lengte van de belaste structuur, dwars op de doorsnede gemeten Θ is de hoekverdraaiingWith: MT is the torque Torque G is the sliding modulus J is the polar moment of inertia of the cross-section L is the length of the loaded structure, measured transversely to the cross-section Θ is the angular rotation

De twee belangrijkste parameters die hierboven vermeld zijn, zijn de glijdingsmodulus (G), een materiaalconstante, en het polaire massatraagheidsmoment van de doorsnede (J) die met volgende vergelijking wordt verkregen:The two most important parameters mentioned above are the sliding modulus (G), a material constant, and the polar moment of inertia of the cross-section (J) obtained with the following equation:

Figure BE1020626A4D00031

Waarin r is de afstand van de massa radiaal gemeten ten opzichte van de centrale as van de het profiel.Where r is the distance of the mass measured radially with respect to the central axis of the profile.

Optimalisatie voor Torsiestijfheid zal gebeuren door zoveel mogelijk structureel materiaal (massa) zo ver mogelijk van de centrale as te positioneren.Optimization for Torsion Stiffness will be achieved by positioning as much structural material (mass) as possible as far as possible from the central axis.

b. Aërodynamische principes: Luchweerstandscoëfficiëntb. Aerodynamic principles: Luch resistance coefficient

Het verbeteren van aërodynamische prestaties van een fietsframe wordt verkregen door het verlagen van de luchtweerstand. De vergelijking om de luchtweerstand te bepalen is:Improving the aerodynamic performance of a bicycle frame is achieved by lowering the air resistance. The comparison to determine the air resistance is:

Figure BE1020626A4D00032

Met: D is de WeerstandskrachtWith: D is the Resistance Force

Cd is weerstandscoëfficiënt p is dichtheid (van lucht onder normale atmosferische omstandigheden: 1,225 kg/m3) V is de luchtsnelheid A is de referentie-oppervlakte (in meeste gevallen de frontaal geprojecteerde oppervlakte)Cd is coefficient of resistance p is density (of air under normal atmospheric conditions: 1.225 kg / m3) V is the air velocity A is the reference area (in most cases the frontally projected area)

De twee belangrijkste parameters die de aërodynamische weerstand beïnvloeden zijn: de weerstandscoëfficiënt en de referentie-oppervlakte. Bijhorende figuur geeft een overzicht van hoe de weerstandscoëfficiënt kan worden beïnvloed aangezien het de meeste winst kan vertegenwoordigen (Figuur 5: Voorbeelden van Weerstandscoefficiënt (Cd)).The two most important parameters that influence the aerodynamic resistance are: the resistance coefficient and the reference surface. The accompanying figure gives an overview of how the resistance coefficient can be influenced since it can represent the most gain (Figure 5: Examples of Resistance coefficient (Cd)).

Uit de voorbeelden kan worden afgeleid dat een dun "gestroomlijnd" profiel de laagste weerstandscoëfficiënt heeft. De reden voor deze lage weerstandscoëfficiënt heeft te maken met het feit dat er een beter laminaire stroming heerst rond het profiel. Het loslaten van de stroming en ontstaan van turbulente luchtstroom is de belangrijkste reden voor luchtweerstand (Figuur 6: Laminair vs. Turbulente luchtstroom). Het omslagpunt, waar de luchtstroming van laminair naar turbulent omslaat, hangt af van verschillende parameters: luchtsnelheid, oppervlaktekwaliteit, vorm van het profiel (lengte, breedte, kromming, ...).It can be deduced from the examples that a thin "streamlined" profile has the lowest resistance coefficient. The reason for this low resistance coefficient has to do with the fact that there is a better laminar flow around the profile. Releasing the flow and creating turbulent air flow is the main reason for air resistance (Figure 6: Laminar vs. Turbulent air flow). The turning point, where the airflow changes from laminar to turbulent, depends on various parameters: air speed, surface quality, profile shape (length, width, curvature, ...).

Ook de ronding van het profiel in relatie tot de luchtsnelheid speelt een grote rol in de ligging van het omslagpunt. (Figuur 7: Transitiezone rondom verschillende profielen)The curve of the profile in relation to the air speed also plays a major role in the location of the tipping point. (Figure 7: Transition zone around different profiles)

De uitdaging voor profiel-designers bestaat erin om een optimale vorm te bepalen die bij een gegeven snelheidsspectrum de weerstand tot een minimum reduceert zonder de sterkte en de stijfheid van de interne structuur te compromitteren.The challenge for profile designers is to determine an optimum shape that reduces the resistance to a minimum at a given speed spectrum without compromising the strength and stiffness of the internal structure.

c. Venturi Effectc. Venturi Effect

Een "Venturi"-buis is een opzettelijke vernauwing van een luchtstroom om een lokale verlaging van de luchtdruk te krijgen. Het "Venturi"-effect is een fysisch fenomeen dat kan gebruikt worden om gassen aan te trekken door een lokaal opgewekt lage-drukzone.A "Venturi" tube is a deliberate narrowing of an air flow to achieve a local reduction in air pressure. The "Venturi" effect is a physical phenomenon that can be used to attract gases through a locally generated low pressure zone.

Bijhorende figuur (Figuur 8: Theoretische weergave Venturi effect) geeft de theoretische weergave van het Venturi-principe: een vermindering van de luchtdruk tussen punt "1" en punt "2".The corresponding figure (Figure 8: Theoretical representation of the Venturi effect) shows the theoretical representation of the Venturi principle: a reduction in air pressure between point "1" and point "2".

De vergelijking om het Venturi-principe te verklaren is de "Wet van Bernoulli" gecombineerd met de vergelijking voor volumetrische flux (Q):The equation to explain the Venturi principle is the "Bernoulli law" combined with the equation for volumetric flux (Q):

Figure BE1020626A4D00033

Deze vergelijken tonen aan dat in alle gevallen er een verlaging van de luchtdruk zal plaatsvinden bij de uitstroom.These comparisons show that in all cases there will be a reduction in air pressure at the outflow.

3. Venturi Powerbox principe3. Venturi Powerbox principle

Door de onderbuis in de lengterichting te openen wordt er een nieuw type luchtstroming gecreërd. Waar de luchtstroom normaal rond een gesloten profiel zal stromen stroomt de lucht bij de Eddy Merckx ETT door het profiel. (Figuur 9: Venturi Powerbox)By opening the lower tube in the longitudinal direction, a new type of air flow is created. Where the air flow will normally flow around a closed profile, the air flows through the profile at the Eddy Merckx ETT. (Figure 9: Venturi Powerbox)

De opening van het profiel krijgt een specifieke vorm zodat de onderbuis van de Eddy Merckx ETT vergelijkbare aërodynamische prestaties bereikt met een gesloten aërodynamisch profiel met dezelfde breedte.The opening of the profile is given a specific shape so that the bottom tube of the Eddy Merckx ETT achieves comparable aerodynamic performance with a closed aerodynamic profile of the same width.

Een mogelike doorsnede van het profiel wordt gegeven in bijgevoegde figuur (Figuur 10: Venturi dwarsdoorsnede van de Eddy Merckx ΕΤΓ). Onderstaande tabel geeft de waarden weer voor de dimensies waaraan een Venturi-profiel zal voldoen.A possible cross-section of the profile is given in the attached figure (Figure 10: Venturi cross-section of the Eddy Merckx ΕΤΓ). The table below shows the values for the dimensions that a Venturi profile will satisfy.

Figure BE1020626A4D00041

Door gebruik te maken van de principes, beschreven in Structurele/aerodvnamische principes, wordt een nieuw type van fietsstructuur verkregen:By using the principles described in Structural / aerodvnamic principles, a new type of bicycle structure is obtained:

Structureel heeft de fietsstructuur een wijd profiel om Torsiemoment op te vangen Aërodynamisch, door gebruik te maken van het Venturi-principe, is er een mogelijke verlaging van de luchtweerstand.Structurally, the bicycle structure has a wide profile to absorb Torque. Aerodynamically, by using the Venturi principle, there is a possible reduction in air resistance.

Beide situaties (open en gesloten profiel) zijn voorgesteld in bijgevoegde figuur (Figuur 11: Open en gesloten profiel in een luchtstroom). Het doel is om de luchtweerstand te verminderen, gerelateerd aan een aërodynamisch profiel waarbij hierboven reeds is gemeld dat de afmetingen en vorm van het profiel de aërodynamische prestaties bepalen.Both situations (open and closed profile) are represented in the attached figure (Figure 11: Open and closed profile in an air stream). The aim is to reduce air resistance, related to an aerodynamic profile where it has already been mentioned above that the dimensions and shape of the profile determine the aerodynamic performance.

Een fietser fietst aan een constante snelheid VI. De luchtdruk op dat moment, buiten het profiel, is pl. Onder normale omstandigheden zal dit de atmosferische druk zijn.A cyclist cycles at a constant speed VI. The air pressure at that time, outside the profile, is pl. Under normal circumstances this will be atmospheric pressure.

Situatie 1: Open profiel met Venturi-EffectSituation 1: Open profile with Venturi Effect

De constante luchtstroom zal opgedeeld worden in twee luchtstromen: een stroom zal rond het profiel gaan (boven en onder) en de andere luchtstroom gaat door het midden van het profiel.The constant air flow will be divided into two air flows: one flow will go around the profile (above and below) and the other air flow will go through the center of the profile.

De luchtstroom die rond het profiel gaat zal vertragen en er zal een transitie ontstaan van laminaire naar turbulente luchtstroming. Deze turbulente luchtstroming is de hoofdreden voor luchtweerstand rond het profiel. Aangezien de lucht vertraagt, zal er lokaal een hogedrukgebied ontstaan.The air flow that goes around the profile will slow down and a transition will occur from laminar to turbulent air flow. This turbulent air flow is the main reason for air resistance around the profile. As the air slows down, a high pressure area will arise locally.

De luchtstroom die door het profiel gaat zal versnellen door de vernauwing verderop in de sectie: dit is het Venturi-principe. De versnelde lucht zal een lokaal lagedrukgebied veroorzaken net achter het profiel (p3<p2).The airflow that goes through the profile will accelerate due to the narrowing further down in the section: this is the Venturi principle. The accelerated air will cause a local low pressure area just behind the profile (p3 <p2).

Het verschil in druk tussen p2 en p3 zal het voortbestaan van de turbulente luchtstroming verstoren en zal een nieuwe transitie doen ontstaan tot een laminaire stroming. Vereenvoudigd geeft dit: het lagedrukgebied zal de lucht uit de turbulente stroming aantrekken en opnieuw laminair maken. Deze interactie tussen luchtstromingen zal een vermindering teweeg brengen van de luchtweerstand.The difference in pressure between p2 and p3 will disrupt the continued existence of the turbulent air flow and will create a new transition to a laminar flow. This is simplified: the low pressure area will attract the air from the turbulent flow and make it laminar again. This interaction between air flows will cause a reduction in air resistance.

Situatie 2: Gesloten aeroprofiel met zelfde breedte als open profielSituation 2: Closed aero profile with the same width as an open profile

Zoals hierboven beschreven is de luchtstroming rond een profiel afhankelijk van verschillende karakteristieken: lengte, breedte, specifieke vorm van het profiel. De weerstandcoëfficiënt is rechtstreeks afhankelijk van deze parameters.As described above, the air flow around a profile depends on various characteristics: length, width, specific shape of the profile. The resistance coefficient is directly dependent on these parameters.

Ergens langs het profiel zal er een omslagpunt/transitiezone zijn waarbij de laminaire stroming omslaat in een turbulente stroming. Wanneer dit gebeurt zal de luchtweerstand drastisch toenemen. Het doel van de ontwikkeling van een aërodynamisch profiel is om het te optimaliseren voor laminaire stroming.Somewhere along the profile there will be a turning point / transition zone where the laminar flow turns into a turbulent flow. When this happens the air resistance will increase drastically. The purpose of developing an aerodynamic profile is to optimize it for laminar flow.

FIGURENFIGURES

Figuur 1: Dwarsdoorsnede van de Venturi fietsstructuurFigure 1: Cross section of the Venturi bicycle structure

Figuur 2: Torsie vs. WindbelastingFigure 2: Torsion vs. Wind load

Figuur 3: Rond vs. Aero profielFigure 3: Round vs. Aero profile

Figuur 4: Schematische weergave TorsiebelastingFigure 4: Torsion load diagram

Figuur 5: Voorbeelden van Weerstandscoefficiënt (Cd)Figure 5: Examples of Resistance Practitioner (Cd)

Figuur 6: Laminair vs. Turbulente luchtstroom Figuur 7: Transitiezone rondom verschillende profielen Figuur 8: Theoretische weergave Venturi effect Figuur 9: Venturi PowerboxFigure 6: Laminar vs. Turbulent air flow Figure 7: Transition zone around different profiles Figure 8: Theoretical representation of the Venturi effect Figure 9: Venturi Powerbox

Figuur 10: Venturi dwarsdoorsnede van de Eddy Merckx ETT Figuur 11: Open en gésloten profiel in een luchtstroomFigure 10: Venturi cross section of the Eddy Merckx ETT Figure 11: Open and closed profile in an air stream

Claims (1)

CONCLUSIE De fietsframe-structuur met meervoudige elementen en met geïntegreerd Venturi-effect kan de algemene prestaties van een fietsframe drastisch verbeteren; zowel structureel als aërodynamisch. De afmetingen en algemene vorm van het profiel zijn de belangrijkste parameters die bijdragen aan de uiteindelijke prestaties van het fietsframe: de algemene torsiestijfheid en het verkrijgen van een Venturi-effect. De combinatie van de afmetingen en de unieke vorm van de fietsstructuur vormen de innovatie van deze uitvinding.CONCLUSION The bicycle frame structure with multiple elements and with integrated Venturi effect can drastically improve the overall performance of a bicycle frame; both structural and aerodynamic. The dimensions and general shape of the profile are the most important parameters that contribute to the final performance of the bicycle frame: the general torsional stiffness and obtaining a Venturi effect. The combination of the dimensions and the unique shape of the bicycle structure form the innovation of this invention.
BE201200270A 2012-04-23 2012-04-23 BIKE FRAME STRUCTURE WITH MULTIPLE ELEMENTS FOR IMPROVED STIFFNESS AND IMPROVED AERODYNAMICS BY USING THE VENTURI EFFECT. BE1020626A4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BE201200270A BE1020626A4 (en) 2012-04-23 2012-04-23 BIKE FRAME STRUCTURE WITH MULTIPLE ELEMENTS FOR IMPROVED STIFFNESS AND IMPROVED AERODYNAMICS BY USING THE VENTURI EFFECT.

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BE201200270 2012-04-23
BE201200270A BE1020626A4 (en) 2012-04-23 2012-04-23 BIKE FRAME STRUCTURE WITH MULTIPLE ELEMENTS FOR IMPROVED STIFFNESS AND IMPROVED AERODYNAMICS BY USING THE VENTURI EFFECT.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
BE1020626A4 true BE1020626A4 (en) 2014-02-04

Family

ID=46330967

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BE201200270A BE1020626A4 (en) 2012-04-23 2012-04-23 BIKE FRAME STRUCTURE WITH MULTIPLE ELEMENTS FOR IMPROVED STIFFNESS AND IMPROVED AERODYNAMICS BY USING THE VENTURI EFFECT.

Country Status (1)

Country Link
BE (1) BE1020626A4 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1338499A2 (en) * 2002-02-14 2003-08-27 Nicol, Morgan Bicycle fork
EP1803635A1 (en) * 2005-12-09 2007-07-04 Prince Sports, Inc. Bicycle having multiple tube frame structure.
US20100225090A1 (en) * 2009-03-06 2010-09-09 Cusack Douglas A Aerodynamic bicycle structure

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1338499A2 (en) * 2002-02-14 2003-08-27 Nicol, Morgan Bicycle fork
EP1803635A1 (en) * 2005-12-09 2007-07-04 Prince Sports, Inc. Bicycle having multiple tube frame structure.
US20100225090A1 (en) * 2009-03-06 2010-09-09 Cusack Douglas A Aerodynamic bicycle structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ITBO20120088A1 (en) REAR BUMPER WITH MOBILE FLYING ELEMENTS FOR A HIGH-PERFORMANCE ROAD CAR
US8876137B2 (en) Frame for a bicycle
US20140062056A1 (en) Suspension fork, in particular for a bicycle
BE1020626A4 (en) BIKE FRAME STRUCTURE WITH MULTIPLE ELEMENTS FOR IMPROVED STIFFNESS AND IMPROVED AERODYNAMICS BY USING THE VENTURI EFFECT.
JP2009269599A (en) Front member for automobile
JP2010502872A5 (en)
TWI641530B (en) Bicycle derailleur
ITPD20060078U1 (en) EXTRACTION DEVICE FOR PRESSURE SENSORS INSIDE THE PRESSURE ROOMS OF CENTRIFUGAL FANS PARTICULARLY FOR FUME EXTRACTORS OR FUME EXTRACTORS
US8640569B2 (en) Freewheel structure
CN108223018A (en) A kind of open-celled structure for reducing the hollow moving turbine blade blade impact around-the-hole stress of aero-engine
KR20160002901U (en) Aerodynamic bicycle frame
US20070163850A1 (en) Aerodynamic Bicycle Disc Wheel Assembly
CN105276236A (en) Shut-off flap
JP6360498B2 (en) Equipment for bicycle wheels and rims for bicycle wheels
JP6397414B2 (en) Exhaust gas turbocharger
WO2018014070A1 (en) Improvements to the aerodynamics of bicycle frames and associated components
GB2592048A (en) Improved motorcycle structure and powertrain arrangement
CN110462166A (en) Cooling component for turbine assembly
CN206539534U (en) Blade, centrifugal blower fan blade wheel, centrifugal blower and range hood
CN207374023U (en) A kind of hub mechanism based on empty iron
TWI669237B (en) Front fork and bicycle frame assembly including the same
Malizia et al. A numerical analysis of different approaches for rotation modelling on the aerodynamic drag of a spoked cycling wheel
ES2577136T3 (en) Training device for cyclists
US8820764B2 (en) Bicycle frame
ITAL20100025U1 (en) AERODYAMICLY PERFORMING WHEEL SYSTEM

Legal Events

Date Code Title Description
MM Lapsed because of non-payment of the annual fee

Effective date: 20170430

NE Restoration requested

Effective date: 20141224