เขียนโดย:
Kyle Russ หัวหน้าทีมวิศวกรชีวกลศาสตร์
Wendy Ochs วิศวกรอาวุโสด้านชีวกลศาสตร์
Paul Harder วิศวกรหัวหน้าทีมวิจัยและพัฒนา
วิวัฒนาการโครงสร้างคาร์บอนของ Domane: จาก IsoSpeed สู่ Gen 5
แพลตฟอร์ม Trek Domane ชื่นดังมีการพัฒนาแบบรุ่นต่อรุ่นแต่เป้าหมายสำคัญของเรายังคงเดิมคือ Domane จะเป็นจักรยานเสือหมอบขี่ทางไกลที่ผ่อนคลาย ขี่ได้มั่นใจและเต็มสมรรถนะเพื่อให้นั่งขี่ที่นั่งอยู่บนอานสามารถปั่นเร่งความเร็วได้อย่างสนุกตามใจฝัน
Domane รุ่นแรกเลือกใช้ยาง 700x25c และริมเบรกที่สามารถบีบจับขอบล้อแคบ ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในส่วนของกำลังเบรก ยางที่หน้าแคบมาก ๆ ทำให้ต้องการแรงเบรกที่สูง วิศวกรและนักออกแบบจาก Trek ในเวลานั้นจึงได้พัฒนาเทคโนโลยีใหม่เพื่อช่วยให้การขับขี่มีความนุ่มนวล ซึ่งนำไปสู่การพัฒนา IsooSpeed Decoupler หรือ IsoSpeed ขึ้น IsoSpeed ทำหน้าที่เป็นกลไกประสานระหว่างท่อนั่งและท่อบนเพื่อให้ท่อนั่งสามารถให้ตัวได้มากกว่าเฟรมแบบปกติ ทำให้การขี่นุ่มนวลและผ่อนคลายมากยิ่งขึ้น
ทีมงานด้านเทคนิคทุ่มเทกันอย่างเต็มที่เพื่อให้ Domane สามารถช่วยให้นักขี่อย่าง Fabian Cancellara, Lizzie Deigna และ Elisa Longo Borghini สามารถท้าแรงต้านเพื่อคว้าชัยชนะผ่านเส้นทางสุดหฤโหดของ Paris-Roubaix
การเก็บรวบรวมข้อมูลการแข่งในช่วงหลายปีที่ผ่านมาถือเป็นความภาคภูมิใจของ Trek อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีสำหรับจักรยานมีการเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากตั้งแต่ปี 2012 จานเบรกไฮดรอลิคที่เข้ามาแทนที่ริมเบรกทำให้การเลือกใช้ยางขนาดใหญ่เป็นไปได้ ปริมาตรของยางจึงมีขนาดเพิ่มจากเดิมอย่างมากเนื่องจากนักขี่ต้องการประสบการณ์การขี่ที่นุ่มนวลและพร้อมเต็มที่สำหรับทุกสถานการณ์มากกว่าเดิม นวัตกรรมยางนี้เป็นการเปิดประตูไปสู่การพัฒนาจักรยานที่มีน้ำหนักเบามากขึ้น มีความซับซ้อนน้อยลง ให้ตัวให้พอ ๆ กันและมั่นคงในการถีบปั่นที่มากกว่า สู่โลกของ Gen 5 Domane
ภาพที่ 1: Kyle Russ และ Paul Harder กำลังย้ายอุปกรณ์ระหว่างจักรยานทดสอบในห้องปฏิบัติการวิจัย Trek Performance Research Lab
Gen 5 Domane อย่างละเอียด
ทีมงานออกแบบ Gen 5 Domane กำหนดเป้าหมายไว้สามข้อได้แก่ การลดแรงสั่นสะเทือน1 ที่ส่งไปยังผู้ขี่ เพิ่มความแข็งแรงในการส่งแรงถีบที่แป้นเหยียบและลดน้ำหนักของจักรยาน แรงสั่นสะเทือนเป็นเกณฑ์ที่ใช้โดยทีมงาน Trek Performance Research เพื่อวัดพลังงานที่ส่งไปยังผู้ขี่ขณะที่ขี่บนทางที่ขรุขระ จักรยานที่ไม่ได้ใช้ IsoSpeed จะยังคงขี่ได้อย่างนุ่มนวลและเหยียบปั่นได้อย่างมั่นคงได้อย่างไร คำตอบมาจากสามส่วนประกอบได้แก่ หลักอาน เฟรมและยาง
โครงสร้างหลักอานและการเรียงแผ่นคาร์บอนถูกออกแบบมาเพื่อให้สามารถให้ตัวได้ดีในแนวดิ่งและมีความแข็งแรงในแนวขวาง หลักมีหน้าตัดภายในทรงรีเพื่อให้สามารถให้ตัวเมื่อได้รับแรงกระแทกรุนแรงโดยที่ยังคงความแข็งแรงในแนวขวางเมื่อนั่งบนอานและควบคุมจักรยาน
ภาพที่ 2: หลักอานของ Gen 5 Domane ให้การขับขี่ที่นุ่มนวลระหว่างการทดสอบการให้ตัวในแนวดิ่งบนลู่ทดสอบ
ในส่วนของเฟรม การซ้อนของชิ้นงานไฟเบอร์ถูกออกแบบมาอย่างดีเพื่อใหสามารถให้ตัวในแนวดิ่งและเพื่อให้สามารถเหยียบปั่นได้อย่างมั่นคง จักรยานตัวใหม่นี้มีผลการทดสอบที่ดีขึ้น 6% ในการทดสอบ Tour Magazine Pedaling Stiffness² ทำให้ Gen 5 Domane เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจอย่างยิ่งระหว่าง Gen 4 Domane และ Gen 8 Madone โดยอาจจะไม่แข็งกระด้างเท่ากับกะโหลกของจักรยานแข่ง แต่ก็ส่งกำลังไปยังแป้นเหยียบได้ดีขึ้นเมื่อเทียบกับ Domane รุ่นก่อนหน้า
ภาพที่ 3: ส่งพลังได้อย่างใจสั่งกับ Gen 5 Domane
ทำไมถึงมีการทดสอบการให้ตัวเฉพาะในแนวดิ่ง
แต่เดิมเฟรมจะถูกทดสอบในห้องปฏิบัติการโดยใช้น้ำหนักถ่วงจากอานเพื่อวัดการเบี่ยงโดยโดยรวมจากเฟรมและหลักอาน กระบวนการมาตรฐานนี้ไม่ได้พิจารณาตัวแปรจากล้อและยางเข้าไปด้วย นอกจากนี้การทดสอบนี้ยังใช้น้ำหนักถ่วงแบบคงที่ซึ่งแตกต่างจากแรงกระแทกแบบผันแปรที่เกิดขึ้นจริง การวัดการให้ตัวในระบบโดยรวมจึงเป็นสิ่งที่ท้าทาย โดยเฉพาะหากต้องพิจารณาตัวแปรอื่น ๆ เช่น การถีบปั่นบนพื้นผิวขรุขระ ด้วยเหตุนี้ Trek Performance Research Lab จึงก่อกำเนิดขึ้น Trek Performance Research Lab ถูกก่อตั้งขึ้นมาเพื่อศึกษาการปฏิสัมพันธ์ระหว่างนักขี่และจักรยานในสถานการณ์ขี่แบบแปรผัน
ห้องปฏิบัติการนี้มีลู่ทดสอบแบบ Woodway ที่ช่วยให้วิศวกรของ Trek สามารถเจาะรายละเอียดทุก ๆ พื้นผิวในการขี่ได้อย่างแม่นยำ ความสามารถในการทดสอบนี้ทำให้ Trek สามารถทราบตัวแปรที่มีผลต่อจักรยานอย่างละเอียด โดยเรามีการทดสอบกับลู่วิ่งนี้ร่วมกับเครื่องมือเก็บข้อมูลแบบต่าง ๆ เรามีการการเก็บข้อมูลการเคลื่อนที่แบบ 3 มิติ การใช้เกจวัดความเค้นและมาตรวัดอัตราเร่งที่ติดตั้งที่ตัวจักรยาน เพราะว่า “เราต้องการตรวจวัดรายละเอียดทั้งหมดตั้งแต่จุดส่งแรงกระแทกไปจนถึงชิ้นส่วนต่าง ๆ” ภายในห้องปฏิบัติการของเรา ขีดความสามารถเหล่านี้ทำให้ทีมงานออกแบบของ Domane สามารถสร้างความมั่นใจว่า Domane รุ่นใหม่ ๆ จะสามารถตอบโจทย์ด้านสมรรถนะในการขี่ได้อย่างที่คาดหวัง
การวัดแรงสั่นสะเทือน
ทีมงานการวิจัยของ Trek Performance มีการประสานงานกับทีมงานพัฒนาผลิตภัณฑ์แต่ละชุดเพื่อหาคำตอบที่ต้องการด้านความนุ่มนวล ประสิทธิภาพและการควบคุมรถ เนื่องจากความนุ่มนวลเป็นเรื่องของความรู้สึกส่วนบุคคล เราจึงต้องการทราบข้อมูลจริงเบื้องหลังสิ่งที่ทำให้จักรยานมีความนุ่มนวลเพื่อให้สามารถเปรียบเทียบผลิตภัณฑ์ต้นแบบกับจักรยาน Trek รุ่นปัจจุบันและจักรยานของคู่แข่ง
ในการเก็บข้อมูล เกณฑ์ชี้วัดความนุ่มนวลของเราใช้หลักการง่าย ๆ คือ การลดแรงสั่นสะเทือนที่ส่งไปยังนักขี่ภายใต้ความเร็ว พื้นที่และจักรยานที่กำหนด3 แม้ว่าจะใช้หลักการง่าย ๆ แต่วิธีการบันทึกข้อมูลแรงสั่นสะเทือนก็มีรายละเอียดปลีกย่อยมากกว่าที่คิดอยู่ไม่น้อย
ภาพที่ 4: Paul Harder และ Wendy Ochs กำลังเตรียมจักรยานและนักขี่ให้พร้อมสำหรับการขี่ทดสอบอีกรอบ
มีการติดตั้งอานและแฮนด์แบบตรวจจับแรงกับ Gen 4 และ Gen 5 Domane การวัดแรงที่จุดตรวจสอบและคำนวณความเร็วที่ได้จากมาตรวัดอัตราเร่งในตำแหน่งเดียวกันเหล่านี้ทำให้เราสามารถคำนวณแรงที่ส่งไปยังแต่ละจุดที่สัมผัสกับนักขี่ วิธีการนี้เป็นการเปรียบเทียบจักรยาน Gen 4 และ Gen 5 บนพื้นผิวที่ขรุขระแบบจุดต่อจุด รวมทั้งการไล่ระดับแรงดันลมระหว่าง 7-20mph และการไล่ระดับของแรงดันลมยาง
แรงดันลมยางที่แนะนำสำหรับยางขนาด 32 และ 35 มม. ถูกกำหนดโดยอาศัยเครื่องคำนวณแรงดัน Wolf Tooth โดยมีการพิจารณาตัวแปรจากพื้นผิว น้ำหนักของจักรยานและนักขี่ ขนาดยางและโครงสร้างของยาง การไล่ระดับแรงดันลมถูกพิจารณาโดยการขี่ที่ +/-20% ของแรงดันที่แนะนำ เพื่อเปรียบเทียบกับยาง 700x25c เราเลือกใช้แรงดันที่แนะนำสำหรับยางแบบมียางในโดยอ้างอิงกับข้อมูลทางสถิติ

ภาพที่ 5: แรงสั่นสะเทือนสำหรับกรณีที่จักรยานและนักขี่มีน้ำหนักรวมที่ 200 ปอนด์บนพื้นผิวขรุขระบนลู่ทดสอบ
แผนภาพด้านบนแสดงการทำงานของ IsoSpeed ขณะรับภาระหนักร่วมกับยางแบบใช้ยางในขนาด 25 มม. แม้ว่าจะมีการติดตั้ง IsoSpeed แต่แรงสั่นสะเทือนที่ส่งไปยังยางขนาด 25 มม. ก็ยังสูงกว่า Gen 5 ที่ไม่มี IsoSpeed ถึง 19% เมื่อเปลี่ยนยางจากขนาด 32 มม. เป็น 35 มม. จะทำให้พื้นผิวภายในของยางเพิ่มขึ้นที่ 10%. If pressure is kept the same, the total outward force acting on the tire casing therefore increases by 10% เพื่อให้แรงหนีศูนย์กลางที่เรือนยางคงที่ระหว่างยางขนาด 32 และ 35 มม. เราจึงต้องลดแรงดันลงที่ 10%
วิธีนี้ทำให้ Gen 5 Domane ได้รับแรงสั่นสะเทือนอยู่ในช่วง 5% ของ Gen 4 ที่ใช้ IsoSpeed ซึ่งถือว่าน่าพอใจสำหรับจักรยานที่เบากว่าถึง 292 ก. โดยไม่ต้องมีภาระในการดูแลรักษา IsoSpeed แน่นอนว่าห้องปฏิบัติการของเราไม่ได้ทดสอบแค่ Domane เท่านั้น ขณะที่เขียนบทความนี้ เรากำลังพัฒนา Gen 5 รุ่นใหม่มาอย่างต่อเนื่องเป็นเวลากว่า 400 ชั่วโมงครอบคลุมระยะทางถึง 6,000 ไมล์ในการขี่ทดสอบโดยเจ้าหน้าที่ของเรา
การวัดการเคลื่อนที่ของนักขี่และจักรยาน
เพื่อพิจารณาว่าจักรยานมีการตอบสนองในพื้นผิวขรุขระและส่งแรงหนักหรือเบาอย่างไร และมีผลต่ออัตราเร่งและแรงสั่นสะเทือนอย่างไร เราจึงเลือกใช้แบบจำลองการเคลื่อนที่แบบสามมิติหรือ “mocap” เพื่อศึกษาข้อมูล เราทำการบันทึกการเคลื่อนของนักขี่และจักรยานโดยใช้กล้องอินฟราเรดสามมิติ OptiTrack PrimeX 22 จำนวน 12 ตัวเพื่อศึกษาว่า Gen 4 และ Gen 5 Domane มีการตอบสนองบนลู่วิ่งอย่างไร
ภาพที่ 6: Wendy Ochs ขณะกำลังบันทึกการเคลื่อนที่แบบสามมิติ
จักรยานจะถูกติดแผ่นสะท้อนแสงเพื่อกำกับตำแหน่งจุดต่าง ๆ สำหรับพิจารณาว่าแต่ละพื้นที่ของจักรยานมีการตอบสนองต่อพื้นผิวแต่ละแบบในรูปแบบสามมิติอย่างไร ทั้งในแง่ของความนุ่มนวลของแชสซี (ความนุ่มนวลในการขี่ของจักรยาน) เราจะพิจารณาตำแหน่งกำกับต่าง ๆ ที่บริเวณกะโหลกจักรยาน เพื่อให้เข้าใจความรู้สึกของนักขี่ขณะอยู่บนอาน เราจะประเมินการเคลื่อนตัวของเชิงกรานและอานไปร่วมกัน กล่าวง่าย ๆ คือ หากการขี่นุ่มนวล เชิงกรานและอานก็จะ “สอดรับกัน” มากขึ้นตามไปด้วย ในทางกลับกัน ขณะอยู่บนผิวทางที่ขรุขระ อานจะกระดอนใส่นักขี่ทำให้เกิดการแยกกันระหว่างเชิงกรานและอาน ซึ่งนักขี่สามารถแก้ไขปัญหาด้วยกันยกตัวเหนืออานเพื่อให้การขี่นุ่มนวลแต่ก็ทำให้เสียแรงไม่น้อย
แผนภาพด้านล่างแสดงการจำลองแบบ (การเคลื่อนตัวเฉลี่ยต่อรอบบนลู่) ที่ 20mph สำหรับ Gen 4 Domane ที่ใช้ยางขนาด 32 มม. และ Gen 5 Domane ที่ใช้ยาง 35 มม. ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานรอบต่อรอบจะถูกจัดแสดงเป็นส่วนที่แรเงารอบ ๆ เส้นโค้ง พื้นที่ที่แรเงาด้านล่างเส้นจะถูกเติมด้วยสีน้ำเงินโปร่งใสและสีเหลืองเพื่อให้สีเขียวสามารถแสดงจุดที่เป็นพื้นที่ทับซ้อน เทรนด์ที่ปรากฏนี้เป็นปรากฏการณ์ที่พบในทุกช่วงความเร็ว โดยเราจะเน้นย้ำที่ช่วง 20mph เนื่องจากจะพบการเคลื่อนที่แนวดิ่งของจักรยานกับพื้นผิวได้มากที่สุด จะเห็นว่าความแตกต่างใน “ความนุ่มนวลของแชสซี” หรือการเคลื่อนของกะโหลกในแนวดิ่งอยู่ที่ 0.08 ม. ในขณะที่การเคลื่อนที่ระหว่างอานกับเชิงกราน หรือ “การสอดรับกัน” จะแปรผันเพียง 0.11 มม. กล่าวคือความแตกต่างระหว่างการตอบสนองของ Gen 5 และ Gen 4 น้อยมากจนแทบแยกไม่ออก

ภาพที่ 7: การจำลองการทำงานของ 3D Motion Capture สำหรับกะโหลกและการเคลื่อนที่ของอานกับเชิงกราน
ข้อสรุป
Gen 5 Domane คือจักรยานคาร์บอนที่เบาและซับซ้อนน้อยกว่า สามารถตอบสนองความต้องการในการขี่ที่นุ่มนวลและมีประสิทธิภาพโดยอาศัยโครงสร้างที่ออกแบบมาเป็นอย่างดีและชิ้นส่วนจากคาร์บอนไฟเบอร์ที่เรียงซ้อนอย่างลงตัวที่บริเวณหลักอานและเฟรมพร้อมกับยางขนาด 35 มม. ที่ลงตัว* นอกจากนี้ Gen 5 Domane ยังเลือกใช้โครงสร้างแบบเน้นความทนทานและคล่องตัวที่ทุกคนชื่นชอบเพื่อให้นักขี่รู้สึกผ่อนคลาย มั่นใจและขี่ได้อย่างเต็มประสิทธิภาพไปกับ Domane ตั้งแต่เริ่มต้น
*ระยะห่างของยางขนาด 35 มม. สำหรับทุกรุ่นยกเว้น SLR 9 AXS
ข้อมูลอ้างอิง:
1. Drouet J-M, Covill D, Leroux M, Richard S (2022) On metrics to assess road bicycle dynamic
comfort during impacts. Sports Eng 25:1. https://doi.org/10.1007/s12283-021-00366-x
2. Tour Magazine Pedaling Stiffness Test: https://www.tour-magazin.de/en/buying-advice/components/how-tour-tests/how-tour-tests-the-tour-road-bike-test-in-detail/
3. เอกสารทางเทคนิค Trek CheckOUT: https://www.trekbikes.mom/us/en_US/checkout-full-suspension-science/