Trek Bicycle si avvale delle soluzioni di test Simcenter per diagnosticare e migliorare l'acustica dei motori delle e-bike
Trek Bicycle (Trek) ha sede a Waterloo, Wisconsin ed è stata fondata nel 1976. Trek progetta e produce vari tipi di biciclette, tra cui mountain bike elettriche, bici da strada/city bike e altri accessori.
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L'uso dei software Simcenter SCADAS XS e Simcenter Testlab Neo mi ha permesso di spendere meno tempo nella ricerca delle risposte corrette e focalizzarmi su ciò che quelle risposte mi insegnavano.
Trek Bicycle (Trek) ha sede a Waterloo, Wisconsin ed è stata fondata nel 1976. Trek progetta e produce vari tipi di biciclette, tra cui mountain bike elettriche, bici da strada/city bike e altri accessori. Trek mira a raggiungere l'innovazione continua e le prestazioni high-tech in tutta la sua gamma di prodotti.
Trek Bicycle continua a innovare con la Fuel EXe, una linea pionieristica uscita
nel luglio 2022. La Fuel EXe è una mountain bike elettrica ad alta potenza, progettata per offrire ai ciclisti un'esperienza di guida più silenziosa. La Fuel EXe include un design di alta qualità, componenti di alto livello, un telaio più leggero ma resistente e un motore elettrico completo, progettato per migliorare l'esperienza acustica dei ciclisti. Trek ha introdotto l'acustica nelle e-bike ed è nota per il suo innovativo team di ingegneri, che comprende esperti di mountain bike (MTB) e analisti che apportano misurazioni e approfondimenti quantitativi su nuove metriche di prestazioni come l'acustica.
Trek è pioniere nell'inserire la qualità acustica nella mappa metrica delle biciclette elettriche, in quanto continua a essere un tema caldo nel settore.
“In qualità di esperto di test e analisi acustica di Trek, un ruolo nuovo non solo per me ma anche per l'industria ciclistica, abbiamo voluto portare le competenze acustiche di Trek a un livello superiore, applicando nuovi metodi di test e analisi al ciclo di sviluppo della Fuel EXe”, spiega Paul Harder, ingegnere principale di ricerca e sviluppo (R&S) all'interno del Trek Performance
Research Group.
“È stata un'impresa non da poco, con molte novità che si sono susseguite contemporaneamente”.
Gli ingegneri del gruppo di ricerca sulle prestazioni di Trek tendono a rimanere sul versante della sperimentazione e della simulazione, testando nuove idee di prototipi e conducendo esperimenti alla ricerca di nuove conoscenze sulla fisica della bicicletta e sulle prestazioni umane. Questa ricerca di nuove conoscenze ha portato il team nel campo della qualità del suono.
"Nel corso degli anni, l'industria ha fatto molti progressi per rendere i motori e i sistemi di batterie per e-bike più piccoli, più leggeri, più integrati e più 'naturali' da pedalare", afferma Harder. “Ma la rumorosità intrinseca dei motori elettrici e del cambio è rimasta spesso un inconveniente comune. Con la Fuel EXe abbiamo avuto l'opportunità unica di migliorare l'ultimo pezzo del puzzle e di realizzare una e-bike
che non ha davvero alcun lato negativo”.
Per produrre questa e-bike, Trek ha collaborato con Siemens Digital Industries Software per utilizzare il software Simcenter™ come parte del processo di progettazione e dare vita alla Fuel EXe. Simcenter fa parte di Siemens Xcelerator, portfolio di software, hardware e servizi.
Il team ha guardato al settore dei veicoli elettrici (EV) per trarre ispirazione. Si sono resi conto che, come agli albori dei veicoli elettrici, il mondo dell'acustica delle e-bike presentava delle opportunità. Il team di Trek ha chiuso il cerchio dell'acustica quando ha esaminato le opzioni per la Fuel EXe in termini di esperienza acustica e di suoni sgradevoli. Ciò includeva l'esame delle metriche acustiche per il settore delle e-bike, come la tonalità e l'indice di articolazione.
“Dato che viaggio quasi sempre con altre persone, qualsiasi rumore che mi distragga dalla possibilità di conversare mi infastidisce. Questo si riferisce all'indice di articolazione", aggiunge Harder. “L'utilizzo della tonalità come parametro chiave per la sgradevolezza è scaturito da una serie di esplorazioni e ricerche sui numerosi parametri di qualità acustica comunemente applicati ai motori elettrici”.
Harder e il team di ingegneri MTB di Trek sapevano che l'esperienza acustica per il Fuel EXe dipendeva fortemente dal motore elettrico. Il team stava lavorando con il motore HPR120 di TQ, che è un motore potente ma abbastanza rumoroso. Il team era alla ricerca di una versione più piccola e silenziosa del motore. Hanno scoperto che la tecnologia ad anello armonico di TQ, con un numero minimo di parti mobili e un ingranaggio unico nel suo genere, poteva contribuire alla realizzazione di un nuovo motore più silenzioso.
“Abbiamo una partnership esclusiva con il nostro OEM di motori elettrici, TQ, che ci consente di collaborare efficacemente alla creazione delle specifiche e al collaudo dei nostri motori elettrici”, spiega Harder. Da questa collaborazione è nato il motore elettrico HPR50 che si trova nelle e-bike Fuel EXe e Domane+”.
Il team di Trek ha potuto contare su Simcenter Testlab per definire il significato di “ottima acustica” dal punto
di vista dei test acustici e dell'ingegneria.
Dopo il consueto tira e molla tra Trek e TQ, i prototipi con l'HPR50 erano pronti a percorrere i sentieri di prova. I collaudatori Trek hanno pensato che i prototipi con il motore elettrico HPR50
avessero un’eccellente acustica. Questa era un'ottima notizia, ma Harder sapeva che avrebbero avuto altro lavoro da fare.
“Il nostro team aveva sviluppato solide capacità di test e analisi acustiche, ma dovevamo ancora capire come quantificare il significato di 'ottima acustica' nel contesto di una e-bike”, spiega Harder. “Avevamo l'acustica come obiettivo chiave per il nuovo motore TQ e abbiamo usato l'analisi per quantificarla, comprenderla e seguirla mentre decidevamo tra le numerose iterazioni dei prototipi durante il processo di sviluppo”.
Il team ha iniziato misurando la rumorosità e ha scoperto che la Fuel EXe era quasi due volte più silenziosa di altre e-bike, ma i collaudatori hanno ritenuto che ciò sottovalutasse il miglioramento del suono.
“A questo punto ci siamo resi conto di quanto sia importante la qualità del suono per l'esperienza delle biciclette elettriche e di quanto sia importante la tonalità come parametro chiave per quantificare la piacevolezza del rumore del motore elettrico”, spiega Harder. “Sapevamo di dover diventare un po' più efficienti nel quantificare le descrizioni sonore. Quindi, siamo passati all'aspetto della qualità del
suono, che offre un'infinità di opzioni. Abbiamo esaminato attentamente lo spazio acustico dei veicoli elettrici, dove sapevamo che la tonalità era una best practice".
Dopo i primi giri di prova, il team aveva bisogno di dati acustici più concreti su cui lavorare. Si sono diretti allo studio del suono presso la sede della fabbrica Trek a Waterloo, nel Wisconsin, dove si trovano i percorsi privati per mountain bike di Trek, per eseguire analisi acustiche più esplorative. Questo include la potenza sonora e le metriche di qualità del suono, come la rumorosità,
a tonalità e l'indice di articolazione, utilizzando le soluzioni di test Simcenter, come l'hardware portatile Simcenter SCADAS™ XS e il software Simcenter Testlab™ Neo, la piattaforma software di nuova generazione per l'ingegneria delle prestazioni basata su test multidisciplinari.
“L'uso di Simcenter SCADAS XS per eseguire test sul campo è piuttosto semplice perché entra nella tasca della maglia della bicicletta, si integra perfettamente con le cuffie binaurali e può essere controllato in modalità wireless con l'app Simcenter Testlab Scope su un tablet esterno”, aggiunge Harder. “Durante le prove di trail, abbiamo anche utilizzato un GPS e una action camera per visualizzare i dati in Simcenter Testlab Neo”.
La configurazione del laboratorio comprendeva Simcenter SCADAS XS, microfoni professionali, un trainer stazionario isolato acusticamente impostato su una resistenza totale di 300W e, naturalmente, la Trek Fuel EXe regolata sulla modalità di assistenza massima. Il team di Trek ha utilizzato Simcenter Testlab Neo secondo lo standard ECMA-74:2019 per calcolare la tonalità.
“Dopo aver fatto ricerche su vari parametri di qualità acustica, è emerso chiaramente che la tonalità era la più rappresentativa di ciò che i nostri ciclisti sentivano”, spiega Harder. "Grazie all'utilizzo di Simcenter Testlab, abbiamo potuto esplorare facilmente altre metriche rilevanti come il rapporto di prominenza e l'indice di articolazione. Non c'è niente di peggio che codificare un algoritmo a mano per un paio di giorni solo per rendersi conto che non è una metrica utile per questo test".
Harder e il team hanno fornito feedback durante tutto il processo di prototipazione e hanno finito per creare una serie avanzata di metodi per diagnosticare e migliorare l'acustica del motore delle e-bike. Come fase finale, hanno verificato i risultati sul campo e in laboratorio sul motore di produzione finale per due giorni in una camera anecoica. I risultati finali hanno dimostrato che l'uso di Simcenter ha aiutato a progettare la Fuel EXe con un suono cinque volte più piacevole e quasi due volte più silenzioso rispetto alle altre e-mountain bike più diffuse.
Quando l'HPR50 e la Fuel EXe sono entrate in produzione, il Trek Performance Research Group si è reso conto che stava lavorando su un'acustica per e-bike all'avanguardia.
"Quantificare la percezione umana del suono è estremamente complicato", afferma Harder. “L'uso dei software Simcenter SCADAS XS e Simcenter Testlab Neo mi ha permesso di spendere meno tempo nella ricerca delle risposte corrette e focalizzarmi su ciò che quelle risposte mi insegnavano. La capacità di testare rapidamente diverse metriche e di visualizzare, filtrare e riprodurre in modo interattivo i dati ha portato a ottenere informazioni molto più rapide e sicure di quanto non avremmo potuto ottenere altrimenti.” Harder afferma: "La cosa davvero entusiasmante è che ora possiamo sfruttare questi strumenti e le conoscenze acustiche in fasi ancora più precoci dei futuri progetti di ricerca e sviluppo di motori elettrici ed e-bike".
Simcenter SCADAS XS è stato utilizzato sia nei test sul campo che nelle configurazioni dei test di laboratorio.
L'uso di Simcenter SCADAS XS per eseguire test sul campo è piuttosto semplice perché entra nella tasca della maglia della bicicletta, si integra perfettamente con le cuffie binaurali e può essere controllato in modalità wireless con l'app Simcenter Testlab Scope su un tablet esterno.