El galardonado Fuel EXe sitúa la calidad de sonido en el mapa métrico de las bicicletas eléctricas

Producto: Simcenter
Industria: Bicicletas
Bicicletas Trek
Trek Bicycle (Trek) tiene su sede en Waterloo, Wisconsin, y fue fundada en 1976. Trek diseña y fabrica varios tipos de bicicletas, incluidas bicicletas de montaña eléctricas, bicicletas de carretera/ciudad y otros accesorios.

El uso del software Simcenter SCADAS XS y Simcenter Testlab Neo me permitió centrarme menos en cómo obtener respuestas correctas y más en lo que esas respuestas me estaban enseñando.

Paul Harder, Ingeniero Principal de R&D
Grupo de Investigación de Rendimiento de Trek, Trek Bicycle

Trek Bicycle (Trek) tiene su sede en Waterloo, Wisconsin, y fue fundada en 1976. Trek diseña y fabrica varios tipos de bicicletas, incluidas bicicletas eléctricas de montaña, bicicletas de carretera/ciudad y otros accesorios. Trek tiene como objetivo la innovación continua y el rendimiento de alta tecnología en toda su gama de productos.

Trek Bicycle sigue innovando con la bicicleta Fuel EXe, una línea pionera lanzada en julio de 2022. La Fuel EXe es una bicicleta de montaña eléctrica de alta potencia diseñada para ofrecer a los ciclistas una experiencia de conducción más silenciosa. La Fuel EXe incluye un diseño Trek de alta calidad, componentes de alto nivel, un cuadro más ligero pero resistente y un motor eléctrico integral diseñado para mejorar la experiencia acústica de los ciclistas. Trek puso la acústica de las e-bikes en el mapa y es conocida por su innovador grupo de ingeniería de bicicletas, que incluye experimentados ingenieros de bicicletas de montaña (MTB) y dedicados analistas con mentalidad ciclista que aportan mediciones y conocimientos cuantitativos a nuevas métricas de rendimiento como la acústica.

Acústica para bicicletas eléctricas de montaña
Trek es pionera en el concepto de situar la calidad del sonido en el mapa métrico de las bicicletas de montaña eléctricas, ya que sigue siendo un tema candente en el sector.

“Como experto en pruebas y análisis acústicos de Trek, que no sólo era un nuevo papel para mí, sino un nuevo tipo de papel para la industria de la bicicleta, nos propusimos llevar la competencia acústica de Trek al siguiente nivel, al tiempo que aplicábamos nuevos métodos de prueba y análisis al ciclo de desarrollo de la Fuel EXe”, explica Paul Harder, ingeniero principal de investigación y desarrollo (R&D) dentro del Trek Performance Research Group de Trek.

“Fue todo un esfuerzo con muchas primicias sucediendo al mismo tiempo”.

Los ingenieros de I+D del Grupo de Investigación de Rendimiento de Trek tienden a quedarse en el lado de la experimentación y la simulación, probando nuevas ideas de prototipos y realizando experimentos para buscar nuevos conocimientos sobre la física de la bicicleta y el rendimiento humano. Esta búsqueda de nuevos conocimientos llevó al equipo al terreno de la calidad del sonido.

A lo largo de los años, el sector ha avanzado mucho para conseguir que los sistemas de motor y batería de las bicicletas eléctricas sean más pequeños, ligeros, integrados y “naturales” al pedalear”, explica Harder. “Pero el ruido inherente a los sistemas de motor eléctrico y caja de cambios seguía siendo a menudo un inconveniente habitual. Con la Fuel EXe, tuvimos una oportunidad única para mejorar esa última pieza del rompecabezas y hacer una e-bike que realmente no tenga inconvenientes.”

Para producir esta e-bike, Trek se asoció con Siemens Digital Industries Software para utilizar el software Simcenter™ como parte del proceso de diseño para dar vida a la Fuel EXe. Simcenter forma parte de la plataforma de software, hardware y servicios Xcelerator de Siemens.

Inspirados por los VE
El equipo buscó inspiración en el sector de los vehículos eléctricos. Se dieron cuenta de que, al igual que en los primeros días de los vehículos eléctricos, el mundo de la acústica de las bicicletas eléctricas presentaba oportunidades. El equipo de Trek cerró el círculo de la acústica cuando investigó las opciones para la Fuel EXe en términos de experiencia sonora y sonidos desagradables. Esto incluyó el estudio de métricas acústicas pioneras en el sector de las bicicletas eléctricas, como la tonalidad y el índice de articulación.

“Como casi siempre voy en bici con otras personas, cualquier ruido que distraiga de la capacidad de conversar me molesta. Esto está relacionado con el índice de articulación”, añade Harder. “Utilizar la tonalidad como nuestra métrica clave de lo desagradable surgió de bastante exploración e investigación sobre las muchas métricas de calidad de sonido que se aplican habitualmente a los motores eléctricos”.

Integración de la ciencia del sonido con la ingeniería avanzada
Harder y el equipo de ingeniería de MTB de Trek sabían que la experiencia acústica de la Fuel EXe dependía en gran medida del motor eléctrico. El equipo estaba trabajando con el motor HPR120 de TQ, que es un motor potente pero bastante ruidoso. El equipo buscaba una versión más pequeña y silenciosa del motor. Descubrieron que la tecnología de anillos de espigas armónicos de TQ, con un mínimo de piezas móviles y un engranaje único, podía contribuir a crear un motor nuevo y más silencioso.

“Tenemos una asociación exclusiva con nuestro fabricante de motores eléctricos, TQ, lo que significa que podemos colaborar eficazmente a la hora de crear especificaciones y probar nuestros motores eléctricos”, afirma Harder. El resultado de esta colaboración es el motor eléctrico HPR50 que incorporan las Fuel EXe y Domane+”.

El equipo de Trek contó con Simcenter Testlab para ayudar a definir lo que significaba “sonar realmente bien” desde el punto de vista de las pruebas acústicas y la ingeniería.

Una gran primera impresión
Tras las habituales idas y venidas entre Trek y TQ, los prototipos con el HPR50 estaban listos para salir a los senderos de pruebas. Los pilotos de pruebas de Trek pensaron que los prototipos con el motor eléctrico HPR50 sonaban realmente bien. Era una gran noticia, pero Harder sabía que tendrían más trabajo por hacer.

Nuestro equipo había desarrollado una sólida capacidad de análisis y pruebas acústicas, pero aún teníamos que averiguar cómo cuantificar lo que significaba “sonar realmente bien” en el contexto de una bicicleta eléctrica”, explica Harder. “Teníamos la acústica como objetivo clave para el nuevo motor TQ y utilizamos el análisis para cuantificarlo, entenderlo y seguirlo mientras decidíamos entre las muchas iteraciones de prototipos a lo largo del proceso de desarrollo.”

De las opiniones subjetivas a las mediciones objetivas
El equipo empezó midiendo la sonoridad y descubrió que la Fuel EXe era casi dos veces más silenciosa que otras e-bikes, pero los pilotos de prueba pensaron subjetivamente que esto subestimaba lo mucho mejor que sonaba.

“Llegados a este punto, nos dimos cuenta de lo importante que es la calidad del sonido para la experiencia de la bicicleta eléctrica y de la importancia de la tonalidad como métrica clave para cuantificar lo agradable que resulta el ruido del motor eléctrico”, afirma Harder. “Sabíamos que teníamos que ser un poco más inteligentes a la hora de cuantificar estas descripciones sonoras. Así que pasamos al aspecto de la calidad del sonido, que tiene un montón de opciones. Nos fijamos mucho en el espacio acústico de los VE, donde sabíamos que la tonalidad era una de las mejores prácticas.”

Realización de la prueba en la pista y el estudio de sonido
Tras las pruebas iniciales, el equipo necesitaba datos acústicos más concretos con los que trabajar. Se dirigieron al estudio de sonido de la sede de la fábrica de Trek en Waterloo (Wisconsin), donde se encuentran los senderos privados para bicicletas de montaña de Trek, para realizar más análisis acústicos exploratorios. Esto incluyó métricas de potencia sonora y calidad de sonido como la sonoridad, la tonalidad y el índice de articulación utilizando soluciones de prueba Simcenter, como el hardware portátil Simcenter SCADAS™ XS y el software Simcenter Testlab™ Neo, la plataforma de software de próxima generación para la ingeniería de rendimiento multidisciplinar basada en pruebas.

“Utilizar Simcenter SCADAS XS para realizar pruebas de campo es bastante fácil porque cabe en el bolsillo de un maillot de bicicleta, se integra perfectamente con los auriculares binaurales y se puede controlar de forma inalámbrica con la Simcenter Testlab Scope App en una tableta en el exterior”, añade Harder. “Durante las pruebas de trail, también utilizamos un GPS y una cámara de acción para visualizar los datos en Simcenter Testlab Neo”.

La configuración de las pruebas de laboratorio incluyó el Simcenter SCADAS XS, micrófonos profesionales, un entrenador estacionario aislado acústicamente ajustado a una resistencia total de 300W y, por supuesto, el Trek Fuel EXe ajustado al modo de asistencia máxima. El equipo de Trek utilizó Simcenter Testlab Neo según el estándar ECMA-74:2019 para calcular la tonalidad.

“Tras investigar varias métricas de calidad de sonido, quedó claro que la tonalidad era la más representativa de lo que oían nuestros pilotos”, dice Harder. “Gracias al uso de Simcenter Testlab, pudimos explorar fácilmente otras métricas relevantes como la relación de prominencia y el índice de articulación. No hay nada peor que codificar un algoritmo a mano durante un par de días para darse cuenta de que no es una métrica útil para esta prueba.”

Harder y su equipo aportaron sus comentarios a lo largo del proceso de creación de prototipos y acabaron creando un conjunto avanzado de métodos para diagnosticar y mejorar la acústica de los motores de las bicicletas eléctricas. Como paso final, verificaron los resultados de campo y laboratorio en el motor de producción final durante dos días en una cámara anecoica. Los resultados finales demostraron que el uso de Simcenter les ayudó a diseñar la Fuel EXe con un sonido cinco veces más agradable y casi dos veces más silencioso que el de otras bicicletas eléctricas de montaña populares.

El futuro de la acústica de las bicicletas eléctricas
A medida que la HPR50 y la Fuel EXe entraban en producción, el Trek Performance Research Group se dio cuenta de que estaban trabajando en la acústica de vanguardia de las bicicletas eléctricas.

“Cuantificar la percepción humana del sonido es extremadamente complicado”, dice Harder. “Utilizar el software Simcenter SCADAS XS y Simcenter Testlab Neo me permitió centrarme menos en cómo obtener respuestas correctas y más en lo que esas respuestas me estaban enseñando. La capacidad de probar rápidamente diferentes métricas y de visualizar, filtrar y reproducir los datos de forma interactiva nos permitió obtener información mucho más rápida y fiable que no habríamos podido obtener de otra forma.” Harder afirma: “Lo realmente emocionante es que ahora podemos aprovechar estas herramientas y conocimientos acústicos en fases aún más tempranas de futuros proyectos de I+D de motores y bicicletas eléctricas.”

El Simcenter SCADAS XS se utilizó tanto en las pruebas de campo como en las de laboratorio.

Utilizar Simcenter SCADAS XS para realizar pruebas de campo es bastante sencillo porque cabe en el bolsillo de un maillot de bicicleta, se integra perfectamente con los auriculares biaurales y se puede controlar de forma inalámbrica con la aplicación Simcenter Testlab Scope App en una tableta en el exterior.

Paul Harder, Ingeniero Principal de R&D
Grupo de Investigación de Rendimiento de Trek, Trek Bicycle
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