Aerodynamika nadwozia

Kształt ma znaczenie! Im mniejszy opór samochód stawia powietrzu, tym mniej zużywa paliwa. Nadzieja, że kierowcy nie pójdą z torbami leży też więc w rękach specjalistów od aerodynamiki.

Aerodynamika jest dla ludzi, którzy nie potrafią budować silników". Te słowa Enzo Ferrari wypowiedział w latach 60. Już dekadę później świat pogrążył się w pierwszym kryzysie naftowym, który zmusił konstruktorów do zmiany sposobu myślenia. Czasy, gdy siłę oporu aerodynamicznego pędzącego auta pokonywano za pomocą monstrualnych silników, nie przejmując się tym, ile zużywają paliwa - minęły bezpowrotnie. Z dnia na dzień pojawiły się nadwozia o aerodynamicznych kształtach.

Ameryki przy tym nie odkryto, bo podstawowe zależności między kształtem karoserii a oporem aerodynamicznym już w latach 20. zbadali Edmund Rumpler i Paul Jaray. Niewiele później ich pomysły na aerodynamiczne nadwozia wzbogacili kolejni badacze, ale nawet coraz doskonalsze kształty karoserii nie mogły przecież zmienić praw fizyki, według których powyżej pewnej prędkości siła oporu aerodynamicznego staje się większa niż wszystkie inne siły oporów ruchu, jakie podczas jazdy pokonuje samochód. Na szczęście jednak, dzięki pewnym trickom tę granicę można z powodzeniem przesunąć wyżej.

Ale wielkość siły oporu aerodynamicznego nie zależy tylko od kształtu nadwozia, a tym samym od tzw. współczynnika Cx - powierzchnia czołowa (A) to wielkość geometryczna, która też ma znaczenie. Gdy ta powierzchnia jest całkowicie płaska i ustawiona pionowo, współczynnik Cx wynosi 1,0. Zadanie specjalistów od aerodynamiki polega na tym, by nadać karoserii kształt korzystny z punktu widzenia opływającego powietrza oraz jak najbardziej zmniejszyć powierzchnię czołową samochodu. Im lepiej się to uda, tym niższy będzie efektywny opór aerodynamiczny.

Jak mierzy się te najważniejsze wartości - Cx i A? Żeby zbadać współczynnik Cx, potrzebny jest tunel aerodynamiczny, którego najważniejszym elementem wcale nie jest potężna dmuchawa, lecz bardzo precyzyjna waga, na której stoi samochód. Mierzy ona wszystkie siły działające na auto, które wprawdzie nie porusza się, ale za to kręcą się jego koła, żeby jak najwierniej oddać realne warunki ruchu. Przed samochodem powietrze zagęszcza się, zanim "rozepchnie" je karoseria, z tyłu nadwozia jego strumień się urywa tworząc podciśnienie. Powstaje swego rodzaju powietrzny walec, zwany przez specjalistów "martwą wodą". Tył kombi wytwarza większe podciśnienie niż niższe w tym miejscu nadwozie hatchbacka czy coupé.

Im niższe są siły zmierzone przez wagę w tunelu aerodynamicznym, tym mniejszy jest współczynnik Cx. Wielkość sił mierzy się przy prędkości 140 km/h. Cx o wartości 0,30 oznacza np., że 30% powietrza przez które przejeżdża auto zostaje przyspieszone do prędkości, z jaką ono jedzie.

Aby określić powierzchnię czołową pojazdu, laserem obrysowuje się kontur przodu i wylicza jego powierzchnię w metrach kwadratowych. Jeśli przemnożyć współczynnik Cx przez tę powierzchnię, otrzymany wynik określi efektywny opór aerodynamiczny.

AUTA BEZ LUSTEREK PALIŁYBY MNIEJ

Zasada jest prosta - zmniejszenie współczynnika Cx o 0,01 zmniejsza zapotrzebowanie na paliwo (w cyklu ECE) o ok. 0,04 l/100 km. W warunkach drogowych kierowca oszczędzi jeszcze więcej, bo około 0,1 litra, a przy jeździe z prędkością autostradową nawet do pół litra na 100 km. Dlatego nasze wysiłki koncentrują się wokół stworzenia auta o jak najbardziej opływowych kształtach. Już teraz potrafi - my skonstruować samochody, których współczynnik Cx wynosi poniżej 0,2. Oczywiście wyglądają one zupełnie inaczej niż auta, którymi jeździmy dzisiaj. Współczynnik Cx o wartości 0,2 wciąż pozostaje dla nas odległym celem. Dlatego koncentrujemy się na z pozoru drobnych środkach. Np. gdybyśmy zrezygnowali z lusterek w Mercedesie E Coupé, współczynnik Cx poprawiłby się o ok. 0,007, czyli z 0,242 spadłby do 0,235. Tylko że współczesne lusterka kryją w sobie m.in. kierunkowskazy, wskaźniki ostrzegające o pojeździe w "martwym polu widzenia", czy oświetlenie. Gdyby zastąpić lusterka kamerami, trzeba by znaleźć miejsce na monitory, które wyświetlałyby obraz z kamer, nie mówiąc o tym, że ten obraz musiałby być tak ostry, jak ostry jest obraz widziany w lusterkach. Takie kamery będą dozwolone w Europie od 2016 roku, a kiedy na całym świecie - nie wiadomo.

Teddy Wall - szef działu aerodynamiki w koncernie Daimler-Benz

Mimo dużego znaczenia aerodynamiki przy konstrukcji samochodu, jej wpływ na określenie oficjalnego zużycia paliwa przez samochody, według nowej, wprowadzonej w 1996 roku normy (NEDC), okazał się niewielki. Producenci aut natychmiast to wykorzystali. O ile do 1996 r. efektywny opór aerodynamiczny (Cx x A) był przy każdym nowym modelu mniejszy, to po tej dacie malał tylko współczynnik Cx, bo miał znaczenie marketingowe. Jego spadek producenci aut "rekompensowali" sobie wzrostem powierzchni czołowej A, bo samochody stawały się coraz większe. Współczesne Volkswagen Golf, Opel Astra czy BMW 7 mają większą powierzchnię czołową niż ich poprzednicy w latach 90.

Na dodatek od tego czasu trwa boom na wysokie SUV-y z ich ogromną powierzchnią czołową. Jednak w przypadku tych aut najczęściej krytykuje się dużą masę, chociaż kształt karoserii bardziej wpływa na zużycie paliwa niż ciężar samochodu. Pokonanie siły oporu aerodynamicznego pochłania średnio 50% paliwa, przy jeździe z prędkością autostradową jest to 80% lub więcej.

Odczuwają to nawet takie miejskie pchełki jak Smart, który jest krótki, wysoki i kanciasty, a więc wyjątkowo nieaerodynamiczny. Na dodatek w wypadku lekkich samochodów siła oporu aerodynamicznego staje się większa niż wszystkie inne siły oporów ruchu (np. toczenia) już przy prędkości 50 km/h. To by wyjaśniało, dlaczego dwuosobowe autko do dzisiaj nie stało się tak oszczędne, jak można by się spodziewać po jego niskiej masie.

Coraz niższym efektywnym oporem aerodynamicznym (Cx x A) wyróżniają się za to, wbrew współczesnym trendom, Mercedesy. Niemiecka firma wciąż ambitnie eksperymentuje w kanałach aerodynamicznych i tylko w niewielkim stopniu zwiększyła powierzchnię czołową swoich modeli. Dzięki temu stworzyła wielkoseryjny samochód o najniższym współczynniku Cx na świecie - w wypadku Mercedesa E Coupé wynosi on zaledwie 0,24. Dochodzi do groteskowych sytuacji: oto np. aktualny Mercedes klasy S wystawia na wiatr mniejszą powierzchnię czołową niż VW Golf VI. Wysokie nadwozie Golfa, które prawie wcale nie obniża się ku tyłowi, sprawia wprawdzie, że samochód ma duże wnętrze, ale pogarsza aerodynamikę. Dlatego Golf VII ma stawiać powietrzu znacznie mniejszy opór, będzie więc miał niższą i bardziej opływową karoserię.

Jak ważna jest mała siła oporu aerodynamicznego dla zużycia paliwa (niezależnie od niemającej wiele wspólnego z realnym życiem normy NEDC) pokazuje rzut oka na listę najoszczędniejszych aut z silnikami benzynowymi. Toyota Prius, Honda Insight czy Opel Ampera wyróżniają się nie tyle niską masą (którą trudno uzyskać, bo na pokładzie znajdują się ciężkie akumulatory), co bardzo opływowymi nadwoziami, których współczynnik Cx oscyluje wokół wartości 0,26.

Frank Weber, były szef projektu w GM - odpowiedzialny za Chevroleta Volta - już w fazie projektu zbadał, że zmniejszenie masy auta o 100 kg w niewielkim stopniu zwiększy zasięg. Za to dla całkowicie lub częściowo elektrycznie poruszającego się samochodu podstawowe znaczenie ma właśnie aerodynamika. Dzięki akumulatorom pojazdy te mogą odzyskać wytworzoną wcześniej energię kinetyczną. W tradycyjnym aucie energia "wyprodukowana" do poruszania się przepada bezpowrotnie jako ciepło ulatniające się w powietrze i oczywiście nie daje się powtórnie wykorzystać. Silniki elektryczne już przy starcie wytwarzają wysoki moment obrotowy, dzięki czemu jest im dosyć łatwo wprawić w ruch nieruchomy samochód.

Auta hybrydowe także korzystają z opływowych nadwozi. Bardzo ważna jest w ich przypadku możliwość "żeglowania". Hybrydy o wiele dłużej poruszają się przy wyłączonym silniku spalinowym, wsparte działaniem elektrycznego, jeśli opór, jaki stawiają wiatrowi jest jak najmniejszy.

Najprzyjemniejsze w aerodynamice jest to, że korzyści z niej wynikające można osiągnąć stosunkowo łatwo. Jeśli jej wymogi uwzględnić już w pierwszej fazie projektu, okaże się, że uzyskanie profitów bardzo mało kosztuje. Droższe są osłony podwozia, spoilery czy elektrycznie zamykane żaluzje przed chłodnicą. Tak tanio, jak dzięki aerodynamice, spadku zużycia paliwa nie da się uzyskać żadnym innym sposobem.

Tekst Christian Bangemann, Alexander Bloch