Co wpływa na opór aerodynamiczny? Podstawy aerodynamiki pojazdów - cz. 1

Obecnie aerodynamika coraz częściej odgrywa dominującą rolę podczas projektowania nowego samochodu. Spowodowane jest to ograniczaniem zużycia paliwa i emisji szkodliwych substancji, na co aerodynamika ma zasadniczy wpływ. Jak inżynierowie dbają o zachowanie dobrego opływu powietrza swoich konstrukcji i jakie są główne czynniki powodujące różnice w poszczególnych modelach?

Mercedes W201 w tunelu aerodynamicznym

Źródło zdjęć: © fot. mat. prasowe/Mercedes

Kamil Kobeszko

3 lutego 2012, 19:00

Samochodowi styliści mają coraz trudniejsze zadanie. Z jednej strony wymaga się od nich, aby projektowany pojazd był funkcjonalny, a z drugiej na tyle atrakcyjny, by podobał się klientom i był kojarzony z marką.

Ze względu na rosnące ceny paliw i coraz ostrzejsze normy emisji spalin do tych wymagań coraz częściej dokłada się uzyskanie jak najniższego oporu aerodynamicznego. Warto podkreślić, że niska wartość oporu wpływa także na parametry dynamiczne samochodu, takie jak przyspieszenie w zakresie większych prędkości oraz prędkość maksymalną.

Na pojazd podczas ruchu działają rozmaite siły oporu. Pochodzą one zarówno z oporów toczenia (np. oporu toczenia kół po nawierzchni), jak i z oporu aerodynamicznego. W projektowaniu samochodów zwłaszcza ten drugi czynnik jest bardzo istotny. Z badań wynika, że począwszy od prędkości około 65 km/h, jest to dominująca składowa oporu całego ruchu samochodu.

Do porównywania oporu niezbędne jest przyjęcie konkretnej miary. Powszechnie używa się współczynnika oporu powietrza Cx. Zależy on głównie od kształtu samochodu. Równie ważną składową jest powierzchnia czołowa pojazdu. Dopiero obie te wielkości mówią o oporze aerodynamicznym, jaki stawia konkretna konstrukcja.

Przykładowo, Renault Scenic pierwszej generacji ma mniejszy współczynnik oporu Cx niż Megane pierwszej generacji. Jednak większa powierzchnia czołowa powoduje, że wymaga większej mocy silnika do osiągnięcia tej samej prędkości jazdy.

Podawanie przez producentów jedynie wartości Cx może być zatem bardzo mylące. Wartość ta mówi jedynie o aerodynamice kształtu konkretnego samochodu.

Renault Megane Scenic © fot. mat. prasowe/Renault

Całkowity opór aerodynamiczny wyraża się wzorem:

Opór = 1/2ρV^2ACx, w którym:

A – powierzchnia czołowa,

ρ – gęstość powietrza,

V – względna prędkość pojazdu w stosunku do powietrza.

Projektanci karoserii mogą wpływać jedynie na wartość Cx oraz powierzchni czołowej. Jednak ta ostatnia często jest określona przez narzucone zazwyczaj wymiary auta. Kształtowanie jak najniższych oporów to bardzo złożony proces, zaczynający się od poprawnego narysowania zarysu karoserii, a następnie żmudnego procesu optymalizacji kształtu.

WIDEO
Mercedes-Benz E-Class Coupe Aerodynamics

Ostateczny kształt jest wynikiem kompromisu właściwości trakcyjnych karoserii, linii wyznaczonej przez stylistów, kształtu najmniejszego oporu oraz funkcjonalności samochodu. Niekiedy jest tak, że zdecydowanie przeważa jedna z tych koncepcji. Nie zawsze prowadzi to do dobrych rezultatów.

Przykładem tego jest Audi TT pierwszej generacji. Styliści nie zgodzili się na dołożenie tylnego spojlera, ponieważ ich zdaniem zaburzał obłą sylwetkę samochodu. Auto cierpiało na brak docisku tylnej osi i dopiero przypadki wypadków tragicznych spowodowały przekonstruowanie tylnej części samochodu.

Co zatem wpływa na opór aerodynamiczny? Badania z końca lat 80., dotyczące różnic kształtu poszczególnych elementów nadwozia przy niezmienności innych elementów wskazały, że najistotniejsze są:

pochylenie pokrywy przedziału silnika (46,5 proc.);
pochylenie przedniego pasa (17,0 proc.);
zwężenie przodu i tyłu (11,7 proc.);
pochylenie szyby tylnej (11,5 proc.);
podcięcie tylnego słupka (3,9 proc.);
związek pochylenia tylnej szyby i spojlera (1,9 proc.);
związek pochylenia szyby przedniej i tylnej (1,7 proc.).

Jak widać, największy wpływ ma pochylenie pokrywy silnika. W aucie trójbryłowym (typu sedan) zwiększenie kąta pochylenia z 5 stopni do 9 powoduje zmniejszenie wartości Cx z 0,52 do 0,47. Z kolei zwiększenie pochylenia przedniej szyby z 30 stopni do 40 przekłada się na wzrost Cx przykładowo z 0,47 do 0,51.

Typowo stosowane usprawnienie kształtu przedniej części pojazdu to unikanie płaskiego czoła pasa przedniego oraz ostrych kątów na początku pokrywy przedziału silnika. Poprzez zaokrąglenie i obniżenie tego naroża uzyskuje się mniejsze oderwanie strugi powietrza, a co za tym idzie - zmniejszenie oporu nawet do kilkunastu procent. Często stosowany jest również przód samochodu rozpoczynający się płynną ciągłą krzywą się od samego zderzaka.

Jest to charakterystyczne dla samochodów z przełomu lat 80. i 90. Przykładami mogą być Citroen XM czy Daewoo Espero. Po raz pierwszy wdrożono to rozwiązanie w słynnym Citroenie DS.

Opływowy przód Citroëna XM © fot. mat. prasowe/Citroën

Dużo uwagi poświęca się również pochyleniu szyby przedniej. Problemem jest obszar wysokiego ciśnienia tuż za przednią szybą – odrywające się tam powietrze przyczynia się do powstawania znacznego oporu. Im większe pochylenie przedniej szyby, tym niższe oderwanie strugi i opór aerodynamiczny. Szczególnie istotne jest zmniejszenie krzywizn w narożu szyby i dachu.

Dlatego wyeliminowano używane w starszych pojazdach uszczelki wystające na zewnątrz szyby, powodujące znaczne opory. W pogoni za zmniejszeniem wartości Cx warto jednak pamiętać o względach praktycznych. Znaczne pochylenie to zmniejszenie widoczności oraz znaczne zwiększenie powierzchni szklanych, co sprzyja silnemu nagrzewaniu wnętrza.

Ciekawym rozwiązaniem jest szyba przednia w starszych modelach marki Saab. Charakterystycznie pionowa przednia szyba od lat była znakiem rozpoznawczym tej marki. Aby zmniejszyć opór, zakrzywiono szybę w płaszczyźnie poziomej, powodując przepływy poprzeczne, które zmniejszają rejony wysokiego ciśnienia.

Badania aerodynamiki już w latach 80. znacznie poprawiły własności wielu aut. Początkowo były to z reguły samochody klasy wyższej i średniej. W mniejszych autach znaczący postęp dokonał się dopiero w latach 90. Wynika to ze względów ekonomicznych, jak również technicznych.

Niewielkie samochody mają niekorzystny stosunek długości do wysokości, co znacznie utrudnia uzyskanie małych współczynników oporu aerodynamicznego. W dłuższym samochodzie łatwiej rozłożyć zmiany ciśnienia powodujące oderwanie powietrza i znaczny opór – dostępna jest znacznie większa powierzchnia. Z tego powodu nawet dzisiaj widać znaczne dysproporcje w najlepszych wynikach samochodów dużych i małych.

Projektanci starają się niwelować niedoskonałości aerodynamiczne niewielkich aut. Często stosowane jest np. silne zwężenie tylnej części nadwozia. Powoduje to przybliżenie kształtu karoserii widzianego z góry do kształtu kropli i zmniejszenie oporu. Widoczne jest to chociażby w Toyocie Yaris pierwszej generacji.

Toyota Yaris I © fot. mat. prasowe/Toyota

Pierwowzorem tego zastosowania były projekty karoserii mercedesów w latach 80. Modele W124 (popularna taksówka) oraz "Baby Benz" W201 model 190. W obu zastosowano zwężenia tylnej części karoserii. Ten ostatni charakteryzował się doskonałym jak na tamte lata współczynnikiem Cx = 0,33