Jak typ nadwozia wpływa na aerodynamikę samochodu? Podstawy aerodynamiki pojazdów - cz. 2

We współcześnie zdefiniowanym świecie motoryzacyjnym oferowanie przez producentów wielu typów nadwozi jednego modelu staje się koniecznością. Pozwala to na lepsze dopasowanie do wymagań klienta. Ale jak wpływa na aerodynamikę? Jak kształtuje się ona dla poszczególnych nadwozi? Czy można tak zaprojektować karoserię, aby współgrała z wieloma wersjami nadwoziowymi?

Nadwozie trójbryłowe od lat postrzegane jest jako klasyczne i najbardziej eleganckie. Typowe sedany, z punktu widzenia aerodynamiki, są jednak skomplikowane i niezbyt opływowe. Taka bryła nadwozia powoduje wiele problemów z przepływem powietrza podczas poruszania się auta. Mamy tutaj do czynienia z wieloma oderwaniami strugi powietrza od karoserii, co powoduje zwiększony opór.

Pierwszy obszar oderwania pojawia się w przedniej części pokrywy silnika. Kolejnym newralgicznym miejscem konstrukcji jest krawędź przedniej szyby – tutaj również przepływ powietrza zostaje zaburzony. Oderwanie następuje również za końcem dachu oraz definitywnie za klapą bagażnika, co powoduje zawirowania i zwiększenie Cx.

Rolą konstruktorów jest na tyle umiejętne kształtowanie poszczególnych części nadwozia, aby zniwelować obszary zawirowań i oderwań powietrza. Warto zauważyć, jak istotne jest prawidłowe współdziałanie ze sobą poszczególnych części nadwozia. Dopiero prawidłowo dobrane pomiędzy nimi relacje skutkują niskim współczynnikiem oporu powietrza Cx.

Jedną ze sztuczek pomagających uzyskać prawidłowy przepływ w rejonie dachu jest jego zakrzywienie. Zwiększenie krzywizny zmniejsza współczynnik oporu. Jednak po zastosowaniu zwiększenia krzywizny auto ma większą powierzchnię czołową, dlatego całkowita wartość oporu może rosnąć.

Alternatywą jest obniżenie linii dachu z przodu i z tyłu, ale jest to ograniczone widzialnością z miejsca kierowcy i miejscem na głowy pasażerów tylnych siedzeń. Po wykonaniu wielu analiz niektóre tego typu konstrukcje zostają wdrożone do seryjnej produkcji. Najpopularniejsze auta wykorzystujące to rozwiązanie to VW Passat B5 czy Audi A6 C5.

Przy kształtowaniu tylnej części auta trójbryłowego istotny jest kąt pomiędzy linią łączącą koniec dachu z końcem bagażnika. Zmniejszenie tego kąta i zmniejszenie oporu można uzyskać poprzez podniesienie linii bagażnika. Pierwszym autem, wykorzystującym takie rozwiązanie był Fiat Tempra, ale doskonale widoczne jest to także w obu generacjach Seata Cordoby.

Innym sposobem na redukcję wspomnianego kąta jest przedłużenie linii bagażnika. Pierwszym pojazdem, który posiadał taką konstrukcję był Audi 100 C3 z roku 1982. Za sprawą m.in. tego rozwiązania osiągnięto rekordowy jak na tamte lata współczynnik Cx = 0,30.

Nadwozie dwubryłowe jest logiczną konsekwencją analizy wad poprzedniego rozwiązania. Tył tego nadwozia został tak zaprojektowany, aby utrzymać odpływ bez oderwania w części środkowej i tylnej. Ze względu na większą długość dachu, można zastosować płynne jego obniżenie z tyłu pojazdu i bardziej opływowy kształt całej bryły.

Pierwszym hatchbackiem, którego kształt był optymalizowany pod względem aerodynamiki był Fiat Uno. Zaobserwowano wtedy wyraźny wzrost oporów przy malejącym kącie pochylenia tylnej szyby. Wiąże się to z powstawaniem wirów krawędziowych.

Tłumaczy to, dlaczego konstruktorzy odeszli od konstrukcji tyłu nadwozia podobnych do VW Garbusa, czy drugiej generacji VW Polo. Tylna szyba o niewielkim pochyleniu powodowała znaczny opór.

W przypadku VW Polo drugiej generacji wersja kombi posiada mniejszy współczynnik oporu od wersji hatchback, ze względu na bardziej pionowo ustawioną szybę tylną. Obecnie większość nadwozi dwubryłowych posiada prawie pionowo ukształtowaną szybę tylną.

Nadwozie jednobryłowe to uproszczenie nadwozia dwubryłowego osiągnięte poprzez zespolenie linii maski i linii przedniej szyby. Pozwala to na swobodne kształtowanie wnętrza samochodu i uzyskanie dużej przestrzeni wewnątrz, przy zachowaniu niewielkich wymiarów zewnętrznych.

Już w latach 80. Ośrodek Badawczo Rozwojowy prowadził badania aerodynamiczne takiego typu nadwozia. Badania prowadzono na konstrukcjach opierających się na skonstruowanym wcześniej aucie Beskid.

Zauważono, że nadwozie jednobryłowe generuje mniejsze opory aerodynamiczne ze względu na mniejsze obszary nadciśnień u podstawy przedniej szyby. Jednak takie rozwiązanie w ówczesnych czasach uważane było za zbyt śmiałe. Ponadto obawiano się o zmniejszenie widoczności z miejsca kierowcy.

Nadwozie jednobryłowe zyskało popularność dopiero w latach 90. W badaniach zauważono silne obszary podciśnień na całej powierzchni dachu, a w szczególności przy łączeniu dachu z przednią szybą. Spowodowało to zmniejszenie oporu aerodynamicznego.

W połączeniu ze znaną już ideą pionowego umieszczenia tylnej szyby pozwoliło to również małym pojazdom stać się pojazdami o aerodynamicznym kształcie. Przykładami pierwszych aut tego typu są Renault Twingo, Mercedes klasy A czy Renault Scenic. Warto zauważyć, że kształt większości nadwozi jednobryłowych jest bardzo do siebie zbliżony.

Najbardziej skomplikowane aerodynamicznie jest nadwozie otwarte. Głównym problemem popularnych kabrioletów jest kontrola opływu kabiny. Występujące w okolicach przedniej szyby podciśnienia powodują, że strumień powietrza usiłuje wpłynąć do wnętrza kabiny zarówno z góry jak i z boku pojazdu.

To, gdzie ponownie strumień zostanie przyklejony, zależy od kąta pochylenia przedniej szyby. W zależności od jej pochylenia strumień może być kierowany do wnętrza lub dopiero na bagażnik jadącego samochodu. Ponieważ proces oderwania jest silnie niestabilny, mamy do czynienia z nieustannym przesuwaniem miejsca ponownego przyklejenie przepływu.

Linia przyklejenia, przesuwając się do przodu, podwyższa ciśnienie we wnętrzu kabiny. Wzrost ciśnienia powoduje przesunięcie linii do tyłu na bagażnik i rozpoczęcie procesu od początku. Pasażerowie postrzegają to jako wyczuwalne wibracje i hałas.

Nadwozia kabrioletów po otwarciu dachu posiadają współczynnik oporu większy o około 20 – 25 proc. niż przy dachu złożonym. Ponieważ z reguły nadwozia tego typu są pochodną nadwozi już istniejących, dlatego kąt przedniej szyby jest już ustalony i trudno o jego zmianę.

Redukcję oporu aerodynamicznego kabrioletu uzyskuje się poprzez dołożenie dodatkowych elementów aerodynamicznych. Odchylacz umieszczony na szczycie przedniej szyby zmniejsza opór o około 8-9 proc., a odpowiednio kształtowany pałąk ochronny za przednimi siedzeniami o 6-7 proc. Przy jednoczesnym użyciu obu rozwiązań można uzyskać redukcję oporu nawet o więcej niż 10 proc. (przy zamkniętych szybach bocznych).

Pasażerowie samochodu z nadwoziem otwartym narażeni są na przeciągi, dodatkowy hałas i wychłodzenie wnętrza. Szyba przednia dobrze chroni przez bezpośrednim przepływem powietrza, ale powoduje powstawanie przepływów powrotnych, odczuwalnych jako wiatr wiejący z tyłu.

Aby pozbyć się tego zjawiska stosuje się tzw. windshot, czyli sztywną lub półprzepuszczalną osłonę zabezpieczającą pasażerów przed przepływami powrotnymi. Rozwiązanie to znacznie poprawia komfort jazdy z otwartym dachem, zwłaszcza przy większych prędkościach.

W procesie konstrukcji nadwozia kabrioletu należy zwrócić także uwagę na odpowiednie umieszczenie rury wydechowej. Ze względu na niskie ciśnienie panujące w otwartej kabinie łatwo o przedostanie się spalin do wnętrza pojazdu. Dlatego pozycja układu wydechowego wynika z wielu analiz przepływu powietrza w symulacjach komputerowych lub podczas testów w tunelu aerodynamicznym.

Porównanie wartości współczynnik Cx dla kabrioletów z otwartym i zamkniętym nadwoziem:

Alfa Romeo Spider: otwarte - 0,42, zamknięte  - 0,39

BMW Z3 Roadster: otwarte -  0,47, zamknięte - 0,40

Mazda MX-5: otwarte - 0,47, zamknięte - 0,40

Mercedes SLK 97': otwarte -  0,40, zamknięte - 0,33

Mercedes SL: otwarte - 0,44, zamknięte - 0,35

Porsche Boxster 96': otwarte - 0,39, zamknięte -  0,31

Na podstawie: J. Piechna: "Podstawy aerodynamiki pojazdów", WKŁ Warszawa 2000