Diabeł tkwi w szczegółach - problemy konstruktorów. Podstawy aerodynamiki pojazdów - cz. 3

Dotychczas omówiłem zjawisko powstawiania oporu aerodynamicznego towarzyszącego ruchowi samochodu. Ale nie jest to jedyny parametr opisujący aerodynamikę. Równie ważne są siły nośne powstające z przodu i z tyłu pojazdu. Im większe siły, tym większa niestabilność przy większych prędkościach.

W autach miejskich siły nośne nie mają większego znaczenia, inaczej jest w limuzynach oraz autach sportowych– ich przeznaczenie to jazda z wysokimi prędkościami. O tym, jak jest to istotne, można się przekonać nawet za kierownicą Opla Corsy C – powyżej prędkości 150 km/h auto zaczyna być niestabilne i kierowca zaczyna mieć wrażenie unoszenia się na poduszce powietrznej. Widać wyraźnie, że nie zostało opracowane z myślą o jeździe z większymi prędkościami. Podobnie jest w produktach konkurencji.

Auta sportowe natomiast zamiast generować siłę nośną, wytwarzają docisk aerodynamiczny. Spowodowany jest on obecnością dodatkowych elementów nadwozia – spojlerów. Dzięki ich użyciu możliwe są do uzyskania znacznie wyższe prędkości w zakrętach. Ceną za to jest oczywiście większy opór, czyli większe spalanie i nieco słabsze osiągi.

Widać to chociażby w słynnym Bugatti Veyronie – aucie, który aby osiągnąć deklarowaną prędkość maksymalną, musi mieć złożony przed jazdą tylny spojler. Przy wartości prędkości maksymalnej Veyrona (ponad 400 km/h) powietrze staje się tak gęste, że dodatkowy spojler znacznie obciąża jego ruch.

Z siłą nośną przedniej i tylnej części nadwozia związany jest jeszcze jeden problem. Przy doskonaleniu aerodynamicznym nadwozia należy zadbać, aby wartości siły nośnej były zbliżone do założonych przez konstruktorów zawieszenia. Głównie dlatego, że zależą od tego siły działające na zawieszenie.

Przy projektowaniu siły nośnej często przyjmuje się jej określone proporcje. Na przykład w autach BMW siła nośna z tyłu jest mniejsza niż z przodu, co zapewnia większą stabilność auta tylnonapędowego.

Problemem są też wymagania kupujących. Oni przecież pośrednio wpływają na samochodowych projektantów i dyktują niektóre rozwiązania stylizacyjne. Przykładem jest nadwozie typu roadster. Nikt nie wyobraża sobie takiego auta inaczej niż z wydłużonym przodem i krótkim tyłem. O problemach otwartego nadwozia już pisaliśmy, ale tutaj dochodzi jeszcze niekorzystne umieszczenie kabiny pasażerskiej.

Powinna być ona, z punktu widzenia aerodynamiki, umieszczona nieco wcześniej niż środek pojazdu. Niestety, umieszczenie jej z tyłu jest bardziej atrakcyjne – tworzy bardziej dynamiczną bryłę nadwozia. Tak budowane są roadstery, sportowe coupé, ale też inne typy aut, np. BMW Serii 1.

Podobna sprzeczność zachodzi w autach terenowych i SUV. Duże wartości oporu generowane są poprzez nadkola pojazdu. Zatem im mniejsza odległość między kołem a nadkolem, tym lepiej. Jednak w tego typu pojazdach nie jest to możliwe do osiągnięcia, ponieważ przeczy to ich charakterowi.

Nadkola są bardzo ważne w aerodynamice. To z tych okolic nadwozia bierze się około 30 proc. całego oporu. Pozostałe procenty dzielone są na 40 proc. sylwetki nadwozia, 20 proc. przepływu pod samochodem oraz 10 proc. na komorę silnika.

Ponieważ silnik do spalenia paliwa potrzebuje powietrza, zostaje ono do niego dostarczone. Powoduje to jednak zatrzymanie wnikającej przez wloty strugi powietrza i zwiększony opór. Coś trzeba też zrobić z nadmiarem pobranego powietrza. Zazwyczaj zostaje ono wyprowadzone specjalnymi otworami z komory silnika w okolice nadkoli. Powstające tam nadciśnienie sprzyja wypieraniu ciepła z komory silnika.

Często różnice w wielkości wlotów powietrza oraz różnice w szerokości ogumienia przyczyniają się do tego, że różne wersje silnikowe tego samego auta mają inne wartości współczynnika oporu powietrza Cx. Dla przykładu, BMW X6 30d ma Cx = 0,33, a wersja X6 50i już 0,36. To na tyle duża różnica, że niektórzy producenci montują w autach zasłony wlotów na czas, gdy duża ilość powietrza nie jest potrzebna.

Problem konstruktorów jest również wymaganie jak najmniejszego zabrudzenia świateł i szyb pojazdu. To również wymusza odpowiednie aerodynamiczne ukształtowanie nadwozia, tak aby podnieść komfort użytkowania samochodu.

Pod koniec lat 80. zauważono, jak wielki wpływ na aerodynamikę mają boczne lusterka. Dlatego w BMW serii 8 wprowadzono wąskie wsporniki lusterek. Było to na tyle przełomowe, że na początku lat 90. zaadaptowano to rozwiązanie także do innych modeli.

Lusterka zmieniono m.in. podczas liftingu w BMW E34. Ewolucję tego pomysłu widać było w modelu E36 M3, które miało słynne lusterka z dwoma cienkimi wspornikami, tak chętnie naśladowane do dziś przez firmy tuningowe.

Równie trudne jest również właściwe ukształtowanie felg. Koła stanowią duży opór, który jest tym mniejszy, im bardziej felgi są zasłonięte. Felgi typu pełnego często stosowane są w wersjach ekologicznych popularnych pojazdów.

Jednak takie rozwiązanie nie jest atrakcyjne stylistycznie dla klientów, dlatego bywa rzadko stosowane. Ponadto im mniejsze otwory w felgach, tym trudniejsze odprowadzenie ciepła z rozgrzanych podczas jazdy hamulców. To również z tego powodu auta sportowe mają tak cienkie ramiona felg.

Felgi powodują także, że aby dokładnie określić aerodynamikę pojazdu, auto musi zostać umieszczone w tunelu aerodynamicznym z dodatkowymi rolkami symulującymi ruch kół podczas jazdy. To również wpływa na wartość oporu. Kręcące się koła uzyskują mniejszy opór niż te same w bezruchu. Różnica dla całego samochodu dochodzi do 0,01 wartości Cx.

Skomplikowanie tej dziedziny projektowania aut powoduje konieczność sporych inwestycji w skomplikowane i jak najwierniej odwzorowujące rzeczywistość tunele aerodynamiczne. Jednak przy całej złożoności i kosztowności procesu projektowego nowego modelu są to wydatki relatywnie małe. Opracowanie nowego silnika czy nowego zawieszenia generuje znacznie większe koszty, a często daje mniejsze rezultaty. To właśnie decyduje o sile aerodynamiki i determinuje jej dalszy rozwój.