Manuel d'aérodynamique

Les facteurs les plus importants affectant la résistance à l'air du véhicule

Une faible résistance à l'air contribue à réduire la consommation de carburant. Cependant, à cet égard, il y a une énorme marge de développement. Si, bien sûr, les experts en aérodynamique sont d'accord avec l'avis des concepteurs.

"Aérodynamique pour ceux qui ne peuvent pas faire de motos." Ces propos ont été prononcés par Enzo Ferrari dans les années soixante et démontrent clairement l'attitude de nombreux designers de l'époque envers ce côté technologique de la voiture. Cependant, ce n'est que dix ans plus tard que survint la première crise pétrolière, qui changea radicalement tout leur système de valeurs. Des moments où toutes les forces de résistance lors du mouvement de la voiture, et en particulier celles qui surviennent lorsqu'elle traverse les couches d'air, sont surmontées par des solutions techniques étendues, telles que l'augmentation de la cylindrée et de la puissance des moteurs, quelle que soit la quantité de carburant consommée, elles disparaissent et les ingénieurs commencent à regarder des moyens plus efficaces pour atteindre vos objectifs.

Pour le moment, le facteur technologique de l'aérodynamique est recouvert d'une épaisse couche de poussière d'oubli, mais pour les concepteurs, ce n'est pas une nouvelle. L'histoire de la technologie montre que même dans les années 77, des esprits avancés et inventifs, tels que l'Allemand Edmund Rumpler et le Hongrois Paul Zharai (qui a créé l'emblématique Tatra TXNUMX), ont formé des surfaces profilées et jeté les bases d'une approche aérodynamique de la conception de la carrosserie. Ils ont été suivis par une deuxième vague de spécialistes de l'aérodynamique tels que le Baron Reinhard von Könich-Faxenfeld et Wunibald Kam, qui ont développé leurs idées dans les XNUMX.

Il est clair pour tout le monde qu'avec l'augmentation de la vitesse vient une limite, au-dessus de laquelle la résistance de l'air devient un facteur critique pour la conduite d'une voiture. La création de formes optimisées aérodynamiquement peut repousser considérablement cette limite et s'exprime par ce que l'on appelle le facteur d'écoulement Cx, puisqu'une valeur de 1,05 a un cube inversé perpendiculairement au flux d'air (s'il est tourné de 45 degrés le long de son axe, de sorte que l'amont bord diminue à 0,80). Cependant, ce coefficient n'est qu'une partie de l'équation de résistance à l'air - vous devez ajouter la taille de la zone frontale de la voiture (A) comme élément important. La première des tâches des aérodynamiciens est de créer des surfaces propres et aérodynamiquement efficaces (dont, comme nous le verrons, beaucoup dans une voiture), ce qui conduit finalement à un coefficient d'écoulement plus faible. La mesure de ce dernier nécessite une soufflerie, qui est une structure coûteuse et extrêmement complexe - un exemple en est le tunnel mis en service en 2009. BMW, qui a coûté 170 millions d'euros à l'entreprise. Le composant le plus important n'est pas un ventilateur géant, qui consomme tellement d'électricité qu'il nécessite un poste de transformation séparé, mais un support à rouleaux précis qui mesure toutes les forces et tous les moments qu'un jet d'air exerce sur une voiture. Sa tâche est d'évaluer l'interaction complète de la voiture avec le flux d'air et d'aider les spécialistes à étudier chaque détail et à le modifier afin qu'il soit non seulement efficace dans le flux d'air, mais également conforme aux souhaits des concepteurs. . Fondamentalement, les principaux composants de traînée rencontrés par une voiture proviennent de la compression et du déplacement de l'air devant elle, et - ce qui est très important - de la turbulence intense derrière elle à l'arrière. Il y a une zone de basse pression qui a tendance à tirer la voiture, qui à son tour est mélangée à un fort effet vortex, que les aérodynamiciens appellent aussi "l'excitation morte". Pour des raisons logiques, après les modèles break, le niveau de vide est plus élevé, ce qui entraîne une détérioration du coefficient de consommation.

Facteurs de traînée aérodynamique

Ce dernier dépend non seulement de facteurs tels que la forme générale de la voiture, mais également de pièces et de surfaces spécifiques. En pratique, la forme générale et les proportions des voitures modernes représentent 40 % de la résistance totale à l'air, dont un quart est déterminé par la structure de la surface de l'objet et des caractéristiques telles que les rétroviseurs, les feux, la plaque d'immatriculation et l'antenne. 10% de la résistance de l'air est due à l'écoulement à travers les évents vers les freins, le moteur et la transmission. 20% est le résultat du vortex dans diverses conceptions de plancher et de suspension, c'est-à-dire tout ce qui se passe sous la voiture. Et ce qui est le plus intéressant - 30% de la résistance de l'air est due aux tourbillons créés autour des roues et des ailes. Une démonstration pratique de ce phénomène le montre clairement - le débit de 0,28 par véhicule chute à 0,18 lorsque les roues sont retirées et que les évents des ailes sont fermés. Ce n'est pas un hasard si toutes les voitures étonnamment peu kilométrées - comme la première Insight de Honda et la voiture électrique GM EV1 - ont des ailes arrière cachées. La forme aérodynamique globale et l'avant fermé, dus au fait que le moteur électrique ne nécessite pas beaucoup d'air de refroidissement, ont permis aux concepteurs de GM de développer le modèle EV1 avec un facteur d'écoulement de seulement 0,195. Tesla Model 3 a Cx 0,21. Pour réduire le tourbillon des roues dans les véhicules à moteur à combustion interne, soi-disant. "Rideaux d'air" sous la forme d'un mince flux d'air vertical dirigé depuis l'ouverture du pare-chocs avant, soufflant autour des roues et stabilisant les tourbillons, le flux vers le moteur est limité par des volets aérodynamiques et le fond est complètement fermé.

Plus les valeurs des forces mesurées par la cage à rouleaux sont faibles, plus Cx est petit. Il est généralement mesuré à une vitesse de 140 km/h – une valeur de 0,30, par exemple, signifie que 30 % de l'air traversé par une voiture est accéléré jusqu'à sa vitesse. Quant à l'avant, sa lecture nécessite une procédure beaucoup plus simple - pour cela, les contours extérieurs de la voiture sont délimités au laser lorsqu'ils sont vus de face et la zone fermée en mètres carrés est calculée. Il est ensuite multiplié par le facteur de débit pour obtenir la résistance totale à l'air de la voiture en mètres carrés.

Revenant aux grandes lignes historiques de notre récit aérodynamique, nous constatons que la création du cycle normalisé de mesure de la consommation de carburant (NEFZ) en 1996 a en fait joué un rôle négatif dans l'évolution aérodynamique des voitures (qui a considérablement progressé dans les 7). ) car le facteur aérodynamique a peu d'effet en raison de la courte période de mouvement à grande vitesse. Malgré la diminution du coefficient de consommation au fil des ans, l'augmentation des dimensions des véhicules de chaque classe entraîne une augmentation de la surface frontale et, par conséquent, une augmentation de la résistance à l'air. Des voitures telles que la VW Golf, l'Opel The Astra et la BMW Série 90 avaient une résistance à l'air plus élevée que leurs prédécesseurs dans les années 90. Cette tendance est facilitée par des modèles de VUS impressionnants avec leur grande surface avant et leur carénage qui se détériore. Ce type de véhicule a été critiqué principalement pour son poids élevé, mais dans la pratique, ce facteur perd de son importance relative avec l'augmentation de la vitesse - lors de la conduite en dehors de la ville à une vitesse d'environ 50 km / h, la proportion de résistance à l'air est d'environ 80%, à vitesse d'autoroute, il augmente à XNUMX% de la résistance totale à laquelle la voiture est confrontée.

Soufflerie

Un autre exemple du rôle de la résistance de l'air dans les performances du véhicule est un modèle typique de Smart City. Un biplace peut être agile et agile dans les rues de la ville, mais sa carrosserie courte et proportionnelle est très inefficace d'un point de vue aérodynamique. Dans un contexte de faible poids, la résistance à l'air devient un élément de plus en plus important et, avec Smart, elle commence à avoir un effet important à des vitesses de 50 km / h. Il n'est pas surprenant que malgré sa conception légère, il n'ait pas été à la hauteur des attentes d'un coût relativement faible.

Cependant, malgré les lacunes de Smart, l'attitude de la société mère Mercedes envers l'aérodynamique est un exemple d'approche méthodique, cohérente et proactive du processus de création de formes spectaculaires. On peut affirmer que les résultats des investissements dans les souffleries et le travail acharné dans ce domaine sont particulièrement visibles dans cette entreprise. Un exemple particulièrement frappant de l'effet de ce processus est le fait que la Classe S actuelle (Cx 0,24) a moins de résistance à l'air que la Golf VII (0,28). Dans la recherche de plus d'espace intérieur, la forme du modèle compact a acquis une surface frontale assez grande, et le coefficient d'écoulement est pire que celui de la classe S en raison de sa longueur plus courte, qui ne permet pas des surfaces profilées et beaucoup plus. - déjà en raison d'une transition brusque par derrière, contribuant à la formation de tourbillons. Cependant, VW est catégorique sur le fait que la prochaine génération de Golf aura beaucoup moins de résistance à l'air et sera abaissée et rationalisée. Le facteur de consommation de carburant enregistré le plus bas de 0,22 par véhicule ICE est la Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.

L'avantage des véhicules électriques

Un autre exemple de l'importance de la forme aérodynamique par rapport au poids sont les modèles hybrides modernes et encore plus de véhicules électriques. Dans le cas de la Prius, par exemple, la nécessité d'une conception hautement aérodynamique est également dictée par le fait qu'à mesure que la vitesse augmente, l'efficacité du groupe motopropulseur hybride diminue considérablement. Dans le cas des véhicules électriques, tout ce qui concerne l'augmentation du kilométrage en mode électrique est extrêmement important. Selon les experts, réduire le poids de 100 kg augmentera le kilométrage de la voiture de quelques kilomètres seulement, mais d'un autre côté, l'aérodynamisme est d'une importance capitale pour une voiture électrique.

D'une part, parce que la masse élevée de ces véhicules leur permet de récupérer une partie de l'énergie utilisée pour la récupération, et d'autre part, parce que le couple élevé du moteur électrique permet de compenser l'effet de poids au démarrage, et son efficacité diminue à grande vitesse et à grande vitesse. De plus, l'électronique de puissance et le moteur électrique ont besoin de moins d'air de refroidissement, ce qui permet une ouverture plus petite à l'avant de la voiture, ce qui, comme nous l'avons déjà noté, est la principale raison de la détérioration du flux autour de la carrosserie. Un autre élément de la motivation des concepteurs à créer des formes plus efficaces sur le plan aérodynamique dans les modèles hybrides rechargeables d'aujourd'hui est le mode de déplacement sans accélération uniquement à l'aide d'un moteur électrique, ou ce qu'on appelle. voile. Contrairement aux voiliers, d'où vient le terme et où le vent est censé déplacer le bateau, les voitures électriques augmenteront le kilométrage si la voiture a moins de résistance à l'air. Créer une forme aérodynamique optimisée est le moyen le plus économique de réduire la consommation de carburant.

Texte: Georgy Kolev

Les débits de certaines voitures célèbres:

Mercedes Simplex

Production de 1904, Cx = 1,05

Rumpler Tropfenwagen

Production de 1921, Cx = 0,28

Ford modèle T

Production de 1927, Cx = 0,70

Modèle expérimental Kam

Production de 1938, Cx = 0,36

Mercedes record car

Production de 1938, Cx = 0,12

VW Bus

Production de 1950, Cx = 0,44

VW "tortue"

Production de 1951, Cx = 0,40

Panhard Dina

Production de 1954, Cx = 0,26

Porsche 356

Production de 1957, Cx = 0,36

MG EX181

Production de 1957, Cx = 0,15

Citroën DS19

Production de 1963, Cx = 0,33

NSU Sport Prince

Production de 1966, Cx = 0,38

Mercedes C 111

Production de 1970, Cx = 0,29

Camionnette Volvo 245

Production de 1975, Cx = 0,47

Audi 100

Production de 1983, Cx = 0,31

Mercedes W 124

Production de 1985, Cx = 0,29

Toyota Prius 1

Production de 1997, Cx = 0,29