23 października 2017


Zagadnienia aerodynamiki starano się brać pod uwagę przy budowie samochodów już od początku XX wieku. Konstrukcje motoryzacyjne powstawały równolegle do konstrukcji lotniczych. Często budowali je ci sami konstruktorzy, wystarczy wspomnieć chociażby takie marki jak Farman, Voisin lub Bristol. Bardzo długo jednak o aerodynamice samochodu decydowało „wyczucie” konstruktora, który wówczas rzadko posługiwał się jakimkolwiek sprzętem badawczym.

Ryszard Romanowski

Potwierdzeniem jakości konstrukcji były zwycięstwa na torach wyścigowych. W przypadku najszybszych, zwycięskich samochodów trudno było ocenić, w jakim stopniu o sukcesie zdecydowała konstrukcja mechaniczna, w jakim aerodynamika, a w jakim kierowca. Jeszcze dziś wiele działów marketingu samochodowego zachwalając swój pojazd posługuje się wyłącznie współczynnikiem oporu aerodynamicznego Cx, chwaląc się wartościami rzędu 0,3, a nawet 0,25. Tymczasem samochód o współczynniku 0,25 zbudowano już w 1913 roku, a 0,2 osiągnięto w 1936 r.

areodynamika samochodu f1

Nie spowodowało to wówczas przewrotu technicznego ani nie przysporzyło producentom tłumów klientów. Zbudowany w 1934 roku Chrysler Airflow został zaprojektowany z użyciem tunelu aerodynamicznego. Skonstruowano go metodami stosowanymi w przemyśle lotniczym. Okazało się, że jest zbyt nowatorski i poza wyglądem nie bardzo różni się parametrami trakcyjnymi od tradycyjnych konkurentów. Samochód poniósł rynkową porażkę. Przy okazji można było wyciągnąć wniosek, że nie da się w prosty sposób przenieść konstrukcji lotniczych na ziemię. Komplikacje wynikają tu m. in. z bardzo zmiennych warunków ruchu samochodu. Powoduje to, że zjawiska aerodynamiczne szkodliwe w przypadku statków powietrznych, w samochodach bywają często bardzo pożądane.

800px-Chaparral 2F - Mike Spence - 1967
Spojlery przybierały coraz większe rozmiary... Na zdjęciu: Chaparral 2F

Aerodynamika samochodowa rozwijała się na ogół w zaciszach biur projektowych. Efekty prac można było oglądać głównie na torach wyścigowych, skąd bardzo powoli przenikały do produktów seryjnych. Zmianę można było zauważyć na przełomie dekad lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych. Osiągnięcia konstruktorów widać było po nadwoziach samochodów wyścigowych, które jeździły coraz szybciej. Było również coraz więcej wypadków, bo koncentrowano się głównie na obniżaniu oporu aerodynamicznego często nie dbając o wartość siły nośnej, pogarszającej przyczepność opon do asfaltu. Problem rozwiązano w końcu lat sześćdziesiątych stosując spojlery, które przybierały coraz większe rozmiary. Wprowadzono regulacje ich kąta natarcia przez kierowców. W samochodach zaczęły pojawiać się coraz większe i wyżej umieszczone regulowane skrzydła. Wystarczyła drobna awaria aby skrzydło zamiast dociskać wytworzyło siłę nośną unoszącą samochód w górę. Po kilku wypadkach władze sportowe zabroniły stosowania takich rozwiązań. Mimo to rok 1969 można uznać za początek intensywnych prac nad aerodynamiką samochodów i to nie tylko wyścigowych. Spoi­lery i deflektory zaczęły nieśmiało pojawiać się w samochodach seryjnych. Czasem służyły tylko do ozdoby, ale często poprawiały aerodynamikę nadwozia, chociażby utrzymując czystość tylnej szyby poprzez odchylenie strug powietrza.

Aerodynamika była wówczas ogromnym wyzwaniem dla studentów i absolwentów szkół samochodowych, a nawet konstruktorów niezwiązanych z wielkimi firmami. Jedna z pierwszych na świecie publikacji na ten temat ujrzała światło dzienne w Polsce w roku 1974. Publikacja dr inż. Janusza Pawłowskiego „Nadwozia Samochodowe” już w 1970 roku we fragmentach wydana została w Anglii, kraju, który wówczas był jednym z motoryzacyjnych potentatów. Jej rozdział na temat aerodynamiki pozwolił poznać  istniejącą w tym czasie wiedzę, usystematyzować ją i wykorzystać w projektowaniu i udoskonalaniu istniejących nadwozi. W tych latach królewska dyscyplina samochodowa F-1 już była zdominowana przez jeden silnik. Obok Forda Cosworth własne jednostki rozwijało tylko Ferrari i Matra, a zupełnie okazjonalnie – Honda. Wyścig techniczny przeniósł się w dużej mierze w sferę aerodynamiki. Konstruktorzy zaczęli zwracać baczną uwagę nie tylko na znane dotąd opory i strugi powietrza oddziałujące na nadwozie, ale również na jego przepływ wokół silnika, układu chłodzenia i pod podłogą. Umiejętne wykorzystanie tego ostatniego wydawało się najbardziej obiecujące. Największą rewelacją roku 1970 okazał się amerykański Chaparral 2J. Głównym celem konstruktora tego auta było poprawienie przyczepności samochodu do nawierzchni. Zbudowany tradycyjnie aluminiowy pojazd, napędzany ogromnym lecz nieco archaicznym popychaczowym silnikiem V8 o poj. 7620 ccm i mocy 650 KM, nie miał większych szans na zwycięstwo.

Chaparral-2J-Chevrolet

Chaparral-2J-Chevrolet2

Chaparral-2J-Chevrolet3
Chaparral 2J; powyżej – zdjęcia komory jego silnika

Jim Hall zastosował zamkniętą przestrzeń pomiędzy podwoziem i nawierzchnią osłoniętą kurtynami z tworzywa sztucznego. Na tylnej przegrodzie pojazdu umieścił dwa 16-łopatkowe wirniki napędzane niewielkim, jak na amerykańskie warunki, dwucylindrowym silnikiem dwusuwowym Rock­well o poj. 800 ccm i mocy 70 KM. Urządzenie przypominało poduszkowiec, którego wirniki kręcą się w odwrotną stronę. Konstruktor uzyskał siłę ssącą rzędu 400 kG. Pozwoliło to zwiększyć prędkość graniczną na zakrętach o około 15% i znacznie skracało drogę hamowania. Samochód szybko został zdyskwalifikowany przez władze sportowe. Głównym powodem było zastosowanie dwóch silników. Lawirując wśród przepisów sportowych konstruktorzy usiłowali jak najskuteczniej wykorzystać przepływ powietrza pod podłogą pojazdów. W projektach samochodów seryjnych również dążono do uzyskania jak najbardziej płaskiej i równej podłogi, pozbawionej wystających elementów. Dbano także o odpowiednie przepływy strug powietrza w komorze silnika.
Polska lat siedemdziesiątych rozwijała licencje Polskich Fiatów 125 i 126. Nie było mowy o produkcji własnych samochodów osobowych, chociaż władze oficjalnie nie mówiły stanowczo nie. Inwencja konstruktorów i inżynierów skierowana została na dostępne konstrukcje, których nadwozia zaprojektowano u schyłku lat sześćdziesiątych. Polskimi Fiatami zajęli się naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej – Janusz Januła, Jerzy Szczeciński i prof. Stefan Szczeciński. Opublikowana przez nich książka „Poprawa ekonomiczności i dynamiki samochodów osobowych” stała się ówczesnym technicznym bestselerem i uzmysłowiła, jak drobne korekty kształtów potrafią poprawić własności użytkowe samochodu. Wyjaśniono między innymi zjawisko znane zawodnikom startującym na PF 125p. Przepisy wyścigowe pozwalały na zdejmowanie zderzaków w celu odciążenia samochodu. Jednak pozbawiony przedniego zderzaka samochód stawał się przy dużych prędkościach niebezpiecznie nadsterowny. Zderzak zaprojektowany przez Dante’go Giacosa działał jako spoiler, ale jeszcze lepszy efekt powodowały niewielkie skrzydełka zaprojektowane przez autorów polskiego opracowania. Naukowcy WAT pokazali m.in. jak optymalizując przepływ strug powietrza we wnętrzu nadwozia poprawić warunki termiczne pracy silnika i skład mieszanki paliwowo-powietrznej w różnych temperaturach.

autowp

lotus78a
Lotus 78; rysunek maszyny ze zdjętymi pokrywami i osłonami nadwozia;

Tymczasem u schyłku lat siedemdziesiątych niepokorny konstruktor Lotusa Colin Chapman zaprezentował model 79. Wcześniejszy model 78 już był bacznie obserwowany przez konkurentów, jednak uwagę od poczynań Chapmana skutecznie odwracał  Tyrell P34. Jego konstruktor Derek Gardner w celu poprawy własności aerodynamicznych zastosował zamiast dwóch przednich kół cztery o bardzo małej średnicy 10 cali. Dzięki temu można było szczelnie osłonić przednią część samochodu. Mimo poprawy aerodynamiki, sterowności i skróceniu drogi hamowania, układ okazał się tak skomplikowany technicznie, że po roku powrócono do tradycyjnego rozwiązania. Krótko potem pojawił się Lotus 79. Szeroką podłogę tego pojazdu ukształtowano tak, aby ograniczona nawierzchnią i osłonięta z boków elastycznym tworzywem sztucznym, tworzyła coś w rodzaju zwężki Venturiego. Uzyskano efekt podobny jak w Chaparralu 2J w znacznie prostszy sposób.

Tyrrell
Tyrrel P34 z czterema kołami z przodu

Wartość podciśnienia, a zatem siła przysysająca samochód do nawierzchni rosła ze wzrostem prędkości, pozwalając na tzw. dohamowaniach i w zakrętach oszczędzać cenne sekundy. Lotus 79 był konstrukcją bardzo starannie opracowaną pod względem aerodynamiki. Zoptymalizowano przepływ powietrza wokół umieszczonych po bokach kadłuba chłodnic, doskonale dopasowując go do działającej tuż obok zwężki. Konstruktorzy przez dwa lata pod rząd mogli cieszyć się tytułem mistrzowskim, a konkurenci robili wszystko, aby zmienić przepisy i wyeliminować brytyjski zespół. Udało się w przypadku następnej konstrukcji – Lotusa 80, który dotąd przez wielu uważany jest za najdoskonalszy samochód wyścigowy wszech czasów. Zespoły wyścigowe zaczęły wykorzystywać efekt znany z Lotusa w mniejszym lub większym stopniu. Na przełomie wieku okazało się, że najważniejszy w firmie budującej samochody wyścigowe jest dobry tunel aerodynamiczny.

lotus79g
Lotus 79

Dlatego tak celebrowano otwarcie słynnej Galeria del Vento Ferrari i tunelu Saubera. Zapewne ani Colin Chapman ani Janusz Pawłowski nie spodziewali się, że początek naszego wieku w technice samochodowej stać będzie pod znakiem aerodynamiki i dojdzie do tego, że sztaby inżynierów analizować zaczną każdą krzywiznę i skrzydełko pojawiające się na konstrukcjach konkurencji.

800px-Lotus 79 venturi tunnels
Zwężka Venturiego w Lotusie 79

Rozwiązania stosowane na torach w różnych formach trafiają do samochodów budowanych w wielkich seriach. Nikogo nie dziwią już spoi­lery i wkomponowane w tylne części nadwozia deflektory. W wielu seryjnych konstrukcjach podłoga ukształtowana jest tak, aby w jakimś stopniu osiągnąć efekt zwężki. Nie słyszy się już niemal powszechnej jeszcze niedawno opinii, że rozwiązania te są efektywne wyłącznie przy wielkich prędkościach.

lotus80
Lotus 80

Już w publikacji z 1974 roku dr Pawłowski na podstawie badań firmy Porsche zwracał uwagę na ogromne znaczenie dopracowania aerodynamicznego nadwozia, chociażby dlatego, że opór aerodynamiczny równoważy opór toczenia już przy prędkości około 60 km/h i wtedy zaczyna odgrywać decydującą rolę.
O możliwościach ciągle tkwiących w pozornie prostych zasadach aerodynamiki świadczy rozwój konstrukcji F-1. Międzynarodowa Federacja Samochodowa FIA jak może utrudnia życie konstruktorom stawiając coraz to nowe wyzwania. Zmniejsza się pojemność silników i pogarszają się warunki termiczne ich pracy. Przypomina to nieco tendencje w budowie seryjnych samochodów. Coraz wyższe wymagania powodują, że trzeba opracowywać aerodynamikę nadwozi pozwalającą zachować jak najwyższą przyczepność, a jednocześnie zapewnić wymiennikom ciepła jak najlepsze warunki pracy.

badanie areodynamiczne-Mercedesa
Strugi błota potwierdzają efekty badań w tunelu aerodynamicznym Mercedesa

Zasady pozostają takie jak przed laty, jednak wykonanie jest już zupełnie inne. Montowane w tylnych częściach dyfuzory mają za zadanie przyśpieszyć przepływ powietrza i utworzyć pod samochodem strefę niskiego ciśnienia, zwiększającą siłę docisku do nawierzchni. Typowy stosowany w obecnej F-1 dyfuzor ma za zadanie zwiększenie objętości powietrza na całej swojej długości. Dlatego musi znaleźć się w takim miejscu, aby cały był wypełniony powietrzem, przyśpieszanym przez zwężkę.