Aerodynamika w aucie - ważniejsza, niż sądzisz
Samochody o zgrabnych, opływowych nadwoziach przyciągają wzrok, jednak kształty karoserii to nie tylko sprawa estetyki. Zewnętrzna bryła pojazdu, układ jej krzywizn i krawędzi decyduje też o oporach powietrza podczas jazdy, a więc i o zużyciu paliwa oraz osiągach auta.
Projektanci Lexusa przywiązują dużą wagę do optymalizacji aerodynamiki samochodów od początku istnienia marki - dzięki starannej optymalizacji wszystkich elementów nadwozia już pierwszy flagowy Lexus LS 400 z roku 1989 miał bardzo dobry na owe czasy współczynnik oporu powietrza (Cx), wynoszący 0,29.
O sile oporu powietrza decyduje kilka czynników. Dwa, na które mają wpływ projektanci, to wielkość powierzchni czołowej nadwozia (dwa razy większy samochód musi pokonywać dwukrotnie większe opory) oraz wspomniany współczynnik Cx, zależny od kształtów nadwozia. Jak można się domyślać, opływowa bryła ma mniejszy Cx, ale to nie wszystko. Wzrost Cx, a zatem i oporów, powodują wszelkie zawirowania wokół karoserii, podwozia oraz wszelkich elementów wystających z nadwozia, takich jak lusterka, wycieraczki, klamki czy krawędzie drzwi i okien.
Siła oporu zależy też od prędkości jazdy, a ściślej od jej drugiej potęgi - dwukrotne zwiększenie prędkości powoduje czterokrotny wzrost oporów powietrza. To bardzo dużo, biorąc pod uwagę, że przy prędkości 100 km/h na pokonanie oporu powietrza zużywane jest aż 70% mocy silnika.
W ciągu minionego ćwierćwiecza technika poczyniła ogromne postępy i dziś w projektowaniu decydującą rolę odgrywa modelowanie komputerowe, pozwalające obliczać zarówno wytrzymałość nadwozia, jak i jego parametry aerodynamiczne na długo przed powstaniem makiety. Są jednak kwestie, których nie sposób ocenić za pomocą obliczeń, takie jak zawirowania wokół wystających elementów czy hałas. Dlatego ostatecznej weryfikacji dokonuje się za pomocą metod stosowanych w przemyśle lotniczym - w tunelu aerodynamicznym.
W centrum projektowym Lexusa w japońskiej prefekturze Aichi uruchomiono w 2013 roku jeden z najnowocześniejszych tuneli aerodynamicznych na świecie. Ma on postać ogromnej rury o kształcie pętli długości 260 metrów, przechodzącej przez wysoką na 22 metry komorę pomiarową. Potężny wentylator jest w stanie wytworzyć w niej huragan o prędkości do 250 km/h. Aby zapewnić przepływ pozbawiony zawirowań, konieczny dla uzyskania wiarygodnych wyników, wewnątrz tunelu starannie rozmieszczono mające kształt wielkich płetw kierownice powietrza.
W komorze pomiarowej znajduje się obrotowa platforma, na której umieszcza się testowany pojazd. Wyposażona jest ona w tak zwane wagi aerodynamiczne, pozwalające precyzyjnie mierzyć siły działające na samochód - siły te odpowiadają ściśle siłom oporu powietrza podczas jazdy z prędkością równą prędkości wytworzonej w tunelu. Aby zapewnić warunki maksymalnie zbliżone do panującej podczas jazdy, pod samochodem znajduje się pięć ruchomych pasów - po jednym pod każdym z obracających się kół i piąty centralnie pod pojazdem.
Nad stanowiskiem pomiarowym umieszczono zestaw czułych mikrofonów, pozwalających zmierzyć poziom hałasu towarzyszącego opływowi powietrza wokół samochodu.
Pierwszym modelem, który został przebadany w nowym tunelu, było sportowe coupé Lexus RC. Badania umożliwiły konstruktorom drobiazgowe zoptymalizowanie aerodynamiki auta z zastosowaniem ciekawych sztuczek - by zlikwidować zawirowania, które podczas badań uwidoczniono za pomocą strugi dymu, w różnych miejscach podwozia i nadwozia metodą prób i błędów naklejano wytworzone w drukarce 3D malutkie płetewki wyrównujące opływ. Te, które dawały najlepsze wyniki, trafiły do seryjnych samochodów.
Efekty optymalizacji w tunelu aerodynamicznym doskonale widać na przykładzie najnowszego Lexusa RX. Dodany pod przednim zderzakiem spojler rozdziela powietrze na opływające nadwozie od góry i pod spodem. Malutkie owiewki przed przednimi i tylnymi kołami zmniejszają zawirowania wokół opon, zaś wyrafinowany kształt narożników zderzaka wyrównuje opływ wzdłuż boków nadwozia i zmniejsza turbulencje we wnękach kół.
Spód samochodu zaopatrzono w staranie ukształtowane panele, zmniejszające opory, a jednocześnie powodujące dociskanie auta do jezdni przez siły aerodynamiczne. Wiele uwagi poświęcono słupkom drzwiowym, co pozwoliło zminimalizować szum powietrza i wyeliminować dudnienie po opuszczeniu tylnych szyb.
Wystające z kloszy tylnych lamp zespolonych płetewki porządkują opływ wokół tyłu pojazdu. Pionowa listwa za tylnym słupkiem zmniejsza wir tworzący strefę podciśnienia za pojazdem. Podobne zadanie ma specjalnie ukształtowany spód tylnego zderzaka z dyfuzorem. Spojler na tylnej krawędzi dachu dociska auto do jezdni.
Dzięki badaniom prowadzonym w tunelu aerodynamicznym nowe Lexusy mogą jeździć szybciej, zużywając przy tym mniej paliwa i emitując do atmosfery mniej dwutlenku węgla, a jednocześnie oferując większy komfort jazdy.
