Duistere krachten: aerodynamica

Vleugels en spoilers, afdichtingen en windgordijnen: lees alles over de mysterieuze wereld van de aerodynamica.
 
Vele jaren geleden (dertien, om precies te zijn) werd de eerste versie van de Lotus Exige geïntroduceerd en iedereen was reuze opgewonden omdat ie downforce genereerde, zoals bij echte raceauto’s. Dus wilden wij er een verhaal over schrijven. Op de openbare weg had ie enorm veel grip, maar toen gingen we naar het circuit. De voorspelde g-krachten waren mij te heftig, maar een van onze testredacteuren kon wel een beetje sturen en vertrok daarom opgewekt uit de pitstraat. Bij de eerste de beste bocht zette hij de Exige vrolijk dwars en wij keken ademloos toe hoe de rest van zijn rondje zou verlopen.
 
De banden waren nog maar net aan het piepen geslagen of hij zat al in het grind. De verantwoordelijke ingenieur van Lotus, onder wiens hoede de auto aan ons was toevertrouwd, haalde zijn schouders op en verklaarde doodgemoedereerd: ‘Dat is het probleem met spoilers. Die werken maar één kant op’. Als de rijwind niet exact in de gewenste richting over de spoiler gaat, dan verliest die vrijwel geheel zijn effectiviteit. Daarom verloor hij alle grip juist op het moment dat die vereist was.
 
Aerodynamica bij auto’s voor de openbare weg is complexe materie. En hij kan al helemaal niet rechtstreeks worden overgenomen uit die hersenkrakend gecompliceerde aerodynamica van de racerij. We denken dan meestal alleen in termen van luchtweerstand en lift, of negatieve lift die ook bekend staat als downforce. Maar dat is nog maar een staartje van het hele verhaal. Ontwerpers moeten rekening houden met de luchtstromen die de aandrijflijn, remmen en tegenwoordig steeds vaker ook de geavanceerde elektrische componenten koelen. Ramen en spiegels moeten schoon blijven. Ze moeten lawaai reduceren. En intussen moeten ze ook nog aan praktische zaken denken als veiligheid en ruimteaanbod.
 
In de geschiedenis van de auto-industrie is de aerodynamica lange tijd een schier onoplosbaar dilemma gebleken waarbij de oplossing voor het ene probleem een ander veroorzaakt. Toch hebben studies uit de laatste decennia resultaten opgeleverd die voorheen onverenigbaar leken.
 

 
Gordon Murray heeft voor de Formule 1 auto’s ontworpen met uitgekiende aerodynamische voorzieningen. De Brabham BT46B ‘propellerauto’ bijvoorbeeld – nog altijd de enige F1-racer met een 100 procent winstscore – die zo veel ophef veroorzaakte bij de concurrentie dat ie maar één race mocht meedoen. Hij was ook verantwoordelijk voor de McLaren F1, zo ongeveer de eerste auto met grondeffect en hij ontwierp een reeks beweegbare luchtstroomvoorzieningen die nog nooit zijn geëvenaard. Ook maakte hij de T25, een auto die optimaal energiegebruik nastreeft. Maar daarover zegt hij: ‘Dat is een stadsauto en luchtweerstand gaat pas een rol spelen bij snelheden boven de 60 km/u, steek je hand dan maar eens uit het raam en ervaar de kracht van rijwind op die paar vierkante centimeters. Hoe sneller je daarna rijdt, des te belangrijker wordt het’. Luchtweerstand neemt met het verhogen van de snelheid kwadratisch toe, en de kracht die nodig is om die weerstand te overwinnen neemt zelfs exponentieel toe.
 
Toen er eenmaal autowegen waren aangelegd, werd snelheid een factor van betekenis in Duitsland. Dus werd in de jaren dertig het belang van de reductie van rijwind duidelijk. Paul Jaray benutte zijn luchtvaartachtergrond en ontwierp een reeks gestroomlijnde modellen voor onder andere Maybach en Audi en de bijzondere Tatra T77, die een tot op de dag van vandaag bijzonder lage Cw-waarde heeft van 0,21. Hij was ook verantwoordelijk voor de kleinere Tatra V570 die de Kever heeft beïnvloed. Dankzij plaatsing van de motor achterin de Tatra’s ontstond als vanzelf de typerende vorm van minste weerstand: de waterdruppel. Het tegenovergestelde model, de doosvormige auto van voor de oorlog met de motor voorin had zelfs minder luchtweerstand als hij achteruit reed dan wanneer ie vooruit reed.
 
‘Om de dieselversie van de nieuwe Civic op een gewenste uitstoot van 110 g/km CO2 te krijgen, plaatste Honda twee strookjes onder de achterlichten die de luchtstroom achter de auto verbeteren’
 
Dat gold naar verluidt bijvoorbeeld ook voor de eerste spoilerloze Porsche 928 uit 1976. Het Amerikaanse tv-programma Mythbusters wilde die bewering ontkrachten door een 928 door te zagen en om te bouwen naar een 928 met de neus aan de achterkant. Die bleek méér luchtweerstand te hebben en daarmee dachten de programmamakers dat ze de mythe inderdaad hadden ontzenuwd. Maar dat klopt niet, want de onderkant van de auto was ongewijzigd en bleef in dezelfde richting rijden.
 
Juist de luchtstromen onder de auto zijn cruciaal voor het terugdringen van luchtweerstand, en dat is tot voor kort ernstig onderschat. Of althans niet goed begrepen. Vandaar ook dat je vanaf de jaren zeventig – neem bijvoorbeeld de krankjorume BMW 3.0 CSL – ziet dat fabrikanten hun snelle auto’s domweg voorzagen van een gigantisch schot om te voorkomen dat die hinderlijke rijwind onder de auto kan komen. Rijwind roept verdomd veel weerstand en turbulentie op als die zich een weg baant onder motor, wielophanging en uitlaat door.
 

 
Je kunt het zelfs niet testen in een conventionele windtunnel. Daarvoor zou je een tunnel nodig hebben met een enorme lopende band waarop de auto met draaiende wielen staat. In werkelijkheid beweegt de auto, niet de weg en ook de niet de rijwind, totdat de auto komt aanrijden om de rust te verstoren. In een tunnel met beweegbare vloer (Murray bouwde een van de eerste toen hij bij Brabham werkte) zijn rijwind en vloer in beweging en staat de auto stil, dus zijn de effecten vergelijkbaar.
 
De Ford Mondeo die volgend jaar op de markt komt, is voorzien van maatregelen om de luchtstroom onder de auto in goede banen te leiden. Over de hele lengte van de onderkant zitten volledig vlakke panelen. Adrian Whittle, hoofdontwerper van de Mondeo, zegt dat waar ze voorheen trachtten rijwind te bannen onder de auto, ‘we nu juist proberen zo veel mogelijk rijwind onder de auto door te krijgen, door het vlakke schild wordt de weerstand gering. Ook wordt de wegligging beter, vroeger zaten daar een asymmetrische versnellingsbak en een uitlaat en meer van die dingen in de weg’. De luchtweerstand wordt nu gereduceerd omdat er een ongerepte, minder turbulente stroom ontstaat. Ook wordt rijwindlawaai onder de auto verminderd. ‘Maar vergeet niet dat het schild kostbaar is, zowel wat betreft materiaal als ontwikkelingstijd.’
 
‘De ingenieur die met aerodynamica is belast, werkte vroeger aan de Space Shuttle’, zegt Whittle met een glimlach. De auto heeft 10 procent minder luchtweerstand dan het huidige model. Een andere vinding is de afsluitbare grille; de radiateur wordt alleen opengesteld voor rijwind als het nodig is, en zodoende worden turbulenties in het motorcompartiment vermeden. Bij andere auto’s zoekt die rijwind een uitweg door de wielkasten wat voor extra weerstand en lift zorgt. BMW was een van de eerste fabrikanten die de afsluitbare grille als onderdeel van ‘Efficient Dynamics’ toepaste. Maar dit is geen geïsoleerde maatregel, benadrukt Whittle: ‘De hele luchtstroom is anders’. Details zijn net zo belangrijk: ‘Door de spiegels te verplaatsen naar de deuren en eindeloos experimenteren met de vorm werd de luchtweerstand ervan teruggebracht van 0,15 naar 0,09’.
 
Het zijn vaak die details die het verschil maken. Om de dieselversie van de nieuwe Honda Civic op een gewenste uitstoot van 110 g/km CO2 te krijgen, paste Honda twee voorzieningen toe die ontbreken op de benzineversie: radiateurafsluiting en twee strookjes onder de achterlichten die de luchtstroom achter de auto verbeteren. Niet fraai, wel effectief. Doet me denken aan de kleine ‘oortjes’ die de Ford Sierra hatchback een belangrijk deel van zijn leven droeg aan de achterramen; die hadden dezelfde functie en verbeterden bovendien de wegligging.
 

 
Bij hybride en elektrische auto’s is er extra veel aandacht voor vermindering van luchtweerstand en een verbetering van zuinigheid. De Chevrolet Volt kreeg elf kilometer extra actieradius dankzij aerodynamische verbeteringen aan het conceptmodel. Het is niet voor niets dat de Audi A2, Toyota Prius, Honda Insight, Chevrolet Volt – enzovoort – gewelfde daken en een hoge achterkant hebben. Met dank aan Wunibald Kamm die in de jaren dertig werkzaam was in Stuttgart en die ontdekte dat een abrupte afsluiting van de taps toelopende regendruppelvorm zorgt voor een vrijwel ongehinderde luchtstroom. Daarom heeft een auto met geringe luchtweerstand geen behoefte aan een meterslange achtersteven. Met een kont als die van een ontwerp van Kamm is het parkeren van je auto een koud kunstje.
 
BMW’s superzuinige i8 heeft een lage neus en smalle voorwielen om het frontale oppervlak te beperken (luchtweerstand is de som van Cw en oppervlakte, daarom zijn hoge en brede auto’s nooit echt aerodynamisch), en de gehele onderzijde is vlak en afgedicht. Maar dat is nog maar het begin, echt serieus wordt het dankzij de ‘gelaagdheid’. De luchtstroom wordt voor de wielen langs door smalle lange kanalen als een vertikaal ‘luchtgordijn’ langs de wielen geperst waardoor minder turbulentie ontstaat. De i8 heeft bovendien luchtbogen over driekwart van de auto. Die zagen we eerder op de Ferrari 599 en ook op het concept van de Honda NSX. Het zijn spoilers die trots boven de auto uittronen, vanaf het midden van het dak uitmondend in de achterlichten. Die mag je op naam schrijven van Jason Castriota die de 599 ontwierp en ze vervolgens toepaste op het concept van de Saab PhoeniX: ‘Bij Ferrari heb ik lang samengewerkt met de ingenieurs in de windtunnel en in die tijd hadden hun Formule 1-auto’s spoilers en vlakke panelen in alle soorten en maten om de luchtstroom te geleiden en weg te werken.’
 
‘Door de downforce moet een F1-coureur overweg kunnen met 5 G remkracht bij 300 kilometer per uur, en drie seconden later slechts 1,5 G. Zou jij of ik in staat zijn dat rempedaal goed te doseren?’
 
De rijwind wordt door de nauwe voorzijde van de bogen geperst en komt vervolgens in een wijder deel waardoor de auto minder lift krijgt en toch niet te veel luchtweerstand veroorzaakt. Het is hetzelfde principe als dat van een diffuser aan de achterkant van een auto.
 
Castriota vindt de i8 geslaagd. ‘Hij is gedurfd, extreem geraffineerd, en laat zien waar het bedrijf voor staat.’ Hij is van mening dat het eenvoudig is om een conventioneel fraai design te maken en dat het niet moeilijk is om daarin de huidige opvattingen over aerodynamica te verwerken: ‘De vorm van een kogel’. Maar hij gelooft dat alleen ontwerpers die innovatieve inzichten in aerodynamica toepassen succesvol zullen zijn en ‘de grenzen opzoeken van wat esthetisch wordt geaccepteerd’. Zoiets gebeurde in 1984, vertelt hij, toen Ferrari de radiateurs aan de zijkant van de Testarossa plaatste in combinatie met enorme luchtinlaten. Toen een revolutie, nu standaard op een supercar.
 

 
Ach ja, radiateurs. Als koeling al lastig is op een Mondeo, stel je dan eens voor hoe dat zit bij een Bugatti Veyron met zijn tien radiateurs voor diverse systemen. Luchtstromen in de auto – en de wervelingen waar warme en koude lucht botsen – zijn bijna net zo belangrijk als die aan de buitenkant. De achterspoiler gaat niet alleen omhoog om downforce in bochten te krijgen, hij zakt weer in tot halverwege om luchtweerstand te reduceren op hoge snelheden, staat helemaal rechtop bij het remmen en zorgt ten slotte nog voor de afvoer van warme lucht uit het motorcompartiment.
 
Downforce is, zoals we zagen bij de Exige, lastig op een auto voor de openbare weg. Het kan voor extra grip zorgen: het drukt de banden op de weg zonder veel gewicht toe te voegen, daardoor worden de centrifugale en remkracht verhoogd. Maar aangezien het minder wordt als de auto langzamer rijdt, moet een F1-coureur overweg kunnen met 5 G remkracht bij 300 kilometer per uur en drie seconden later slechts 1,5 G als hij een langzame bocht nadert. Zou jij of ik in staat zijn dat rempedaal goed te doseren? Zouden wij overweg kunnen met een auto die afhankelijk van de windrichting veel of weinig grip heeft? Dacht het niet. Daarom zijn de meeste auto’s zo ontworpen dat ze geen lift hebben of een klein beetje downforce, maar eerst en vooral om dat gelijk te houden onder alle omstandigheden.
 
Dat is geen sinecure. Supercars hebben doorgaans een volledig afgesloten onderkant die uitmondt in een diffuser, maar dat is lastiger toe te passen op een in massa geproduceerde auto met een kofferbak, reservewiel en enkele uitlaat. Die oplossing is wel eleganter en minder gevoelig voor zijwind of zijdelingse bewegingen dan een lompe achterspoiler. Maar, zo legt Murray uit, als je remt, duikt de voorkant en komt de achterkant omhoog, zodat de luchtdoorstroming aan de voorzijde wordt vernauwd. Daarmee wordt de downforce aan de voorkant hoger en achter juist lager en wordt het zwaartepunt naar voren verplaatst. Dat is het tegenovergestelde van wat je zou willen.
 
Pagani heeft de Huayra ontworpen met vier beweegbare spoilers om het zwaartepunt onder controle te houden. Murray’s F1, getekend door Peter Stevens, een andere ontwerper met scherpzinnige inzichten in de aerodynamica, heeft een kleine ventilator die lucht van onder de auto wegblaast, langs warme componenten van motor en elektronica leidt, en vervolgens via zorgvuldig uitgekiende plekken aan de achterkant afvoert. Het zwaartepunt blijft zodoende in balans, de weerstand wordt verminderd en de lucht wordt gebruikt om te koelen. De F1 is ook voorzien van een kleine achterspoiler die omhoog komt bij hevig afremmen. Murray zegt dat die twee voorzieningen zodanig effectief zijn dat de achterkant van de auto zelfs naar beneden duikt bij fors afremmen. ‘Het voelt heel raar.’
 
De F1 ziet er helemaal niet uit als een uiterst geavanceerde stroomlijnauto, maar is dat wel. Of een auto een gunstige stroomlijn heeft, is niet iets wat een ongetraind oog zomaar kan waarnemen, maar meestal het gevolg van een reeks details – vaak niet zichtbaar – die daar gezamenlijk verantwoordelijk voor zijn. In de praktijk betekent dit dat computermodellen niet toereikend zijn, maar dat alles eindeloos in de windtunnel moet worden getest. Tijdens de Autoshow van Detroit vroegen we aan Honda-ontwerper Jon Ikeda welke voorzieningen hij had toegepast op het concept van de NSX. Hij zei dat het nog niet was getest: ‘Hij heeft alleen maar esthetische aerodynamica, en meestal werkt dat niet’. Adrian Whittle zegt over de Mondeo: ‘We hebben een eeuwigheid in de windtunnel getest. Aerodynamica is zwarte magie. De enige die het een beetje bevat is Adrian Newey.’

Nieuwste van TopGear

Autonieuws