Homlokfelület és CW-érték – mindenki hallotta már ezeket a szakkifejezéseket. Az Audi szélcsatornájában tisztázzuk jelentésüket, illetve az Audie-tron GT és az Audi 100 C3 példáján bemutatjuk, hogyan működik egy autó aerodinamikája – úgy napjainkban, mint 40 évvel ezelőtt.
Egyre újabb és újabb körrekordokat érnek el a szériagyártású autók a Nürburgring híres Nordschleife körén, ám eközben a szélcsatornában is sorra dőlnek meg a rekordok. Mindkét területben közös, hogy nem csupán egyre kisebb számok születnek, hanem ezeket nagy médiafigyelem is kíséri. Merthogy mi, autós emberek ugyanúgy felkapjuk a fejünket egy új körrekord, mint egy szenzációsan alacsony CW-érték hallatán. A Nordschleifén legutóbb a Formula–1-közeli AMG One remekelt, a szélcsatornában pedig szintén egy csillagot viselő autó, az EQS ért el rekordot, bár ennek 0,20-as légellenállási együtthatóját az amerikai Lucid Air alapváltozata azóta alulmúlta (0,197). Ez a versengés épp annyira valóságos, mint az aerodinamika hatásai az autó bizonyos tulajdonságaira.
Az áramvonalas autó természetesen nem új gondolat, hiszen Edmund Rumpler repülőgép-tervező már 1921-ben megmutatta, hogyan képzeli el az optimális légellenállású autót egy aerodinamikával foglalkozó mérnök. A berlini autókiállításon be- mutatott, csepp alakú autó mintha egy tudományos-fantasztikus filmből csöppent volna a valóságba, mint egy lassan pöfögő hajócska, amelyre kerekek is nőttek. Rumpler megkísérelte az aerodinamikai szempontból optimális cseppformát egy autón megvalósítani, ami egy még manapság is jól hangzó 0,28-as CW-értéket eredményezett. Ám ha teljesen el is tekintünk attól, hogy abban az időben mind a fogyasztás, mind a sebesség terén is csak kevéssé tudta érvényesíteni előnyét az áramvonalas karosszéria, azt egyértelműen megmutatta a Rumpler, hogy ma miért is nem gördülő cseppekkel közlekedünk. A hátul elkeskenyedő autónak ugyanis egyáltalán nincsen csomagtartója, bár ez a tény csak egy a sikertelenségének okai közül. – Ez tipikusan egy olyan terület, ahol jó kompromisszumot kell találnunk – mondja dr. Moni Islam az e-tron GT hátul elkeskenyedő utascellájára utalva. Islam az Audi aerodinamikai és aeroakusztikai fejlesztési részlegének a vezetője, és természetesen pontosan tisztában van vele, hogy az áramlástechnikát összhangba kell hozni a formatervezéssel és a helykihasználással. Például ahhoz, hogy végül az e-tron GT egy, a mindennapokban jól használható elektromos négyajtós legyen, ne pedig egy kerekeken guruló csepp.
Az„A”ésa„CW”
De haladjunk csak lépésről lépésre, és lássuk, mit is takar ez a bizonyos CW-érték. – A CW egy forma aerodinamikai tökéletességét fejeziki, azaz mekkora veszteséggel áramlik körülötte a levegő – magyarázza Moni Islam. A légellenállás kiszámításának a képlete: a tárgy homlokfelületének, a CW-értéknek, a levegő sűrűsége felének és a sebesség négyzetének a szorzata. Ez konkrétan azt jelenti, hogy a fejlesztés során a mérnökök a homlokfelület méretét és a CW-értéket tudják befolyásolni. Tehát egy nagyobb homlokfelületű autónak azonos CW-érték mellett értelemszerűen nagyobb a légellenállása, viszont egy nagyobb méretű autó is képes remekelni kisebb CW-értékkel. Magyarul, egy okosan formázott nagy SUV légellenállása kisebb lehet egy lapos limuzinénál. Ám fontos azzal is tisztában lenni, hogy a légellenállási együttható egy modellsorozaton belül is eltérhet a különböző változatoknál.
A keréktárcsák, a gumiabroncs mérete, a karosszéria kiegészítői mind-mind hatással vannak a CW-értékre. Ezért adnak meg a gyártók az elektromos autók esetében rendszerint hatótávolság-intervallumot. Ugyanez érvényes a fogyasztásra is, az adatok lefedik az összes lehetséges konfigurációt. Az e-tron GT Quattro esetében a hatótávolság a WLTP szerint mérve 458 és 501 kilométer között van. Azaz néhány pipa az extralistán akár 43 kilométerrel is lerövidítheti a hatótávolságot. Különösen egy elektromos autónál meghatározó jelentőségű a lehető legjobb légellenállás, mivel a rendelkezésre álló energia mennyisége itt kevesebb, mint egy belső égésű motoros autónál. Minden század CW-érték néhány kilométer hatótávolságot jelent, ezért különösen fontos a minél kisebb légellenállású karosszéria kifejlesztése.
Ehhez az Audi a szélcsatorna mellett CFD-szimulációt is használ. A szókirakós kedvelőinek: a CFD a Computational Fluid Dynamics, azaz numerikus áramlástani szimuláció rövidítése. Ezzel a módszerrel a karosszéria körüli légáramlási folyamatokat tudják szimulálni. Dr. Moni Islam szerint a CFD a szélcsatorna mellett a fejlesztés másik fontos pillére. A két fejlesztési módszerhez egyforma mértékben használják fel a rendelkezésre álló erőforrásokat – mondja Islam. Ha valaki azt gondolná, hogy sokkal olcsóbb a szimulációhoz pár számítógépet üzemeltetni, mint a hatalmas szélcsatornát az ötméteres lapátkerekével, azt máris megcáfolja az Audi aerodinamikafőnöke: legalább annyi erőforrást követelnek a szimulációk, mint a szélcsatorna. A szimulációkat ugyanis egy olyan számítóközpont végzi, amelyben mintegy 60 000 processzor dolgozik. Másrészt viszont a szélcsatorna legnagyobb teljesítményen üzemeltetéséhez is 2,5 megawatt áram szükséges. Ám Islam szerint egyik fejlesztési módszerről sem lehet lemondani.
De elég az elméletből, az e-tron GT már a szélcsatornában vár ránk. – Mi, aerodinami- kusok leginkább egy hosszú, karcsú és a lapos karosszériát szeretnénk, hiszen ezek a jó CW-érték előfeltételei. Ezután látunk neki az utascella, azaz a szakzsargonban használatos elnevezés szerint a „greenhouse” megformálásának. Elkeskenyedő kabin, lapos szélvédő és hátsó ablak, ezek a jellegzetességek határozzák meg az alapkoncepciót. Lássuk, mi valósult meg az e-tron karosszériáján Islam alapvetéseiből. Hossz? 4,99 méter – pipa. Magasság? 1,41 méter: nem egy szupersportkocsi, de a SUV-korszakban meglehetősen lapos. Csak keskenynek nem mondható az 1,96 méter széles elektromos sportkocsi.
Belesimul a szélbe
Viszont a greenhouse látványosan elkeskenyedik az autó hátulja felé, ami egyrészt kihangsúlyozza az e-tron széles csípőjét, másrészt jobb légáramlást is lehetővé tesz. Látványosan laposan helyezkedik el a szélvédő és a hátsó ablak, ami különösen szembeötlő a nyitóképeken a 3. generációs Audi 100-zal (1982-től) összehasonlítva, amelynek az ablakai egyébként a maga idejében szintén erősen döntöttnek számítottak. Ezek a tulajdonságok biztosítják az alapokat egy jó aerodinamikájú autónak, ám konzekvens megvalósításuk nem lehetséges minden modellen, hiszen a vásárlóknak nem kizárólag olyan sportos autókra van szükségük, mint amilyen az e-tron GT, hanem tágasabb, de inkább doboz formájú SUV-okra. És itt csak a részletek aprólékos kidolgozása segít. Mi a négy legfontosabb közülük? – A kerekek, amelyek egy autó légellenállásának legalább egyharmadáért, esetenként még ennél is nagyobb részéért felelősek – tudjuk meg Islamtól. Ezért nagyon fontos a fejlesztés során, hogy milyen méretű kerekeket használunk. A légellenállást befolyásolja a szélesség, a magasság és a felni dizájnja. Éppen ezért az elektromos autók jellemzően futurisztikus hatású, nagyrészt zárt felniket kapnak, amelyek kevesebb légörvényt keltenek. Hasonló céllal alkalmazzák az úgynevezett légfüggönyöket is (air curtain). Az orr-részen kialakított apró réseken át vezetik a légáramlást az autó oldalára. Itt is az örvénylések csökkentése a fő célkitűzés, az e-tron GT orra ilyen fogások nélkül egészen másképpen nézne ki. További trükk a kiemelkedő hátsó spoiler. – Leeresztett helyzet- ben elérjük az optimális CW-értéket, ám amikor a jobb menetdinamika érdekében a felhajtóerőt csökkenteni kell, akkor a légterelő meredekebben áll – világítja meg az aktív aerodinamika működését az Audi mérnöke. Idetartozik az orr-részen a szabályozható hűtőlevegő-bevezetés, amely csak szükség esetén nyit ki. Az Audi szakemberei egy újabb eszközt gördítenek be a szélcsatornába a kísérletek és a szimuláció ered- ményeinek demonstrálására.
Fújni a füstöt
A füstlándzsa segítségével a szélcsatornában láthatóvá válnak a légáramlási jelenségek. Hamar eléri a propeller a kívánt fordulatszámot, amivel pontosan 50 km/órás sebességű szelet gerjeszt a mérési teremben. Moni Islam az air curtain nyí- lására irányítja a füstöt, ami szépen kirajzolja a kerékjáratból kilépő, a kerekek melletti sima légáramlást. Most a visszapillantó tükör következik. – A tükröt nagyon aprólékos munkával optimalizáltuk. Szépen látszik, mennyire kis méretű szélárnyék keletkezik mögötte. A szétváló légáramlásnak a lehető leghamarabb, és örvénylésektől mentesen kell a tükör mögött ismét összezáródnia. Valóban csupán két-három tenyérnyi hosszon kavarog a füst a tükör mögött.
– Maguk is nyugodtan kipróbálhatják. – Ki mondana nemet az ajánlatra? Közben elérkeztünk az autó hátsó részéhez, így most az autó fara mögötti szélárnyék, illetve a spoilerről a légáramlás levásásának a megfigyelése van soron. Ahogy eddig, úgy itt is az örvénylések kiküszöbölése a cél. És ahogyan a tükörnél, úgy a spoilerről is egyenletes áramlással válik le a füst, hogy kissé távolabb egyesüljön az autó teljes egészében burkolt alja felől érkező légáramlással, amelyet a diffúzor örvénylésmentesen bocsát útjára.
Mindezek a fogások akár 0,24-es CW-értéket eredményeznek. Ám az Audi már 1982-ben sem volt annyira távol ettől az értéktől, hiszen az akkori légellenállás világbajnok Audi 100 CW-értéke 0,30 volt. És miért? – Mert az aerodinamika az autó kifejlesztésének kezdetétől fogva prioritás volt – tudjuk meg Islam- tól. Az éles szeműek viszont már észrevehették, hogy ez a példány nem hozhatja a rekordszámot, mert a CW-érték természetesen már akkor is a felszereltségtől, pontosabban annak hiányától függött. Például az alapmodellen csak bal oldalon volt külső visszapillantó tükör, és az aerodinamikailag optimalizált dísztárcsás, csupán 165-ös kerekek is ma inkább szükségpótkeréknek hatnak. A mi 1990-es évjáratú 100-asunk viszont sportos 205-ös gumikon gördül, és van rajta tükör a jobb oldalon is.
Alapforma és részletek
Az e-tronhoz hasonlóan itt is az aerodinamika elvei határozzák meg a forma alapjait: hosszú, nem túl széles, nem túl magas, és az utastér hátrafelé enyhén keskenyedik. Viszont a méreteken az is látszik, hogy az utastérben adott térkínálatot is biztosítani kellett. A szögletesebb Mercedes W123 alig magasabb, és valamivel keskenyebb is volt, de formája és kevésbé kidolgozott aerodinamikája 0,44-es CW-értéket eredményezett. Az első ránézésre szintén kissé szögletesnek ható Audi karosszériáján viszont már felismerhető néhány aerodinamikai trükk. Egyikük a hűtő környezetének a teljes burkolása, amely a légáramlást a radiátorra tereli, és nem engedi a levegőt a motorházban irányítatlanul örvényleni. Lejjebb az orr-részen egy kis spojler segít az autó alatt jobb légáramlást biztosítani, és a külső tükör, vagy felszereltségtől függően tükrök is aerodinamikailag optimalizáltak. A gyártási folyamatokban is új kihívást jelentettek a lapos üvegek, amelyeket a megszokott gumiágyak helyett ragasztással rögzítettek a karosszériában, ami nagymértékben csökkentette a zavaró légörvényléseket. Moni Islam egy kis füzetet vett elő a youngtimerből, bizonyítandó, mennyire komolyan is vették az aerodinamikai szempontokat. Az egykori kollégák igen részletes és pontos beszámolót készítettek a modell kifejlesztésekről. Egyébként a C3 nem csak magával az aerodinamikájával, hanem a fejlesztési módszereivel is úttörőnek számított. A 100 oldalas dokumentációban számtalan leírást, grafikát és táblázatot találunk. Például egy görbe mutatja meg a szélvédő dőlésszöge csökkentésének vagy a csomagtérfedél megemelésének a hatását a CW-értékre. Rengeteg kutatási eredmény és tudás, ami Moni Islam szerint a modern autók aerodinamikájának fejlesztését is meghatározza.
C -érték bármi áron?
A közeli és a távolabbi jövőben az Audi több elektromos hajtású autóval készül kirukkolni, a Q6 és az e-tron Avant után következik a Sphere koncepció mindennapokba átültetése. Hogyan fog ezeken tovább fejlődni az aerodinamika? – A jövőben még fontosabb lesz az aerodinamika szerepe. Néhány új autón igen jó CW-értékkel fogunk találkozni. Mégis alapvetően a járműkoncepciónak kell meggyőzőnek lennie, azaz a CW-értéknek illeszkednie kell az autóhoz, nem mehet más fontos tulajdonságok rovására – foglalja össze a lényeget dr. Moni Islam. Hamarosan kiderül, beszáll-e az Audi a rekord CW-érték hajszolásába a Mercedes és a Lucid ellen. De egy biztos, csepp alakú autót az Audi sem fog készíteni.
Szöveg: Carl Nowak/KF
Fotók: Manuel Hollenbach
A lapszám, amiben a cikk megjelent a webráuházunkban ide kattintva megvásárolható.
