Konstrukce automobilu – Aerodynamika!

Downsizing motorů není všelékem, pro nízkou spotřebu je důležitá také nízká hmotnost a vyzrálé aerodynamické řešení...

Přestože druhá a třetí možnost jsou naprosto logické, mnozí výrobci je ignorují, vymýšlejí stále větší automobily, které se ovzduším neprobíjejí zrovna snadno, a móda obludných SUV je toho smutným důkazem. Giorgetto Giugiaro jednou prohlásil, že každá třída osobních vozů by měla mít rozměrové limity; svým způsobem má pravdu, ale jakékoli restrikce jsou projevem nesvobody. Navíc přece rozhoduje zákazník, nyní stále pohodlnější a hmotnější, takže si za všechno můžeme sami...

V červnu 2013 navštívil Prahu specialista Dr. Teddy Woll, vedoucí oddělení aerodynamiky, aeroakustiky a aerodynamických tunelů u značky Mercedes-Benz; jeho přednáška v sídlu importéra v Praze-Chodově byla více než zajímavá. Vzpomněl jsem si na hodiny aerodynamiky a stavby letadel, které vedl náš třídní profesor Ing. Svatopluk Krajina na Střední průmyslové škole strojnické v Praze v Masné ulici, a s překvapením zjistil, že na rozdíl od mnoha jiných oborů se vlastně nic podstatného nezměnilo. Samozřejmě kromě výpočetní techniky a vylepšených metod zkoušek, ale to jsou oblasti na základě jiných zákonů a poznatků... Význam optimálního tvarování automobilů neobyčejně vzrostl, zejména po propuknutí první ropné krize v letech 1973 – 1974, po všech krizích následujících a po požadavcích na snižování spotřeby (nyní i emisí CO₂), daných nejen zájmy uživatelů, ale také legislativou vzhledem k ochraně životního prostředí a tenčícími se zásobami fosilních paliv. Výkon motoru automobilu je spotřebován odpory uvnitř motoru samého, třením a nuceným oběhem oleje v mechanismech, přenášejících točivý moment od motoru ke kolům, valením kol po vozovce a odporem vzduchu (čelní odpor); uvádí jedna z klasických učebnic o stavbě automobilových karoserií, vydaná již v padesátých letech minulého století.

Při nízkých rychlostech a nevelké ceně paliva v dávných dobách existovala mylná domněnka, že výkon připadající na překonání čelního odporu není tak velký, aby se jím konstruktéři vůbec museli zabývat. Samozřejmě mnohem větší roli hrála aerodynamika ve stavbě letadel, kde plní především základní funkci vyvolání vztlaku na křídle, jenž je podmínkou pohybu letadla nad zemským povrchem, ale stejně jako u automobilů ovlivňuje pronikání vzdušninou, související s potřebným výkonem motorů. Proto zejména letečtí konstruktéři při alternativní stavbě automobilů uplatňovali důsledně aerodynamické řešení, jež však mnohá konkurence a konzervativní klienti považovali za příliš avantgardní, a tak většina pokusů ve dvacátých až čtyřicátých letech neuspěla, ani nenalezla následovatele.

Novodobá měření v aerodynamickém tunelu Volkswagen prokázala u československé Tatry 87 s tzv. proudnicovou karoserií z konce třicátých let součinitel odporu vzduchu c_x = 0,36, tedy stejný, jakým se o čtyřicet let později chlubilo kupé Škoda 130 Rapid! Československá Tatra patřila k průkopníkům aerodynamického řešení karoserie, které v jejím případě usnadňovalo uložení vzduchem chlazeného motoru v zádi; většina předválečných automobilů totiž měla mohutnou příď, tvořenou kapalinovým chladičem motoru zcela vpředu, nezřídka ustaveným kolmo k vozovce, až později skloněným vzad. Tatra vycházela z principů vídeňského rodáka maďarského původu Dr. Paula Jaraye (1889 – 1974), jenž si v roce 1921 nechal patentovat aerodynamický tvar automobilu, prodal licence řadě výrobců (jiní jeho řešení okopírovali), ale pouze československá Tatra vyráběla vozy s proudnicovou karoserií ve větších sériích.

K dalším průkopníkům patří letecký konstruktér Edmund Rumpler (1872 – 1940) rakouského původu, který v Německu sestrojil aerodynamický Rumpler Tropfenwagen (1921) s půdorysem kapkovitého tvaru (ale s vystouplými koly), u něhož se uvádí c_x = 0,28 a čelní plocha 2,4 m². Vůz měl samonosnou karoserii s motorem před zadní nápravou, unikátním třířadovým šestiválcem do W60/60°, 2,6 l/22 kW (30 k); Rumplerův patent využila firma Benz pro podobně koncipovaný otevřený automobil, ovšem už s řadovým motorem. Výroba se nikdy nerozběhla. Podle Jarayových patentů vznikla řada automobilů, například prototypy Audi typ K (1923), Ley typ T6 (1923) nebo Mercedes-Benz 200 (1935; c_x = 0,26), jen k sé-riové výrobě nedošlo. Vývoj přinesl useklou záď podle Wunnibalda Kamma (1893 – 1966), která snižovala turbulence vzdušniny při vyšších rychlostech, u závodního BMW 328 Kamm Coupé snížila součinitel odporu vzduchu na c_x = 0,25 (z 0,35).

V roce 1939 představil Karl Schlör (1911 – 1997), německý inženýr ze strojírenské firmy Krauss-Maffei, osobní vůz kapkovitého tvaru na podvozku Mercedes-Benz 170H (motor vzadu) se součinitelem c_x = 0,186, přezdívaný Göttingenské vejce podle testů v aerodynamickém tunelu AVA v Göttingenu. Vypukla však válka, pokusy skončily, funkční vzorek údajně odvezli Rusové... Přestože Volkswagen Typ 1, známý Brouk, měl pseudo-proudnicové tvary, jeho součinitel odporu vzduchu v roce 1938 dosáhl jen c_x = 0,49 a čelní plocha 1,8 m². Doktor Teddy Woll jako jeden z příkladů uvedl také poválečný minivůz Messerschmitt Kabinenroller (1953), který sice vykazoval c_x = 0,396, ale s čelní plochou jen A = 0,99 m² byl jeho rozhodující ukazatel (násobek těchto hodnot) c_x.A pouze 0,39 (u Schlörova vejce 0,46).

Po válce se však na aerodynamiku automobilů dlouho nehledělo, v USA byl tak levný benzin, že americké křižníky silnic měly zhruba c_x = 0,60 a čelní plochu kolem tří čtverečních metrů! Situaci změnily až ropné krize (cena barelu vzrostla ze tří dolarů v roce 1971 až na rekordních 147 dolarů v roce 2008, pak poklesla ke stovce), takže kromě downsizingu přišla na řadu aerodynamika. Používání aerodynamických tunelů se stalo nutností, v roce 1982 měl Audi 100 (C3) součinitel odporu vzduchu c_x = 0,30, o dva roky později Mercedes-Benz E-Klasse (W124) dosáhl c_x = 0,29, v roce 1990 kupé Opel Calibra c_x = 0,26, abychom jmenovali jen některé typy. Aerodynamické tunely se uplatnily nejprve v letectví, u nás měl vzduchový tunel s dříve užívaným otevřeným okruhem do rychlosti 198 km/h a průměrem proudu 1,8 m letňanský Vojenský technický a letecký ústav (VTLÚ, později VZLÚ) už před válkou; k nejznámějším tehdy patřily tunely s uzavřeným (cirkulačním) okruhem v britském Farnboroughu, či pro letadla ve skutečné velikosti v Chalais-Meudonu u Paříže, samozřejmě také americký NACA; či další (mnohdy jen pro modely) v německém Göttingenu, CAGI v Moskvě, při technice v Curychu, dokonce v Bukurešti atd. Základním předpokladem pro využití měření na modelech jsou pravidla tzv. podobnosti.

Mechanická podobnost znamená, že při obtékání dvou geometricky podobných těles pod stejným úhlem, různě velkých, různou rychlostí, při odlišné měrné hmotě a kinematické viskozitě (např. zmenšený model a skutečný automobil) bude rozložení rychlostí, tvar proudnic, průběh tlaku na povrchu tělesa a síly na těleso působící podobné, tzn. u obou těles v určitém poměru. Rozborem bylo prokázáno, že k této mechanické podobnosti dojde, bude-li zachován poměr mezi setrvačnými a třecími silami, vyjádřený shodným Reynold-sovým číslem (R_e), které představuje poměr těchto rozhodujících sil, působících na částečky vzdušniny. Až při kritickém R_e přechází laminární proudění na turbulentní, rovnováha sil třecích a setrvačných je porušena.

Při shodném R_e lze výsledky měření na modelu použít přímo pro skutečný automobil. Měření na modelech bylo zavedeno z důvodů finanční a prostorové náročnosti, dnes je více tunelů pro měření automobilů ve skutečné velikosti. Mercedes-Benz je průkopníkem aerodynamických tunelů v automobilovém průmyslu, první byl postaven v Untertürkheimu v letech 1939 – 1943 (5. února toho roku proběhla první měření), po válce rekonstruován (1954) a zcela odkoupen Daimlerem (1974). V Sindelfingenu pak byl nedávno postaven nový aeroakustický tunel Mercedes-Benz. Dnešní digitální vývojový proces znamená značné urychlení a zdokonalení, při přechodu z předcházející generace Mercedes-Benz B-Klasse W245 na novou W246 znamenal aerodynamický vývoj nejen 1100 hodin v tunelu, ale také 278 000 počítačových hodin! Součinitel odporu vzduchu klesl na c_x = 0,24 až 0,26 (podle verze, a to z 0,30). Konstruktéři zasluhují náš obdiv, automobil dnes rozhodně neprochází snadným a jednoduchým vývojem, u třídy CLA se dále snížil tento součinitel na rekordních c_x = 0,22 (v sériové výrobě). Přispěla k tomu optimalizace všech ploch včetně pneumatik a zakrytování spodku vozu.

Převzato z časopisu

Fotogalerie