L'aérodynamisme d'une voiture : principes et notions
Plan de l'article :
L'aérodynamisme d'une voiture est une variable mesurée en Cx et sCx qui va influencer la consommation mais aussi le comportement à haute vitesse. Voyons ensemble les éléments principaux à connaître sur le sujet ...
Avant propos
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Tout d'abord, il faut comprendre que l'étude des flux d'air est la même chose que l'étude des fluides (mêmes équations mathématiques). L'air est justement un fluide comme les autres et il se comporte de la même manière que l'eau. Nous vivons donc (animaux terrestres) dans un aquarium dans lequel l'eau est incarnée par l'air. Et si la résistance de l'air est bien moindre (800 fois moins) que celle de l'eau, elle est tout de même suffisamment importante pour qu'elle ait une véritable influence sur les mouvements.
Chez Porsche, cela fait longtemps qu'on s'est fait une spécialité des ailerons rétractables : aussi bien pour la stabilité à haute vitesse que pour la frime ...
Quelques notions
Vous le savez, l'Homme a transformé beaucoup de processus naturels sous forme d'équations afin de comprendre et prédire le fonctionnement des choses. Les fluides en font évidemment partie avec la fameuse notion de coefficient de traînée nommée Cx. Il s'agit d'un coefficient qui indique la résistance d'une forme face à un vent de face : il est situé entre 0.05 (forme la plus aérodynamique : goute d'eau) et 1.4.
La trainée se manifeste de quatre manières :
- Trainée de forme : air qui vient percuter frontalement une forme
- Trainée de turbulence : les remous chaotiques (tourbillons) qui se forment aux abords de certaines formes freinent encore un peu plus le tout
- Trainée de surface : le frottement de l'air contre la carrosserie provoque aussi une résistance. La texture même de la carrosserie peut donc influer sur la résistance
- Trainée interne : résistance liée à l'air qui circule dans la voiture : air récupéré pour l'aération de l'habitacle, l'air pour refroidir les radiateurs (clim et LDR), pour alimenter le moteur en comburant
L'IAA concept réduit les trainées de turbulence grâce à la partie arrière qui s'allonge en roulant !
Les voitures électriques ont un aérodynamisme optimisé au maximum car leur autonomie est restreinte. Hélas, cela leur fait perdre en appui à haute vitesse et les pneus fins (peu résistants à la friction de la route mais aussi de l'air) réduisent la tenue de route ...
Notion de Cx de pénétration dans l'air
L'équation en lien, et qui fera peut-être mal à vos méninges, est la suivante :
Portance = coefficient_de_traînée_Cx_qui_depend_de_la_forme X 1/2 X Masse_volumique X Vitesse² X Surface_frontale_exposée
Voici le Cx de trois formes différentes. Notez au passage que c'est la goute d'eau qui est la forme la plus aérodynamique, c'est d'ailleurs pour cela que l'eau prend cette forme en tombant ...
Le Cx représente donc une valeur qui permet de mesurer la résistance d'une forme face à un fluide, en l'occurrence l'atmosphère terrestre qui est à environ 1 bar de pression (la résistance change en altitude, d'où la difficultés des avions à aller très haut). Il faudra donc distinguer cette résistance avec celle des pneus contre le sol.
Si tout le monde a tendance à dire qu'un Cx faible est une bonne chose, les amateurs de compétition savent très bien que c'est loin d'être le cas ... En effet, un Cx bas indique que l'auto à un appui aérodynamique très moyen.
Sur la série 4, ce genre d'appendice permet de réduire de manière symbolique le Cx, ce qui permet d'économiser quelques centilitres et donc passer sous certains seuils d'émissions de polluants (pour éviter tout malus ou taxe).
Différence entre Cx et SCx
Le SCx est tout simplement le coefficient de traînée multiplié par la surface frontale exposée à l'air (en mètre carré). Cette chose là a toute son importance car elle permet de réellement comparer deux modèles contrairement au Cx seul.
Comparons deux voitures qui ont le même Cx de pénétration dans l'air : le Mazda CX-5 et la Ferrari Modena.
Le Cx est ici totalement identique malgré leurs gabarits bien différents
La différence de surface entre ces deux modèles va complètement changer la donne. Voici le calcul ...
Les CX-5 et Modena ont le même Cx de pénétration dans l'air, c'est à dire que leur forme de carrosserie provoque la même résistance à l'air à surface égale. Et comme on sait bien qu'un CX-5 a plus de surface qu'une Ferrari il ne faut pas s'arrêter au "simple" Cx.
- Surface CX-5 : 1.84 X 1.67 = 3.07 m² (vous aurez compris que je prends une valeur grossière car je ne fais que multiplier la hauteur à la largeur : l'espace vide entre les roues et les rétroviseurs ne sont pas bien intégrés ici. Mais cela permet tout de même d'avoir des valeurs relativement cohérentes)
- Surface Modena : 1.92 X 1.21 = 2.32 m²
Pour connaître la résistance réelle de chaque voiture il faut alors multiplier le Cx à la surface trouvée, soit :
- CX-5 : 3.07 X 0.33 = 1.01
- Modena : 2.32 X 0.33 = 0.76
On voit donc clairement ici que le CX-5 a une résistance plus importante à l'air que la très effilée Modena. Donc même avec un Cx identique, deux voitures n'auront pas la même trainée et donc la même consommation. Notez aussi que si j'ajoute un aileron à la Modena pour gagner en appui je vais faire grimper le sCx (dépendra de l'inclinaison de celui-ci). Un sCx élevé peut donc aussi être le signe d'une bonne performance puisque sans appui les hautes vitesses deviennent périlleuses ...
Comment se mesure le taux de pénétration dans l'air Cx ?
C'est tout simple mais il faut quand même avoir un équipement onéreux ... En effet, il suffit de placer une voiture dans une soufflerie sous laquelle on place un chariot qui va se déplacer plus ou moins vers l'arrière (selon le Cx / résistance à l'air de l'auto). La force de recul est mesurée et le Cx est déduit.
La force est mesurée par un dynamomètre
Portance déportance
Ici on va parler de l'incidence qu'a le fluide lorsqu'il vient interagir avec l'objet. Si le fluide reçu frontalement fait monter l'objet en l'air (ex : avion) on parle alors de portance. Dans le cas inverse (l'air fait aller l'objet vers le bas) on parle alors de déportance. Cette valeur se mesure en Newton (qui est la valeur d'une "force de poussée", que l'on appelle couple). Les plus curieux peuvent aller consulter l'article qui traite de la différence entre puissance et couple (Newton).
Au passage, il est logique qu'une déportance importante va influer le coefficient de pénétration dans l'air (ex : DRS en Formule 1), et une auto qui a un très faible Cx indique toutefois que la déportance (force de plaquage) est légère. Enfin, un objet symétrique de face n'aura ni de portance ni de déportance, ce qui semble logique, d'où un profil asymétrique des ailes d'avions ou même des ailerons.
Portance = coefficient_de_traînée_Cx_qui_depend_de_la_forme X 1/2 X Masse_volumique X Vitesse² X Surface_frontale_exposée
Sur quoi influe l'aérodynamisme d'une voiture ?
Les conducteurs lambdas penseront certainement dans un premier temps à la consommation de carburant, tant présente dans les discussions de notre époque ... Toutefois, il faut aussi préciser que l'aérodynamisme influera aussi sur les performances et le comportement à haute vitesse. De plus, une gestion optimisée des flux d'air permet d'accroître le confort en réduisant le plus possible les bruits d'air.
Consommation
Réduire le taux de pénétration dans l'air permet donc de réduire la consommation de carburant. En effet, il est logique que plus la voiture peine à avancer, plus elle consomme ... La résistance de l'air qui paraît anecdotique à petite vitesse s'accentue d'autant plus que la vitesse augmente, la hausse n'est donc pas régulière (c'est pour cela que les ailerons rétractables ne se déploient qu'à partir d'une certaine vitesse, en dessous ils n'agissent pas vraiment). Résultat, plus on va vite, plus la résistance augmente vite : vous aurez donc bien moins de différence (de résistance) entre 50 km/h et 60 km/h qu'entre 190 km/h et 200 km/h. Mais cela est une loi que l'on retrouve partout dans l'univers. C'est d'ailleurs la même chose avec les puissances de nos moteurs : il est bien plus dur de faire gagner 20 km/h de pointe à une voiture qui culmine à 250 km/h que de faire gagner la même vitesse à une auto qui plafonne à 140 km/h (d'ailleurs, la vitesse de la lumière est inatteignable par un objet de masse non nulle car il faudrait plus d'énergie que l'univers n'en possède ...).
Le concept Eolab optimise l'aérodynamisme de manière "paranoïaque" pour réduire le plus possible sa résistance à l'air. Des volets mobiles ont même été installés pour moduler le flux d'air selon la vitesse
Toutefois, il faut avouer qu'aux vitesses auxquelles on roule, l'influence reste assez modérée. En guise d'exemple concret nous allons compter sur ce cher Wikipédia : il y est comparé deux autos ayant pour l'une un Cx de 0.3 et l'autre 0.38 (donc comparaison par simple Cx et non pas sCx. Il faut donc espérer que les comparaisons ont été effectuées avec des véhicules dotés d'une surface frontale équivalente..
Deux SUV : un au Cx de 0.3 et l'autre 0.38
Pour deux SUV ayant pour l'un 0.3 de Cx et l'autre 0.38, on aura une perte de (liée à la résistance de l'air) 0.26 litres à 50 km/h pour le premier (0.3) et 0.33 litres pour le deuxième (0.38). Donc + 27% de consommation pour la plus résistante à l'air.
A 130 km/h on a 1.79 litres et 2.26 litres . Si la vitesse n'a été augmentée que d'un facteur d'environ 2.5 (vitesse de 130 km/h environ 2.5 fois plus élevée que 50km/h), l'incidence énergétique a quant à elle été multipliée par 7 environs (0.26 litres à 50 km/h contre 1.79 litres à 130 km/h pour la plus aérodynamique des deux). Notez aussi que la différence entre les pertes énergétiques s'est quant à elle réduite puisque la moins aérodynamique est pénalisée par une surconsommation de + 26% (contre 27% à 50 km/h).
Deux citadines : une au Cx de 0.3 et l'autre 0.38
Dans ce cas ci, il n'y a aucune différence en terme de perte énergétique jusqu'à une vitesse de 110 km/h (le Cx n'a rien changé sur la consommation ..). Au delà (130 km/h), on constate que l'écart se creuse avec + 27% de consommation pour la moins aérodynamique (Cx de 0.38).
Appui aérodynamique : portance et déportance
Pour la performance, et notamment en compétition, un Cx faible indiquera que la voiture a très peu d'appui aérodynamique (peu de déportance). Si cela est très bon pour la vitesse de pointe (au risque d'avoir une portance et donc de s'envoler ...) cela ne permet pas de garder la voiture collée au sol ni de la rendre très stable. Le but pour les ingénieurs sportifs est de trouver le meilleur compromis sachant que d'un circuit à l'autre (plus ou moins rapide) il faudra changer les réglages pour approcher au mieux ce compromis.
Pour faire simple, plus un aileron est incliné vers le bas (et vers l'avant ...) plus il y aura d'appui, et donc de déportance. En faisant l'inverse (orienté vers l'arrière) vous aurez de la portance (on s'envole).
Voyez un peu comment l'aileron change selon la vitesse sur la Panamera II : trois positions possibles.
Notez aussi que l'aérodynamisme ne concerne pas seulement la portance et la déportance. En effet, les formules 1 utilisent aussi les ailerons pour améliorer les vitesses de passage en courbe. Des surfaces placées perpendiculairement permettent de leur ajouter de l'appui latéral (à la façon d'un voilier en quelque sorte).
De plus, les ailerons aident parfois à gagner en stabilité plutôt qu'en appui.
Sur ce genre d'auto, l'aileron sert plus à flatter le propriétaire plutôt qu'à appuyer l'auto sur la route. Concernant les économies de carburant elles restent très modestes ...
Effet de sol ?
L'effet de sol, obtenu grâce à l'emploi d'un fond plat couplé à un diffuseur, permet de plaquer la voiture sans qu'il y ait nécessairement un aileron. On remarque cela sur certaines supercars qui sont étrangement dénuées d'appendice aérodynamique sur leur partie supérieure (aileron donc).
Contrairement à un aileron qui va appuyer la voiture grâce à l'air qui s'accumule sur ce dernier (et donc qui pèse), le principe de l'effet de sol est inverse. On va cette fois orienter les flux aérodynamiques pour générer une sorte de vide sous la voiture. En gros, au lieu de plaquer la voiture vers le bas (aileron) on la colle au sol comme si un aspirateur géant était situé dessous. C'est donc par effet d'aspiration et non d'appui que la voiture colle par terre.
La dépression se produit grâce l'air qui se trouve détendu (on peut dire qu'il est "écartelé") vers le diffuseur. On peut d'ailleurs faire un petit rapprochement avec la climatisation (même si certains trouveront cela déplacé) qui produit du froid grâce à la détente d'un flux (détendre un gaz produit naturellement du froid).
Insonorisation / bruits d'air
Sur certaines autos, les ailerons rétractables aident pour la consommation mais aussi pour améliorer l'écoulement des flux dans le but de diminuer le plus possible les turbulences qui pénalisent le Cx.
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