Technique : Principes de l'aérodynamique

le 05/08/2005

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L'aérodynamique étudie la résistance opposée par l'air à un corps en mouvement et, par voie de conséquence, le profil qui oppose la moindre résistance à l'air. En tombant, une goutte d'eau épouse une forme aérodynamique parfaite.

Deux forces s'opposent à l'avancement d'une automobile sur un sol plan :

1) Une résistance qui varie en fonction du frottement des pneumatiques sur la route et de la masse du véhicule.
2) Une résistance qui dépend de la densité de l'air, de la forme et de la surface frontale de la voiture ainsi que de la vitesse.

D.R.

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Le but de l'aérodynamique est de réduire cette deuxième résistance en modifiant les réactions provoquées par le déplacement d'un corps solide dans l'air.

L'aérodynamisme d'une voiture est un facteur très important dans l'effort collectif pour économiser l'énergie car mieux une voiture est profilée, moins elle consomme de carburant car moindre sera la puissance nécessaire à l'obtention d'une vitesse donnée. Un exemple est visible sur ce tableau qui illustre les progrès réalisés dans ce domaine par la firme Citroën entre 1921 et 1983.

Les aérodynamiciens étudient :

- la traînée ou résistance à l'avancement du véhicule due
à la poussée frontale de l'air,
- la dérive due au vent latéral,
- la portance qui tend à soulever le véhicule sous l'effet du
vent qui s'engouffre dessous.

Ces trois forces donnent naissance à trois effets qui sont respectivement :

- le roulis, oscillations alternatives d'une voiture, tantôt du côté droit, tantôt du côté gauche.
- Le tangage, oscillations du véhicule d'avant en arrière et d'arrière en avant dans l'axe de sa direction.
- Le lacet, oscillations transversales alternatives de l'avant de l'automobile ; elles ont tendance à dévier celle-ci de sa route.
- L'importance de ces forces et de leurs effets est mesurée en soufflerie.

Une soufflerie est une « usine à courants d'air ». Les premières mesures de résistance de l'air étaient effectuées sur des corps en chute libre. Ce n'est qu'à la fin du XlXe siècle que le corps à étudier est soumis à un courant d'air provoqué.

En 1909, l'ingénieur Eiffel ajoute au nouveau dispositif un collecteur et un diffuseur d'air, donnant ainsi à la soufflerie son schéma actuel.

Les souffleries sont utilisées dans l'étude des formes aérodynamiques d'une voiture; celle-ci est placée dans une veine de 15 à 20 m2 de section et soumise à un vent qui peut atteindre 160 km/h.

Il existe également des souffleries plus petites pour étudier les coefficients aérodynamiques des maquettes à l'échelle 1/5. Ces recherches préliminaires de forme évitent des erreurs grossières dans la conception des premières maquettes. Des balances permettent de mesurer toutes les forces aérodynamiques.

Pour simuler le vent latéral, l'ensemble voiture-balance peut être déplacé par rapport à la direction du courant d'air provoqué.
Pour comprendre l'écoulement aérodynamique et analyser les résultats obtenus, il est indispensable de visualiser le trajet des filets d'air sur la carrosserie.

Cette visualisation se fait soit à l'aide de brins de laine collés sur le véhicule, soit au moyen d'une fumée colorée produite par un ou plusieurs jets mobiles. Depuis la crise, de l'énergie, l'étude de la traînée (ou résistance à l'avancement) a pris une très grande importance.

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L'aptitude d'une carrosserie à pénétrer dans l'air, limitant ainsi la traînée, est caractérisée par le coefficient de pénétration Cx. Plus ce coefficient est faible, plus la forme du véhicule est performante.
Mais un facteur important intervient dans le calcul de la résistance à l'avancement : la surface frontale S du véhicule appelée aussi "maître-couple" (S étant bien évidemment plus important pour un véhicule utilitaire que pour une voiture particulière).

La mesure de la traînée prend également en compte la densité de l'air p et la vitesse du véhicule V.

La formule s'écrit : Traînée Fx = 1/2 p S Cx V2

La puissance P fournie pour vaincre les forces s'opposant à l'avancement d'un véhicule est :

P = 1/2 p S Cx V3 (1) + f MV (2) (non tenu compte de l'accélération)

P = Puissance fournie pour vaincre les résistances à l'avancement
p = Densité de l'air
S = Maître couple
Cx = Coefficient de traînée
V = Vitesse du véhicule
F = Coefficient de frottement
M = Masse du véhicule
(1) = Résistance aérodynamique
(2) = Résistance de roulement

Un gain de 10 % sur le S Cx peut permettre sur
l'autoroute d'économiser près de 7 % de la consommation.
D'autres formules permettent de connaître la force de la dérive, celle de la portance ainsi que l'importance du roulis, du tangage et du lacet.

Différentes situations sont reproduites artificiellement en soufflerie. Par exemple, pour un roulage à 130 kilomètres à l'heure (Vv sur le schéma), un vent latéral perpendiculaire de 40 kilomètres à l'heure (Vl) est simulé en soufflerie par un vent de 136 kilomètres à l'heure (Vo) et un angle de dérapage & de 17° (l'angle de dérapage est celui formé par l'axe du véhicule avec celui du courant d'air).

En dehors des économies d'énergie, le bon aérodynamisme d'une voiture est un facteur essentiel de la sécurité.
Il assure une meilleure stabilité en réduisant la portance qui tend, à vitesse élevée, à faire décoller la voiture, et limite la sensibilité du véhicule au vent latéral.

La diminution des perturbations d'air et donc des éclaboussures se traduit par une meilleure visibilité vers l'arrière. En réduisant les bruits provenant de l'écoulement de l'air sur la carrosserie et en améliorant la ventilation par un choix judicieux des emplacements des entrées et des sorties d'air, l'aérodynamisme procure au conducteur davantage de confort, reculant ainsi le seuil de la fatigue souvent à l'origine d'un accident.

Indépendamment de la forme générale de la carrosserie, les coefficients aérodynamiques sont améliorés par l'adjonction d'éléments correctifs tels le spoiIer à l'avant, déflecteur qui réduit le débit d'air sous la caisse, et le becquet sous la lunette arrière qui réduit la traînée en agissant sur la portance arrière.

Spoiler et becquet sont des économiseurs d'énergie qui peuvent réduire la consommation de plus de 7 % à 120 kilomètres à l'heure.

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Commentaires

avatar de thomasthomas
thomasthomas a dit le 05-07-2013 à 10:58
Attention, la conclusion est fausse! Il ne faut pas confondre Cx et Cz. Le Cx caractérise la résistance longitudinale que provoque l'air alors que le Cz caractérise la portance. Spoilers et béquets modifient en premier lieu le Cz (ils 'collent' la voiture au sol). Or une formule lie le Cx et le Cz pour des profils d'ailes: Cx=Cx0+k*Cz² k est un coeff positif donc on comprend que rajouter spoiler et béquet augmente le k*Cz² et donc augmente le Cx. Ainsi la consommation est MAJOREE par l'ajout de ces appendices aérodynamiques car la résistance à l'air est augmentée. On pourra ajouter que cette force en plus qui nous colle au sol agit AUSSI sur la résistance au roulement qui devient alors: f *( M + 1/2 p S Cz V²) La consommation est donc aussi majorée à travers ce terme la. En conclusion, c'est pour cela qu'en formule 1 le DRS améliore la vitesse en ligne droite: le béquet est partiellement supprimé, la force opposée au roulement est réduite, la vitesse augmente.