Aerodynamikk: kampen om tusendelene
Selv ørsmå forbedringer av aerodynamikken øker rekkevidden til en elbil. Moni Islam, leder for utvikling av aerodynamikk og aeroakustikk hos Audi, snakker om jakten på perfeksjon i Audi e-tron-modellene.
«Luftmotstanden er den viktigste kjøremotstanden når du kjører en elbil. Når for eksempel Audi e-tron Sportback kjøres i samsvar med standardsyklusen som er definert i WLTP-testmetoden (World Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure), står kjøremotstanden for rett over 40 prosent av forbruket. Akselerasjonsmotstanden står for litt under 20 prosent av forbruket i denne syklusen. I en bil som Audi e-tron Sportback, som har svært god luftmotstandskoeffisient (cw-verdi), er luftmotstanden den viktigste kjøremotstanden allerede fra ca. 80 km/t. Når du kjører på en landevei i 100 km/t, utgjør luftmotstanden over 60 prosent av den totale kjøremotstanden. Når du kjører på en motorvei og holder en jevn hastighet på 140 km/t, dobles luftmotstanden og forbruket øker med litt over 60 prosent. Senker du hastigheten fra 140 til 120 km/t på denne langturen, får du rundt 60 km lengre rekkevidde bare på grunn av den reduserte luftmotstanden. På grunn av batterikonstruksjonen kan elbiler ha med seg mindre energi enn biler med drivstofftank. Det betyr at vi må kjøre så økonomisk som mulig. Og det gir oss ingeniører et sterkt incitament til å utforme alle Audi e-tron-modeller så aerodynamisk som mulig.»
Aerodynamikk handler om hvordan luftstrømmen bremses og danner virvler når den treffer bilen. Kunsten er å få luften til å følge bilens form og lede den rundt eller gjennom bilen (rød = rask, blå = langsom).
Moni Islam har jobbet for Audi siden 2001. Etter å ha hatt ulike stillinger i Audi-konsernet, tok kanadieren over ansvaret for utvikling av aerodynamikk og aeroakustikk i 2012.
Aerodynamikk handler om hvordan luftstrømmen bremses og danner virvler når den treffer bilen. Kunsten er å få luften til å følge bilens form og lede den rundt eller gjennom bilen (rød = rask, blå = langsom).
Moni Islam har jobbet for Audi siden 2001. Etter å ha hatt ulike stillinger i Audi-konsernet, tok kanadieren over ansvaret for utvikling av aerodynamikk og aeroakustikk i 2012.
Elbiler har også aerodynamiske fordeler
«Vi må ikke glemme at elbiler også har fordeler med tanke på aerodynamisk utforming. Batteriet og bortfallet av eksosanlegget gjorde for eksempel at vi kunne konstruere et lukket, glatt understell. Vi jobbet tett med kollegene våre i karosseriutviklingsavdelingen for å sikre at alle de viktigste akselkomponentene ble skjult bak understellsdeksler. Alt som er ansvarlig for luftturbulens rundt biler med forbrenningsmotor, inkludert midttunnel, drivstofftank og eksosanlegg, finnes ikke i samme form på elbiler. Det er et stort pluss for aerodynamikken. I tillegg har en elektromotor mye bedre energiutnyttelse enn en forbrenningsmotor. Ikke bare er varmetapet mindre, men den trenger heller ikke like mye kjøling. Det gjør at vi kan utvikle varmestyringskonsepter som er fordelaktige for aerodynamikken. Et eksempel er luftinntakene på singleframe-grillen på e-tron-modellene våre, som er viktige for aerodynamikken til bilens front. De elektrisk styrte luftinntakene kan åpnes og lukkes automatisk avhengig av kjølebehovet. Vi som driver med aerodynamikk, liker å si at de alltid bør være lukket, slik at det ikke strømmer noe luft gjennom bilen som forårsaker tap. I stedet bør luften strømme over og under bilen. Men styringssystemet må også ivareta andre behov, for eksempel behov for å kjøle ned kupeen. Da åpnes luftinntakene. Likevel sørger den intelligente varmestyringen for at luftinntakene stort sett er lukket, slik at cw-verdien blir lavest mulig.»
“Jeg vil ha en rask, uforstyrret luftstrøm rundt en bil.”
«Luftmotstandskoeffisienten er et mål på hvor aerodynamisk en form er. Vi ønsker selvfølgelig alltid å forbedre cw-verdien når vi utvikler en ny modell. Med virtuelle sidespeil har Audi e-tron en cw-verdi på 0,27. Det er en av de beste i SUV-segmentet. Mange av SUV-modellene som er på markedet nå, har høyere verdi. Derfor er vi spesielt stolte over at vi har oppnådd en så god verdi på en SUV. Med sin strømlinjeformede profil er Audi e-tron Sportback hakket bedre med en luftmotstandskoeffisient på bare 0,25.
Er det noen grense for hvor lav cw-verdien kan bli? Min mening er at det ikke vil være mulig å lage en serieprodusert bil som både er praktisk i hverdagen og har en tiltalende design med en luftmotstandskoeffisient under 0,20 i nærmeste fremtid. Til syvende og sist er det fysikkens lover som setter grensen. Naturen er full av inspirerende eksempler på optimal luftstrøm. Flere millioner år med evolusjon har gitt oss strålende eksempler på hvordan et legeme ideelt sett bør være utformet for å bevege seg gjennom luft eller vann med minst mulig motstand. Studier har vist at pingviner har en cw-verdi på 0,07. Ved hjelp av spesielle overflateeffekter og dynamiske endringer i kroppsformen når de er i bevegelse, kan den også senkes ytterligere. Disse naturfenomenene kan imidlertid kun anvendes i svært begrenset grad under utvikling av biler. En bil fungerer helt annerledes enn en pingvin. Og selv om vi som arbeider med aerodynamikk, drømmer om en bil som er formet som en hai, gjelder prinsippet om at form følger funksjon i det daglige arbeidet vårt – alt dreier seg om optimering. Og vi må heller ikke glemme at det er kundene våre som legger føringene. Hvis kundene ønsker mest mulig plass i bagasjerommet, kan ikke vi senke taket og gjøre bakparten smalere, selv om det ville gitt bedre aerodynamiske egenskaper.
Strømningsmønsteret bak bilen gir en indikasjon på hvordan luftmotstandskoeffisienten kan reduseres.
Luftstrømmene over og under bilen føres sammen bak bilen. Dette bør gjøres så kompakt og symmetrisk som mulig.
Strømningsmønsteret bak bilen gir en indikasjon på hvordan luftmotstandskoeffisienten kan reduseres.
Luftstrømmene over og under bilen føres sammen bak bilen. Dette bør gjøres så kompakt og symmetrisk som mulig.
Aerodynamikken ligger i detaljene
«Et av målene våre når vi arbeider med aerodynamikken, er å utvikle innovative tekniske detaljer som gir designerne rom for kreativitet. Det fungerer best når vi samarbeider om å løse bestemte utfordringer. Vi begynner alltid foran på bilen og arbeider oss bakover. Lykkes vi ikke med luftstrømmen foran, vil vi ikke kunne rette det opp bak på bilen.»Luftgardiner
«Luften treffer bilen midt på fronten og beveger seg over, under og langs sidene av bilen. Kunsten er å optimere luftstrømmen langs sidene. De korte overhengene som designerne våre bruker for å gjøre elbilene så tiltalende som mulig, utgjør en stor utfordring for oss som arbeider med aerodynamikken. Det er ikke mye plass igjen til å lede luften langs sidene etter at den har truffet fronten i høy hastighet. Det er grunnen til at vi bruker luftgardiner på sidene foran. Disse luftinntakene fungerer som luftskovler som fanger luften foran, leder den raskt innover og holder den tett inntil bilen, før de leder den inn i hjulbuen. Hvis vi ikke hadde hatt disse luftgardinene, ville bilen gitt luften en større flate, og det ville økt luftmotstandskoeffisienten.»
A-stolpe og sidespeil
«Det høres kanskje banalt ut, men vi kan bruke vannrennen på A-stolpen til å strømlinjeforme overflaten og optimere strømmen fra fronten langs A-stolpens bue. Ellers ville vi hatt betydelig mer luftmotstand her. Når luftstrømmen når sidespeilene, kommer den neste utfordringen med tanke på aerodynamikk. Et vanlig sidespeil fortrenger luftstrømmen betydelig og påvirker den til langt bak bilen. Derfor er jeg veldig fornøyd med at vi tilbyr virtuelle sidespeil som ekstrautstyr til Audi e-tron-modellene. WLTP-syklusen viser at deres påvirkning på luftmotstandskoeffisienten øker rekkevidden med ca. 2,5 km sammenlignet med vanlige sidespeil. Forbedringen er enda større på landeveier og motorveier.»
De virtuelle sidespeilene som leveres som ekstrautstyr til Audi e-tron, er veldig aerodynamiske. WLTP-syklusen viser at deres påvirkning på luftmotstandskoeffisienten øker rekkevidden med ca. 2,5 km sammenlignet med vanlige sidespeil.
Ingeniørene brukte ulike visualiseringsverktøy til å analysere styrken til virvlene i luftstrømmen.
De virtuelle sidespeilene som leveres som ekstrautstyr til Audi e-tron, er veldig aerodynamiske. WLTP-syklusen viser at deres påvirkning på luftmotstandskoeffisienten øker rekkevidden med ca. 2,5 km sammenlignet med vanlige sidespeil.
Ingeniørene brukte ulike visualiseringsverktøy til å analysere styrken til virvlene i luftstrømmen.
Hekken og baklyktene
«Audis designere liker å gi overgangen fra siden til bakparten en buet form. Det er imidlertid ikke optimalt aerodynamisk sett, siden luftstrømmen ikke helt vet hvor den skal dele seg. Buede former fører alltid til mindre stabilitet. Luftstrømmen deler seg ett sted den ene gangen og et annet sted den andre gangen, og det gir dårlig aerodynamikk. Men vi kan selvfølgelig ikke lage en Audi med kantete bakpart. I stedet integrerer vi kantene som gjør at luftstrømmen deler seg der vi vil at den skal dele seg, i baklyktene – de følger konturene til grafikken i lyktene. Det gir en harmonisk utvendig design og hindrer ubehagelige lysbrytninger. Disse kantene på baklyktene er et godt eksempel på hvordan vi samarbeider med designerne for å optimere innovasjoner i vindtunnelen.»
Hekkspoiler og diffusor
«Jeg sier alltid til designerne at de skal gjøre fronten rund og bakparten kantete. Dessverre gjør de vanligvis det motsatte, men for oss som driver med aerodynamikk, er bakparten viktigst. Bak bilen dannes et område med lavt trykk. Dette undertrykket suger bilen bakover og skaper dermed motstand. Vår oppgave er å holde området med undertrykk bak bilen så lite og kompakt som mulig. Derfor prøver vi å gjøre alt så smalt og lite som mulig på bakparten: smal sporvidde, hjul lengst mulig inn, smalt bagasjerom. Og vi bruker hekk- eller takspoilere til å dele luftstrømmen slik at den samles igjen symmetrisk og i samme høyde bak bilen etter at den har strømmet over og under den. Derfor kan selv én liten spoiler ha stor positiv effekt på luftmotstandskoeffisienten. Den korrigerer strømningsretningen nedover, fører luftstrømmene mest mulig parallelt og samler dem så nær bilens bakpart som mulig. Vi monterer komponenter nær diffusoren for å oppnå det samme på undersiden av bilen. På Audi e-tron bruker vi også en liten spoiler på reservehjulsbrønnen under bilen for å sikre at luften ledes til nøyaktig samme punkt bak bilen der luftstrømmen kommer ned fra taket.»
Hver minste detalj teller
«Et eksempel: I en Audi e-tron-modell fra 2021 er det en tetning i sammenføyningen mellom sideveggrammen og bakluken. Denne tetningen forbedrer luftmotstandskoeffisienten med fem tusendeler. Du tenker kanskje at åpningen uansett er veldig liten uten denne tetningen. Men trykkforholdene mellom siden og bakparten er så ekstreme at luft suges inn i sammenføyningen og umiddelbart fører til tap. Når vi bruker denne tetningen, forbedres luftmotstandskoeffisienten med fem tusendeler. I WLTP-syklusen øker dette rekkevidden med ca. tre kilometer. Selv små detaljer er viktige for å oppnå forbedringer.»
