Gestroomlijnd tot achter de komma
Zelfs de kleinste aerodynamische verbetering draagt al bij aan de actieradius. Moni Islam, Audi-ontwikkelingshoofd op het gebied van aerodynamica en aero-akoestiek, vertelt over het streven naar perfectie voor de Audi e-tron-modellen.
Dr. Moni Islam gebruikt een ledscherm om de luchtstroming weer te geven.
Dr. Moni Islam gebruikt een ledscherm om de luchtstroming weer te geven.
“De luchtweerstand is voor elektrische auto’s de belangrijkste weerstandsfactor. Zelfs tijdens metingen voor de World Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure (WLTP), de standaard testcyclus voor verbruik en emissies, is de rijweerstand verantwoordelijk voor iets meer dan veertig procent van het verbruik. Het gewicht, dat met name voelbaar is tijdens accelereren, draagt voor iets minder dan twintig procent bij aan het verbruiksresultaat. Voor een auto met een gunstige Cw-waarde, bijvoorbeeld de Audi e-tron Sportback, is vanaf ongeveer 80 km/h de luchtweerstand de belangrijkste rijweerstand om te overwinnen. Bij een snelheid van 100 km/h komt meer dan zestig procent van de totale rijweerstand op conto van de luchtweerstand. Verhoog die snelheid tot 140 km/h en de luchtweerstand verdubbelt zich, waardoor het verbruik met iets meer dan zestig procent stijgt. Door op de lange afstand constant 120 km/h te rijden in plaats van 140, levert dit de bestuurder een goede 60 kilometer extra actieradius op, puur en alleen door de verminderde luchtweerstand. De realiteit is nou eenmaal dat elektrische auto’s, vanwege de samenstelling van hun accu’s, minder energie meenemen dan conventionele auto’s met een brandstoftank. Dit betekent dat we bijzonder zuinig met stroom moeten omgaan. En dat spoort ons als engineers aan om alle Audi e-tron-modellen zo aerodynamisch mogelijk te maken.”
Bij de aerodynamica van een auto draait het allemaal om de luchtstroom die niet verder kan, snelheid verliest en turbulentie veroorzaakt. Het is de kunst om de lucht ongestoord langs en door de auto te krijgen (rood = snel, blauw = langzaam).
Moni Islam werkt sinds 2001 bij Audi. De gepromoveerde Canadees is sinds 2012 verantwoordelijk voor aerodynamica en aero-akoestiek.
Bij de aerodynamica van een auto draait het allemaal om de luchtstroom die niet verder kan, snelheid verliest en turbulentie veroorzaakt. Het is de kunst om de lucht ongestoord langs en door de auto te krijgen (rood = snel, blauw = langzaam).
Moni Islam werkt sinds 2001 bij Audi. De gepromoveerde Canadees is sinds 2012 verantwoordelijk voor aerodynamica en aero-akoestiek.
De aerodynamica van een elektrische auto heeft de wind mee
“We moeten echter niet vergeten dat elektrische modellen qua aerodynamica grote voordelen bieden. Zo kunnen we dankzij het accupakket en het ontbreken van een uitlaatsysteem van voor tot achter een dichte, gladde bodem maken. Het heeft heel wat overleg gekost met de collega’s die onderstellen ontwikkelen om alle grotere ophangingsdelen achter de beplating te houden. Alle zaken die in auto’s met verbrandingsmotoren luchtwervelingen veroorzaken, denk aan de transmissietunnel, brandstoftank en uitlaat, zijn niet langer aanwezig. Dat is vanuit aerodynamisch oogpunt helemaal geweldig.
Daar komt nog bij dat een elektromotor veel efficiënter is dan een verbrandingsmotor. De elektroversie genereert niet alleen minder warmte, maar behoeft ook minder vaak koeling. Hierdoor kunnen we thermomanagementconcepten bedenken die bijdragen aan de aerodynamica. Zie bijvoorbeeld de actieve lamellen in de Singleframe-grille van de Audi e-tron-modellen. Die openen en sluiten automatisch, afhankelijk van de koelbehoefte. Wij aerodynamici vinden natuurlijk dat die altijd dicht moeten zitten, zodat er geen verliezen ontstaan. In onze optiek moet lucht over en onder de auto stromen; niet erdoorheen. Maar er zijn ook andere aspecten waar we rekening mee moeten houden. Zo willen de inzittenden waarschijnlijk graag een aangename interieurtemperatuur en dan moeten de louvres openstaan. Desondanks werkt ons uiterst doordachte thermisch systeem zo dat de lamellen het grootste deel van de reistijd dicht zijn, zodat de Cw-waarde laag blijft.”
“Ik wil snel stromende, ongestoorde lucht om de auto”
Moni Islam
“Die Cw-waarde wordt vaak als referentiepunt gezien voor de stroomlijn van een auto. Bij het ontwikkelen van nieuwe modellen streven wij altijd naar verbetering. Met virtuele buitenspiegels heeft de Audi e-tron een Cw-waarde van 0,27 en dat is zeer goed. De meeste SUV’s hebben een hogere waarde, wat ons extra trots maakt dat we met onze volwaardige SUV zo goed scoren. Dankzij een nog iets gunstigere vorm doet de Audi e-tron Sportback het zelfs nog beter met een coëfficiënt van slechts 0,25.
Als je mij vraagt of er een ondergrens is voor de Cw-waarde, zeg ik dat lager dan 0,20 binnen afzienbare tijd niet haalbaar is voor een productiemodel dat geschikt is voor normaal gebruik en dat er ook nog eens aantrekkelijk uitziet. Uiteindelijk hebben ook wij te maken met natuurkundige wetten. Kijk je naar de natuur voor inspiratie, dan zijn er vele voorbeelden voorhanden. Miljoenen jaren evolutie hebben geleid tot mooie vormen die met zo min mogelijk weerstand door de lucht of door het water glijden. Uit onderzoek blijkt dat pinguïns een Cw-waarde van 0,07 hebben en op bepaalde momenten is die zelfs nog lager door bijzondere oppervlakeffecten en dynamische aanpassingen tijdens het bewegen.
In de autowereld kunnen we deze voorbeelden uit de natuur slechts in beperkte mate kopiëren. Een auto is nu eenmaal geen pinguïn. En zelfs al dromen aerodynamici van een auto met de basisvorm van een haai, dan nog is de realiteit dat wij ons moeten houden aan het motto ‘vorm volgt functie’. Kortom, wij richten ons op het fijnslijpen. Het zijn onze klanten die bepalen wat de functie is. Als de klanten een zo groot mogelijke kofferbak willen, kunnen wij moeilijk de daklijn verlagen en de achterkant smaller maken, ook al zou dat fijn zijn voor de stroomlijn.”
De luchtstroming rond de achterkant biedt aanknopingspunten om de Cw-waarde te verlagen.
De lucht gaat vanaf de voorkant over de auto heen en er onderdoor. Aan de achterkant komen de twee stromen weer bijeen in wat in het Engels de ‘wake’ heet. Die moet zo compact en rustig mogelijk zijn.
De luchtstroming rond de achterkant biedt aanknopingspunten om de Cw-waarde te verlagen.
De lucht gaat vanaf de voorkant over de auto heen en er onderdoor. Aan de achterkant komen de twee stromen weer bijeen in wat in het Engels de ‘wake’ heet. Die moet zo compact en rustig mogelijk zijn.
Aerodynamische efficiëntie in detail
“Een van onze doelen als aerodynamici is om innovatieve technische details te bedenken die de ontwerpers meer ruimte voor creativiteit geven. Dit werkt het beste als we gezamenlijk naar oplossingen zoeken. Bij het bepalen van de aerodynamische kenmerken werken we van voor naar achter. Immers, als we aan de voorkant een fout maken met de luchtstroming, kunnen we die meestal aan de achterkant niet corrigeren.”
Air curtains
“De lucht raakt de auto midden aan de voorkant en stroomt dan erlangs, erover en eronder. Het is een kunst op zich om ervoor te zorgen dat de lucht zo zuiver mogelijk langs de flanken beweegt. De korte overhangen die ontwerpers elektrische modellen meegeven, zijn voor aerodynamici een grote uitdaging. Die overhangen laten weinig ruimte om de luchtstroom naar de zijkanten af te buigen. Daarom werken we met air curtains opzij in de neus. Door deze luchtinlaten stroomt de lucht snel naar binnen, dicht langs de carrosserie, om uit te komen in de wielkasten. Zonder deze air curtains zou de lucht aan de voorkant op een breder oppervlak botsen en daardoor de Cw-waarde verslechteren.”
Kleur visualiseert de aerodynamica.
Kleur visualiseert de aerodynamica.
A-stijlen en buitenspiegels
“Het lijkt misschien een triviaal iets, maar de afwerking van de A-stijlen benutten wij om de overgang van voorkant naar dak zo glad mogelijk te maken, zodat de lucht daar optimaal langs kan. Anders krijg je daar aerodynamische verliezen. Vervolgens kom je bij de buitenspiegels. Over een uitdaging gesproken! Een conventionele spiegel verstoort de luchtstroming enorm en dat is tot ver achter de auto merkbaar. Daarom ben ik ongelofelijk blij met de optionele virtuele buitenspiegels op onze Audi e-tron-modellen. Uit de WLTP-cyclus blijkt dat de invloed op de luchtweerstandscoëfficiënt zo groot is dat ze een extra actieradius van ongeveer 2,5 kilometer opleveren. Dat effect is nog sterker op snelwegen en andere doorgaande wegen.”
De optionele virtuele buitenspiegels op de Audi e-tron zijn zeer aerodynamisch. Volgens de WLTP-testcyclus leveren ze ongeveer 2,5 kilometer extra actieradius op.
Aerodynamici visualiseren op diverse manieren de luchtstroming en wervelingen, zoals hier met kleur.
De optionele virtuele buitenspiegels op de Audi e-tron zijn zeer aerodynamisch. Volgens de WLTP-testcyclus leveren ze ongeveer 2,5 kilometer extra actieradius op.
Aerodynamici visualiseren op diverse manieren de luchtstroming en wervelingen, zoals hier met kleur.
Achterkant en achterlichten
“De Audi-ontwerpers houden ervan om de zijkanten en achterkant mooi soepel in elkaar te laten overlopen. Wij denken daar echter weer anders over, want de luchtstroom weet dan niet goed waar de auto te verlaten. Rondingen leveren per definitie een instabiele stroming op. Soms laat de luchtstroming hier los, dan weer daar en dat is slecht voor de stroomlijn. Maar goed, een Audi met een scherp afgesneden achterkant bestaat niet. Daarom verwerken we die scherpe afsnedes in de achterlichten, voor een mooie breuk in de luchtstroom. En die randen volgen dezelfde patronen als het design van de verlichting. Hierdoor oogt alles harmonieus en voorkomen we onprettige lichtreflecties. Die scheidingsranden in de achterlichten zijn een goed voorbeeld hoe we met ontwerpers in de windtunnel samenwerken om innovaties te perfectioneren.”
Achterspoiler en diffuser
“Ik zeg altijd tegen de ontwerpers dat ze een ronde voorkant en een hoekige achterkant moeten tekenen. Helaas doen ze het meestal precies andersom. Voor aerodynamici is de achterkant het belangrijkste, omdat achter de auto lage druk heerst. Die negatieve druk zuigt de auto naar achteren, wat weerstand oplevert. Onze taak is het om dat gebiedje met negatieve druk zo compact mogelijk te houden. Daarom proberen we alle features aan de achterkant zo klein en slank mogelijk te houden: een smalle spoorbreedte, de wielen naar binnen geplaatst en een slanke bagageruimte.
Met achterspoilers geleiden we de luchtstroming zodanig over de auto dat deze symmetrisch en op gelijke hoogte bij de stroming van onderaf komt. Daarom kan een kleine spoilerrand al een groot effect hebben op de luchtweerstandscoëfficiënt. Die spoiler corrigeert de richting van de neerwaartse stroming en zorgt ervoor dat deze achter de auto parallel blijft en dicht op de achterkant samenkomt met de lucht van onderaf. Met de uitwerking van de diffuser creëren we hetzelfde effect aan de onderkant. Op de Audi e-tron hebben we zelfs onder de auto een kleine spoiler aangebracht op de reservewielbak, om ervoor te zorgen dat de lucht van onder de auto op dezelfde plek uitkomt als die van bovenaf.”
De vortex achter de auto.
De lucht moet parallel achter de auto uitkomen.
De vortex achter de auto.
De lucht moet parallel achter de auto uitkomen.
Elk detail is belangrijk
“Een voorbeeld: in 2021 komt er een nieuw Audi e-tron-model uit waarvan de kier tussen achterspatbord en achterklep is afgedicht. Die afdichting verlaagt de Cw-waarde met vijfduizendste. Je zou kunnen denken dat het zonder afdichting slechts een smalle carrosserienaad is, maar het drukverschil tussen zij- en achterkant is zo groot dat lucht in die naad wordt gezogen en tot verliezen leidt. Die verbetering van vijfduizendste levert in de WLTP-cyclus 3 kilometer extra actieradius op. Je merkt het, zelfs het kleinste detail doet ertoe.”
