Aerodynamica auto: 9 tips!

Aerodynamica race auto: 9 onderdelen nader bekeken

In deel 1 hebben we het afstellen van een auto besproken, in deel 2 gaan we de aerodynamica van een super GT race auto behandelen. Waar, wanneer en waarom zitten er zoveel aerodynamische hulpmiddelen op zo'n auto? Wel eens van een gurney flap, diffuser, canards of side duct gehoord? Na dit artikel kun je er over meepraten. In totaal zullen we 9 aerodynamische onderdelen uitleggen en staan stil bij de werking én het effect ervan.

De 'set up van een auto bepalen' special bestaat in totaal uit 4 delen:

Deel 1: de basics van het afstellen van een auto(dempers en rijhoogte)
Deel 2: carrosserie & aerodynamica (spoilers)
Deel 3: chassis (gewicht vermindering en gewichtsverdeling)
Deel 4: ophanging (stabilisatoren, veerpootbrug, camber, toespoor en uitspoor, onderstuur en overstuur)

Aerodynamica auto

Als we het over de aerodynamica van een auto hebben, dan hebben we het over hoe de krachten van de rijwind zich manifesteren op de auto. Idealiter vloeit de rijwind zo soepel mogelijk langs, over en onder de auto, met het liefste zo weinig mogelijk weerstand voor de auto. Daarnaast is het wenselijk de auto zoveel mogelijk contact met 't wegdek te laten houden.

Met andere woorden je bent altijd op zoek naar een compromis: weinig vleugel voor een goede rechte lijn snelheid en medium tot veel vleugel voor voldoende grip in de bochten.

GT4 uitvoering van een Golf GTI

Downforce

Op deze manier kunnen bochten nl. hard(er) genomen worden. De kracht waarmee de auto op het asfalt gedrukt wordt heet de neerwaartse kracht ook wel downforce genoemd. Bij aerodynamica en downforce is het altijd zaak een compromis te zoeken, en dat is moeilijk. Het is de bedoeling een werkend samenspel tussen alle aerodynamische onderdelen te realiseren, dan hebben we het over alle onderdelen die je op de auto kwijt kunt die een positieve bijdrage aan de wegligging -en dus rondetijden- leveren.

Dat zijn o.a. de gurney flap, spoilers, splitters, diffusers, canards, air dam, sideskirts, side ducts en NACA ducts. Snap je 'm nog? Ga d'r maar eens goed voor zitten!

Aerodynamische elementen

Aan de hand van een raceversie van een reguliere straat auto kan mooi inzichtelijk worden gemaakt hoe de zojuist genoemde elementen eruit zien én wat het effect ervan is. Enorm veel vooruitstrevende aerodynamische elementen vinden we terug op auto's in het DTM en ADAC GT Masters auto's. In beide klassen is het toegestaan om flink uit te pakken op aerodynamisch gebied, en dat wordt dan ook gedaan, met redelijk behoud van de originele lijnen van de auto.

Al deze toevoegingen, of soms het verwijderen van zaken zorgen voor een enorme downforce, dat er dus voor zorgt dat de auto aan het asfalt plak in bochten. Maar het levert ook een positieve bijdrage aan het remvermogen en het accelereren, dat weer wordt veroorzaakt door de betere tractie. Als basis nemen we de legendarische auto's!

Aerodynamische onderdelen op een auto moeten samenwerken.

Te veel downforce? Liever niet!

Er kleeft echter ook een nadeel aan veel downforce, nl. weerstand. De energie van de luchtstroom drukt de auto zo hard op het asfalt dat op lange rechte stukken wordt ingeleverd op topsnelheid. Kijk maar eens hoe schuin de achterspoiler van een raceauto staat als deze op een bochtig circuit rijdt. -Indien aanwezig- kun je prima de sponsoring lezen op de bovenkant van de spoiler. Kijk dan eens naar dezelfde auto op een hogesnelheidscircuit.

De spoiler zal vrijwel horizontaal staan en de sponsoring is eigenlijk enkel zichtbaar als je er recht bovenstaat. Dat is afhankelijk van de karakteristieken van het circuit, zijn er veel snelle bochten? Of juist veel langzame(re) bochten? Veelal wordt er een stuk topsnelheid ingeleverd door 'meer vleugel' te zetten, omdat een hogere bochtensnelheid simpelweg meer tijdwinst oplevert. Maar hoe werkt dat nu allemaal?

Drag coëfficiënt

Veel racewagens hebben een drag coëfficiënt (weerstand coëfficiënt) van boven de 1.1. De auto waar jij en ik in rijden zitten rond de 0.30. Met andere woorden, straat auto's ondervinden minder weerstand en zouden, als je enkel naar deze drag coëfficiënten kijkt, theorie sneller moeten zijn, maar wat hebben racewagens wat jij en ik niet hebben? Juist 'm veel vermogen! Het vermogen compenseert de hogere drag coëfficiënt.

Het is van belang voor een raceauto een dusdanige set up te vinden dat er voldoende downforce opgewekt wordt om een maximale gemiddelde snelheid op een circuit te halen. Genereert de auto teveel downforce en dus een te hoog drag coëfficiënt wordt een auto te langzaam, te weinig downforce en je verliest grip (en dus tijd) in de bochten. Computersimulaties, data van race engineers en last but not least input en feedback van de coureur zijn hierbij van essentieel belang.

De diverse luchtstromen vragen om specifieke aerodynamische aanpassingen.

We have lift off!

Misschien zelf wel eens aan den lijve ondervonden; de gemiddelde auto genereert een 'lift' (auto wil omhoog) als deze door de lucht beweegt. Des te harder de auto rijdt, des te meer deze 'lift' wordt. In feite wordt het hele chassis dus naar boven gedrukt. Gevolg is dat de tractie op hoge snelheden minder is en de auto vreemd en/of zweverig zal gaan aanvoelen. Met name in snelle bochten. Knal maar eens flink snel over een lange, met een flauwe bocht erin, invoegstrook de snelweg op…Meer downforce zal dit nerveuze wegligginggedrag aanzienlijk verminderen.

Voorkant vs. achterkant

Vaak worden aerodynamische aanpassingen en onderdelen aan de achterkant en aan de voorkant van de auto gemonteerd. Een forse vleugel op de achterklep is een vaak gedane upgrade, maar vlak ook de kleine modificaties aan de voorkant van de auto niet uit. Een splitter onder de voorbumper valt misschien niet op, maar heeft wel een weldegelijk een belangrijke functie.

'Fulcrum' effect

Logischerwijs zullen de effecten met name plaatsvinden op de locatie waar de aanpassing en/of onderdelen gemonteerd zijn. Een flinke 'strijkplank' op de achterklep zal meer druk en dus tractie geven aan de achterwielen. Als er dan geen aerodynamische aanpassingen aan de voorkant worden gedaan kan het zgn. 'Fulcrum' effect optreden.

De voorkant van de auto wordt als het ware omhoog gestuwd door de neerwaartse druk die de achterspoiler genereert.

Gewichtsverdeling

Om de wegligging op hoge snelheden te verbeteren dient er downforce aan de voorkant van de auto gegenereerd te worden. De gewichtsverdeling van de auto is daarbij je leidraad. Veelal is de gewichtsverdeling van een voorwiel aangedreven auto 60/40. Als je dan een spoiler op de achterklep monteert zal deze meer gaan ondersturen vanwege de 'lift' aan de voorkant van de auto. De meeste auto's zijn van huis uit gevoelig voor onderstuur, combineer dit met een flinke snelheid en onderstuur zal enkel toenemen.

Air dam

Om meer downforce aan de voorkant van de auto realiseren zal er een zgn. air dam onder de voorbumper gemonteerd moeten worden. De air dam zorgt voor flink wat meer downforce en zal het ondersturende karakter verminderen. Wil je overall meer downforce? Dan is een achterspoiler in combinatie met een air dam noodzakelijk. De afmetingen van een air dam staan vast. Na montage kun je daar niets meer aan veranderen. De juiste achterspoiler stelt je wel in de gelegenheid om deze aan te passen, als je een verstelbare achterspoiler hebt natuurlijk…

Een Air Dam op een Porsche 911 GT4

Bij een verstelbare spoiler kan de hoek aangepast worden, op deze manier kan de hoeveelheid downforce beïnvloed worden Des te scherper de hoek, des te meer downforce de spoiler zal realiseren.

9 aerodynamische onderdelen

We zullen nu inzoomen op een aantal aerodynamische aanpassingen die aan de Nissan Skyline GTR zijn gemaakt. Allen hebben een gezamenlijk doel, de wegligging van de auto verbeteren. Maar ook de broodnodige koeling naar de juiste delen (remmen en motor) en overall stabiliteit van de auto worden door deze aanpassingen verbeterd. Wellicht dat enkele aanpassingen voor je daily driver iets teveel van het goede zijn, maar als je een fanatieke Time Attack deelnemer bent is dat zeker niet het geval! Uiteraard zijn de onderdelen ook bij de betere tuningzaken te koop.

Omgekeerde vliegtuigvleugel

Een vleugel op een auto doet precies het tegenovergestelde van een vliegtuigvleugel. Een vliegtuig moet opstijgen en bij een auto wil je dat nou net niet…Downforce wordt gecreëerd door het drukverschil tussen de bovenkant en de onderkant van de vleugel. De lucht wordt gespleten en een waarna het onder de vleugel en boven de vleugel verder raast.

Door de vorm zal de lucht aan de bovenkant van de spoiler langzamer gaan dan de lucht onder de spoiler. Het was meneer Bernoulli die dit ontdekte. De wet van Bernoulli stelt dat langzamere voortbewegende lucht meer statische druk genereert. Het gevolg is dan de snellere voortbewegende lucht aan de bovenkant van de vleugel meer druk uitoefent dan de langzame lucht naar boven drukt. Dit drukverschil veroorzaakt downforce.

Een vleugel op een auto doet precies het tegenovergestelde van een vliegtuigvleugel.

1. Vleugels

De meeste vleugels zijn recht van vorm. Er zijn echter ook spoilers die een verhoogd middenstuk hebben, of andere vormen. Dit kan effectiever zijn, aangezien deze vleugels de hoek van aankomst van de lucht meerekenen. De lucht die van de zijruiten komt, komt namelijk aan met een andere hoek dan de lucht die van het dak komt. Als de spoiler rekening houd met de flow van de lucht, is het mogelijk een effectievere spoiler te maken die minder last heeft van de luchtweerstand. Hoewel sommige vleugels maar één element hebben zijn er ook spoilers met meerdere elementen.

Dit zorgt allemaal voor meer downforce. Spoilers met een langer blad zullen meerdere elementen nodig hebben, aangezien de lucht weg kan gaan van de vleugel. Met meerdere elementen kan de lucht niet ontsnappen en is de vleugel effectiever. De meeste 'huis tuin en keuken' vleugels hebben een rechte vorm, geavanceerde vleugels lopen stapsgewijs op, het verschil tussen de voorkant en de achterkant kan zomaar met 25% zijn. Dit soort vleugels zijn veelal effectiever dan een vleugel met een rechte vorm.

Luchtstroom richting vleugel

Het ontwerp houdt nl. rekening met de luchtstroom die richting de vleugel gaat. De hoek van de luchtstoom vanaf het dak van een auto is anders dan de hoek van de luchtstroom die van de zijruiten. Een vleugel die eveneens rekening houdt met deze 'lokale' luchtstroom realiseert meer downforce en minder drag. Sommige vleugels bestaan uit één deel, in formule auto's (single seaters) zien we vaak dat de achtervleugel uit meerdere elementen bestaat.

Bizarre downforce

Dit soort typen vleugels genereren een bizarre hoeveelheid downforce, met gemak wel 2 tot 3 keer zoveel dan een vleugel dat uit één deel bestaat. Zoveel downforce zelfs dat, als een formule 1 auto sneller dan 200 km/h rijdt, deze genoeg downforce genereert dat de auto in theorie onderste boven zou kunnen rijden. De downforce is dan nl. enkele malen groter dan het gewicht van de auto. Een F1 auto heeft momenteel een minimumgewicht van 750kg. Dit is echter nog nooit in de praktijk getest...

"Zoveel downforce zelfs dat, als een formule 1 auto sneller dan 200 km/h rijdt, deze genoeg downforce
genereert dat de auto in theorie onderste boven zou kunnen rijden. "

Sneller voortbewegende lucht aan de bovenkant van een vleugel oefent meer druk uit dan de langzame lucht naar boven drukt. Dit drukverschil veroorzaakt downforce.

2. Gurney flap

Op de betere achterspoilers kun je zelf een aantal zaken aanpassen die voor meer downforce zorgen. De hoek die de spoiler maakt, maar je kunt ook een zgn. Gurney flap aanbrengen. De Gurney flap is een klein opstaande rand aan het einde van het spoilerblad. De rijwind die wordt opgevangen door de Gurney flap verzorgt voor meer neerwaartse druk.

Stelregel voor de hoogte van een Gurney flap is: de opstaande rand dient 4% van de breedte van de spoiler te zijn. Heb je een spoiler van een meter, is de opstaande rand dus maximaal 4cm. Natuurlijk kun je experimenteren met een hogere rand maar dan realiseer je een hoop extra downforce, zoveel dat het tegen je gaat werken. De eerder besproken 4cm kan wel 25% extra downforce opleveren!

Het zit ‘m in de details: de Gurney flap is nauwelijks te zien, maar wel superbelangrijk.

3. Diffusers

Op de Nissan Skyline zijn een tweetal diffusers aanwezig.Deze zorgen er voor dat lucht met een lagere luchtdruk onder de auto geduwd wordt. De meest in het oogspringende diffuser is die onder de achterbumper. De andere is aan de voorkant van de auto gemonteerd, nl. direct achter de splitter en deze komt uit bij de wielkasten. (verderop meer info over de splitter). Beiden hebben hetzelfde doel: de druk onder de auto zo laag mogelijk maken. De diffuser onder de achterbumper heeft verticaal opstaande randen. Deze zorgen voor de meest efficiënte afvoer van de luchtstroom onder de auto.

De achterste diffuser zorgt er voor dat de hogere druk van de lucht onder de auto in aanraking komt met de lage druk van de lucht aan de achterkant van de auto. Door de specifieke vorm van deze diffuser wordt de lucht die onder de achterkant van de auto komt vertraagd. Diffusers kunnen enorm veel neerwaartse druk genereren. Dit komt door het verhogen van de snelheid van de lucht onder de auto, en dat veroorzaakt een lagere druk. Zoals je kunt zien heeft de diffuser een fors formaat en daardoor geeft het dus een flinke lading extra downforce.

In de diffuser zie je een aantal schotten. Deze zorgen ervoor dat de luchtstroom als het ware aan de diffuser blijft 'plakken'. Omdat de diffuser omhoog loopt vertraagt dit de luchtstroom, dit resulteert in extra druk.

De diffuser zorgt voor een hogere luchtsnelheid onder de auto.

4. Canards

Canards creëren downforce op een tweetal manieren. Rijwind wordt omhoog geforceerd wat lokaal wat extra downforce oplevert. Maar het eigenlijke doel van canards is het veroorzaken van een zgn. vortex (de krullende groene pijl) die langs de auto stroomt. Deze luchtstroom voorkomt dat de hoge luchtdruk lucht aan de zijkanten van de auto in aanraking komt met de lage luchtdruk gebieden aan de onderkant van de auto.

Als de lucht om de auto heen wel onder de auto zou kunnen komen zou de druk onherroepelijk stijgen, wat de downforce vermindert. Canards werken nauw samen met de side skirts. De vortex die gecreëerd wordt genereert zelf behoorlijk wat drag, echter canards stellen je wel in staat om de aerodynamische balans optimaal te zetten. En dat is ook wat waard.

Canards hebben een dubbele functie: downforce creëren en het zorgen voor een aerodynamische balans.

5. Side skirts

Side skirts hebben hetzelfde doel als canards; nl. Het verminderen van de luchtstroom dat onder de auto terecht komt. Als er een Air Dam op een auto aanwezig is zal de luchtdruk onder de auto lager zijn dan de luchtdruk naast de auto, gevolg is dat de lucht naast de auto zichzelf onder de auto wil nestelen. De side skirts voorkomen dit. Het effect van een side skirt is afhankelijk van tot hoe dicht deze tot de grond kan komen. De afstand tussen de grond en de side skirt mag maximaal 1,5cm zijn. Ga je bijv. richting de 2,5cm dan kan de lucht gemakkelijk(er) onder de auto komen en verlies je kostbare downforce.

Side skirts voorkomen dat de luchtstromen onder de auto verstoord worden.

6. Side ducts

Side ducts hebben twee functies op racewagens. Ten eerste; het koelen van zowel de remmen als de motor. Als de remmen niet gekoeld worden zal er geheid fading gaan optreden. Door de wrijving die tijdens het remmen ontstaat tussen de remblokken en remschijven komen er gassen vrij die tussen de remschijven en remblokken komen te zitten. Er wordt dus geen goed contact meer gemaakt. Dit veroorzaakt dus fading; het plots verliezen van remvermogen.

De meeste serieuze racewagens zijn uitgerust met een diffuser aan de onderzijde van de voorkant van de auto. Deze diffuser forceert de luchtstroom richting de achterkant van de wielkasten. Het design van traditionele wielkasten zorgt er .nl voor dat veel het lucht gevangen komt te zitten in de wielkasten. Deze turbulente lucht komt vanaf de bovenkant en achterzijde van de wielen.

Combineer dit met de hete lucht afkomstig van de remmen en motorruimte en we hebben er weer wat extra drag bij. En dat is nou net niet wat de bedoeling is. Side ducts zorgen dat deze hete luchtstroom optimaal afgevoerd worden. Bijkomend voordeel is dat deze luchtstroom naast de auto terecht komt, dat is veel beter dan dat deze luchtstroom direct uit de wielkast zijn eigen weg inslaat. Dit zal dan de werking van de Canards (die een vortex creëren) verstoren.

Side ducts: voor het koelen van remmen en motor en het optimaal afvoeren van hete lucht.

7. Air dam

De functie van de Air dam is het limiteren van de luchtstroom naar de onderkant van de auto. Via een verticale opstaande rand van koolstofvezel of aluminium verkleint de Air dam de opening naar de onderkant van de auto. Door de luchtstroom naar de onderkant van de auto te beperken zal de lucht met een hoge druk genoodzaakt zijn zich meer naast en boven de auto te gaan verplaatsen. De resterende luchtstroom wordt op een geforceerde manier onder de auto geduwd. Deze luchtstroom zal daardoor sneller gaan en dat gaat gepaard met een lagere druk wat een aanzuig effect oplevert. In de racerij kom je Air dam's tegen in bijv. de Nascar Cup in Amerika.

8. Splitter

Een splitter is een kleine spoiler aan de voorkant van de auto. Deze wordt veelal onder de voorbumper gemonteerd. Als een race auto is voorzien van een Air Dam zal de splitter hier direct onder gemonteerd zijn en naar voren uitsteken. In principe is de werking van een splitter gelijk aan die van de Air Dam, maar het werkt nèt iets anders. Een splitter is een horizontale plaat die onder de air dam gemonteerd is en naar voren uitsteekt. De voorkant van een auto is redelijk stomp. Als gevolg hiervan ontstaat er een hoge druk zone, ook wel stagnatiepunt genoemd. Door het monteren van een splitter in dit hoge druk stagnatiepunt kan er een flinke hoeveelheid downforce gerealiseerd worden. De splitter splijt de lucht in tweeën nl. de hogedruk zone en de sneller bewegende lucht met een lage druk dat zicht onder de auto beweegt.

De hoeveelheid downforce is uiteraard afhankelijk van de snelheid waarmee de auto rijdt. Het effect van een splitter wordt merkbaar bij een relatief hoge snelheid, vanaf circa 150 km/h. Ook de grote lengte van de splitter (lees hoe ver mag deze uitsteken) heeft effect op de neerwaartse druk. Net als de Canards hebben ook splitters voornamelijk de taak om de aerodynamische balans van een auto goed af te kunnen stellen. Op de Nismo GTR is geen Air Dam aanwezig. Dit is overbodig om dat de rijhoogte reeds verlaagd is.

Een splitter splijt twee luchtstromen in tweeën.

9. NACA duct

Zgn. NACA ducts zijn verzonken in het bodywerk. Deze lage luchtdruk inlaten worden voor diverse koeling doeleinden ingezet. Denk aan remmen, de motor en in sommige gevallen zelfs de coureur. De specifieke vorm is niet zonder reden. Het is zaak zo veel mogelijk lucht er in te kunnen laten, zonder dat dit extra drag oplevert. Na vele uren testwerk van diverse ontwerpen in de windtunnel is de huidige vorm als beste uit de bus gekomen. Als je besluit van NACA ducts gebruik te maken zorgen er dan wel voor dat de inkepingen scherp zijn. Als dat niet het geval is zijn de ducts minder effectief.

Koeling is altijd een ‘hot issue’ bij GT auto’s.

Tot zover deel 2. Binnenkort kun je deel 3 en deel 4 verwachten!

Deel 1: de basics van het afstellen van een auto (dempers en rijhoogte)
Deel 2: carrosserie & aerodynamica (spoilers)
Deel 3: chassis (gewicht vermindering en gewichtsverdeling)
Deel 4: ophanging (stabilisatoren, veerpootbrug, camber, toespoor en uitspoor, onderstuur en overstuur)