WUT Racing: aerodynamika w samochodach sportowych

Oprócz działań w sferze biznesowej i organizacyjnej, ważnym aspektem przygotowań do udziału w zmaganiach jest

odpowiednie opracowanie konstrukcji bolidu, a w szczególności usprawnienie jego aerodynamiki. O pracach w tym zakresie opowiadają Mateusz Gugała i Michał Remiasz z teamu WUT Racing:

- Jak wygląda kwestia aerodynamiki w kontekście projektowania samochodu?
W klasycznych samochodach użytkowych aerodynamika skupia się głównie na osiąganiu jak najmniejszego oporu (współczynnik Cx), jednocześnie mocno zwracając uwagę czy bryła nie generuje dużych sił nośnych i zapewnia odpowiedni balans (rozkład) sił na przednią i tylną oś. Zwykle w tego typu samochodach nie instaluje się płatów dociskowych ani innych elementów aerodynamicznych, ponieważ przeciętnemu użytkownikowi nie zależy na osiąganiu ogromnych przyspieszeń czy to liniowych czy bocznych. Zatem podsumowując, w pojazdach użytkowych dążymy do zredukowania Cx, aby zmniejszyć zużycie paliwa i zwiększyć komfort jazdy (hałas aerodynamiczny). W przypadku docisku aerodynamicznego, głównym aspektem jest sprawdzenie czy bryła pojazdu nie generuje zbyt dużych sił nośnych przy większych prędkościach. Chodzi nam o zapewnienie stabilności pojazdu oraz bezpieczeństwa jazdy.

- A w przypadku wyczynowych samochodów sportowych?

Podejście, jak również cele i założenia mocno zmieniają się przy projektowaniu pojazdu sportowego. W tym przypadku pojazdy dysponują niejednokrotnie ogromnym nadmiarem mocy. Aby tak duże moce (dochodzące nawet do 1 000 KM) można było przenieść całkowicie na nawierzchnie, potrzebujemy jak największego docisku, w przeciwnym razie ogromna moc pojazdu spowoduje, że koła będą kręciły się w miejscu i większość mocy zostanie po prostu rozproszona (zamieniona na ciepło generowane przy tzw. paleniu ‘gumy’). Niejedna osoba wystąpiłaby w tym momencie z ‘genialnym’ pomysłem dołożenia masy, łudząc się ze zwiększy to docisk. Fakt, dołożenie masy powoduje zwiększenie siła tarcia między kołami a nawierzchnią, jednak nie wpłynie kompletnie na wzrost przyspieszeń czy to liniowych czy bocznych, ponieważ ze wzrostem masy wzrośnie też bezwładność pojazdu. I tu właśnie niezastąpiona staję się “niewidzialna” i “nieważka” (nieposiadająca masy) siła docisku aerodynamicznego. Dokładając elementy aerodynamiczne takie jak dyfuzor, płat przedni, płat tylni zwiększamy masę bardzo nieznacznie - elementy wykonane z kompozytów epoksydowo-węglowych powszechnie nazywanych “karbonem” są bardzo lekkie i wytrzymałe. W zamian dostajemy duży docisk (wartość siły docisku zależy mocno od prędkości) i praktycznie w ogóle nie zwiększamy masy całkowitej pojazdu.

- Wróćmy na chwilę do oporu powietrza – przecież duży współczynnik Cx nie jest mile widziany w autach sportowych?
Przy projektowaniu aerodynamiki pojazdu sportowego, niejednokrotnie dążymy nie tylko do uzyskania jak największego docisku, ale także jak najmniejszego oporu (Cx). Im mniejszy współczynnik oporu osiągniemy tym większa będzie nasza prędkość maksymalna. Zatem, współczynnik siły docisku umożliwia nam osiąganie dużych przyspieszeń natomiast współczynnik siły oporu Cx osiąganie dużych prędkości. Możemy sobie teraz łatwo wyobrazić, że podczas projektowaniu aerodynamiki samochodu sportowego chcemy osiągnąć jak największy Cz i jak najmniejszy Cx. Dlatego też, jeśli nasz pojazd ma jeździć po bardzo krętym torze - czyli z mniejszymi prędkościami, powinniśmy dążyć do osiągnięcia jak największego docisku nie przejmując się mocno siła oporu, jeśli natomiast w wyścigach jest dużo długich odcinków prostych powinniśmy mocno zwracać uwagę na opór, ponieważ ograniczy on nam prędkość maksymalną. Nie da się zatem zaprojektować aerodynamiki, którą będzie uniwersalna i sprawdzała się idealnie w każdych warunkach (no chyba ze regulamin zawodów dopuszcza ruchome elementy aerodynamiczne, wtedy nie ma problemu), wszystko zależy od tego, w jakiego typu wyścigach nasz pojazd będzie brał udział.

Najlepszym przykładem ogromnego wpływu aerodynamiki na osiągi pojazdów sportowych jest Formuła 1. Gdybyśmy chcieli

wystartować jakimś pojazdem w zawodach Formuły 1, który nie byłby wyposażony w tak bogaty pakiet aerodynamiczny, jaki aktualnie każdy zespół posiada, to pojazd nie miałby żadnych szans w wyścigu, nawet jeśli posiadałby mocniejszy silnik, lepsze zawieszenie itp. Jeden z sezonów F1 potwierdził jak ogromne znaczenie może mieć nawet mała zmiana w aerodynamice. Zainteresowani wyścigami z pewnością pamiętają aferę związaną z podwójnym dyfuzorem teamu RedBull. Dzięki tak niewielkiej zmianie pojazd tego teamu był bezkonkurencyjny w każdym wyścigu, a przecież wprowadzili tylko małą zmianę w tylnej dolnej części swojego pojazdu. Co więcej, moc ich silnika była o około 20 KM mniejsza niż innych teamów. Ten przypadek doskonale opisuje, czym jest i jak może wpłynąć na osiągi pojazdu aerodynamika. Czasem nawet minimalne zmiany dają dużą różnicę.

- Jak zatem aerodynamika wpływa na osiągi pojazdu Formuły SAE? Wizualizacje pokazują, że wasz bolid ma spore „skrzydło”?
To jak wyglądała będzie aerodynamika takiego pojazdu mocno narzuca regulamin konkursu. Pojazdy nie mogą przekraczać prędkości około 130 km/h. To regulaminowe założenie, oraz charakterystyka toru (mało prostych dużo zakrętów), jest praktycznie fundamentem projektu aerodynamiki. Dzięki temu wiemy, że nasz pojazd będzie poruszał sie głównie z małymi prędkościami, wielokrotnie hamując przed i przyspieszając po wyjściu z zakrętu. Zatem celem teamu projektującego pojazd FSAE powinno być stworzenie możliwie najbardziej „dynamicznego” pojazdu.

Chyba każdej osobie, która czyta ten wywiad uważnie, w tym momencie czytania tekstu duże przyspieszenia powinny kojarzyć się z dużym dociskiem aerodynamicznym (dużym współczynnikiem ‘Cz’). Tak więc ze względu na nieduże prędkości oraz chęć osiągnięcia możliwie jak najbardziej dynamicznego pojazdu (duże przyspieszenia liniowe - hamowanie, przyspieszanie oraz przyspieszenia boczne w zakrętach) założenia projektu zamykają się w kilku głównych wątkach. Po pierwsze priorytetem jest osiągnięcie możliwie jak największej siły docisku tak, aby już przy małych prędkościach można było przenieść jak największy moment obrotowy z wału silnika poprzez układ przeniesienia napędu na nawierzchnie. Chodzi nam również o osiągnięcie jak najmniejszej siła oporu oraz związany z nią współczynnika Cx nie jest w tym wypadku tak ważne ze względu na regulaminowo ograniczoną prędkość maksymalną. Zatem znacznie mniej uwagi poświęcane jest w tym projekcie minimalizacji Cx’a.

- Jak badaliście aerodynamikę waszego bolidu? Mieliście dostęp do stosownego oprogramowania czy też tunelu aerodynamicznego?
Badanie aerodynamiki zostało rozpoczęte od wykonania koncepcji skrzydeł 2D, w do tego przystosowanym oprogramowaniu CAD dostępnym na naszej uczelni. Kolejnym krokiem było przeprowadzenie symulacji numerycznych w komercyjnym

oprogramowaniu CFD, na szczęście również dostępnym na uczelni. Następnie  zaprojektowano elementy aerodynamiki w 3D (uwzględnienie rozpiętości skrzydeł, kształtu płyt krańcowych, kształt i wielkość dyfuzora), z tym, że przednie skrzydło była badane razem z nadwoziem, robienie tego osobno mijało się z celem, ponieważ tak duży wpływ na działanie przedniego skrzydła ma nadwozie. Ostatnim etapem było przeprowadzenie symulacji dla całego pakietu aerodynamicznego, był to najtrudniejszy etap ze względu na złożoność geometrii pojazdu i konieczność jak najdokładniejszego oddania kształtów pakietu aerodynamicznego.

Niestety nie dysponujemy odpowiednimi środkami finansowymi, aby pozwolić sobie na badanie aerodynamiki w tunelu, wielka szkoda, bo umożliwiłoby to nam zweryfikowanie danych teoretycznych (symulacje CFD) z danymi eksperymentalnymi. Trzeba wiedzieć, że aby z doświadczenia zdobyć jak najwięcej informacji o przepływie (np. rozkład ciśnień na interesujących nas płaszczyznach) trzeba zaadaptować np. tylne skrzydło do takich badań, przykładowo poprzez dodanie odpowiedniej instalacji do pomiaru rozkładu ciśnień na płacie, która oczywiście znacząco ingeruje w konstrukcje płata, co znaczy tylko tyle, że takie skrzydło należy wykonać jeszcze raz. Mamy nadzieję, że w przyszłych sezonach takie badania zostaną przeprowadzone.

- Jak do tematu aerodynamiki podchodzą inne teamy Formuły SAE?
W większość przypadków pojazdy te nie posiadają zaawansowanego pakietu aerodynamicznego. Jest to w pewnym sensie oraz w wielu przypadkach mocno uzasadnione. Aby użycie pakietu aerodynamicznego miało sens, nasz pojazd powinien dysponować dużym nadmiarem mocy. Moc i parametry większości silników używanych przez teamy Formuły SAE znacząco spada po założeniu zwężki (z 100 KM nawet do 50-60 KM). Wg obliczeń przeprowadzonych przez team AERO drużyny WUT Racing taka moc (50-60KM) jest granicą, dla której stosowanie zaawansowanego pakietu aerodynamicznego (skrzydeł dyfuzora itp.) ma

sens. Przy takich mocach pojazd „bez skrzydeł” będzie lepiej przyspieszał na prostej, szczególnie w zakresie prędkości powyżej 60 km/h. Pojazd z pakietem aerodynamicznym będzie natomiast lepiej zachowywał się w zakrętach oraz będzie miał krótszą drogę hamowania. Zatem wśród korzyści i wad wynikających ze stosowania dosyć kosztownych oraz skomplikowanych technologicznie elementów aerodynamicznych dla pojazdów o mocach do 60 KM mamy remis.

W sytuacji, gdy określony team jest w stanie osiągnąć moc większą niż 60 KM z regulaminowego silnika np. przez stosowanie doładowania - tak też jest w teamie WUT Racing - aerodynamika zaczyna mieć większe znaczenie, oraz może dać dużą przewagę nad konkurencją. W takich wypadkach, do prędkości około 130 km/h siła oporu nie gra dużej roli, a liczy się przede wszystkim docisk. Dzięki temu nasz pojazd będzie charakteryzował się m.in. lepszym przyspieszeniem, dużo krótszą droga hamownia, znacznie większymi przyspieszeniami bocznymi w zakrętach, a także lepszym i pewniejszym prowadzeniem.

- Podsumowując, aerodynamika, podobnie jak w F1, również w FSAE ma ogromne znaczenie i może przeważyć szalę zwycięstwa.
O ile nasz pojazd zostanie świetnie dopracowany mechanicznie myślę, że to właśnie aerodynamika jest dobrym kierunkiem dalszego rozwijania i ulepszania pojazdu (szukania cennych sekund na okrążeniach) - dlatego tak intensywnie pracujemy właśnie nad tym tematem.