Aerodinamica ruote

Oggi vorrei introdurre un argomento importante: le ruote anzi, la loro aerodinamica.

Non e' un argomento semplice anzi, e' talmente complesso che  non esistono formule semplici. Quando si voglia metter mano a questo argomento, e' necessario indagare con migliaia di test in galleria del vento e simulazioni al CFD (Computational Fluid Dynamics) ossia, simulazione grafica al computer.

La prima, e' la tecnica piu' rapida (ma non meno costosa) per quantificare gli effetti aerodinamici delle ruote, la seconda, permette di vedere effettivamente il flusso dell'aria (pur simulato) ossia il suo moto, nonche' le pressioni in gioco.

Queste componenti meccaniche, sono state studiate in tutte le possibili soluzioni: ruote rotanti e non, ruote isolate (ossia con carenatura completa o parziale come nel caso delle auto  dotate di parafanghi) e scoperte come ad esempio nella Formula 1.

Qui' ci occupiamo dell'unica soluzione che a me interessa, ossia ruote isolate e rotanti caso tipico delle auto stradali.

Vorrei porre l'attenzione su un grafico che ho postato qualche articolo addietro e che descrive in termini quantitativi la ripartizione dei carichi aerodinamici di un veicolo.

Appare subito evidente che ben il 20% (nel caso in esempio vale solo il 20%, ma spesso si tratta di ben il 30%) dell' attrito aerodinamico deriva dalle ruote e dai loro alloggiamenti: una cifra importante che incide pesantemente sulle prestazioni globali del veicolo nella marcia extraurbana.

La ruota seppur protetta dal paraurti come nel caso all'anteriore e dal resto della vettura nel caso di quella posteriore, e' parzialmente esposta al flusso dell'aria nella sua sezione frontale.

L'aria contenuta nell'alloggiamento ruota, subisce il moto rotatorio della stessa che ne imprime un movimento vorticoso.

Il cerchione quindi si comporta come un'enorme ventola producendo una massiccia turbolenza con enorme dispendio energetico e sporcando il flusso dell'aria sulle fiancate del veicolo.

Le conseguenze di questa turbolenza e' ben evidenziata quando si percorre una strada bagnata: la fiancata si sporchera' per tutta la sua lunghezza per un altezza comparabile con l'ampiezza verticale del vano ruota.

E' facilmente comprensibile che mettere in movimento tutta quest'aria ha un costo aerodinamico ed operarsi per evitarlo o comunque ridurlo, consente di destinare altrove la potenza altrimenti dissipata.

Chi si ricorda le ruote lenticolari per le bici da record? Il loro particolare profilo doppio convesso consente di guidare il flusso d'aria disturbandolo al minimo.

Le stesse auto elettriche da record come quelle della Shell Eco Marathon (queste ultime capaci di quasi 5000Km/l, come la Polyjoule detentrice del record 2010 con 4896.1 km/l) sono dotate di ruote di sezione minima, lenticolari e per di piu' incapsulate.

Si tratta di veicoli che necessitano di circa 1,5 cavalli per viaggiare a 100Km/h....

Torneremo sull'argomento sicuro di aver stimolato l'interesse.

Che culo.

Erano anni che la cercavo, e finalmente l'ho trovata. E' la prova della Tigra 1.4 (quella che posseggo): provata dalla rivista Auto nel giugno del 1995 che avevo smarrito fra una caterva di altra roba.
Ricordo ancora quando l'avevo acquistata: ero rimasto colpito dalla prova di una Fiat Punto 75 elaborata dalla Auto Diamant che con poche modifiche e comunque limitatamente alla Eprom, un filtro aria sportivo ed un nuovo terminale, erano riusciti ad abbassare il tempo di accelerazione 0-100Km/h di ben un secondo.
Quel che mi aveva sorpreso piu' di ogni altra cosa pero', era la velocita' massima rimasta immutata.
Per un sacco di tempo mi son chiesto senza trovar risposta come fosse possibile che l'auto fosse cambiata tanto in accelazione e ripresa, ma fosse rimasta letteralmente piantata in velocita' massima.
Oggi, forse ho trovato la risposta.
Credo tutto dipenda dai nuovi cerchioni in lega da 6 pollici di canale in sostituzione di quelli in lamiera dotati di pattane trallaltro piuttosto chiuse a livello di fori di areazione.
Ricordo pure un'altra cosa: di non ricordare affatto che poche pagine avanti ci fosse la prova di quella che sarebbe diventata la mia auto.
All'epoca avevo una Punto GT alla quale avevo modificato un po' di cosette qua' e la: un Garrett T25 con compressore modificato, una testa con valvole di aspirazione maggiorate, iniezione d'acqua ed altre diavolerie. Aveva qualcosa come 200CV e ricordo molto bene come trovassi insulsa la Tigra: un cupe' sportivo senza motore, ma odiosamente veloce. Non che potesse infastidire la mia accreditata di circa 230 Km/h, ma il fatto che la GT originale faceva a malapena i 200 quando la tigra ne faceva poco piu' di 10 in meno con 40 cavalli di meno... beh, puo' dar fastidio :)
Non avrei mai immaginato che un giorno ne avrei posseduta una, come non avrei mai immaginato di trovare la sua prova.
Ma passiamo al test di Auto che poi e' lo scopo di questo post.
L'articolo l'ho letto tutto s'intende, ma gli argomenti che mi premeva approfondire erano i consumi e la velocita' massima.

Ecco uno spaccato della prova:

Velocita' max: 193,4Km/h
consumo urbano: 11,6Km/l
economy: 24,298Km/l
conumo @90Km/h : 19,997Km/l
consumo @120Km/h: 14,933Km/l
consumo @130Km/h: 13,804Km/l
Peso in ordine di marcia con serbatoio pieno : 1040Kg

condizioni del test: l'auto montava gomme sconosciute nella misura di 185/55 R15 ma su cerchi in lamiera e pattane copriruota piuttosto chiuse a livello di areazione.

Quelli sopra sono numero molto interessanti: consumi decisamente bassi, anche se a 130Km/h ero convinto facesse almeno i 14Km/l.
Poco male, questi dati mi faranno triangolare meglio.
I 14,5Km/l che ho trovato io (sulla mia auto in versione standard) evidentemente derivano dall'impossibilita' di mantenere una media perfettamente costante e gli inevitabili rallentamenti autostradali  che ho incontrato, devono aver causato i minori consumi; 0,7Km/l di differenza.

AeroProject parte3 (come dovrebbe essere)

Ad oggi il lavoro che ho  presentato nel precedente articolo e' quasi tutto assente, ma e' mia intenzione ripristinarlo dandogli un aspetto piu' "definitivo".

In particolare i grattacapi verranno dalla paratia scorrevole davanti al radiatore: originariamente realizzata usando un foglio di plastica sagomato sulla bocca del paraurti e tre guide scorrevoli, nel tempo si e' dimostrata rognosa per via dello sporco che si accumulava sulle guide rendendole "dure".

Le opzioni sono tre:

• trovare un meccanismo per far scorrere la paratia che sia insensibile allo sporco
• eliminare la paratia frontale in favore di una paratia sul fondo carenato
• nessuna paratia e guidare il flusso del radiatore direttamente nei vani passaruota facendolo sfogare li.

Mi piace la prima soluzione che e' sicuramente pratica, permette una migliore pulizia della carenatura dell'auto e potrei gestirla attraverso un attuatore in modo automatico.

Oltre al problema delle guide meccaniche c'e' pure da studiare come  far defluire al meglio l'aria calda.

Potrei farla scaricare nella luce derivante dalla diversa altezza del cover motore e del fondo carenato a valle, magari incanalarne una parte e farla scorrere fra il pavimento del telaio ed il fondo carenato per farla scaricare nel posteriore dell'auto. 

La seconda soluzione impone necessariamente un controllo remoto, non posso regolarla manualmente, inoltre, mi sporcherebbe l'aerodinamica piu' della prima soluzione.

La terza e' la piu' semplice, ma se faccio scaricare l'aria attraverso i passaruota anteriori, sicuramente non avro' un deflusso sufficiente per tutte le condizioni di esercizio, nemmeno se riuscissi a canalizzarne una parte fra il fondo del telaio e la carenatura inferiore.

Pure lo scivolo posteriore non sara' facile: il precedente era in due pezzi di materiali differenti. Quel che desidero e' un monoblocco esteticamente gradevole con integrate delle pinne per stabilizzare il flusso.

La soluzione e' chiaramente un elemento in fibra di vetro anche se non disdegno la plastica che pero' non e' facile da trovare nelle dimensioni opportune.

Per far si che lo scivolo si efficiente aerodinamicamente, dovrei fornirgli un'inclinazione verso l'alto nella parte terminale.

Quanto questa debba essere inclinata e' un mistero: nella mole di documentazione che posseggo, questo e' l'argomento meno trattato (nell'ambito della riduzione del Cx).

Ci sono esempi di vetture come la Opel G90 che presenta uno scivolo di 6°, ma da studi di vari aerodinamicisti questo puo' essere compreso fra i 2° ed i 9°.

Sono svariati i fattori che influenzano la giusta pendenza: il punto di stagniazione anteriore, e sicuramente la pulizia delle superfici dell'intero veicolo.

Per non farmi venire mal di testa eccessivi mi accontentero' di 5°. Non che sia facile: a complicar le cose c'e' la marmitta ed il cestello della ruota di scorta......vedremo cosa mi inventero'.

Altro problema da affrontare e' la linea di scarico del motore: e' un po' troppo voluminosa ed e' esposta al flusso.

La cosa ideale e' carenarla, ma devo stare in campana con le temperature del catalizzatore, inoltre mi scalderebbe troppo l'abitacolo durante il periodo caldo ed andrebbe coibentata.

Poi c'e' il portellone  del bagagliaio con le fiancate alte.

La pendenza fra tetto e profilo del portellone e' corretta: 14,7°, ma poiche' il cristallo posteriore ha una pendenza crescente ed il portellone va nell'altra direzione, mi ritrovo con un "vuoto" da colmare perche' sorgente di una bella bolla di separazione ed un punto di distacco del flusso incostante pessimo)

Le fiancate posteriori sono alte ed inclinate verso l'alto (maledetta moda che vuole il sedere delle auto massiccio): salgono con una rampa di circa 6°.

Abbiamo quindi il flusso che viene dal tetto che scende a 15° circa ed il flusso delle fiancate che sale di 4°

questo provoca due bei flussi con direzioni diverse ma soprattutto incompatibili che generano due bei vortici controrotanti assolutamente dannosi.

Vortex generator, turnig vanes....boh? non so cosa faro'.

Li ci sarebbe da tagliar le fiancate e rifarle di sana pianta, abbassare i fanali posteriori e chissa' che altro, in una parola: impossibile!

Al limite, potrei cercare di correggere aggiungendo un po' di materiale per guidare meglio il flusso: sulle fiancate non e' facile, e nella zona del lunotto posteriore devo preoccuparmi di mantenere la visibilita' attraverso lo specchietto retrovisore.

Potrei applicarvi delle louvres, lavoro lungo ma efficace.

Comunque, qualsiasi cosa faccia li dietro deve permettermi l'apertura del bagagliaio e la rimozione rapida di quanto applicato. 

Sto pure cercando il modo di carenare i cerchioni posteriori per ridurre l'effetto ventola, se fossero in lamiera sarebbe facile: basterebbe comprare dei copricerchi, ma su quelli in lega? Quelli della Tigra poi, sono bombati verso l'esterno, se avessero un profilo piatto sarebbe semplice applicarvi qualcosa sopra.

Altra cosa che mi piacerebbe fare, ma devo proprio togliermela dalla testa (perche' non so come reagirebbe la Polizia) sono le carenature dei vani ruota posteriori.

Ho fatto un bozzetto in cartone, l'aspetto non mi dispiace affatto, ma dovrebbero essere invisibili e di facile rimozione per accedere alla ruota in caso di foratura.

Le minigonne laterali?

Sono fondamentali sul profilo aerodinamico, stabilizzano il flusso sulle fiancate e riducono il trafilaggio d'aria fra fiancata e fondo dell'auto. 

Ideali sarebbero quelle di tipo pneumatico: a bassa velocita' si retraggono per estendersi a velocita' piu' sostenute, vabbeh, sto sognando, meglio che vada a dormire.

Staremo a vedere: una montagna di lavoro per poche ore di lavoro...occorrera' ottimizzare il lavoro e devo decidere esattamente le soluzioni che intendo attuare.

AeroProject parte 2 (com'era)

  E' un po' che non scrivo, ma non sono stati giorni infruttuosi. Infatti, sto pianificando una serie di interventi sulla vettura che dovrei realizzare a fine mese.
Vista la mole di lavoro, non sono certo che tutti vedranno la luce, quello che mi preme pero' e' portarmi avanti visto che sono fermo da davvero troppo tempo.
Da quando posseggo quest'auto, ho realizzato seppure in forma piuttosto grezza varie modifiche a livello aerodinamico, meccanico che elettronico.
Da quanto ho potuto appurare durante lunghi trasferimenti autostradali e comunque con metodologia decisamente empirica anche se piu' volte confermato che il consumo e' passato da una media di 14,4Km/l a ben 16,5Km/l ad una velocita' quanto piu' costante di 134Km/h.
Mi rendo conto che questo dato potrebbe esser privo di qualsiasi valore vista la grande variabilita' di fattori che influenzano la misura, rimane pero' un fattore di grande incoraggiamento che merita di essere meglio indagato.

Nel dettaglio, la lista delle modifiche si compone come segue:

Aerodinamica

• semicarenatura vano sotto motore 
• paratia parzializzatrice flusso radiatore
• deviatori di flusso davanti alle ruote anteriori e posteriori
• carenatura zona serbatoio carburante
• carenatura traversa ponte sospensivo posteriore
• carenatura retrotreno (quasi estrattore aria) 
• sostituzione spazzole tegicristallo con le Bosch Aerotwin

Motore

• sostituzione olio 10W40 (standard per questo motore) con Agip 7008 di gradazione 5W30
• sostituzione candele di formato standard (elettrodo 2,5mm e gap di 0,9mm) con NGK iridio (eletrodo 0,8mm e gap di 1,4mm)
• Aggiunta di un condizionatore segnale Lambda per far lavorare il motore in carburazione magra tarato a circa 1,2Lambda

Test ed impressioni d'uso

I test, li ho eseguiti in occasione di trasferte di circa 1300Km effettuate d'inverno e d'estate con temperature oscillanti fra 32° e -5°C e velocita' quanto piu' costante ai 134Km/h misurati con il GPS
Ovviamente al variare delle temperature ambiente, ho dovuto riposizionare la paratia radiatore per far si che il motore mantenesse un regime termico di circa 94°C.
Questo significa che con le piu' basse temperature la paratia sigilla quasi completamente il flusso mantenendo un apertura di circa 1cm X 50cm circa; con il caldo invece, e' stato necessario aprirla a circa il 50% della bocca originale.
A quanto pare indipendentemente dalla temperatura i consumi restano costanti.
Devo dire, a chiarimento di questa cosa, che se da una parte con il freddo la densita' dell'aria cresce in modo importante e con essa pure la resistenza aerodinamica, dall'altra, e' possibile parzializzare maggiormente il radiatore con un discreto abbattimento del Cx; con il caldo la cosa si ribalta, rendendo di fatto il gioco autocompensante.

A dir la verita', il passaggio all'olio 5W30 di densita' decisamente piu' bassa dell'originale e' quello che mi ha preoccupato maggiormente. Temevo che con la stagione calda potessero sorgere dei problemi al motore.
Il motore non ha manifestato problemi . le punterie idrauliche hanno continuato ad essere silenziose e con sorpresa  il consumo d'olio e' rimasto nella norma.
L'erogazione invece e' diventata piu' corposa a tutti i regimi.
Il condizionatore lambda come mi aspettavo, ha peggiorato la guidabilita' con la taratura impostata.
Per erogare la medesima potenza e' infatti necessario dare piu' acceleratore, il motore diventa pigro e se si esagera con il taglio di carburante  compaiono mancate accensioni.
Questo e' uno degli elementi piu' critici di tutto il progetto e merita un un articolo dedicato solo a lui.
Ho optato per delle candele ad elettrodo sottile della NGK per accendere la miscela, infatti, dopo l'inserimento del condizionatore Lambda, la carburazione magra presenta maggiori difficolta' di accensione, la propagazione della fiamma rallenta ed e' facile incappare in mancate accensioni, e peggiori consumi.
Le candele all'iridio che ho usato aiutano in questa difficile situazione poiche' grazie alla distribuzione della carica l'accensione viene facilitata. Anche la distanza degli elettrodi influenza l'accensione: un gap di 1,4 rispetto a 0,9mm standard, espone la scintilla ad una maggiore quantita' di miscela permettendo una migliore combustione.
La NGK per questo tipo di candela, indica nel 2,5% il miglioramento dei consumi, oltre migliore accelerazione e potenza.

Su strada l'auto si e' dimostrata particolarmente silenziosa, evidentemente le turbolenze aerodinamiche sono diminuite e la progressione nel prendere la velocita' di crociera ( con il condizionatore lambda disinserito) risulta percepibilmente migliorata.
La stabilita' per quel che ho percepito e' migliorata, come pure quella al vento laterale.

Un volta effettuati i lavori in programma, vedremo cosa ne verra' fuori....