Como toda a aerodinâmica na emissão de CO2 já é compreendida (leia mais), é importante avaliar corretamente as características da superfície de um carro de passeio e como elas afetam o fluxo de ar sobre a carroceria do veículo. Além disso, os carros de passeio têm a difícil tarefa de projetar para atender aos requisitos estéticos e aerodinâmicos. Este artigo propõe uma visão geral sobre o projeto de carrocerias de carros de passeio.

Famílias aerodinâmicas

Para discutir as famílias de carros, a Figura 1 ilustra todas elas reunidas em um gráfico que correlaciona sustentação (CL∙S) e arrasto (CD∙S). Como pode ser visto, a Figura 1 é preenchida a partir do nível em que existem carros que sempre geram levantamento e os capazes de gerar downforce. Na verdade, os carros rodoviários estão nos níveis mais baixos de CD∙S, em geral, os veículos rodoviários geram sustentação. Alguns carros são capazes de produzir algum downforce, mas são apenas versões limitadas ou esportivas de carros urbanos. Os carros de passeio de alto desempenho estão na mesma faixa de valor que os carros de passeio em termos de CD∙S, mas produzem uma força descendente considerável em relação aos carros de passeio. Os carros de corrida são o envelope do mapa preenchido por rodas abertas (OW), protótipos e carros de corrida GT. No entanto, a bolha dos protótipos está diminuindo, porque o equilíbrio de desempenho (BoP) é definido por regulamentos. A eficiência aerodinâmica Eff deve ser 4, o que resulta em 4 pontos de CL∙S para 1 ponto de CD∙S. Isso restringe muito o comportamento aerodinâmico dos protótipos. De forma bem geral, sem considerar os controles aerodinâmicos ativos, a família de carros de corrida é aproximadamente aquela vista na Figura 1.

Para carros normais as forças aerodinâmicas são normalmente divididas em duas componentes, a vertical e a horizontal, que é downforce (CL∙S negativo) e arrasto CD∙S, respectivamente. Como pode ser visto, a maior parte do arrasto de um carro de estrada normal vem da carroceria (Figura 2). A origem principal para o arrasto da carroceria é a pressão delta ΔP entre a extremidade dianteira e traseira do carro. A frente do carro está sempre em condição de sobrepressão, enquanto a traseira do carro está em situação de baixa pressão, por causa do estol e da geração da esteira sobre a área de circulação onde a pressão é menor. A segunda razão é o efeito de superfície, mas em magnitude muito menor do que ΔP entre as extremidades dianteira e traseira do carro. A forma do carro e ΔP são as principais razões por trás dos carros de estrada CD∙S. Mesmo em magnitude menor, existem os efeitos das rodas e do resfriamento, este é ΔP dos núcleos do radiador. A parte inferior da carroceria, por diversos motivos pode gerar CL∙S ou CD∙S, mas é importante que sua embalagem tenha uma preocupação com o campo de escoamento para evitar um campo extremamente turbulento sob o carro. Para a força vertical a situação é sempre a ilustrada na Figura 2. A parte inferior da carroceria e o teto sempre geram downforce e lift, respectivamente. A razão vem da equação da continuidade, logo a força descendente da parte inferior da carroceria se deve à diminuição da seção em consequência do aumento da velocidade, conseqüentemente a diminuição da pressão. Assim, é possível entender o quanto seria importante uma melhor qualidade da engenharia do pacote do assoalho. A questão é que essa região não costuma ser visível, então a qualidade em termos de acabamento do carro costuma ser alta na parte de cima da carroceria e baixíssima na parte de baixo. A razão é que, para as montadoras, isso não custa nada, mas, na realidade, faz um fluxo mais limpo embaixo do carro.

Requisitos aerodinâmicos de carros de rua

Assim, em geral, o perímetro aerodinâmico do carro de estrada é dividido em três itens importantes:

• Redução do arrasto aerodinâmico;
• Reduzindo as contribuições positivas para levantar;
• Dimensionamento e integração do sistema de refrigeração.

A redução do arrasto está ligada principalmente ao consumo de combustível e às emissões de CO2. Para alguns carros, a contribuição é ter situação de no-lift e dimensionamento e otimização do resfriamento. Além disso, para carros de alto desempenho, há também o entendimento do controle do comportamento do carro. Assim, provavelmente o principal parâmetro para carros de corrida e de alto desempenho é o comportamento do carro, do ponto de vista aerodinâmico. Para um carro de rua, o principal problema em termos de desempenho é a redução do arrasto. Quando o nível de desempenho aumenta, há pelo menos dois parâmetros que devem ser considerados. Uma é a força vertical, pois esta está sempre para cima e aumentando com a velocidade, o que intensifica a sensação de insegurança já que o volante está ficando mais leve. Isso ocorre, pois ao aumentar a velocidade, o aumento da sustentação é consequência. Por outro lado, o comportamento aerodinâmico é caracterizado pelo envelope do mapa, que é como o veículo oscila nas frenagens, acelerações e curvas. Em carros de alta performance, se o equilíbrio é perdido dentro de uma curva, já que este é um parâmetro puramente aerodinâmico que geralmente vem do assoalho do carro, torna a situação crítica.

Equilíbrio aerodinâmico de carros de rua

O equilíbrio aerodinâmico independe do piloto, se não estiver correto em curvas ou retas, a entrada em curva não seria boa já que o downforce traseiro está diminuindo muito durante a frenagem, assim a sensação de frenagem descreve um carro realmente inseguro. Isso ocorre porque, na frenagem, a transferência de carga vai para a frente e se, por algum motivo, o downforce traseiro já estiver baixo ou perdido, a traseira fica criticamente leve, o que aumenta a sensação de prontidão para perder o controle. Assim, o CD∙S é 95% do requisito aerodinâmico do carro de estrada em uma visão mais geral do problema, são considerados todos os parâmetros que se referem à segurança na direção, portanto, o manuseio do carro, que é o gerenciamento das forças verticais . Esta é a sustentação e a distribuição das forças verticais entre os dois eixos, porque se o equilíbrio aerodinâmico mudar muito entre reta e curva, isso representa um carro que se recusa a ser estável. Por exemplo, um carro com 35% de balanceamento frontal Fbal esperado em uma viagem em linha reta e, por algum motivo, essa condição vem do assoalho. Se esta condição variar para 15% dentro de uma curva, este carro atingirá seus limites com muita facilidade. Será um carro muito fraco em termos de dirigibilidade, já que a variação do Fbal é aceita nas retas, mas não nas curvas. Neste caso, Fbal deve ser o valor correto da distribuição aerodinâmica. Resumindo, quando o nível de desempenho aumenta, o gerenciamento das forças verticais sobre os eixos e o conhecimento completo do mapa aerodinâmico são extremamente importantes.

Análise de carroceria dos carros de rua

Do ponto de vista aerodinâmico existem algumas razões para se ter ou não um bom aero.

Front-end

A dianteira é o ponto principal, se ela não for bem desenhada, o design do carro fica totalmente perdido. A Figura 3 ilustra exemplos de bons designs front-end em termos de aerodinâmica. Há um tratamento de superfície evidente nos cantos. Na frente do veículo sempre haverá sobrepressão, isso é inevitável. Quanto menor for a seção em sobrepressão, menor será o arrasto gerado. No que diz respeito às curvas, estas são essenciais, pois melhoram a gestão do fluxo nas laterais do carro. O campo de fluxo esperado é o gerenciamento correto em torno do contorno da roda dianteira. A razão é que a separação do campo de fluxo e a parada ocorrem na frente da roda. Isso pode ser gerenciado para tornar a separação menos estressante para o campo de fluxo em torno de um carro com o tratamento de superfície adequado nas curvas. Com o passar dos anos, esses cantos tornaram-se cada vez mais quadrados. O motivo está relacionado à separação que ocorre na frente das aberturas das rodas e isso está ligado à tangência de saída da curva.

Se o ângulo for mais obtuso, que é o desenho feito para o estilo, gera-se uma grande separação na lateral do carro (Figura 4), onde essas esteiras estão basicamente perdendo o fluxo de energia nas laterais e na traseira. Portanto, não significa nada se um carro tiver um bom design na frente, nas laterais e na traseira. Se os contornos frontais não forem projetados corretamente, a aerodinâmica do carro fica comprometida. Esta é a razão pela qual nos últimos anos o efeito de quadratura é aumentado, para diminuir o ângulo de tangência (Figura 4) entre a linha horizontal e a saída de canto (Figura 4). Como pode ser visto na Figura 4, diminuir o ângulo resulta em uma esteira mais baixa. Isso ajuda a gerenciar a separação na abertura da roda. Assim, o objetivo do departamento aerodinâmico é manter tudo reto no contorno da roda. Por outro lado, o departamento de estilo objetivo é ter uma superfície curva na frente do contorno da roda e definir a estética do carro. A Figura 4 ilustra uma seção transversal feita no eixo Z, a separação é inevitável, mas controlável. Se o ângulo tende a ser obtuso, a espessura da esteira aumentará. Se um carro tem a traseira muito bem desenhada, mas com a frente curva, a aerodinâmica desse carro fica comprometida. Portanto, é aconselhável manter o ângulo de tangência entre as linhas horizontais mais agudo para diminuir a espessura da esteira.

Cobertura da roda

No passado, o design original de qualquer carro esportivo era uma superfície curva na frente das rodas. Este design ainda é usado em alguns carros hoje, a fim de criar uma aparência robusta. As rodas, do ponto de vista do estilo, motivam uma percepção de 30% do carro. Assim, se o contorno da roda for grande, a percepção do estilo do carro é boa. Na verdade, o departamento de estilo sempre procura um carro que esteja bem posicionado sobre as quatro rodas e os tratamentos de superfície para o estilo da área do contorno da roda são normalmente muito curvos para dar mais ênfase à roda. Obviamente, este não é o objetivo do departamento aeronáutico, porque neste caso é melhor ter um contorno quadrado. Além disso, os estilistas de automóveis solicitam normalmente uma parte inferior grande e mais larga. Esses dois fazem o carro parecer mais robusto. Basicamente, o compromisso naqueles anos é uma espécie de abertura na parte inferior do para-choque. Este é um trade-off entre estilo e função. A vista frontal é característica do estilo desse tipo de abertura, é uma espécie de face ampla e agressiva.

Para o departamento aeronáutico, este é um bom motivo para tornar esta superfície plana. Este tratamento de superfície melhora a qualidade do campo de escoamento, já que vai para os arcos das rodas. Entendendo que existe uma sobrepressão na face frontal, que é o principal motivo do arrasto de pressão, esta seção é menos crítica para carros movidos a motor elétrico. Embora a área desta secção seja semelhante à dos automóveis com motor de combustão interna, em EM esta secção pode ser inferior, porque a grelha é mais pequena, logo também a área de compressão é menor. No caso da cobertura da roda, se uma parte mais larga da roda estiver exposta, o arrasto total aumentará, pois a roda está em compressão. Outro ponto importante são as linhas curvas nos corpos laterais. Finalmente, o front-end aero é impulsionado pela área de compressão, o tratamento de canto e a cobertura da roda. O carro deve ficar largo na frente, mais robusto.

Cortina de ar

Do ponto de vista da engenharia, o ideal é ter tudo plano. Nas laterais, por questões aerodinâmicas, não pode ser quadrado. Portanto, o tratamento dessas áreas é mais importante. Uma boa redução de turbulência foi encontrada nas laterais das cortinas de ar (Figura 6). Trata-se de uma ranhura, uma abertura, que conecta a parte de entrada com a parte lateral da roda para fluir nas laterais do carro. Quando bem projetado, há um ganho em torno de 0,5 CD∙S. O problema é quando isso não ocorre. Uma cortina de ar mal projetada pode resultar em nenhuma melhoria, mas também em nenhum aumento de arrasto. No entanto, uma cortina de ar mal projetada pode aumentar o arrasto. Portanto, esta é uma característica mais comum em carros de estrada para melhorar a aerodinâmica, mas também é fácil reconhecer se estes são funcionais ou não. O projeto que gera arrasto geralmente direciona o fluxo de ar diretamente para a roda, o que aumenta o arrasto da roda. Este dispositivo é um bom compromisso entre estilo e função se o sopro estiver correto.

Respiros

O respiro (Figura 7) é uma abertura comumente utilizada em carros de alto desempenho. A carcaça da roda é basicamente uma área que encapsula um cilindro rotativo. Assim, dentro dele há um fluxo turbulento, porque os cilindros em rotação geram turbulência. O problema é que isso cria um efeito de bloqueio para o fluxo que está se movendo através do fluxo, ou pelo menos na parte frontal dele. Assim, a força descendente dianteira é reduzida e a sustentação é aumentada nessa parte do carro. Este respiro está suportando uma funcionalidade mais correta do front-end. Às vezes há um efeito positivo no arrasto, mas o que realmente se espera é uma melhor qualidade do fluxo e a redução da sustentação na parte dianteira do carro. A influência do respirador de ar está na extração de parte do fluxo turbulento dentro da carcaça da roda, o que ajuda a reduzir a perturbação da qualidade do fluxo na frente embaixo. Como resultado, o efeito de elevação frontal é reduzido. No caso do carro que gera downforce na frente, esse efeito é melhorado.

Laterais da carroceria

O design lateral do carro é ilustrado na Figura 8, existem bons e maus exemplos. A solicitação é não ter tipos de linha como os vistos na Figura 8, pois são criadas zonas de compressão-expansão-compressão, portanto há um custo em arrasto.

O bom design é uma superfície plana completa (Figura 9), mas é algo que o departamento de estilo não aprova.

Normalmente, os “músculos” são muito pronunciados nos designs dos carros (Figura 10). Nos carros esportivos esse volume é muito acentuado, pois isso é um problema do ponto de vista aerodinâmico.

Para a carroceria superior (Figura 11) é importante que a seção transversal tenha esse tipo de afunilamento, pois ajuda a fechar melhor o volume de forma a diminuir o volume de esteira gerado pelo carro. Portanto, esse afunilamento ajuda a reduzir a esteira, diminuindo assim o arrasto.

Extremidade traseira

A extremidade traseira é a primeira consideração referente a onde será a separação do fluxo. A separação na parte traseira do carro não pode ser evitada, mas deve ser reduzida da melhor maneira possível por tratamentos de superfície na extremidade traseira. O carro mais crítico é o monovolume (Figura 12) e os carros de dois volumes.

Existe uma separação 2D, pois ocorre em dois planos, que são os ilustrados na Figura 13. No plano Z0, a ferramenta do projeto aerodinâmico é, antes de tudo, a linha do teto. Isso é referido pelo tratamento superficial do ângulo de tangência de saída, o que significa ter essa linha descendente para a seção Z0 para reduzir o volume da separação. O mesmo é feito na seção transversal Y0 (Figura 13). Casos como este são a razão pela qual a traseira dos carros tornou-se cada vez mais quadrada em seus designs. Isso ajuda a gerenciar a separação na extremidade traseira.

Além disso, normalmente são utilizados tratamentos locais de superfície, que são acessórios (Figura 14) para melhor direcionar o fluxo de ar em diferentes ângulos de tangência de saída para a área de separação. Há também a borda quadrada, em vez do acessório de plástico, mesmo o efeito sendo apenas local, ajuda a gerenciar a separação do fluxo. Assim, o objetivo do canto agudo é manter o fluxo preso o máximo possível até a linha onde a carroceria e o fluxo irão se separar. Se essas seções forem arredondadas, como no Audi TT, no Volkswagen New Beetle ou no Alfa-Romeo Brera, haverá claramente uma área de recirculação que melhora o volume da esteira. Assim, para manter o fluxo o mais próximo possível, o fluxo deve ser conduzido até o ponto em que a carroceria termina, então ocorrerá o estol e a separação. Se o projeto estiver correto, o ângulo de saída da tangência e o volume da esteira serão diminuídos. Esta é a razão pela qual os carros monovolume e dois volumes têm um CD∙S maior quando comparados a um carro de três volumes.

Carrocerias de carros 2½ volumes

O design de 2½ volumes (Figura 15) é uma melhoria em relação aos designs de monovolume e de dois volumes, não apenas porque a distância entre eixos e a relação altura l/h é maior, mas também devido ao volume posterior, que é menor e é orientando a separação da melhor maneira possível. Normalmente, se não houver separação no vidro traseiro, é necessário administrar a compressão sobre a área ilustrada na Figura 16.

Em particular, esta compressão irá gerar um possível efeito no arrasto, pois gera uma componente de força que atua de forma favorável para a redução do arrasto. No entanto, esta compressão deve ser coerente com o escopo do projeto do carro, pois se houver uma compressão excessiva, será gerado também um upwash e então, um arrasto. Portanto, para um carro esportivo de verdade, um spoiler traseiro é obrigatório para gerar downforce, mas a geração upwash vem com arrasto. O design da seção Y0 é extremamente importante para os carros.

Carrocerias de carro de 3 volumes

Esses efeitos também podem ser gerados em vagões de três volumes (Figura 17). Obviamente esta é a melhor situação, com a mesma relação l/h, pois este volume é menor que em um carro de dois volumes. Portanto, reduz o volume de despertar. Também neste caso, o tratamento da seção Y0 é extremamente importante para gerenciar da melhor maneira possível a compressão no volume traseiro. Esses detalhes e recursos são em função do nível de desempenho do carro. Por exemplo, em carros de médio e alto desempenho, a região de compressão deve ser aumentada. Se o carro for urbano, é melhor orientar o processo de projeto para a redução do arrasto. O projeto da seção Y0 é uma função do desempenho esperado. Se for gerado mais compressão na extremidade traseira, obviamente é criado mais downforce e arrasto, porque também é gerado upwash com o spoiler. Deve-se notar que em designs muito downwash, o foco do design está no lado do arrasto, não no vertical. Por exemplo, o Porsche 911 é um exemplo claro de volume traseiro downwash. Ele solicita um dispositivo ativo para quebrar o efeito downwash. Embora isso não seja um problema em baixas velocidades, em altas o efeito downwash cria sustentação. Portanto, o design da traseira é claramente uma função do nível de desempenho esperado.

Ferramentas aerodinâmicas para extremidades traseiras

A Figura 18 ilustra um bom exemplo de extremidade traseira. Nota-se uma situação de equilíbrio bastante evidente entre estilo e função. No entanto, este tratamento de superfície está suportando todos os contornos da carroceria do carro, portanto, o gerenciamento de esteiras.

Pelo mesmo motivo, são aplicados tratamentos de superfície no plástico e nas bordas laterais das luzes, como visto na Figura 19. A função dessas bordas é proporcionar um melhor ângulo de tangência de saída para melhorar o gerenciamento da esteira traseira.

A asa traseira às vezes é adotada em carros de alto desempenho. O objetivo é proporcionar uma boa interação entre a parte inferior da carroceria e o teto do veículo. Basicamente, o volume da esteira visto atrás do carro é afetado pela correspondência do fluxo que vem do teto e da parte inferior da carroceria.

Assoalho

Como o underbody é uma região que tem uma percepção muito baixa, o underflow é muito perturbado por causa da embalagem. Isso não é bom para a aerodinâmica, mas é difícil encontrar maneiras de melhorar a qualidade do fluxo. As soluções para melhorar o underflow são a montagem de painéis locais ou completos. Porém, do ponto de vista econômico, o painel local (Figura 21) é uma espécie de trade-off entre custo da peça, custo de produção e qualidade do fluxo.

O painel completo (Figura 22) é ainda mais difícil de implementar em termos de custo. Isso geralmente é aplicado para carros de alto desempenho e classe superior.

A Figura 23 ilustra um spoiler de plástico no para-choque dianteiro, essa função serve para limitar a compressão nas rodas. Uma roda sem esse dispositivo giraria totalmente comprimida, ou melhor, a compressão seria dividida entre a carroceria do carro e a roda. A meta é acabar com a soma da compressão no corpo e na roda, que é menor do que uma roda totalmente comprimida.

A questão é que a eficiência desse componente é muito sensível à altura do percurso e isso destaca o entendimento completo do mapa aerodinâmico do carro, mesmo em carros de rua. A razão é que, se o carro for conduzido com cinco ocupantes, em vez de apenas o motorista, haverá mais peso no carro, portanto, uma menor altura ao solo. Assim, a situação vai mudar e esse aparelho pode funcionar ou não, ou funcionar de forma negativa. Por este motivo, é obrigatório o conhecimento do mapa de altura.

Arrefecimento

A gestão do fluxo de ar do radiador baseia-se no caudal mássico através das grelhas. Existem algumas soluções para diminuir o impacto devido à entrada. Um deles é o duto de entrada para melhor recuperar a pressão na frente do radiador. A outra solução poderia ser um fechamento ativo da grelha.

O objetivo é comandar a abertura e o fechamento da churrasqueira de acordo com a situação. Por exemplo, em uma rodovia a necessidade de refrigeração é menor. Esta é uma solução difícil para carros produzidos em massa, portanto, o custo é principalmente importante. Portanto, um aplicativo de dispositivo ativo deve ser justificado pelo custo do carro.

Rodas

As rodas são uma espécie de problema que piorou com o passar dos anos. Existem três razões principais, a largura do pneu, o design e o tamanho do aro. Em termos de design do aro, sua tampa deve ser fechada por razões aerodinâmicas e muito provavelmente os pneus devem ser finos. No entanto, a tampa da roda geralmente é aberta para uma aparência esportiva. O tamanho do aro é algo que aumentou muito nos últimos 20 anos. Uma roda grande e descoberta aumenta o fluxo de enxágue.

Aerodinâmica ativa

O aerofólio ativo é algo que é aprimorado ano a ano, mas geralmente não é uma solução para carros produzidos em massa. Um dos últimos conceitos é um sistema ativo desenvolvido pela Renault que torna o carro mais longo para aumentar a relação l/h. O objetivo é explorar a correlação entre l/h e CDS. Basicamente, um carro mais longo reduz um pouco o arrasto. Um dispositivo comum é o spoiler traseiro ativo. O objetivo é reduzir a elevação traseira à medida que a velocidade aumenta.

Referências

• Este artigo foi baseado nas notas de aula escritas pelo autor durante as palestras de Aerodinâmica Industrial.